JP2021011614A - 流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明では、鉄筋腐食が激しい場合や、かぶりコンクリートが乾燥し、高抵抗である場合においても、前記流電陽極方式電気防食工法の回路に例えば取り付け取り外し可能な乾電池などを接続することで起電力をアップさせる補助を行い、もって有意な防食効果を簡単に得ることが出来る流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システムを提供する。【解決手段】コンクリート構造物内に埋設された鉄筋１と、コンクリート構造物に設けられた陽極４と前記鉄筋１と陽極４とを接続する導線５とを備え、陽極４と鉄筋１の電位差を起電力とし電流を供給し、コンクリート構造物中の腐食した鉄筋１に対する補修を行う流電陽極方式の電気防食工法において、前記鉄筋１と陽極４とを接続する導線間に取り付け取り外し可能な直流外部電源を取り付けたことを特徴とする。【選択図】 図１
Description
本発明は、鉄筋コンクリート構造物の電気防食法の１つである流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システムに関するものである。
電気防食工法とは、鉄筋に電気を流し、前記鉄筋の腐食速度を制御する工法を指標する。
鉄筋に電気が流れると、電位が変化し、その電位の変化量（これを復極量という）に応じて、腐食速度が制御されるのである。
鉄筋に電気が流れると、電位が変化し、その電位の変化量（これを復極量という）に応じて、腐食速度が制御されるのである。
ところで、コンクリート構造物中の鉄筋の腐食反応を抑制する電気防食工法の一つに、流電陽極方式がある。一般に電気防食工法は構造物外部に取り付けられた陽極から、内部の鉄筋に電流を供給することで鉄筋の腐食速度を抑制する工法であり、特に前記流電陽極方式の電気防食工法は、陽極と鉄筋の電位差を起電力とし電流を供給するコンクリート構造物中の腐食した鉄筋に対する補修工法である。
この流電陽極方式には前記鉄筋に電流を強制的に流すための外部電源装置の設置が不要であり、もって前記外部電源装置の維持管理が不要であるというメリットがあるが、環境変化（温度、水分など）の影響を受けやすく防食電流量の調整が難しいことから防食効果が変動するとの課題が指摘されていた。
その一例として、かぶりコンクリートの電気抵抗が高いことにより、想定した防食電流が流れない場合の対応が難しい場合があることなどが指摘されている。
外部電源方式であれば、外部電源装置を用いて直接電流量を制御することができるが、大がかりな外部電源装置が必要となると共に、その維持管理のためのコストと時間を要するものとなっていた。
そこで、本件発明者は、外部電源方式の電気防食工法を採用せず、流電陽極方式の電気防食工法を基本採用することとし、その上で流電陽極方式の電気防食工法の難点を解消するシステムを創案するに至ったものである。
従来、鉄筋腐食が激しい場合や、かぶりコンクリートが乾燥し、高抵抗である場合には流電陽極方式の電気防食工法では起電力不足となり、有意な防食効果が得られなかった。
そして、現状では、このような流電陽極方式電気防食工法の起電力不足を解消する技術は創案されてはいなかった。
そして、現状では、このような流電陽極方式電気防食工法の起電力不足を解消する技術は創案されてはいなかった。
しかし、本発明では、鉄筋腐食が激しい場合や、かぶりコンクリートが乾燥し、高抵抗である場合においても、前記流電陽極方式電気防食工法の回路に例えば取り付け取り外し可能な乾電池などを接続することで起電力をアップさせる補助を行い、もって有意な防食効果を簡単に得ることが出来る流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システムを提供することを目的とするものである。
本発明は、
コンクリート構造物内に埋設された鉄筋と、コンクリート構造物に設けられた陽極と前記鉄筋と陽極とを接続する導線とを備え、陽極と鉄筋の電位差を起電力とし電流を供給し、コンクリート構造物中の腐食した鉄筋に対する補修を行う流電陽極方式の電気防食工法において、
前記鉄筋と陽極とを接続する導線間に取り付け取り外し可能な直流外部電源を取り付けた、
ことを特徴とし、
または、
