JP2017072592A - 試験槽、試験装置および試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】土壌中の通気差によるマクロセル腐食を再現し、短期間で土壌中の鋼材の腐食評価が可能な試験槽、試験装置およびそれを用いた試験方法を提供する。【解決手段】試験土壌により構成される層が複数積層された積層体１０と試験片２０とを用いて、試験片２０の腐食試験を行う試験槽１００であって、底部１と、底部１から上方に延びる筒状の側部２と、底部１および側部２の少なくとも一方に形成された排水部３とを備え、積層体１０は少なくとも排水部３の上方まで存在するように底部１上に設けられ、複数積層された層のうちの少なくとも２つの層１０ａ，１０ｂを構成する前記試験土壌は、互いに異なる粒径の粒子からなり、試験片２０は、２つの層１０ａ，１０ｂに接触するように設けられる、試験槽１００。【選択図】 図１

Description

本発明は、試験槽、試験装置および試験方法に係り、特に土壌中の通気差によるマクロセル腐食を再現するための試験槽、試験装置およびそれを用いた試験方法に関する。

鋼管杭および鋼矢板等は、土木建築用の基礎として土壌中に埋設されて使用される。我が国の一般的な土壌中の鋼の平均腐食速度は、０．０１ｍｍ／ｙと小さいため、土壌で使用される土木建築用の鋼材として、ＪＩＳ Ｇ ３１０１（２０１５）で規定される一般構造用圧延鋼材（ＳＳ材）およびＪＩＳ Ｇ ３１０６（２０１５）で規定される溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ材）等の一般的な鋼材が使用されている。

しかし、複数地層または地下水層を貫通して打設される鋼材においては、局所的な腐食が進行し、この鋼材を使用した構造物の安全性および信頼性が低下するおそれがある。

土壌中の鋼の腐食は、ミクロセル腐食とマクロセル腐食とに分類される。ミクロセル腐食は、鋼の溶出するアノード部と腐食しないカソード部とが分離できないような、微細なミクロセルを形成するものであり、鋼材が全面的に腐食するのが特徴である。ミクロセル腐食としては、微生物腐食、酸性土壌腐食および一般土壌腐食が知られている。

微生物による腐食は、泥湿地など嫌気性雰囲気の環境で微生物の活動により生成した硫化水素などの腐食因子により鋼の腐食が進行するものである。そのため、微生物の活動を抑制するために環境改質の実施や、鋼材外面をポリエチレンなどの有機樹脂によるライニングにより微生物腐食を抑制することができる。

酸性土壌腐食は、海成粘土の分布する地域、または熱帯から亜熱帯地域におけるマングローブが分布する地域において確認されている。酸性土壌において、海底または河口におけるヘドロ中で微生物の活動により形成した硫化鉄（ＦｅＳ_２）の酸化反応により土壌ｐＨが低下することが知られている。

しかし、硫化鉄の水または空気との酸化反応は極めて遅く、酸化性の微生物が共存する場合を除いて、酸性土壌中のｐＨは２〜３程度である。一般に、酸性水溶液環境においては、水素発生反応がカソード反応としてミクロセルを駆動させる。しかし、土壌中においては鋼材表面における接触水体積が小さいことから、腐食反応の進行に従って鋼材接触土壌のｐＨは上昇すると考えられるため、酸性水溶液のように継続して腐食が進行しないと考えられる。

マクロセル腐食は、腐食するアノード部と腐食しないカソード部とが明確に分かれ、アノード部からカソード部へ土壌または地下水等を通って電流が流れるマクロセルを形成するものである。マクロセル腐食により、鋼材に局部的な腐食が発生する。マクロセル腐食としては、コンクリートと土壌間におけるマクロセル腐食、異種金属マクロセル腐食、土壌間の通気差によるマクロセル腐食等が知られている。

コンクリートはｐＨ１３程度の強アルカリ性であり、コンクリート中の鋼材表面には不動態皮膜が形成され、腐食が防止される。一方、土壌はほぼ中性であることから、土壌に直接接触している鋼材は自然腐食環境に曝される。土壌中における鋼材がアノード、コンクリート中の鋼材がカソードとなり、マクロセルが形成され、腐食が進行する。コンクリートと土壌間のマクロセル腐食は、コンクリートと土壌との境界部分において発生することが多い。このコンクリートと土壌との間でのマクロセル腐食は、土壌中における鋼材をポリエチレンまたは塩化ビニルなどの有機樹脂によりライニングすることにより防ぐことが可能である。

