JP2018124286A - コンクリートの脱塩処理システム、再アルカリ化処理システム、並びにこれらに用いる塩分センサ及びｐＨセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】コンクリート中の塩分量を定量的に且つ実時間に近い状態で把握し、脱塩処理の終了時点を決定できるコンクリートの脱塩処理システムを提供する。
【解決手段】コンクリート構造物の表面に設置された陽極３０と鉄筋又は鉄骨を陰極２０として直流電圧を印加する電圧印加手段と、アルカリ性溶液を陽極の近傍に配置するアルカリ性溶液配置手段と、センサ挿入穴に挿入された塩分検出電極ワイヤ６０の検知信号を入力して、コンクリート構造物の塩分が減少して鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、電圧印加手段による給電とアルカリ性溶液配置手段によって陰極となる鉄筋又は鉄骨の近傍から陽極側への塩素イオンの電気泳動を継続する脱塩処理制御手段とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】コンクリート構造物の表面に設置された陽極３０と鉄筋又は鉄骨を陰極２０として直流電圧を印加する電圧印加手段と、アルカリ性溶液を陽極の近傍に配置するアルカリ性溶液配置手段と、センサ挿入穴に挿入された塩分検出電極ワイヤ６０の検知信号を入力して、コンクリート構造物の塩分が減少して鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、電圧印加手段による給電とアルカリ性溶液配置手段によって陰極となる鉄筋又は鉄骨の近傍から陽極側への塩素イオンの電気泳動を継続する脱塩処理制御手段とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、海からの海塩や融雪剤の多量散布により塩害を受けているコンクリート構造体に用いて好適なコンクリートの脱塩処理システムに関し、特にコンクリート内部の塩分を定量的に除去する脱塩処理システムに関する。
また、本発明は大気中の炭酸ガスに長期間暴露しているために生じるコンクリート構造体の中性化対策に用いて好適なコンクリートの再アルカリ化処理システムに関し、特にコンクリート内部のｐＨを定量的に測定して再アルカリ化する再アルカリ化処理システムに関する。
さらに、本発明は上記のコンクリートの脱塩処理システム又は再アルカリ化処理システムに用いて好適な塩分センサ及びｐＨセンサに関する。
また、本発明は大気中の炭酸ガスに長期間暴露しているために生じるコンクリート構造体の中性化対策に用いて好適なコンクリートの再アルカリ化処理システムに関し、特にコンクリート内部のｐＨを定量的に測定して再アルカリ化する再アルカリ化処理システムに関する。
さらに、本発明は上記のコンクリートの脱塩処理システム又は再アルカリ化処理システムに用いて好適な塩分センサ及びｐＨセンサに関する。
日本では、海岸地域にコンクリート構造物が多く建設されており、高度成長期に建設された建造物の多くは、施工から４０年乃至５０年の経過により、いわゆる塩害を生じている。即ち、コンクリート中の多量の塩分を放置すると中の鉄筋が腐食し、そのさびの膨張によりコンクリートに重大な破壊をもたらす。
この破壊メカニズムは次のように説明されている。即ち、鉄筋コンクリート構造物において、施工当初においてはセメントから供給される多量の水酸化カルシウムにより、鉄筋はｐＨ１２以上という高いアルカリ状態に保たれている。これにより鉄筋は不動態被膜という薄い酸化化合物の被膜で覆われ、錆びることが防止されている。しかし、塩化物イオンがコンクリート中に存在すると、この被膜が破壊され、鉄筋が錆び始める。鉄筋コンクリートは、圧縮強度に関してはコンクリートが負担し、引張強度に関しては鉄筋が負担しているところ、鉄筋が腐食により損壊されると、さびの膨張によりコンクリートも損壊して、コンクリート構造物全体としての強度も失われる。
この破壊メカニズムは次のように説明されている。即ち、鉄筋コンクリート構造物において、施工当初においてはセメントから供給される多量の水酸化カルシウムにより、鉄筋はｐＨ１２以上という高いアルカリ状態に保たれている。これにより鉄筋は不動態被膜という薄い酸化化合物の被膜で覆われ、錆びることが防止されている。しかし、塩化物イオンがコンクリート中に存在すると、この被膜が破壊され、鉄筋が錆び始める。鉄筋コンクリートは、圧縮強度に関してはコンクリートが負担し、引張強度に関しては鉄筋が負担しているところ、鉄筋が腐食により損壊されると、さびの膨張によりコンクリートも損壊して、コンクリート構造物全体としての強度も失われる。
そこで、例えば非特許文献１、２に示すように、コンクリート中の多量の塩分を除去する手法（脱塩処理）が提案されている。即ち、海塩によりコンクリート中に侵入した塩化物イオンの一部は細孔溶液中の溶解イオンとして存在している。そして、コンクリート中に存在する塩化物イオンを電気化学的に内部から外部へ抽出する技術があり、電気化学的脱塩法と呼ばれている。我が国においても、これまでに脱塩法に関して多くの研究がなされ、土木学会の設計施工指針案として第一段階の完成を見ている(非特許文献１参照)。
しかし、そのような脱塩処理では、コンクリート中の塩分量が定量的に把握できないために、定期的にコンクリートを採取し、その塩分量を測定する必要があった。このため、採取・分析時間が掛かることにより、予算や経費の見積もりが遅滞して、工期が数か月程度遅れる事案があった。さらに、採取時に一定量のコンクリート（例えば、５０ｍｍ径ｘ５０ｍｍ長さ）がコア抜きに必要なために、この採取に伴なう欠損が被検査対象のコンクリートに生じる課題があった。