コンクリート構造物内に埋設された鉄筋と、コンクリート構造物に設けられた陽極と前記鉄筋と陽極とを接続する導線とを備え、陽極と鉄筋の電位差を起電力とし電流を供給し、コンクリート構造物中の腐食した鉄筋に対する補修を行う流電陽極方式の電気防食工法において、
前記鉄筋と陽極とを接続する導線間に取り付け取り外し可能な１．５Ｖ乾電池を取り付けた、
ことを特徴とし、
または、
取り付け取り外し可能な１．５Ｖ乾電池は、必要とされる前記起電力に応じて複数個、並列にして取り付ける、
ことを特徴とし、
または、
流電陽極方式電気防食工法の回路がそれぞれに内設された複数枚の床版ユニットで構成された床版と、前記流電陽極方式電気防食工法の回路に接続された制御装置を有し、
前記制御装置は、前記床版ユニット内に内設された流電陽極方式電気防食工法を構成する回路において、起電力が発生しているか否かをチェックする起電力チェック手段と、前記起電力チェック手段によって所定の床版ユニットに起電力が生じていないと判断された場合に、前記床版ユニット内に内設された流電陽極方式電気防食工法を構成する回路に起電力補助電流を投入する起電力付加手段とを有する、
ことを特徴とするものである。
コンクリート構造物内に埋設された鉄筋と、コンクリート構造物に設けられた陽極と前記鉄筋と陽極とを接続する導線とを備え、陽極と鉄筋の電位差を起電力とし電流を供給し、コンクリート構造物中の腐食した鉄筋に対する補修を行う流電陽極方式の電気防食工法において、
前記鉄筋と陽極とを接続する導線間に取り付け取り外し可能な直流外部電源を取り付けた、
ことを特徴とし、
または、
コンクリート構造物内に埋設された鉄筋と、コンクリート構造物に設けられた陽極と前記鉄筋と陽極とを接続する導線とを備え、陽極と鉄筋の電位差を起電力とし電流を供給し、コンクリート構造物中の腐食した鉄筋に対する補修を行う流電陽極方式の電気防食工法において、
前記鉄筋と陽極とを接続する導線間に取り付け取り外し可能な１．５Ｖ乾電池を取り付けた、
ことを特徴とし、
または、
取り付け取り外し可能な１．５Ｖ乾電池は、必要とされる前記起電力に応じて複数個、並列にして取り付ける、
ことを特徴とし、
または、
流電陽極方式電気防食工法の回路がそれぞれに内設された複数枚の床版ユニットで構成された床版と、前記流電陽極方式電気防食工法の回路に接続された制御装置を有し、
前記制御装置は、前記床版ユニット内に内設された流電陽極方式電気防食工法を構成する回路において、起電力が発生しているか否かをチェックする起電力チェック手段と、前記起電力チェック手段によって所定の床版ユニットに起電力が生じていないと判断された場合に、前記床版ユニット内に内設された流電陽極方式電気防食工法を構成する回路に起電力補助電流を投入する起電力付加手段とを有する、
ことを特徴とするものである。
例えば、起電力としては、乾電池の他に、光起電力による太陽電池、化学反応による化学電池、電磁誘導による発電機、ゼーベック効果による熱電変換デバイスなど挙げられる。
また、陽極材としては、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムなどの金属が挙げられる。その形成方法として代表的なものに亜鉛アルミ擬合金の金属溶射方法が挙げられる。
陽極材の形成方法としては、例えば、コンクリート表面に接着層としてポリマーセメントモルタル層を設け、更に粗面形成材として大粒子径の粒子を含む樹脂（例えば、平均粒子径１００μｍのケイ砂を含むエポキシ樹脂）等を塗布後、金属溶射にて陽極材を形成すればよい。更に、溶射皮膜を保護するために封孔処理を施してもよい。封孔処理剤としては有機系樹脂が使用でき、例えばエポキシ樹脂が挙げられる。これらの上に更に耐久性を付与する目的で保護塗膜を形成させることもできる。このような材料は任意の組み合わせで使用できるが、これに限定されるものではない。
本発明によれば、鉄筋腐食が激しい場合や、かぶりコンクリートが乾燥し、高抵抗である場合においても、前記流電陽極方式の電気防食工法における回路に例えば取り付け取り外し可能な乾電池などを接続することで起電力をアップさせて起電力の補助を行い、もって有意な防食効果を得ることが出来るとの優れた効果を奏する。
以下、本発明にかかる流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システムにつき説明する。