異種金属マクロセル腐食は、異なる電位を有する２種類の金属が接触させ、両者の電位の相違によりマクロセルを形成し、卑な電位の金属が腐食するものである。鋼管杭または鋼矢板を構成する鋼材においては、異種金属を使用することはないため、異種金属マクロセル腐食は通常発生しない。

土壌中においては、深さによって土壌の質が異なり、粘土質等の水分が多く通気性の悪い部分と、砂質土壌等の水分が少なく通気性の良い部分とが存在し、この通気性の差によって土壌中の酸素濃度の差が生じる場合がある。通気性の悪い土壌に接する部分の鋼材がアノード、通気性の良い土壌に接する部分の鋼材がカソードとなって形成されるマクロセルによって通気差によるマクロセルが形成される。通気差マクロセル腐食は、土壌中の酸素濃度の差に起因するものであり、地下水の存在または設置の際の埋め戻しによって、異質な土壌が層状またはランダムに分布している場合に発生し得る。以上より、土壌中において懸念すべき腐食は通気差マクロセル腐食である。

通気差マクロセル腐食を再現する試験として、例えば特許文献１には、模擬土壌を用いた鋼材の土壌腐食試験方法が開示されている。特許文献１に開示された試験方法は、具体的には、模擬土壌粒子としてＪＩＳ特級二酸化珪素（石英型）を用い、実際の土壌として、関東ロームを５０℃にて７日間乾燥させ、団粒状に固まったものを粉砕し、小石、草の根などの異物を除去するため、目開き１ｍｍのフルイを通過するものを使用している。さらに、イオン交換水を用いて含水率１５ｍａｓｓ％とし、容量２Ｌの密封できるポリ容器の底面に上記鋼材を試験面が上になるように設置し、鋼材面が土壌に接するように、その上から約５００ｍＬの土壌を入れた後密閉して、４０℃にて一定期間保持したものである。

また、特許文献２では、発明鋼および比較鋼を、塩分濃度４０ｐｐｍ、土中抵抗率２０００Ω・ｃｍ、ｐＨ＝７の実土中に全長４ｍの鋼板を縦方向に１０年間埋設試験を実施し、鋼材の全面腐食速度および鋼材の局所領域が著しく腐食されていないか、マクロセル腐食の有無の確認を行っている。

さらに、特許文献３では、３．５％ＮａＣｌを含む湿った土を容器に充填し、鋼材を差し込み、６カ月間屋外に置き、１週間に１回の周期で３．５％ＮａＣlを散布し、底面の排出口より排水することにより、土壌腐食雰囲気を保った状態での腐食試験を実施している。

特開２０１１−７５４７７号公報 特開２０００−３３６４６３号公報 特開平４−９９２８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された試験方法は、含水率を変えた単一土壌中に鋼材を埋設していることから、土壌中のミクロセル腐食を再現することは可能であるが、土壌の通気差によるマクロセル腐食を再現することは難しい。

特許文献２においては、実際の土壌環境に鋼材を埋設し、腐食試験を実施している。実環境中での腐食試験は、非常に有効でかつ信頼性のおける腐食試験である。しかし、マクロセルによる腐食の有無を確認するのに１０年間もの長期間必要であること、異なる土壌環境での耐食性を評価するためには膨大な試験数が必要であることから、早期に土壌中の腐食を検証する試験には適していない。

特許文献３に記載の土壌腐食試験では、上述のように、３．５％ＮａＣｌを含む湿った土を容器に充填した上で、１週間おきに３．５％ＮａＣlを散布している。しかし、平成２３年農林水産省農村振興局による農地の除塩マニュアルによれば、通常の土壌中のＣｌイオン濃度は０．０５〜０．５％で、ＮａＣｌ換算で塩濃度は、０．０８〜０．８％である。海水が浸入するような土地においては海水の塩分濃度である３．５％と同等以上の塩分濃度になる可能性があるが、このような高塩分環境ではむしろ鋼材の全面的に腐食が進行する可能性が大きく、通気差によるマクロセル腐食を再現することは困難である。

本発明は、土壌中の通気差によるマクロセル腐食を再現し、短期間で土壌中の鋼材の腐食評価が可能な試験槽、試験装置およびそれを用いた試験方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、特に土壌中の鋼材の通気差マクロセル腐食は、積層する土壌間の含水率の差に関係があることを見出した。

