JP2015203690A - 腐食センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で正確に鉄部材に腐食が発生したタイミングを推定できる腐食センサを提供する。
【解決手段】セメント硬化体中に設けられた鉄部材の腐食を推定する腐食センサ１２０であって、鉄製の内部材１２５と、内部材１２５の周囲に設けられ、内部材１２５には接触しない鉄製の外部材１２１と、内部材１２５と外部材１２１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１２３と、を備え、セメント硬化体中に配置され、内部材１２５と外部材１２１との間に流れる電流が継続的にモニタリングされる。コンパクトな腐食センサ１２０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。
【選択図】図２

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を推定する腐食センサに関する。

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、自然電位や分極抵抗の測定装置には種々のものがある。自然電位や分極抵抗の測定は参照電極、照合電極またはプローブ等(以後、プローブ等と略す)と呼ばれる電極の電位を測定する方法による。プローブ等にはコンクリートの表面に押し付けて使用するものと、コンクリート中に埋め込んで使用するものとがある。

「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、腐食の開始時点を判断するには不十分である。また、コンクリート表面にプローブ等を押し付けて測定する場合、測定位置は任意であるが、測定箇所に十分水を浸み込ませる必要がある。この方法では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。プローブ等をコンクリート中に埋め込んで使用する場合、事前のコンクリートへの吸水は不要であるが、測定対象はプローブ等を埋め込んだ位置に限定される。

自然電位による測定方法は、鋼材が腐食しているアノード部の電位が卑側に変化していることを利用して、鋼材の腐食状況の推定を行なうものである。自然電位から鋼材の腐食状態を判定する方法としては、ASTM C 876の判定基準に基づくのが一般的である。判定では測定された電位に応じ、銅硫酸銅電極を基準として、電位が−０．２Ｖを超える場合は９０％の確率で腐食なし、−０．３５Ｖ以下の場合は９０％以上の確率で腐食ありと判定する。−０．２Ｖ以上−０．３５Ｖ未満の場合は不確定と判断する。このように自然電位による腐食の判断は確率論的であり、鋼材が確実に腐食したことを判定できない。

分極抵抗による測定方法は、コンクリートの外部から電流または電位差を負荷し、内部の鋼材の腐食速度と反比例の関係にある分極抵抗を求めることで鋼材の腐食速度を推定する方法である。この方法では腐食速度を求めることは可能であるが、計測装置が高価である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で正確に鉄部材に腐食が発生したタイミングを推定できる腐食センサ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、本発明の腐食センサは、セメント硬化体中に設けられた鉄部材の腐食を推定する腐食センサであって、鉄製の内部材と、前記内部材の周囲に設けられ、前記内部材には接触しない鉄製の外部材と、前記内部材と前記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、セメント硬化体中に配置され、前記内部材と前記外部材との間に流れる電流が継続的にモニタリングされることを特徴としている。

これにより、簡易な構成で正確に鉄部材に腐食が発生したタイミングを推定できる。また、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。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、本発明の腐食センサの測定原理は、測定対象となる鉄部材（鉄製の外部材）の腐食に伴って発生する電流を直接測定するものである。そのため該鉄部材の腐食速度が早い場合、単位時間あたりに発生する電流量は増加し、腐食速度が遅い場合の電流量は低下する。また、腐食発生からの積算電流量は鉄部材の腐食量に比例する。すなわち、本発明の腐食センサは腐食の発生を確実に検知できるだけでなく、腐食速度や腐食量の判定も行なうことができる。

（２）また、本発明の腐食センサは、前記内部材の材料が、前記外部材の材料と同じであることを特徴としている。これにより、外部材に腐食が生じたとき、内部材の表面との間に電位差が生じ両者間に電流が生じる。

（３）また、本発明の腐食センサは、前記外部材の材料が、前記セメント硬化体中の鉄部材と同じであることを特徴としている。これにより、外部材に腐食が生じたときには、同様の条件下のセメント硬化体中の鉄部材にも同様に腐食が生じていることを推定できる。

（４）また、本発明の腐食センサは、前記外部材が、円筒に形成され、前記内部材は、円柱または円筒に形成されていることを特徴としている。これにより、鉄筋などの実構造物中の鉄部材に類似した形状の腐食センサを容易に構成できる。

（５）また、本発明の腐食センサは、前記外部材が、前記セメント硬化体中の鉄部材である鉄筋をくり抜いて形成されていることを特徴としている。これにより、鉄筋と同様の形状の腐食センサを形成でき、腐食センサとしての正確性を向上させることができる。

（６）また、本発明の腐食センサは、前記充填部が、セメントペーストまたはモルタルで形成されていることを特徴としている。これにより、内部材と外部材とを所定の位置に固定した上で、セメントペーストまたはモルタルを流し込めば容易に腐食センサを形成でき、製造上の作業性を向上できる。

