JP2015187559A - 腐食検知方法および腐食検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で容易に鉄部材に腐食が発生したタイミングを知ることができる腐食検知方法および腐食検知システムを提供する。
【解決手段】セメント硬化体（１１０）中に配置された２つの鉄部材（１２０、１２５）の間に電流が流れるか否かを継続的にモニタリングするステップと、モニタリングにより有意な電流値が検出されたときには腐食が発生したと判断するステップと、を含む。これにより、簡易な構成で容易に鉄部材（１２０）に腐食が発生したタイミングを知ることができる。また、小さな腐食でも確実に腐食の発生を検知できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セメント硬化体中に設けられた鉄部材の腐食検知方法および腐食検知システムに関する。

コンクリート中にある鋼材は、セメントのアルカリによってその表面に不動態被膜（酸化被膜）を形成し、恒久的な耐腐食状態に置かれる。しかし、何らかの原因によってコンクリート中に塩化物イオンが浸透し、鋼材の表面に達して、ある濃度に達すると、鋼材表面の不動態被膜が破壊され、腐食を生じる。すなわち、水酸化物イオンと塩化物イオンのモル比に依存し、[Cl-]/[OH-]がある閾値を越えると腐食を生じ始める。

このような腐食に対するコンクリート構造物の耐久性、特に塩害に対する耐久性の判定や、その確保は極めて重要な課題である。そして、鋼材が腐食を生じ始めたか否かを判定する手法としては、鋼材の自然電位や分極抵抗を測定する方法が知られている（例えば、非特許文献１）。

このような方法では、作業者がコンクリートを水で濡らし十分に水が浸み込んだ部分に対しセンサを用いて測定作業を行なう。また、自然電位、分極抵抗を測るには、特殊な装置が必要になる。

「コンクリート診断技術’08基礎編」、日本コンクリート工学会、2008.3、P160-168

しかしながら、上記のような自然電位や分極抵抗を測定する方法は、測定位置における鋼材に対する腐食環境や腐食速度の判断には有効であるが、測定位置以外の腐食開始位置を判断することはできない。また、コンクリートに水を浸み込ませてセンサで検知する作業の作業負担が大きく、コンクリートを水に濡らして実際に浸み込むまでは時間がかかるため、非常に非効率でコストもかかる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で容易に鉄部材に腐食が発生したタイミングを知ることができる腐食検知方法および腐食検知システムを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の腐食検知方法は、セメント硬化体中に配置された２つの鉄部材の間に電流が流れるか否かを継続的にモニタリングするステップと、前記モニタリングにより有意な電流値が検出されたときには腐食が発生したと判断するステップと、を含むことを特徴としている。

これにより、簡易な構成で容易に鉄部材に腐食が発生したタイミングを知ることができる。また、位置によらず小さな腐食でも確実に腐食の発生を検知できる。また、この方法を応用することで、セメント硬化体の種類に応じた腐食発生限界塩分の正確な値を測定することができる。なお、セメント硬化体とは、セメントや高炉スラグ等の水硬性物質を結合材としたコンクリート、モルタル、セメントペースト等のセメント組成物の硬化体をいう。また、有意な電流値とは、測定精度によるばらつきを超えて検出された電流値を指す。

（２）また、本発明の腐食検知方法は、前記モニタリングが、メモリ付きの電流計を用い、連続的に電流値を蓄積して行なうことを特徴としている。これにより、モニタリングを自動化し、長期間にわたり継続的に腐食を監視することができる。

（３）また、本発明の腐食検知方法は、前記２つの鉄部材のうちの一方が、実構造物の鉄筋であり、他方は、添え筋であることを特徴としている。これにより、実構造物の鉄筋のどこかで腐食が始まった場合には即座に腐食を検知することができる。

（４）また、本発明の腐食検知方法は、前記電流発生の検出により、前記実構造物の鉄筋全体に対する腐食の発生時を特定するとともに、腐食が発生した際には、局所的に前記実構造物の鉄筋の自然電位または分極抵抗を測定し、前記実構造物の鉄筋全体に対して腐食位置を特定することを特徴としている。これにより、腐食発生の際にその位置を特定することができる。

（５）また、本発明の腐食検知方法は、前記電流をモニタリングする電流計に、５Ω以上１５Ω以下の抵抗値を有する抵抗を用いることを特徴としている。これにより、電流が発生したときには安定した早期の検出が可能になる。

（６）また、本発明の腐食検知システムは、セメント硬化体中に配置された２つの鉄部材の間に接続された電流計と、前記電流計で測定された電流値を連続的に記録するメモリと、を備えることを特徴としている。これにより、簡易な構成で容易に鉄部材に腐食が発生したタイミングを知ることができ、モニタリングを自動化し、長期間にわたり継続的に腐食を監視することができる。