また、脱塩処理では標準施工期間を設けて、コンクリート中の塩分量の測定を行わないことも考えられるが、コンクリート中の塩分量は海水のかぶり方や融雪剤の散布状況によって大幅に変動するため、標準施工期間では安全率をみて工期が長めになり、施工価格が高止まりするという課題があった。
また、脱塩処理では標準施工期間を設けて、コンクリート中の塩分量の測定を行わないことも考えられるが、コンクリート中の塩分量は海水のかぶり方や融雪剤の散布状況によって大幅に変動するため、標準施工期間では安全率をみて工期が長めになり、施工価格が高止まりするという課題があった。
さらに、日本国の高度成長期に建設された既設のコンクリート構造物では、大気中の炭酸ガスに長期間暴露しているために、コンクリートの中性化が進行している。そこで、塩害を生じたコンクリートほど深刻ではないものの、中性化したコンクリートについても、コンクリートを再アルカリ化処理法することが、コンクリート構造物の寿命を延ばす上で好ましい。
『塩害を受けたコンクリート構造物の脱塩工法に関する共同研究報告書』、整理番号第３８２号、平成２０年３月、独立行政法人土木研究所 http://www.pwri.go.jp/caesar/manual/pdf/0382.pdf
『電気化学的補修工法』、平成９年１月、電気化学工業株式会社 http://www.technocrete.gr.jp/construction/rebirth/alkareat.html
本発明は、上述した課題を解決するもので、被検査対象のコンクリートに生じる欠損が僅少ですむと共に、コンクリート中の塩分量が定量的に且つ実時間に近い状態で把握することで、コンクリートの脱塩処理の終了時点を決定できるコンクリート構造物の脱塩処理システム及び再アルカリ化処理システムを提供することを目的とする。
また本発明は、上記のコンクリート構造物の脱塩処理システム及び再アルカリ化処理システムに用いて好適な、塩分センサ及びｐＨセンサを提供することを目的とする。
また本発明は、上記のコンクリート構造物の脱塩処理システム及び再アルカリ化処理システムに用いて好適な、塩分センサ及びｐＨセンサを提供することを目的とする。
本発明のコンクリート構造物の脱塩処理システム又は再アルカリ化処理システム用の塩分検出電極ワイヤ６０は、上記コンクリート構造物の脱塩処理法又は上記コンクリート構造物の再アルカリ化処理法で使用される塩分検出電極ワイヤ６０であって、塩分検出電極ワイヤ６０は、銀、銅、鉛、水銀からなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を塩化物処理したものであることを特徴とする。銀、銅、鉛、水銀は、塩分検出電極ワイヤ用の材料として、水酸化カルシウム水溶液中において安定性が高く、素材価格も安価で、精度が高い金属である。
好ましくは、塩分検出電極ワイヤ６０は、直径３ｍｍ以下であって、０．１ｍｍ以上であるとよい。直径３ｍｍ以下であれば、コンクリート構造物１０の表面にセンサ挿入穴６２を形成しやすく、また塩分検出電極ワイヤ６０もセンサ挿入穴６２に挿入しやすい。直径０．１ｍｍ以上であれば、塩分検出電極ワイヤ６０の剛性が高くセンサ挿入穴６２に挿入しやすい。
本発明のコンクリート構造物の脱塩処理システム又は再アルカリ化処理システム用のｐＨ検出電極ワイヤ７０は、上記コンクリート構造物の脱塩処理法又は上記コンクリート構造物の再アルカリ化処理法で使用されるｐＨ検出電極ワイヤであって、前記ｐＨ検出電極ワイヤは、タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を酸化物処理したものであることを特徴とする。タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムは、ｐＨ検出電極ワイヤ用の材料として、実用性が高く、精度が高い金属である。
好ましくは、ｐＨ検出電極ワイヤ７０は、直径３ｍｍ以下であって、０．１ｍｍ以上であるとよい。直径３ｍｍ以下であれば、コンクリート構造物１０の表面にセンサ挿入穴７２を形成しやすく、またｐＨ検出電極ワイヤ７０もセンサ挿入穴７２に挿入しやすい。直径０．１ｍｍ以上であれば、ｐＨ検出電極ワイヤ７０の剛性が高くセンサ挿入穴７２に挿入しやすい。
本発明のコンクリート構造物の脱塩処理システムは、例えば図１、図８に示すように、コンクリート構造物１０の表面に設置された陽極３０と、コンクリート構造物１０の内部に位置する鉄筋又は鉄骨を陰極２０として、陽極３０と当該陰極との間で直流電圧を印加する電圧印加手段４０と、水酸化カルシウム飽和水溶液又はほう酸リチウム水溶液を主成分とする脱塩処理用アルカリ性溶液３６を陽極３０の近傍に配置するアルカリ性溶液配置手段３４と、銀、銅、鉛、水銀からなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を塩化物処理した塩分検出電極ワイヤ６０と、コンクリート構造物１０の表面に設けられたセンサ挿入穴６２に挿入された塩分検出電極ワイヤ６０の検知信号を入力して、コンクリート構造物１０の塩分が減少して鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し、前記鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、電圧印加手段４０による給電とアルカリ性溶液配置手段３４によって陰極２０となる鉄筋又は鉄骨の近傍から陽極側への塩素イオンの電気泳動を継続する脱塩処理制御手段６４とを備えるものである。