本発明は、上記の知見を基礎としてなされたものであり、下記の試験槽、試験装置および試験方法を要旨とする。

（１）試験土壌により構成される層が複数積層された積層体と試験片とを用いて、前記試験片の腐食試験を行う試験槽であって、
底部と、
前記底部から上方に延びる筒状の側部と、
前記底部および前記側部の少なくとも一方に形成された排水部とを備え、
前記積層体は少なくとも前記排水部の上方まで存在するように前記底部上に設けられ、
前記複数積層された層のうちの少なくとも２つの層を構成する前記試験土壌は、互いに異なる粒径の粒子からなり、
前記試験片は、前記２つの層に接触するように設けられる、試験槽。

（２）前記排水部が、前記積層体が有する層同士の境界のうちの少なくとも１つと接するように前記側部に形成される、上記（１）に記載の試験槽。

（３）前記２つの層を構成する試験土壌は、
前記試験土壌のそれぞれを、排水部を有する容器内に充填した後に、作用極、対極および参照極を埋設し、前記試験土壌への給水および排水を行った後に、前記対極に対する前記作用極の電位を−７００ｍＶ ｖｓ ＳＣＥにして１０分間保持し、その後、前記作用極付近における間隙水中の酸素濃度を測定した際に、
下記（ｉ）式および（ii）式を満足する、
上記（１）または（２）に記載の試験槽。
｜Ｏ_Ｕ−Ｏ_Ｌ｜≧４．０ ・・・（ｉ）
Ｏ_Ｕ≧０．５ ・・・（ii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｏ_Ｕ：２つの層のうちの上方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）
Ｏ_Ｌ：２つの層のうちの下方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）

（４）前記積層体に対して水を供給する給水部をさらに備える、上記（１）から（３）までのいずれかに記載の試験槽。

（５）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の試験槽と、前記積層体を所定の温度に保つ恒温装置とを備える、試験装置。

（６）上記（４）に記載の試験槽と、前記積層体を所定の温度に保つ恒温装置と、前記給水部から自動で水を供給する給水装置をさらに備える、試験装置。

（７）底部と、前記底部から上方に延びる筒状の側部と、前記底部および前記側部の少なくとも一方に形成された排水部とを有する試験槽の前記底部上に、試験土壌により構成される層が複数積層された積層体を、少なくとも前記排水部の上方まで存在するように設ける積層工程と、
試験片を前記積層体に埋設する埋設工程と、
前記試験片が前記積層体に埋設された状態で保持する保持工程とを備え、
前記積層工程において、前記複数積層された層のうちの少なくとも２つの層を構成する前記試験土壌が、互いに異なる粒径の粒子からなるように前記積層体を設け、
前記埋設工程において、前記試験片を、前記２つの層に接触するように埋設する、試験方法。

（８）前記排水部が前記側部に形成され、
前記積層工程において、前記積層体が有する層同士の境界のうちの少なくとも１つが前記排水部に接するように前記積層体を設ける、上記（７）に記載の試験方法。

（９）前記保持工程において、前記積層体を所定の温度に保つ、上記（７）または（８）に記載の試験方法。

（１０）前記試験槽が給水部をさらに有し、
前記保持工程において、前記給水部から自動で水を供給する、上記（７）から（９）までのいずれかに記載の試験方法。

（１１）予め、前記少なくとも２つの層を構成する試験土壌のそれぞれを、排水部を有する容器内に充填した後に、作用極、対極および参照極を埋設し、前記試験土壌への給水および排水を行った後に、前記対極に対する前記作用極の電位を−７００ｍＶ ｖｓ ＳＣＥにして１０分間保持し、その後、前記作用極付近における間隙水中の酸素濃度を測定する、測定工程をさらに備え、
前記積層工程において、前記２つの層を構成する前記試験土壌が、下記（ｉ）式および（ii）式を満足するように前記積層体を設ける、
上記（７）から（１０）までのいずれかに記載の試験方法。
｜Ｏ_Ｕ−Ｏ_Ｌ｜≧４．０ ・・・（ｉ）
Ｏ_Ｕ≧０．５ ・・・（ii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｏ_Ｕ：２つの層のうちの上方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）
Ｏ_Ｌ：２つの層のうちの下方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）