本発明によれば、簡易な構成で容易に鉄部材に腐食が発生したタイミングを知ることができる。

本発明の腐食検知システムを示す概略図である。 電流計の構成例を示す概略図である。 （ａ）（ｂ）それぞれ測定に用いられるモルタル供試体を示す正断面図および側断面図である。 （ａ）（ｂ）それぞれ電流値に変化があったモルタル供試体および電流値に変化が無かったモルタル供試体の断面写真を示す図である。 （ａ）（ｂ）それぞれ電流値に変化があったモルタル供試体および電流値に変化が無かったモルタル供試体の電流値の推移を示すグラフである。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（腐食検知システムの構成）
図１は、腐食検知システム１００を示す概略図である。腐食検知システム１００は、
コンクリート１１０（セメント硬化体）中の鉄筋１２０（鉄部材）の腐食を検知するためのシステムである。なお、鉄筋１２０、１２５は、コンクリート１１０を介して離して配置されている。鉄筋１２５は、対極となる鉄部材（付加鉄部材）であり、コンクリートの表面から見て鉄筋１２０より、好ましくは５〜２０ｍｍ（より好ましく５〜１５ｍｍ）奥側に配置する。

コンクリート１１０中の腐食は鉄筋１２０、１２５の間に腐食電池が形成されることにより生じる。鉄筋１２０の表面の不動態皮膜が破壊されて腐食を生じ始めたとき、腐食部における鉄原子はイオン化し、その際、瞬間的に放出された電子により電流が流れる。

このような鉄部材が腐食を生じ始めたときに発生する電流（電気化学的パルスと呼ばれる）を検出することで、腐食発生時の電流を検知できる。その結果、電気化学的パルスが発生した時点、すなわち鉄筋１２０の表面における塩化物イオン濃度が「鋼材腐食発生限界塩化物イオン濃度」に達した時点を判断できる。

腐食が進行するとき、電気化学的パルスは間欠的あるいは連続的に発生し、不動態皮膜の形成や打込み直後の腐食を検知できる。また、それとともに、硬化後に腐食が継続しているか否かを判断することができるため、効率的な試験が可能となる。

図１に示すように、腐食検知システム１００は、電流計１４０およびメモリ１５０を備えている。コンクリート１１０は、セメント、水、細骨材、粗骨材、混和材料を原料とし、硬化している。なお、図１におけるコンクリート１１０は、セメント硬化体の一例であり、これに代えてモルタルやセメントペーストであってもよい。

なお、図中の鉄筋１２０は、一例であり、後述のように実構造物の全体にわたるような鉄筋であってもよい。鉄筋１２０、１２５は同じ材質であることが好ましい。材料がほぼ同じで防食状態にあれば電流は流れないが、一方の防食状態が変わったときに電流が流れることになる。

電流計１４０は、２つの鉄筋１２０、１２５に、リード線１３０、１３５でそれぞれ接続され、鉄筋１２０、１２５の間に流れる電流を測定する。電流計１４０には、微弱ではあるが電池の電流を測る程度の装置を用いればよく、高価な装置や特別な道具は必要ない。

メモリ１５０は、電流計１４０で測定された電流値を連続的に記録する。これにより、モニタリングを自動化し、長期間にわたり継続的に腐食を監視することができる。例えば、電流計１４０とメモリ１５０とが一体になりＰＣに接続できるようなデータロガを用いるのが好ましい。なお、腐食検知システム１００は、メモリ１５０を備える方が好ましいが、長期間電流値を監視できる状況が確立されていればメモリなしで構成されていてもよい。

（電流計の構成）
図２は、電流計１４０の構成例を示す概略図である。図２に示すように、電流計１４０は、高感度電圧測定器１４３およびシャント抵抗１４５を備えている。高感度電圧測定器１４３は、例えば静ひずみ計のように検出した微小な電圧を増幅して出力する測定器である。

また、シャント抵抗１４５は、回路の電流を検出するための抵抗器であり、その抵抗値は特に限定するものではないが、本発明においては５Ω以上１５Ω以下の抵抗値を有することが好ましい。抵抗値を５Ω以上とすることで計測精度が向上する。また抵抗値を１５Ω以下とすることで電流が安定するまでの時間を短くすることができる。その結果、電流が発生したときには安定した早期の検出が可能になる。なお、上記のシャント抵抗１４５を用いた電流計１４０の構成は一例であり、このような構成だけに本発明を限定するものではない。