本発明のコンクリート構造物の脱塩処理システムにおいて、好ましくは、さらに、タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を酸化物処理したｐＨ検出電極ワイヤ７０を有し、脱塩処理制御手段６４は、コンクリート構造物１０の表面に形成されたセンサ挿入穴に挿入されたｐＨ検出電極ワイヤ７０の検知信号を入力して、コンクリート構造物１０の塩分が減少すると共に、検知されたｐＨのアルカリ性から、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断するとよい。
本発明のコンクリート構造物の再アルカリ化処理システムは、例えば図１、図８に示すように、コンクリート構造物１０の表面に設置された陽極３０と、コンクリート構造物１０の内部に位置する鉄筋又は鉄骨を陰極２０として、陽極３０と陰極２０との間で直流電圧を印加する電圧印加手段４０と、炭酸ナトリウムを主成分とする再アルカリ化処理用のアルカリ性溶液３８を陽極３０の近傍に配置するアルカリ性溶液配置手段３４と、タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を酸化物処理したｐＨ検出電極ワイヤ７０と、コンクリート構造物１０の表面に形成されたセンサ挿入穴７２に挿入されたｐＨ検出電極ワイヤ７０の検知信号を入力して、コンクリート構造物１０のｐＨが１０．７程度以上となって鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し、前記鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、電圧印加手段４０による給電とアルカリ性溶液配置手段３４によって陰極２０となる鉄筋又は鉄骨近傍への電気浸透を継続する再アルカリ化処理制御手段７４とを備える。
本発明のコンクリート構造物の再アルカリ化処理システムにおいて、好ましくは、さらに、銀、銅、鉛、水銀からなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を塩化物処理した塩分検出電極ワイヤ６０を有し、再アルカリ化処理制御手段７４は、被検査対象のコンクリート構造物１０の表面に形成されたセンサ挿入穴６２に挿入された塩分検出電極ワイヤ６０の検知信号を入力して、コンクリート構造物１０の塩分検知値と、検知されたｐＨのアルカリ性から、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断するとよい。
本発明のコンクリート構造物の脱塩処理システム又は再アルカリ化処理システムにおいて、好ましくは、さらに、被検査対象のコンクリート構造物１０の表面に形成されたセンサ挿入穴６２に挿入された塩分検出電極ワイヤ６０の検知信号と、被検査対象のコンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴７２に挿入されたｐＨ検出電極ワイヤ７０の検知信号を少なくとも一方を遠隔送信する送信手段を備え、脱塩処理制御手段６４又は再アルカリ化処理制御手段７４は、前記送信手段からの前記塩分検出電極ワイヤの検知信号又はｐＨ検出電極ワイヤ７０の検知信号の少なくとも一方を受信するとよい。
本発明のコンクリートの脱塩処理システムによれば、塩分量の測定時間を必要とせずに、現場（In-situ）で分析可能とした。さらに、塩分検出電極ワイヤ６０とｐＨ検出電極ワイヤ７０を同時にコンクリート中に挿入する場合には、コンクリート構造物１０の塩分とｐＨを検出して、この検出した塩分値およびｐＨから適切な電流値および終了時点を決定できる。
これによりコンクリートの脱塩処理において不必要な電流を使用しないために、大幅な節電となると共に、陽極をコンクリート構造物の表面に仮設して用いる場合には、一ヶ所で使用する仮設用陽極の設置期間が最適化されるため、仮設用陽極を繰り返して使用してコンクリート構造物の表面全体を脱塩処理する場合の工事期間が短縮できると共に、工事費用が最適化される。
さらに、本発明のコンクリートの脱塩処理法によれば、過剰な電流による鉄筋とコンクリート界面の剥離、また、コンクリートの著しいｐＨ低下等を防ぐことができ、安全性および確実性も格段に向上する。
これによりコンクリートの脱塩処理において不必要な電流を使用しないために、大幅な節電となると共に、陽極をコンクリート構造物の表面に仮設して用いる場合には、一ヶ所で使用する仮設用陽極の設置期間が最適化されるため、仮設用陽極を繰り返して使用してコンクリート構造物の表面全体を脱塩処理する場合の工事期間が短縮できると共に、工事費用が最適化される。
さらに、本発明のコンクリートの脱塩処理法によれば、過剰な電流による鉄筋とコンクリート界面の剥離、また、コンクリートの著しいｐＨ低下等を防ぐことができ、安全性および確実性も格段に向上する。
本発明のコンクリートの再アルカリ化処理システムにおいて、塩分検出電極ワイヤ６０とｐＨ検出電極ワイヤ７０を同時にコンクリート中に挿入する場合には、Ｃａ（ＯＨ）２中で脱塩処理することで再アルカリ化を進めるときもｐＨの定量評価により適切な処理（時間、電流）が可能である。そこで、コンクリート構造物１０の中性化が進んだ場合では、再アルカリ化を行なう際にもｐＨを検出可能なセンサ７０により、効率的な処理が可能となる。