本発明によれば、実験室において異なる地質間の通気差マクロセル腐食を再現することができ、かつ短期間で鋼材の土壌中の腐食を評価することができる。したがって、本発明は、例えば土壌中の腐食が懸念される鋼矢板、鋼管杭等の土中埋設用鋼構造物の防食手法の開発に好適に用いることができる。

本発明の一実施形態に係る試験槽を模式的に示した図である。 各試験土壌における酸素濃度測定値の求め方を説明するための図である。 本発明の他の一実施形態に係る試験槽を模式的に示した図である。 本発明の一実施形態に係る試験装置を模式的に示した図である。 本発明の他の一実施形態に係る試験装置を模式的に示した図である。

添付した図面を参照して、本発明の一実施形態に係る試験槽および試験装置ならびにそれを用いた試験方法について、詳細に説明する。

１．試験槽
図１は、本発明の一実施形態に係る試験槽１００を模式的に示した図である。本発明の一実施形態に係る試験槽１００は、底部１、側部２および排水部３を備える。側部２は、底部１から上方に延び、筒状形状を呈している。なお、筒状は円筒形状に限定されず、断面が多角形となる筒状も含む。また、試験槽の材質については特に制限はないが、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂またはステンレス等、土壌の腐食環境に影響を及ぼさない材質を用いることが望ましい。

試験槽１００は、試験土壌により構成される層が複数積層された積層体１０と試験片２０とを用いて、試験片２０の腐食試験を行うためのものである。なお、「試験土壌により構成される層が複数積層された積層体」とは、種類の異なる複数の試験土壌が層状に積層された積層体のことであり、各層を構成する試験土壌の種類は、粒径の違いにより区別される。

試験土壌としては、自然土壌または模擬試験土壌のいずれを用いても良い。模擬試験土壌としては、二酸化珪素、酸化チタン、ジルコニウム、ガラス、カオリン、ベントナイト、スメクタイト（モンモリロナイト）等から選択される１種以上を適用することができる。

積層体１０が有する複数の層のうちの少なくとも２つの層（例えば、図１に示す構成における１０ａおよび１０ｂ）を構成する試験土壌は、互いに異なる粒径の粒子からなる必要がある。なお、同一の粒径の粒子からなる層が、粒子径の異なる他の層を介して複数存在していても良い。そして、通気差マクロセル腐食の再現試験を行うために、試験片２０は、互いに粒子径の異なる２つの層の両方に接触するように設けられる必要がある。

上述のように、土壌中の鋼材の通気差マクロセル腐食は、積層する試験土壌間の含水率の差に起因して生じる。試験土壌の含水率はその粒径に大きく依存する。具体的には、砂または礫のような粒径の大きな粒子によって構成される土壌は透水性が高いため、含水率が低くなり、反対に粘土のような粒子径の小さな粒子によって構成される土壌は透水性が低いため、含水率が高くなる。

含水率が低い層中には気相が存在するため、すなわち酸素に富んだ環境となる。一方、含水率が高い層中には気層がほとんど存在せず、酸素に乏しい環境となる。酸素濃度の異なる２つの層に試験片が接触すると、酸素に富んだ層に触れた部分がカソード、酸素に乏しい層に触れた部分がアノードとなり、通気差マクロセル腐食が発生する。

より詳細には、試験土壌の含水率は、粒子表面と水との間に生じるファンデルワールス力に依存するため、粒径だけではなく、表面性状等も影響を及ぼすこととなる。したがって、異なる２つの層の間での通気差マクロセル腐食を確実に生じさせるためには、予め、異なる２つの層における間隙水の酸素濃度を測定しておき、その測定値が所定の条件を満足するよう積層体を形成することが望ましい。

具体的には、２つの層を構成する試験土壌が、下記（ｉ）式および（ii）式を満足するよう調整することが好ましい。
｜Ｏ_Ｕ−Ｏ_Ｌ｜≧４．０ ・・・（ｉ）
Ｏ_Ｕ≧０．５ ・・・（ii）
但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
Ｏ_Ｕ：２つの層のうちの上方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）
Ｏ_Ｌ：２つの層のうちの下方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）

２つの層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値の差が４．０ｐｐｍ未満では、マクロセル腐食が生じず、同一層内での腐食のみが進行するおそれがある。また、２つの層のうちの上方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値が低く、０．５ｐｐｍ未満である場合、試験土壌の透水性が著しく低いため、下方へと水が浸透せず、マクロセル腐食が生じなくなるおそれがある。