（腐食検知方法）
上記のように構成された腐食検知システム１００を用いて、コンクリート１１０（セメント硬化体）中に配置された鉄筋１２０に腐食が生じたか否かを検知する方法を説明する。この方法は、鉄筋１２５よりも表面側に配置した鉄筋１２０が、外部からの塩分の浸透などによって腐食し始め、鉄筋１２０の表面で鉄原子がイオン化して放出する電子をモニタリングするものである。鉄筋１２０と鉄筋１２５は電流計を介して接続されているため、鉄筋１２０と１２５の間で腐食電池が形成される。そこに発生する電流をモニタリングすることで鋼材の腐食を検知することができる。

まず、コンクリート１１０中に配置された鉄筋１２０、１２５（鉄部材）の間に電流が流れるか否かを継続的にモニタリングする。そして、モニタリングにより有意な電流値が検出されたときには腐食が発生したと判断する。

なお、上記本発明の方法を応用することで、コンクリートの種類に応じた腐食発生限界塩分の正確な値を測定することができる。なお、従来から、鉄部材の腐食発生限界塩化物イオン濃度を判定する方法には、コンクリートやモルタルの練混ぜ時に予め塩分を練り込み、コンクリートが硬化した後に鋼材を取り出して、鋼材表面に生じた腐食の状態を観察する方法が知られている。

しかし、この従来の方法ではセメントが硬化する前に鋼材腐食が発生して、硬化後に腐食が継続していないにも関わらず、鋼材腐食発生限界塩化物イオン濃度に達したと判断されるおそれがある。一方、本発明の方法を応用すれば、そのようなおそれはない。

（実構造物への応用）
本発明の方法は、実構造物のコンクリート中に埋設された鉄筋の腐食検知に応用することができる。コンクリート中では多数本の鉄筋などの鋼材が結束線と呼ばれる鋼材で緊結されており、電気的にはこの鉄筋相互の接点で接続されている。鉄筋の電気抵抗はコンクリートに比べて格段に小さいため、鉄筋の腐食に伴って発生する電流は緊結された鉄筋全体に流れる。したがって、鉄筋１２５として示した対極をどの位置に配置しても、鉄筋１２０に相当する鉄筋のどこかで発生した腐食を即座に検知することができる。

実構造物における鉄部材の腐食の判定には、従来から様々な非破壊試験方法が提案されている。しかし、いずれもその非破壊試験を行なった位置（測定位置）における腐食環境や腐食速度、腐食の発生を判定するものである。言い換えれば、これらの非破壊試験方法では、測定位置から外れた位置で腐食を生じたとしても検知することができない。

従来の評価法では、測った部分が腐食していなければ腐食していないという評価になるため、実際には別の場所で腐食していても腐食していないことになるという不具合があった。したがって、構造物の健全性を正確に認識できなかった。一方、本発明の方法では、添え筋をセンサーとして用いることで、測定位置から離れた場所で発生した電流を捉えることができるので、上記のように実構造物中の鉄筋のどこかで発生した腐食を確実に検知することができる。

本発明の方法はコンクリート構造物の補強用に配置されている鉄筋やＰＣ鋼材などを測定対象鋼材とすることから、これらの腐食を直接測定することに特徴がある。また、その測定原理から、構造物の広範囲での腐食発生を捉えることができる。なお現在、本発明以外で、構造物の広範囲な区間を対象とした腐食測定方法は存在しない。

本発明の方法を応用すれば、新設時に限らず、保守時にも、実際の鉄筋に結線して電流計をつないで電流を常にモニタリングしておけば構造物中の鉄筋のどこかで腐食が発生した場合にまさに腐食が始まったことが分かる。従来は、ピンポイントの測定位置で測ろうとしたことはあっても、構造物全体のどこかで腐食が生じていること測定しようという発想はない。

上記の方法に対し、さらに自然電位法または分極抵抗法を組み合わせて用いることもできる。その場合には、まず腐食検知システム１００を用いた電流発生の検出により、実構造物の鉄筋全体に対する腐食の発生時を特定する。そして、腐食が発生した際には、局所的に実構造物の鉄筋の自然電位または分極抵抗を測定し、実構造物の鉄筋全体に対して腐食位置を特定する。これにより、腐食発生の際にその位置を特定することができる。

（他の方式）
なお、上記のような添え筋方式以外にも、鉄製の内部材と、内部材の周囲に設けられ、内部材には接触しない鉄製の外部材と、内部材と外部材との間に充填されたセメント硬化体で構成された充填部とを備える腐食センサを用いることもできる。この場合、コンパクトな腐食センサをセメント硬化体中に配置すればよいため、容易に鉄部材の腐食を推定できる。