本発明のコンクリート構造物の脱塩処理システム又は再アルカリ化処理システムは、日本国の高度成長期に建設され、すでに塩害や中性化で劣化した既設のコンクリート構造物を再生させる有効なシステムであり、経済的効果が高いといえる。これにより、既設コンクリート構造物の再生がより簡単に行えるため、地方公共団体の財政的制限や交通需要の伸び悩み乃至減少といった社会環境の変化によって、コンクリート構造体を掛け替えて新たな社会需要に応える施策と比較して、優れた社会経済的効果を有する。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、説明の便宜上、本発明のコンクリートの脱塩処理法を例に説明し、設備検査用部材に関しては設備補修用部材の説明を適宜に読み替えると共に、設備検査用部材に特有の構成に関しては明示的に言及することとする。
また、本明細書において「脱塩処理」とは、コンクリート内部から塩分を除去し健全な状態に戻す処理工法をいう。脱塩工法の施工後は外来塩分による再汚染を防止するためコンクリート表面に保護処理をするのが一般的である。図２に示すように、電気化学的な脱塩処理工法では、鉄骨や鉄筋を陰極として、コンクリート表面に陽極材を設置し、陽極と陰極との間で直流電流を流し、塩素イオンを電解質溶液に移動させて、コンクリート内部から塩分を除去し健全な状態に戻している。
「再アルカリ化処理」とは、中性化を受けたコンクリートにアルカリを再付与し、健全な状態に再生することをいう。図３に示すように、再アルカリ化処理には、例えば電気化学的浸透原理が用いられる。ここで、中性化とは、空気中の二酸化炭素や水がコンクリートの毛細孔・空隙から浸入することにより水酸化カルシウムが炭酸化してコンクリートのｐＨを低下させる現象をいう。この中性化現象により鉄筋周辺のコンクリートが中性化することにより鉄筋が錆び、その膨張力によってコンクリートが破壊される。
図１は、本発明のコンクリート構造物の脱塩処理法及び再アルカリ化処理法における一実施形態に係るコンクリート試験体とセンサ設置状況を説明する構成ブロック図である。図において、コンクリート構造物１０は陸上構造物や海上構造物・海中構造物として築造された既設構造物で、コンクリートの引張強度不足を補なうために、適切なコンクリートの被り厚さを有する鉄筋又は鉄骨を備えている。脱塩処理法では、陰極２０としてこの鉄筋又は鉄骨を使用する。陽極３０は、コンクリート構造物１０の表面に設けられるもので、既設のコンクリート構造物１０の場合にはチタンのような導電性の金属よりなる金網が仮設で用いられる。仮設とすることで、大規模構造物の場合には、区画に分割して、単一又は少数の陽極３０を用いても脱塩処理を各区画ごとに行うことで、全体の脱塩処理が行える。
アルカリ性溶液配置手段３４としての電解質溶液保持材３４は、水酸化カルシウム飽和水溶液又はほう酸リチウム水溶液を主成分とする脱塩処理用アルカリ性溶液３６を陽極３０の近傍に配置するために用いるもので、例えば多孔質で柔軟性のある気泡性プラスチック、繊維質の織物や、電解質溶液槽を形成する為のアクリル製パネル材が用いられる。電解質溶液保持材３４は、脱塩処理用アルカリ性溶液３６が水分の蒸発により電解質の濃度が変動したり、外部に漏洩して
電圧印加手段４０としての直流電源装置４０は、陽極３０と陰極２０との間で直流電圧を印加するものである。例えば脱塩処理の場合には電流密度１Ａ／ｍ２程度、通電電圧５〜５０Ｖ、通電期間約８週間であるから、一回の脱塩処理で対象となるコンクリート構造物１０の面積に応じて直流電源装置４０の電源容量を定める。再アルカリ化処理の場合には電流密度１Ａ／ｍ２程度、通電電圧５〜５０Ｖ、通電期間約１〜２週間であるから、一回の脱塩処理で対象となるコンクリート構造物１０の面積に応じて直流電源装置４０の電源容量を定める。直流電源監視装置４２は、直流電源装置４０の給電状態を監視している。陰極側配線２２は、直流電源装置４０と陰極２０となる鉄骨や鉄筋とを接続する。陽極側配線３２は、直流電源装置４０と陽極３０となる導電性金属製金網とを接続する。
塩分検出電極ワイヤ６０は、コンクリート構造物１０の塩分測定用センサで、金属に金属塩を形成して作製できる。塩分検出電極ワイヤ６０の素材金属では、銀、銅、鉛、水銀、それに加えて金、白金、タリウムが好適である。このうち、金、白金、タリウムは素材価格が高いので、銀、銅、鉛、水銀で検討した。特に、コンクリートが強アルカリであるため、この中で溶解せずに安定であることが必須となる。塩分検出電極ワイヤ６０に銀を用いると、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極は、コンクリート模擬溶液（Ｃａ（ＯＨ）２）中において安定性が高く、また精度が高い。また、塩分検出電極ワイヤ６０は、銅、鉛、水銀においても銀と同様に測定可能である。
ｐＨ検出電極ワイヤ７０は、コンクリート構造物１０のｐＨ測定用センサで、金属に金属酸化物を形成して作製できる。ｐＨ検出電極ワイヤ７０の素材金属では、タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムがある。コンクリートが強アルカリであるため、この中で溶解せずに安定であることがｐＨ検出電極ワイヤ７０の素材金属の必須要件となる。このうち、実施例で示すように、タングステンを用いて作製した、Ｗ／ＷＯｘ電極は、コンクリート模擬溶液（Ｃａ（ＯＨ）２）中において安定性が高く、また精度が高い。また、ｐＨ検出電極ワイヤ７０は、鉄、ニッケル、銅、イリジウムにおいても測定可能である。