各試験土壌における酸素濃度測定値は、以下の手順により求めるものとする。図２を用いて説明する。

まず、各試験土壌を、個別に容器３０内に充填する。容器３０の大きさ、材質および形状については特に制限はなく、例えば、直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのアクリル製の円筒状容器を用いることができる。ただし、容器３０は排水部３０ａを有する必要がある。排水部３０ａの位置については特に制限はない。試験土壌に供給された水を排水することができれば良く、例えば、容器３０の底面に複数の孔を設け、排水部３０ａとすることができる。

そして、試験土壌中に作用極４１、対極４２および参照極４３を埋設する。作用極４１、対極４２および参照極４３の大きさおよび材質についても特に制限はなく、例えば、長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの白金板を用いることができる。作用極４１、対極４２および参照極４３はそれぞれに電源４４に接続されている。

その後、試験土壌への給水および排水を行う。供給する水の量についても特に制限はないが、例えば、上記の直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの容器３０を用いる場合、２００ｍＬ程度供給すれば良い。排水についても、排水部３０ａからの水の排水が自然に停止するまでの時間放置すれば良く、例えば、３０分程度放置すれば良い。

試験土壌内の過剰な水分が排水された後、対極４２に対する作用極４１の電位を−７００ｍＶ ｖｓ ＳＣＥにして１０分間保持する。これにより、作用極４１付近に存在する間隙水中の酸素が消費され、溶存酸素濃度が低下することとなる。

最後に、作用極４１付近における間隙水中の酸素濃度を測定する。間隙水中の溶存酸素濃度を測定する方法について特に制限はなく、公知の方法を用いれば良い。例えば、注射針５１のような細い管を作用極４１付近に挿入してシリンジ５２等を用いて採水する。そして、採取された水サンプルを、コック５３等を用いて酸素計６０へ注入することによって、溶存酸素濃度を測定することができる。酸素計６０としては、水サンプルが少量であっても測定可能な蛍光式溶存酸素計を用いることが好ましい。

以上の方法によって求められた試験土壌の溶存酸素濃度測定値に基づき、層の組み合わせを適宜選択し、積層体を形成することによって、マクロ腐食試験の再現が容易になる。

なお、積層体に含有される水分の組成については特に制限はないが、鋼の腐食を促進するような水溶液を避けることが望ましく、雨水または工業用水等を用いることが望ましい。

ここで、通気差マクロセル腐食を再現するためには、積層体中の余分な水分を排出することが極めて重要である。例えば、透水性の低い土壌の上に透水性の高い土壌が積層された積層体が槽内に設けられている場合において、積層体中に余分な水分が存在すると、透水性の高い土壌にまで水が満たされた状態となり、気相が入り込む余地がなくなるため、通気差マクロセル腐食が発生しなくなる。

積層体１０中に存在する余分な水分を排出するため、試験槽１００は排水部３を備え、積層体１０は、少なくとも排水部３の上方まで存在するように底部上に設ける。図１に示す例では、排水部３は底部１および側部２の両方に形成されているが、いずれか一方に形成されていれば良い。

排水部３を底部１に設ける場合、例えば、複数の小さな孔を底面に形成すれば良い。孔の大きさは積層体１０の最下部の層の粒径に応じて調整することが望ましい。また、上述の例のように、透水性の低い土壌の上に透水性の高い土壌が積層された積層体が槽内に設けられている場合において、余分な水分は層境界に残存すると考えられる。そのため、排水部３を側部２に設ける場合、排水部３が、積層体１０が有する層同士の境界１０ｃのうちの少なくとも１つと接するように形成することが望ましい。

図３に示すように、試験槽１００は、積層体１０に対して水を供給する給水部４をさらに備えていても良い。給水部４を用いて定期的に積層体１０に水を供給することで、土壌中の含水率の調整を行うことが可能となる。なお、供給する水分の組成についても特に制限はなく、イオン交換水、雨水または工業用水等を用いることが望ましい。

２．試験装置
図４は、本発明の一実施形態に係る試験装置５００を模式的に示した図である。本発明の一実施形態に係る試験装置５００は、上記の試験槽１００および恒温装置２００を備える。恒温装置２００は、試験槽１００内の積層体１０を所定の温度に保つためのものである。