［実施例］
上記のように構成された腐食検知システムと同様なモルタル供試体を用意し、腐食検知の測定を行なった。図３（ａ）（ｂ）は、それぞれ測定に用いられるモルタル供試体を示す正断面図および側断面図である。モルタル供試体２００およびそのモルタル２１０の内部に配置されたみがき鉄筋２２０、２２５の各寸法は、図３（ａ）（ｂ）に示す通りであり、寸法を示す数値の単位は、ｍｍである。モルタル供試体２００はセメントとして普通ポルトランドセメントを、細骨材として山砂（粗粒率２．７９）を用い、ｗ／ｃ＝０.３５〜０.５５、ｓ／ｃ＝１．６〜２．８とした。

モルタル供試体２００の上面には、凹形状に形成されたプール部２１５が形成されている。モルタル供試体２００では、ＮａＣｌ溶液を貯めるプール部２１５の底から１０ｍｍのかぶりを設けて検知対象の鉄筋２２０を配置している。さらにその下に１５ｍｍ離して対極の鉄筋２２５を配置している。

測定の手順は以下の通りである。まず、２本のＤ１３みがき鉄筋が内部に配置された複数のモルタル供試体２００を準備した。次に、鉄筋端部にリード線を配置し、データロガに結線した。そして、モルタル供試体２００の上面のプール部２１５に１０％ＮａＣｌ溶液を満たした。

このような状態で、データロガにより継続的に電流値を測定し、変化が生じた時点で、モルタル供試体２００を取り出して鉄筋腐食状況を確認した。その際に、鉄筋近傍の塩化物イオン量を測定し、発錆限界塩分量を求めた。

例としてモルタル供試体２００−１、２００−２について行なった測定結果を説明する。モルタル供試体２００−１では電流値の変化が測定開始後７８日目に確認された。その後、８３日目まで測定を続け、その後、モルタル供試体２００−１を取り出して切断し、鉄筋腐食状況を確認したところ、鉄筋２２０−１に小指の爪程度の大きさの腐食が発生していることを確認できた。また、鉄筋２２０−１とモルタルとの境界面の塩化物イオン濃度を測定したところ、１５．２ｋｇ／ｍ^３だった。

また、モルタル供試体２００−２では測定開始後７８日目まで電流値の変化を確認できなかった。その時点でモルタル供試体２００−２を取り出して切断し、鉄筋腐食状況を確認したところ、鉄筋２２０−２には腐食が発生していないことを確認できた。

図４（ａ）（ｂ）は、それぞれ電流値に変化があったモルタル供試体２００−１および電流値に変化が無かったモルタル供試体２００−２の断面写真を示す図である。図５（ａ）（ｂ）は、それぞれ電流値に変化があったモルタル供試体２００−１および電流値に変化が無かったモルタル供試体２００−２の電流値の推移を示すグラフである。これまで行なった実験にける腐食の検出精度は１００％と、極めて高精度であった。

１００ 腐食検知システム
１１０ コンクリート
１２０、１２５ 鉄筋
１３０、１３５ リード線
１４０ 電流計
１４３ 高感度電圧測定器
１４５ シャント抵抗
１５０ メモリ
２００、２００−１、２００−２ モルタル供試体
２１０ モルタル
２１５ プール部
２２０、２２０−１、２２０−２ 鉄筋
２２５ 鉄筋

Claims (6)

1. セメント硬化体中に配置された２つの鉄部材の間に電流が流れるか否かを継続的にモニタリングするステップと、
   前記モニタリングにより有意な電流値が検出されたときには腐食が発生したと判断するステップと、を含むことを特徴とする腐食検知方法。
2. 前記モニタリングは、メモリ付きの電流計を用い、連続的に電流値を蓄積して行なうことを特徴とする請求項１記載の腐食検知方法。
3. 前記２つの鉄部材のうちの一方は、実構造物の鉄筋であり、他方は、添え筋であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の腐食検知方法。
4. 前記電流発生の検出により、前記実構造物の鉄筋全体に対する腐食の発生時を特定するとともに、腐食が発生した際には、局所的に前記実構造物の鉄筋の自然電位または分極抵抗を測定し、前記実構造物の鉄筋全体に対して腐食位置を特定することを特徴とする請求項３記載の腐食検知方法。
5. 前記電流をモニタリングする電流計には、５Ω以上１５Ω以下の抵抗値を有する抵抗を用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の腐食検知方法。
6. セメント硬化体中に配置された２つの鉄部材の間に接続された電流計と、
   前記電流計で測定された電流値を連続的に記録するメモリと、を備えることを特徴とする腐食検知システム。