（７）また、本発明の腐食センサは、前記外部材が、網状に形成されていることを特徴としている。これにより、外部材の表面積を大きくし感度を高めることができる。

本発明によれば、簡易な構成で正確に鉄部材に腐食が発生したタイミングを推定できる。また、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。さらには、腐食速度や腐食量の判定も行なうことができる。

腐食検知システムを示す概略図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の腐食センサの正面図および側断面図である。 実施例１で腐食センサが検出した電流値の推移を示すグラフである。 （ａ）（ｂ）実施例２の測定に用いられるモルタル供試体を示す側断面図および正断面図である。

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）
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２００（鉄部材）の腐食を検知するためのシステムである。コンクリート１１０中には鉄筋２００の近傍に腐食センサ１２０が埋設されている。腐食センサ１２０は、鉄筋２００の近傍であってコンクリートの表面から見て鉄筋２００より、好ましくは０〜１０ｍｍ（より好ましくは０〜５ｍｍ）手前側に配置する。

なお、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。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、図中の短い鉄筋２００は、一例であり、実構造物の全体にわたるような鉄筋であってもよい。その場合には、各位置において腐食を推定できる。

（腐食センサ）
図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ腐食センサ１２０の正面図および側断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）における断面２ｂによる断面図である。腐食センサ１２０は、外部材１２１、充填部１２３および内部材１２５を備えている。

外部材１２１は、鉄製であり、内部材１２５の周囲に設けられ、内部材１２５には接触しない。外部材１２１の材料は、セメント硬化体中の鉄部材と同じであることが好ましい。これにより、外部材１２１に腐食が生じたときには、同様の条件下のセメント硬化体中の鉄部材にも同様に腐食が生じていることを推定できる。充填部１２３は、セメント硬化体で構成され、内部材１２５と外部材１２１との間に充填されている。

外部材１２１は、円筒に形成され、内部材１２５は、円柱または円筒に形成されていることが好ましい。これにより、鉄筋などの実構造物中の鉄部材に類似した形状の腐食センサ１２０を容易に構成できる。

外部材１２１は、セメント硬化体中の鉄部材である鉄筋をくり抜いて形成されてもよい。これにより、鉄筋と同様の形状の腐食センサ１２０を形成でき、腐食センサ１２０としての正確性を向上させることができる。また、外部材１２１は、網状に形成されていてもよい。これにより、外部材１２１の表面積を大きくして感度を高めることができる。

内部材１２５は、鉄製である。内部材１２５の材料は、外部材１２１の材料と同じであることが好ましい。これにより、外部材１２１に腐食が生じたとき、内部材１２５の表面との間に電位差が生じ両者間に電流が生じる。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。

充填部１２３は、セメントペーストまたはモルタルで形成されていることが好ましい。これにより、内部材１２５と外部材１２１とを所定の位置に固定した上で、セメントペーストまたはモルタルを流し込めば容易に腐食センサ１２０を形成でき、製造上の作業性を向上できる。該セメントペーストまたはモルタルでは、水／セメント質量比が０．４〜１．０で、細骨材／セメント質量比が０〜３．０であることが好ましい。

コンクリート１１０中の腐食は腐食センサ１２０の外部材１２１と内部材１２５の間に腐食電池が形成されることにより生じる。外部材１２１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。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。

腐食検知システム１００は、腐食センサ１２０に接続された電流計１４０およびメモリ１５０を備えている。電流計１４０は、外部材１２１および内部材１２５に、リード線１３０、１３５でそれぞれ接続され、その間に流れる電流を測定する。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こと、ならびにそのタイミングを推定できる。また、電流量を一定時間測定することで単位時間あたりの電流密度を求めることができる。電流密度は単位時間あたりの腐食に伴う電子の放出量、すなわち腐食速度と相関があるため、分極抵抗法の代替としても有効である。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。計測された電流量の積分値はこれまでの腐食に伴う電子の放出量、すなわち総腐食量と相関があるため、通常コンクリート中から鉄筋を取り出して測定する腐食減量の代替として、コンクリート中の鋼材の総腐食量を推定することが可能である。

腐食検知システム１００は、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、総腐食量の推定が不要の場合は、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。

（腐食センサの作製方法）
上記のように構成された腐食センサ１２０の作製方法の一例を説明する。まず、測定しようとする対象の鉄筋と同じ鉄筋を所定の長さ（１００ｍｍ程度）に切り出す。そして、切り出された鉄筋の中心軸に沿って貫通孔を加工し、外部材とする。一方、対象の鉄筋と同じ材料で十分な余裕を持ってその貫通孔に挿入できる径の棒部材を用意し、これを所定の長さに切り出し、内部材とする。