塩分センサ挿入穴６２とｐＨセンサ挿入穴７２は、既設のコンクリート構造物１０を出来る限り破壊しないことが重要であり、また鉄筋部分のコンクリート被り厚は、例えば５０ｍｍ程度であるため、このコンクリート被り厚に見合うものであればよい。このため、塩分センサ挿入穴６２とｐＨセンサ挿入穴７２は、塩分検出電極ワイヤ６０やｐＨ検出電極ワイヤ７０の外径よりも僅かに大きいもので足り、例えば内径５ｍｍ程度で深さ５０ｍｍ程度であればよい。
塩分検出電極ワイヤ６０とｐＨ検出電極ワイヤ７０は、コンクリート内部のモニタリング用途であり、コンクリート構造物１０の本体に損傷を与えないために、出来る限り細いものが優れている。このため、塩分検出電極ワイヤ６０とｐＨ検出電極ワイヤ７０は、極細金属線（例えば直径０．１ｍｍ〜３ｍｍ）を内部に差し込む構造のセンサ電極としている。
次に、このように構成された装置におけるコンクリート構造物の脱塩処理法及び再アルカリ化処理法を説明する。
図４は、本発明のコンクリート構造物の脱塩処理法の全体を説明する流れ図である。図において、最初に被検査対象のコンクリート構造物１０の表面に形成されたセンサ挿入穴６２に塩分検出電極ワイヤ６０を挿入する（Ｓ１００）。次に、コンクリート構造物１０の脱塩処理を行う（Ｓ１０２）。この脱塩処理の詳細は、図５を用いて後で詳細に説明する。続いて、塩分検出電極ワイヤ６０で検出されたコンクリート構造物１０の塩分検出値と脱塩処理完了閾値とを比較する（Ｓ１０４）。この比較工程で塩分検出値が脱塩処理完了閾値よりも高いと判断された場合は脱塩処理を続行すると判断してＳ１０２に戻り、低いと判断された場合は脱塩処理を完了と判断する（Ｓ１０６）。そして、脱塩処理が完了と判断された後に、コンクリート構造物１０の表面を保護処理して（Ｓ１０８）、外来塩分による再汚染から防止する。
図４は、本発明のコンクリート構造物の脱塩処理法の全体を説明する流れ図である。図において、最初に被検査対象のコンクリート構造物１０の表面に形成されたセンサ挿入穴６２に塩分検出電極ワイヤ６０を挿入する（Ｓ１００）。次に、コンクリート構造物１０の脱塩処理を行う（Ｓ１０２）。この脱塩処理の詳細は、図５を用いて後で詳細に説明する。続いて、塩分検出電極ワイヤ６０で検出されたコンクリート構造物１０の塩分検出値と脱塩処理完了閾値とを比較する（Ｓ１０４）。この比較工程で塩分検出値が脱塩処理完了閾値よりも高いと判断された場合は脱塩処理を続行すると判断してＳ１０２に戻り、低いと判断された場合は脱塩処理を完了と判断する（Ｓ１０６）。そして、脱塩処理が完了と判断された後に、コンクリート構造物１０の表面を保護処理して（Ｓ１０８）、外来塩分による再汚染から防止する。
図５は、本発明のコンクリート構造物の脱塩処理工程の詳細を説明する流れ図である。脱塩処理工程では、最初にコンクリート構造物１０の表面に陽極を設置する（Ｓ１２０）。また、水酸化カルシウム飽和水溶液又はほう酸リチウム水溶液を主成分とする脱塩処理用アルカリ性溶液３６を陽極３０の近傍に配置する（Ｓ１２２）。ここでは、陽極３０とコンクリート構造物１０の表面との間に電解質溶液保持材３４を設けて、電解質溶液保持材３４により脱塩処理用アルカリ性溶液３６を保持する。次に、コンクリート構造物１０の内部に位置する鉄筋又は鉄骨を陰極２０として、陽極３０と陰極２０との間で直流電圧を印加する（Ｓ１２４）。すると、脱塩処理用アルカリ性溶液３６によって、陰極２０となる鉄筋又は鉄骨の近傍から陽極側への塩素イオンの電気泳動が行なわれる（Ｓ１２６）。そして、コンクリート構造物１０の塩分が減少して鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し（Ｓ１２８）、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、Ｓ１２４に戻って直流電圧印加工程と電気泳動工程を継続する。
図６は、本発明のコンクリート構造物の再アルカリ化処理法の全体を説明する流れ図である。図において、最初に被検査対象のコンクリート構造物１０の表面に形成されたセンサ挿入穴７２にｐＨ検出電極ワイヤ７０を挿入する（Ｓ２００）。次に、コンクリート構造物１０の再アルカリ化処理を行う（Ｓ２０２）。この再アルカリ化処理の詳細は、図７を用いて後で詳細に説明する。続いて、ｐＨ検出電極ワイヤ７０で検出されたコンクリート構造物１０のｐＨ検出値と再アルカリ化処理完了閾値とを比較する（Ｓ２０４）。この比較工程でｐＨ検出値が再アルカリ化処理完了閾値よりも高いと判断された場合は前記再アルカリ化処理を続行すると判断してＳ２０２に戻り、低いと判断された場合は再アルカリ化処理を完了と判断する（Ｓ２０６）。そして、再アルカリ化処理が完了と判断された後に、コンクリート構造物１０の表面を保護処理して（Ｓ２０８）、コンクリート構造物１０に含まれる水酸化カルシウムが空気中の二酸化炭素に反応して炭酸カルシウムの生成を防止する。
図７は、本発明のコンクリート構造物の再アルカリ化処理工程の詳細を説明する流れ図である。再アルカリ化処理工程では、最初にコンクリート構造物１０の表面に陽極３０を設置する（Ｓ２２０）。また、炭酸ナトリウムを主成分とする再アルカリ化処理用アルカリ性溶液３８を陽極３０の近傍に設置する（Ｓ２２２）。ここでは、陽極３０とコンクリート構造物１０の表面との間に電解質溶液保持材３４を設けて、電解質溶液保持材３４により再アルカリ化処理用アルカリ性溶液３８を保持する。次に、コンクリート構造物１０の内部に位置する鉄筋又は鉄骨を陰極２０として、この陽極３０と陰極２０との間で直流電圧を印加する（Ｓ２２４）。すると、再アルカリ化処理用アルカリ性溶液３８によって陰極２０となる鉄筋又は鉄骨近傍への電気浸透が行なわれる（Ｓ２２６）。そして、コンクリート構造物１０のアルカリ性がｐＨ１０．７程度以上として鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し（Ｓ２２８）、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、Ｓ２２４に戻って直流電圧印加工程と電気浸透工程を継続する。