恒温装置２００を用いて、例えば、積層体１０の温度を３０〜５０℃の温度範囲に保つことにより、腐食反応を促進することが可能になる。なお、試験土壌として自然土壌を使用する場合は、土壌中の微生物の作用が活発になる３５〜３７°の温度範囲に保つことが望ましい。

また、図５に示すように、試験槽１００が給水部４を有する場合には、試験装置５００は、給水部４から自動で水を供給する給水装置３００をさらに備えていても良い。給水装置３００を備えることによって、１週間に１〜３回程度の頻度で、自動で試験槽内に給水を行い、試験土壌の含水率を維持することが可能になる。

３．試験方法
本発明の一実施形態に係る試験方法は、上記の試験槽または試験装置を用いて腐食試験を行う方法であり、積層工程、埋設工程および保持工程を備える。各工程について、図１〜５を参照して説明する。

積層工程においては、試験槽１００の底部１上に、積層体１０を、少なくとも排水部３の上方まで存在するように設ける。積層体１０を設ける際には、複数の層のうちの少なくとも２つの層を構成する試験土壌が、互いに異なる粒径の粒子からなるようにする必要がある。すなわち、異なる粒子径を有する２種以上の試験土壌を順次積層する。

積層工程に先だって、上記の少なくとも２つの層を構成する試験土壌のそれぞれについて、上述の手順に従い個別に酸素濃度を測定する測定工程をさらに備えても良い。各試験土壌における酸素濃度測定値が分かっていれば、積層工程において上記（ｉ）式および（ii）式を満足するように積層体１０を設けることが可能になる。

積層方法については特に制限はないが、例えば、所定の粒子径を有する試験土壌を試験槽内に充填した後、上部より４．５ｋｇランマーまたはプレスにより締め固め、さらにその上に異なる粒子径を有する試験土壌を充填し、再度締め固めるという作業を繰り返すことにより積層体１０を形成することができる。この際、層と層との間に、境界線が明確になるように１ｍｍ程度の厚さで珪砂を敷くことが望ましい。

また、各試験土壌は、積層する前に含水率を調整しておくことが望ましい。含水率の調整方法については特に制限はないが、例えば、試験土壌をミキサーに入れて所定量の水を添加した後、撹拌してから一昼夜ろ紙またはガーゼ等に包み、余分な水分を除くことによって作製することができる。試験土壌の含水率は、土壌含水率計等を用いて測定しておくことができる。

次の埋設工程においては、上記の積層工程によって形成した積層体１０に、試験片２０を埋設する。埋設方法としては、積層体上部から試験片を打設することが望ましい。土壌の埋め戻しを行ったり、試験片を設置後に積層体を形成したりすると、試験片と土壌との密着性が低下し、試験片表面を通過する水流ができてしまう。そうすると、通気差マクロセル腐食が進行しなくなる。

なお、試験片は少なくとも互いに粒子径の異なる２つの層に接触するように設けられていれば良く、必ずしも全ての層に接触していなくても良い。すなわち、例えば、３層からなる積層体において、試験片は、上層の２種の土壌まで接触し、最下層の土壌には接触しない状態で埋設されていても良い。

そして、保持工程において、試験片２０が積層体１０に埋設された状態で保持し、通気差マクロ腐食を進行させる。腐食を促進することを目的として、保持工程において、積層体１０の温度を３０〜５０℃の温度範囲に保っても良い。試験土壌として自然土壌を使用する場合は、土壌中の微生物の作用が活発になる３５〜３７℃の温度範囲に保つことが望ましいことは上述のとおりである。

また、保持工程において、試験土壌の含水率を維持することを目的として、自動で試験槽内に給水を行っても良い。上述のように、供給する水の組成については特に制限はないが、鋼の腐食を促進するような水溶液を避けることが望ましく、雨水または工業用水等を用いることが望ましい。微生物の影響を考慮する場合には、微生物の栄養素を微量添加することも可能である。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

カオリン（試験用模擬粘土）に３０ｍｇ／Ｌの濃度のＮａＣｌが溶解したイオン交換水を混和させて模擬試験土壌を作製し、アクリル樹脂製の円筒型の試験槽の底部に充填した後、小石を模擬したガラスビーズ層および砂層を順次積層し、３層からなる積層体を形成した。試験槽が有する底部および側部の各層境界部と接触する位置には、排水部が設けられている。その後、試験片を３層全てと接触するように打設した。なお、試験片としては、表面スケールが存在しない鋼材試料を用いた。試験槽を恒温装置内に設置し、５０℃、８０％ＲＨの環境に３か月保持し、７日ごとに３０ｍｇ／Ｌの濃度のＮａＣｌが溶解したイオン交換水を上面から散水した。