（実験例）
まず、本件発明者は、腐食が激しく、かぶりの乾燥した鉄筋モルタル試験体を作製し、流電陽極方式の電気防食工法による起電力が不足する状況を再現することから開始した。
まず、本件発明者は、腐食が激しく、かぶりの乾燥した鉄筋モルタル試験体を作製し、流電陽極方式の電気防食工法による起電力が不足する状況を再現することから開始した。
使用した鉄筋１は長さ120mm、φ16mmの磨き丸鋼とし、両端部10mm部分にリード線を接続後、防水処理のためテープで被覆した。これにより、電気化学測定の被測定面積は50．24cm2となる。
そして、質量パーセント濃度10%の塩化ナトリウム水溶液を鉄筋１に噴霧し、全面を腐食させた。さらに、この鉄筋１をかぶり42mmとなるように100mm×100mm×200mmのモルタル２中に埋設した。モルタル２には1m3あたり17kgの塩化ナトリウムを添加した。試験体３の作製後、該試験体３を40℃の乾燥炉で24時間乾燥させ、かぶりの含水率を下げた。
次に、前記作製した試験体３表面に亜鉛やアルミニウムを材料とする陽極４を設置し、モルタル２内部の鉄筋１とを導線５で接続した。すなわち、従来方式の流電陽極方式電気防食工法の回路構成を作製した。
また、前記の流電陽極方式の電気防食工法の回路、すなわち、陽極４と鉄筋１とを導線５で接続する回路間に、取り付け取り外し可能な例えば１．５Vの乾電池６を１つ介在させ、起電力を補助する構成である本件発明方式の流電陽極方式の電気防食工法を実施出来る試験体３とした。
次に、前記試験体３の表面に亜鉛やアルミニウムを材料とする陽極４を設置し、モルタル２内部の鉄筋１と導線５で接続するのみの従来方式の流電陽極方式の電気防食工法、および前記試験体３表面に亜鉛やアルミニウムを材料とする陽極４を設置し、モルタル２内部の鉄筋１と導線５で接続すると共に、該導線５で接続する回路間に、取り付け取り外し可能な例えば１．５Vの乾電池６を介在させ、起電力を補助する本件発明方式の流電陽極方式の電気防食工法を実施し、双方の防食効果を観察するため、各々の通電電流密度、復極量を測定した。
尚、通電電流密度は、２４時間以上、双方の流電陽極方式電気防食工法を継続した後に、値が安定した状態で測定した。そして、復極量は、双方の流電陽極方式電気防食工法において導線５内の通電をOffとし、直後のInstantOff電位と24時間経過後のOff電位の差と定義した。各種電気化学測定は、飽和銀−塩化銀電極を照合電極に用いた。
（実験結果）
（通電電流量すなわち通電電流密度の比較）
従来方式の通電電流密度は33．4μA/cm2、本件発明方式の通電電流密度は80．5μA/cm2であった。このように、本件発明方式では従来方式より通電電流密度が増加したことが認識できる。すなわち、通電電流量が増加していることが認識できる。
（通電電流量すなわち通電電流密度の比較）
従来方式の通電電流密度は33．4μA/cm2、本件発明方式の通電電流密度は80．5μA/cm2であった。このように、本件発明方式では従来方式より通電電流密度が増加したことが認識できる。すなわち、通電電流量が増加していることが認識できる。
（復極量の比較）
従来方式の復極量は85mV、本件発明方式の復極量は142mVであった。このように本件発明方式では従来方式より復極量が増加したことが認識できる。
従来方式の復極量は85mV、本件発明方式の復極量は142mVであった。このように本件発明方式では従来方式より復極量が増加したことが認識できる。
（実験の考察）
図５左には、従来方式の鉄筋−陽極間の電位分布を、図５右には、本件発明方式の電位分布を示す。鉄筋電位をEcorr[V vs．SSE]、陽極電位をEano[V vs．SSE]、鉄筋の分極抵抗をRcorr[Ω・cm2]、単位面積当たりのかぶりの電気抵抗をRcon[Ω・cm2]とすれば、従来方式での通電電流密度ipro[A/cm2]および鉄筋の復極量ΔE[V]は次式の通りである。
図５左には、従来方式の鉄筋−陽極間の電位分布を、図５右には、本件発明方式の電位分布を示す。鉄筋電位をEcorr[V vs．SSE]、陽極電位をEano[V vs．SSE]、鉄筋の分極抵抗をRcorr[Ω・cm2]、単位面積当たりのかぶりの電気抵抗をRcon[Ω・cm2]とすれば、従来方式での通電電流密度ipro[A/cm2]および鉄筋の復極量ΔE[V]は次式の通りである。