次に、本発明者が行った実施例について説明する。
（試験材の作成）
コンクリート構造物１０としてのコンクリート試験材は、普通ポルトランドセメントおよび山砂を用い、水／セメント比を０．５として作成した。各成分を良く混合して金型に流し込み、図８のような試験材を作成した。併せて極細（０．５ｍｍ径）の竹ひごをコンクリート試験材に埋め込み、硬化後に抜き取ることで塩分センサ及びｐＨセンサ挿入用細孔６２、７２を作成した。水中養生を１か月行った後、サイド部をシールして試験に供した。鉄筋の位置は、試験面からのかぶり厚（モルタルの厚さ）が、４０ｍｍとなるようにし、同様に、塩分センサ及びｐＨセンサ挿入用細孔６２、７２の深さは、５、１０、２０、３０ｍｍとした。鉄筋には、普通炭素鋼（ＳＭ：０．１５Ｃ−０．２Ｓｉ−１．５Ｍｎ−Ｆｅ)を用いた。
（試験材の作成）
コンクリート構造物１０としてのコンクリート試験材は、普通ポルトランドセメントおよび山砂を用い、水／セメント比を０．５として作成した。各成分を良く混合して金型に流し込み、図８のような試験材を作成した。併せて極細（０．５ｍｍ径）の竹ひごをコンクリート試験材に埋め込み、硬化後に抜き取ることで塩分センサ及びｐＨセンサ挿入用細孔６２、７２を作成した。水中養生を１か月行った後、サイド部をシールして試験に供した。鉄筋の位置は、試験面からのかぶり厚（モルタルの厚さ）が、４０ｍｍとなるようにし、同様に、塩分センサ及びｐＨセンサ挿入用細孔６２、７２の深さは、５、１０、２０、３０ｍｍとした。鉄筋には、普通炭素鋼（ＳＭ：０．１５Ｃ−０．２Ｓｉ−１．５Ｍｎ−Ｆｅ)を用いた。
（センサ電極作製）
塩分検出電極ワイヤ６０とｐＨ検出電極ワイヤ７０については、環境測定用マイクロ電極を用いている。塩分検出電極ワイヤ６０は、塩化物イオン測定にＡｇ／ＡｇＣｌマイクロ電極を独自に作成したもので、０．３ｍｍ径のＡｇワイヤを用い、０．１Ｍ−ＨＣｌ溶液中で５００ｍＶ、２時間で作成した。また、ｐＨ検出電極ワイヤ７０では、Ｗ／ＷＯｘマイクロ電極を独自に作成したもので、０．３ｍｍ径のＷワイヤを用い、１０％−ＨＮＯ３溶液中で１８時間で作成した。腐食試験溶液は、ＮａＣｌ溶液およびＨＣｌ溶液を用い、０．５Ｍ／ｌのＣｌイオン溶液を調整し、室温(２５℃）において用いた。
塩分検出電極ワイヤ６０とｐＨ検出電極ワイヤ７０については、環境測定用マイクロ電極を用いている。塩分検出電極ワイヤ６０は、塩化物イオン測定にＡｇ／ＡｇＣｌマイクロ電極を独自に作成したもので、０．３ｍｍ径のＡｇワイヤを用い、０．１Ｍ−ＨＣｌ溶液中で５００ｍＶ、２時間で作成した。また、ｐＨ検出電極ワイヤ７０では、Ｗ／ＷＯｘマイクロ電極を独自に作成したもので、０．３ｍｍ径のＷワイヤを用い、１０％−ＨＮＯ３溶液中で１８時間で作成した。腐食試験溶液は、ＮａＣｌ溶液およびＨＣｌ溶液を用い、０．５Ｍ／ｌのＣｌイオン溶液を調整し、室温(２５℃）において用いた。
図９はＡｇ／ＡｇＣｌマイクロ電極およびＷ／ＷＯｘマイクロ電極のキャリブレーション曲線で、（Ａ）は塩分検出電極ワイヤ６０のもので、横軸は塩素イオン濃度、縦軸は起電力を示しており、（Ｂ）はｐＨ検出電極ワイヤ７０のもので、横軸はｐＨ、縦軸は起電力を示している。溶液作製では、Ａｇ／ＡｇＣｌマイクロ電極では、飽和Ｃａ（ＯＨ）２溶液に塩分量を変化させた。得られたキャリブレーションは、良い直線性を示しており、広い塩分範囲で適用可能であることを示している。その他の金属として、銅、鉛、水銀も測定可能であるが、本件で示す銀が最も精度が高いことを確認した。
また、Ｗ／ＷＯｘマイクロ電極では、Ｎａ２ＳＯ４溶液にＨＣｌおよびＮａＯＨでｐＨを変化させた。得られたキャリブレーションは、良い直線性を示しており、広いｐＨ範囲で適用可能であることを示している。その他の金属として、鉄、ニッケル、銅、イリジウムも測定可能であるが、本件で示すタングステンが最も精度が高いことを確認した。
塩分検出電極ワイヤ６０とｐＨ検出電極ワイヤ７０は、長期間の使用では特性が劣化してくるが、測定前に新品のセンサとの電圧差を３％塩水中で測定し、差が１０ｍＶ以下であることを確認して使用を継続することが可能である。また、劣化したセンサも再度、上記処理を施すことにより再生が何度でも可能である。
（測定結果）
実測定は、３％ＮａＣｌ溶液にコンクリート試験材を浸漬し、塩分の増加を確認し、その後、脱塩処理を行い、マイクロ電極によるＣｌイオンおよびｐＨの経時測定を行った。また、塩分センサ及びｐＨセンサ挿入用細孔６２、７２の上部入口は通常はシールしておき、測定時のみ開放した。鉄筋板の試料面積は、１６ｃｍ２として、他の部分は、シールを行い、計測のために電量値を一定とした。
実測定は、３％ＮａＣｌ溶液にコンクリート試験材を浸漬し、塩分の増加を確認し、その後、脱塩処理を行い、マイクロ電極によるＣｌイオンおよびｐＨの経時測定を行った。また、塩分センサ及びｐＨセンサ挿入用細孔６２、７２の上部入口は通常はシールしておき、測定時のみ開放した。鉄筋板の試料面積は、１６ｃｍ２として、他の部分は、シールを行い、計測のために電量値を一定とした。