次に、外部材の貫通孔に接触しないよう内部材を挿入し、これらを治具等で固定し、両者の間にセメントモルタルを充填する。そして、外部材と内部材のそれぞれにリード線を接続し、接続部を樹脂で被覆する。このようにして得られた腐食センサは、腐食を推定する対象の鉄筋の近傍で、その鉄筋より若干コンクリート表面に近い側に埋設する。そして、リード線を電流計に接続すれば、腐食センサが動作する。なお、必ずしも鉄筋を切り出して加工する必要はなく、予め同じ材料の管状部材を準備しておいてもよい。

（腐食センサの使用方法）
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２００に腐食が生じたことを推定する方法を説明する。この方法は、鉄筋２００よりも表面側に配置した腐食センサ１２０が、外部からの塩分の浸透などによって腐食し始め、外部材１２１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。

外部材１２１および内部材１２５は電流計を介して接続されているため、外部材１２１と内部材１２５と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鉄筋２００の腐食を推定することができる。

セメント硬化体中に配置され、内部材１２５と外部材１２１との間に流れる電流が継続的にモニタリングされる。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。これにより、簡易な構成で正確に鉄部材に腐食が発生したタイミングを推定できる。

（実施例１）
腐食センサによるマクロセル腐食電流値を測定する実験を行なった。外部材には、Ｄ２５の鉄筋を用い、これを長さ８０ｍｍ、肉厚５ｍｍの管状に加工し、表面黒皮は除去した。内部材には、長さ１００ｍｍのＤ６丸鋼を用い、外部材の管状鋼材と接触しないように、両者間にセメントモルタル（水／セメント比は６０質量％、細骨材／セメント比は２００質量％、細骨材は珪砂５号を使用）を充填した。

外部材および内部材にそれぞれリード線としてケーブルを接続し、部材の端部はエポキシ樹脂で被覆した。このような構成の腐食センサを用い、１５分間隔で電流値を連続測定した。測定開始から約５時間後、電流値が安定したことが確認された後で、外部材の外側に３％塩化ナトリウム水溶液を接触させ、電流測定を継続した。約７時間後、電流値が変化し始め（この段階で鉄筋に腐食が認められた）、その後電流値は上昇し続けた。図３は、腐食センサが検出した電流値の推移を示すグラフである。このように、腐食センサを用いて腐食により生じた電流を検出することで、近傍に設けられた鋼材の腐食を推定できることが実証された。

（実施例２）
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれモルタル供試体３００を示す側断面図および正断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示す寸法のモルタル供試体３００を用意し、腐食検知の測定を行なった。なお、図中の数値の単位は、ｍｍである。

モルタル供試体３００の上面には、凹形状に形成されたプール部３１５が形成されている。モルタル供試体３００では、ＮａＣｌ溶液を貯めるプール部３１５の底から１０ｍｍのかぶりを設けて腐食センサ（実施例１で製造したものと同じ）１２０を配置している。
モルタル供試体３００の上面のプール部３１５には１０％ＮａＣｌ溶液を満たした。なお、モルタル供試体３００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＝０．４、ｓ／ｃ＝２．０とした。

このような状態で、試験期間を変えて継続的に電流値を測定した。第１のモルタル供試体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た。そして、第１のモルタル供試体を切断し、腐食センサの腐食状況を確認したところ、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。

第２のモルタル供試体でも電流値の変化が測定開始後７８日目に確認された。その後、１００日目まで測定を続けた。計測された電流量の積分値は、第１のモルタル供試体の約９倍であった。また、第２のモルタル供試体を切断し、腐食センサの腐食状況を確認したところ、第１のモルタル供試体の場合の１０倍程度の面積の腐食が発生していることを確認できた。

１００ 腐食検知システム
１１０ コンクリート
１２０ 腐食センサ
１２１ 外部材
１２３ 充填部
１２５ 内部材
１３０ リード線
１４０ 電流計
１５０ メモリ
２００ 鉄筋
３００ モルタル供試体
３１０ モルタル
３１５ プール部

Claims (7)

1. セメント硬化体中に設けられた鉄部材の腐食を推定する腐食センサであって、
   鉄製の内部材と、
   前記内部材の周囲に設けられ、前記内部材には接触しない鉄製の外部材と、
   前記内部材と前記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、
   セメント硬化体中に配置され、前記内部材と前記外部材との間に流れる電流が継続的にモニタリングされることを特徴とする腐食センサ。
2. 前記内部材の材料は、前記外部材の材料と同じであることを特徴とする請求項１記載の腐食センサ。
3. 前記外部材の材料は、前記セメント硬化体中の鉄部材と同じであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の腐食センサ。
4. 前記外部材は、円筒に形成され、前記内部材は、円柱または円筒に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の腐食センサ。
5. 前記外部材は、前記セメント硬化体中の鉄部材である鉄筋をくり抜いて形成されていることを特徴とする請求項４記載の腐食センサ。
6. 前記充填部は、セメントペーストまたはモルタルで形成されていることを特徴とする請求項１記載の腐食センサ。
7. 前記外部材は、網状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の腐食センサ。

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