３か月が経過した後、試験片を試験槽内から取り出し、試験片に付着した試験土壌および腐食生成物を取り除いた。その後、試験片表面の腐食深さを、レーザー変位計を用いて測定した結果、粘土層および砂層において、最大で１５０μｍに達する局所的な腐食が発生していた。一方、ガラスビーズ層では、腐食は確認されなかった。以上のことから、鋼材試料のうち、ガラスビーズ層に接触する部分がカソード、粘土層および砂層に接触する部分がアノードとなる通気差マクロセル腐食が、短期間で再現されていることが確認できた。

次に、表１に示す各試験土壌について、予め以下の手順により酸素濃度測定値（ｐｐｍ）を求めた。

まず、各試験土壌を、直径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのアクリル製の円筒状容器に充填した。そして、試験土壌中に、長さ１００ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの白金板からなる作用極、対極および参照極を埋設した。

その後、試験土壌への給水および排水を行った。具体的には、試験土壌の上方から万遍なく２００ｍＬの水を供給し、その後、３０分放置し、余剰の水を十分に排水させた。なお、給水した水は３０ｍｇ／Ｌの濃度のＮａＣｌが溶解したイオン交換水であり、酸素濃度は８ｐｐｍであった。さらにその後、対極に対する作用極の電位を−７００ｍＶ ｖｓ ＳＣＥにして１０分間保持した。

１０分間経過後、作用極付近における間隙水を注射針およびシリンジを用いて採水した。１回目に採水した水サンプルはそのまま捨て、２回目以降に採水した水サンプルについて、コックを介して蛍光式溶存酸素計（島津理化製、ＰＳ−２１９６）に注入し、溶存酸素濃度の測定を行った。水サンプルの採水および酸素濃度の測定は６〜８回程度行い、値が安定したらその値を採用することとした。

各試験土壌における酸素濃度測定値を表１に示す。なお、表１には、各試験土壌の平均粒径、比表面積および含水率も併せて示す。

その後、アクリル樹脂製の円筒型の試験槽内に、表２〜４に示す組み合わせにより２層の積層体を形成した。試験槽が有する底部および側部の層境界部と接触する位置には、排水部が設けられている。その後、試験片を２層と接触するように打設した。なお、試験片としては、表面スケールが存在しない鋼材試料を用いた。試験槽を恒温装置内に設置し、５０℃、８０％ＲＨの環境に３か月保持し、７日ごとに３０ｍｇ／Ｌの濃度のＮａＣｌが溶解したイオン交換水を上面から散水した。

３か月が経過した後、試験片を試験槽内から取り出し、試験片に付着した試験土壌および腐食生成物を取り除いた。そして、試験片表面の腐食の度合いを観察した。その結果を表２〜４に併せて示す。本実施例においては、試験片表面に発生する局所的な腐食の深さを、レーザー変位計を用いて測定し、５０μｍ以上の場合を○、５０μｍ未満の場合を△、全く腐食が観察されなかった場合を×とした。

表２〜４から分かるように、２つの層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値の差が４．０ｐｐｍ以上であり、かつ、上方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値が０．５ｐｐｍ以上である場合には、腐食深さが５０μｍ以上となり、通気差マクロセル腐食が、短期間で再現されていることが確認できた。

これに対して、上記の条件の少なくともいずれかを満足しない場合には、わずかにマクロセル腐食が生じているものの、その腐食深さは５０μｍ未満となり、十分とは言えない結果となった。

本発明によれば、実験室において異なる地質間の通気差マクロセル腐食を再現することができ、かつ短期間で鋼材の土壌中の腐食を評価することができる。したがって、本発明は、例えば土壌中の腐食が懸念される鋼矢板、鋼管杭等の土中埋設用鋼構造物の防食手法の開発に好適に用いることができる。

１．底部
２．側部
３．排水部
４．給水部
１０．積層体
１０ａ、１０ｂ 層
１０ｃ 境界
２０．試験片
３０．容器
３０ａ 排水部
４１．作用極
４２．対極
４３．参照極
４４．電源
５１．注射針
５２．シリンジ
５３．コック
６０．酸素計
１００．試験槽
２００．恒温装置
３００．給水装置
５００．試験装置