図１０は脱塩処理におけるモルタルの塩分の変化を示すグラフで、縦軸は塩素イオン濃度、横軸は経過日数を示している。モルタルの測定位置が、いずれの日にちでも３０、２０、１０、５ｍｍと表面に近いほど塩分量が多い。また、各位置の塩分量は日にちとともに増加していき、３３日では、いずれの深さも１Ｍを超えた塩分量となっている。このように、本発明の塩分センサである塩分検出電極ワイヤ６０を利用することにより塩害が進む様子が定量的に示すことが可能となった。
図１１は脱塩処理におけるモルタルのｐＨの変化を示すグラフで、縦軸はｐＨ、横軸は経過日数を示している。モルタルの測定位置が、いずれの日にちでも３０、２０、１０、５ｍｍと表面に近いほどｐＨが低い。また、各位置のｐＨは日にちとともに減少していき、３３日では、いずれの深さも８．５未満となっている。このように、本発明のｐＨセンサであるｐＨ検出電極ワイヤ７０により中性化が進む様子が定量的に示すことが可能となった。
図１０及び図１１において、この３３日を脱塩処理の開始日として、飽和Ｃａ（ＯＨ）２中において、１Ａ／ｍ２の電流を付加した。図１０では、電流負荷と伴にモルタル内の塩分量が激減していく様子が分かる。このときも、いずれの日にちでも５、１０、２０、３０ｍｍと表面から遠いほど塩分量が少ない。全日４６日（脱塩開始１３日）では、どの位置でも０．０１Ｍ未満の塩分量となり、脱塩が十分に達成されたことを示している。図１１では、電流負荷と伴にモルタル内のｐＨが上昇していく様子が分かる。このときも、いずれの日にちでも５、１０、２０、３０ｍｍと表面から遠いほどｐＨが高い。全日４６日（脱塩開始１３日）では、どの位置でも９．０以上のｐＨとなり、再アルカリ化が達成されたことを示している。
以上の実施例での説明のように、塩分センサとｐＨセンサを用いることにより脱塩工程の塩分量とｐＨが定量的に示される。これにより、適切な負荷電流、また、終了時間に関する情報が得られ、さらに実際にモルタル内の脱塩、再アルカリ化が達成できていることを確認できた。
なお、本発明は上記の実施形態で示した実施例に限定されるものではなく、当業者において自明な範囲で用途に応じた各種の設計変更も可能である。例えば、塩分検出電極ワイヤとｐＨ検出電極ワイヤをコンクリート実構造体中に設置しておくと共に、電解質溶液保持材により脱塩処理用アルカリ性溶液や再アルカリ化処理用アルカリ性溶液を保持しておき、直流電源装置も待機状態としておくことで、塩分増加やｐＨ低下を検知し、閾値以下に低下した場合には、脱塩処理制御装置や再アルカリ化処理制御装置を用いて自動的に脱塩、再アルカリ処理を行うことも可能である。これは、自己修復コンクリートの基本概念となり、次世代コンクリート構造体に有用と考えられる。さらに、センサ出力をＷｉＦｉ等で遠隔モニタリングすることも可能であり、コンクリート構造体を将来、通信システムで集中管理可能とすることもできる。
本発明のコンクリート構造物の脱塩処理システム又は再アルカリ化処理システムは、日本国の高度成長期に建設され、すでに塩害や中性化で劣化した既設のコンクリート構造物を再生させる有効な手法であり、経済的効果が高いといえる。これにより、既設コンクリート構造物の再生がより簡単に行えるため、地方公共団体の財政的制限や交通需要の伸び悩み乃至減少といった社会環境の変化によって、コンクリート構造体を掛け替えて新たな社会需要に応える施策と比較して、優れた社会経済的効果を有する。
１０ コンクリート構造物
２０ 陰極（鉄筋又は鉄骨）
３０ 陽極
３４ 電解質溶液保持材
３６ 脱塩処理用アルカリ性溶液（水酸化カルシウム飽和水溶液など）
３８ 再アルカリ化処理用アルカリ性溶液（炭酸ナトリウム）
４０ 直流電源装置
６０ 塩分検出電極ワイヤ（塩分センサ）
６２ 塩分センサ挿入穴
６４ 脱塩処理制御装置
７０ ｐＨ検出電極ワイヤ（ｐＨセンサ）
７２ ｐＨセンサ挿入穴
７４ 再アルカリ化処理制御装置
２０ 陰極（鉄筋又は鉄骨）
３０ 陽極
３４ 電解質溶液保持材
３６ 脱塩処理用アルカリ性溶液（水酸化カルシウム飽和水溶液など）
３８ 再アルカリ化処理用アルカリ性溶液（炭酸ナトリウム）
４０ 直流電源装置
６０ 塩分検出電極ワイヤ（塩分センサ）
６２ 塩分センサ挿入穴
６４ 脱塩処理制御装置
７０ ｐＨ検出電極ワイヤ（ｐＨセンサ）
７２ ｐＨセンサ挿入穴
７４ 再アルカリ化処理制御装置
Claims (8)
- コンクリート構造物の脱塩処理法で使用される塩分検出電極ワイヤであって、
前記塩分検出電極ワイヤは、銀、銅、鉛、水銀からなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を塩化物処理したものであり、
前記コンクリート構造物の脱塩処理法は、被検査対象のコンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴に塩分検出電極ワイヤを挿入する工程と、前記コンクリート構造物の脱塩処理を行う工程と、前記塩分検出電極ワイヤで検出された前記コンクリート構造物の塩分検出値と脱塩処理完了閾値とを比較する工程と、上記比較工程で前記塩分検出値が前記脱塩処理完了閾値よりも高いと判断された場合は前記脱塩処理を続行すると判断し、低いと判断された場合は前記脱塩処理を完了と判断する工程とを備えることを特徴とする塩分検出電極ワイヤ。 - コンクリート構造物の再アルカリ化処理法で使用されるｐＨ検出電極ワイヤであって、
前記ｐＨ検出電極ワイヤは、タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を酸化物処理したものであり、
前記コンクリート構造物の再アルカリ化処理法は、被検査対象のコンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴にｐＨ検出電極ワイヤを挿入する工程と、前記コンクリート構造物の再アルカリ化処理を行う工程と、前記塩分検出電極ワイヤで検出された前記コンクリート構造物のｐＨ検出値と再アルカリ化処理完了閾値とを比較する工程と、上記比較工程で前記ｐＨ検出値が前記再アルカリ化処理完了閾値よりも高いと判断された場合は前記再アルカリ化処理を続行すると判断し、低いと判断された場合は前記再アルカリ化処理を完了と判断する工程とを備えることを特徴とする塩分検出電極ワイヤ。 - コンクリート構造物の表面に設置された陽極と、
前記コンクリート構造物の内部に位置する鉄筋又は鉄骨を陰極として、前記陽極と当該陰極との間で直流電圧を印加する電圧印加手段と、
水酸化カルシウム飽和水溶液又はほう酸リチウム水溶液を主成分とするアルカリ性溶液を前記陽極の近傍に配置するアルカリ性溶液配置手段と、
銀、銅、鉛、水銀からなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を塩化物処理した塩分検出電極ワイヤと、
前記コンクリート構造物の表面に設けられたセンサ挿入穴に挿入された前記塩分検出電極ワイヤの検知信号を入力して、前記コンクリート構造物の塩分が減少して鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し、前記鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、前記電圧印加手段による給電と前記アルカリ性溶液配置手段によって前記陰極となる鉄筋又は鉄骨の近傍から陽極側への塩素イオンの電気泳動を継続する脱塩処理制御手段と
を備えるコンクリート構造物の脱塩処理システム。 - さらに、タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を酸化物処理したｐＨ検出電極ワイヤを有し、
前記脱塩処理制御手段は、前記コンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴に挿入された前記ｐＨ検出電極ワイヤの検知信号を入力して、前記コンクリート構造物の塩分が減少すると共に、検知されたｐＨのアルカリ性から、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断することを特徴とする請求項３に記載されたコンクリート構造物の脱塩処理システム。 - コンクリート構造物の表面に設置された陽極と、
前記コンクリート構造物の内部に位置する鉄筋又は鉄骨を陰極として、前記陽極と当該陰極との間で直流電圧を印加する電圧印加手段と、
炭酸ナトリウムを主成分とするアルカリ性溶液を前記陽極の近傍に配置するアルカリ性溶液配置手段と、
タングステン、鉄、ニッケル、銅、イリジウムからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を酸化物処理したｐＨ検出電極ワイヤと、
前記コンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴に挿入された前記ｐＨ検出電極ワイヤの検知信号を入力して、前記コンクリート構造物のｐＨが１０．７程度以上となって鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断し、前記鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化するまで、前記電圧印加手段による給電と前記アルカリ性溶液配置手段によって前記陰極となる鉄筋又は鉄骨近傍への電気浸透を継続する再アルカリ化処理制御手段と
を備えるコンクリート構造物の再アルカリ化処理システム。 - さらに、銀、銅、鉛、水銀からなる群から選ばれた少なくとも一つの金属からなる線材を用いて、当該線材を塩化物処理した塩分検出電極ワイヤを有し、
前記再アルカリ化処理制御手段は、被検査対象のコンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴に挿入された前記塩分検出電極ワイヤの検知信号を入力して、前記コンクリート構造物の塩分検知値と、検知されたｐＨのアルカリ性から、鉄筋又は鉄骨の不動態領域に安定化したか判断することを特徴とする請求項５に記載されたコンクリート構造物の再アルカリ化処理システム。 - さらに、被検査対象のコンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴に挿入された前記塩分検出電極ワイヤの検知信号を遠隔送信する送信手段を備え、
前記脱塩処理制御手段又は前記再アルカリ化処理制御手段は、前記送信手段からの前記塩分検出電極ワイヤの検知信号を受信することを特徴とする請求項３又は４に記載のコンクリート構造物の脱塩処理システム。 - さらに、被検査対象のコンクリート構造物の表面に形成されたセンサ挿入穴に挿入された前記ｐＨ検出電極ワイヤの検知信号を遠隔送信する送信手段を備え、
前記再アルカリ化処理制御手段は、前記送信手段からの前記ｐＨ検出電極ワイヤの検知信号を受信することを特徴とする請求項５又は６に記載のコンクリート構造物の再アルカリ化処理システム。
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