Claims (11)

1. 試験土壌により構成される層が複数積層された積層体と試験片とを用いて、前記試験片の腐食試験を行う試験槽であって、
   底部と、
   前記底部から上方に延びる筒状の側部と、
   前記底部および前記側部の少なくとも一方に形成された排水部とを備え、
   前記積層体は少なくとも前記排水部の上方まで存在するように前記底部上に設けられ、
   前記複数積層された層のうちの少なくとも２つの層を構成する前記試験土壌は、互いに異なる粒径の粒子からなり、
   前記試験片は、前記２つの層に接触するように設けられる、試験槽。
2. 前記排水部が、前記積層体が有する層同士の境界のうちの少なくとも１つと接するように前記側部に形成される、請求項１に記載の試験槽。
3. 前記２つの層を構成する試験土壌は、
   前記試験土壌のそれぞれを、排水部を有する容器内に充填した後に、作用極、対極および参照極を埋設し、前記試験土壌への給水および排水を行った後に、前記対極に対する前記作用極の電位を−７００ｍＶ ｖｓ ＳＣＥにして１０分間保持し、その後、前記作用極付近における間隙水中の酸素濃度を測定した際に、
   下記（ｉ）式および（ii）式を満足する、
   請求項１または請求項２に記載の試験槽。
   ｜Ｏ_Ｕ−Ｏ_Ｌ｜≧４．０ ・・・（ｉ）
   Ｏ_Ｕ≧０．５ ・・・（ii）
   但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
   Ｏ_Ｕ：２つの層のうちの上方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）
   Ｏ_Ｌ：２つの層のうちの下方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）
4. 前記積層体に対して水を供給する給水部をさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の試験槽。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の試験槽と、前記積層体を所定の温度に保つ恒温装置とを備える、試験装置。
6. 請求項４に記載の試験槽と、前記積層体を所定の温度に保つ恒温装置と、前記給水部から自動で水を供給する給水装置をさらに備える、試験装置。
7. 底部と、前記底部から上方に延びる筒状の側部と、前記底部および前記側部の少なくとも一方に形成された排水部とを有する試験槽の前記底部上に、試験土壌により構成される層が複数積層された積層体を、少なくとも前記排水部の上方まで存在するように設ける積層工程と、
   試験片を前記積層体に埋設する埋設工程と、
   前記試験片が前記積層体に埋設された状態で保持する保持工程とを備え、
   前記積層工程において、前記複数積層された層のうちの少なくとも２つの層を構成する前記試験土壌が、互いに異なる粒径の粒子からなるように前記積層体を設け、
   前記埋設工程において、前記試験片を、前記２つの層に接触するように埋設する、試験方法。
8. 前記排水部が前記側部に形成され、
   前記積層工程において、前記積層体が有する層同士の境界のうちの少なくとも１つが前記排水部に接するように前記積層体を設ける、請求項７に記載の試験方法。
9. 前記保持工程において、前記積層体を所定の温度に保つ、請求項７または請求項８に記載の試験方法。
10. 前記試験槽が給水部をさらに有し、
    前記保持工程において、前記給水部から自動で水を供給する、請求項７から請求項９までのいずれかに記載の試験方法。
11. 予め、前記少なくとも２つの層を構成する試験土壌のそれぞれを、排水部を有する容器内に充填した後に、作用極、対極および参照極を埋設し、前記試験土壌への給水および排水を行った後に、前記対極に対する前記作用極の電位を−７００ｍＶ ｖｓ ＳＣＥにして１０分間保持し、その後、前記作用極付近における間隙水中の酸素濃度を測定する、測定工程をさらに備え、
    前記積層工程において、前記２つの層を構成する前記試験土壌が、下記（ｉ）式および（ii）式を満足するように前記積層体を設ける、
    請求項７から請求項１０までのいずれかに記載の試験方法。
    ｜Ｏ_Ｕ−Ｏ_Ｌ｜≧４．０ ・・・（ｉ）
    Ｏ_Ｕ≧０．５ ・・・（ii）
    但し、上記式中の各記号の意味は以下のとおりである。
    Ｏ_Ｕ：２つの層のうちの上方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）
    Ｏ_Ｌ：２つの層のうちの下方の層を構成する試験土壌における酸素濃度測定値（ｐｐｍ）

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