本実験での試験体３は、乾燥により、かぶりの電気抵抗は大きいと考えられるが、鉄筋１表面の腐食により鉄筋１の分極抵抗は小さいと考えられる。従来法での通電電流密度33．4μA/cm2は、かぶりが乾燥しているにも関わらず、流電陽極方式の電気防食工法としては一般的な通電電流密度であった。
起電力が一定の場合、通電電流密度は式(１)に表される通り、鉄筋１の分極抵抗、かぶりの電気抵抗および陽極の分極抵抗の和で決定される。したがって、鉄筋１表面の分極抵抗が非常に小さいため、かぶりが乾燥しているにもかかわらず一般的な通電電流密度が得られたと推測される。また、通電電流密度が一般的な値であるにもかかわらず、復極量は小さくなった。
起電力が一定の場合、復極量は式(２)に表される通り、鉄筋１の分極抵抗、かぶりの電気抵抗および陽極の分極抵抗の和と鉄筋の分極抵抗の比で決定される。したがって、本試験体３の鉄筋１表面の分極抵抗が小さく、復極量が小さくなったと推測される。
次に、乾電池の起電力をEcell[V]とすれば、本件発明方式での通電電流密度i*pro[A/cm2]および鉄筋１の復極量ΔE* [V]は次の通りである。
式(３)、(４)より、乾電池で起電力が補助されたことにより、通電電流量、復極量ともに増加している。本実験例でも同様の傾向が見られ、通電電流量および復極量が増加することが示された。本実験例で用いた陽極４の電位が-1．3V(vs．SSE)、鉄筋１の電位が-0．3V(vs．SSE)、電池の起電力が１．５Vであるから、式(１)〜(４)より、従来方式を本発明方式に変更することで、復極量、通電電流密度ともに1．9倍になると考えられる。
本実験例での実測値は、復極量は2．4倍、通電電流密度は1．7倍になることが確認された。計算結果と試験体３を用いての実測値に著しい相違はないが、数値の違いはオームの法則の線形仮定を逸脱しているためであると考えらえる。
（実際の現地での実施例）
本件発明方式の有効性の確認のため、流電陽極方式の電気防食工法が適用されている実際の現場での２つの橋梁（以下、橋梁１、橋梁２）に対し、従来方式による復極量と本件発明方式による復極量を測定した。また、通電電流密度も併せて測定した。
本件発明方式の有効性の確認のため、流電陽極方式の電気防食工法が適用されている実際の現場での２つの橋梁（以下、橋梁１、橋梁２）に対し、従来方式による復極量と本件発明方式による復極量を測定した。また、通電電流密度も併せて測定した。
すると、従来方式での通電電流密度は橋梁１、２のそれぞれで、213μA/m2、95.8μA/m2であった。両橋梁とも通電電流密度が非常に小さいことから、式(１)より、かぶりの電気抵抗が大きく、流電陽極方式の電気防食工法の適用において起電力が不足している状態であると推察される。
次に従来方式での復極量は橋梁１、２のそれぞれで14mV、1mVであった。これも通電電流密度と同様に、かぶりの電気抵抗が高く、やはり流電陽極方式の電気防食工法の適用において起電力が不足しているためと推察される。
そこで、橋梁１、２に対し流電陽極方式の電気防食工法が適用されている回路間に１．５V乾電池６を介在させて、本件発明方式の流電陽極方式電気防食工法を行った。
すると、本件発明方式での通電電流密度は橋梁１が1580μA/m2、橋梁２が542μA/m2であった。次に本件発明方式での復極量は橋梁１が57mV、橋梁２が45mVであった。
式(３)、(４)に示す通り、乾電池６の接続により、流電陽極方式電気防食工法の適用において起電力が増加し、その結果、通電電流密度、復極量が増加したと考えられる。このことから、実際の現場における実施例においても、外部電源の付加、すなわち乾電池を回路内に介在させることによって本件発明方式により起電力の補助が可能であることが確認されたのである。
尚、コンクリート内部において、カソード反応で発生した水酸基イオンは鉄筋付近に残留するため、鉄筋周りのpHが上がることによる再不働態化が期待できる。よって、防食電流が増加することで鉄筋周りの環境が改善され、小さい起電力によっても防食電流が流れるようになれば、本件発明方式による流電陽極方式の電気防食工法において、取り付け取り外し可能な乾電池を取り外し、従来の流電陽極方式単体での防食に移行することもできると考えられる。
また、適用する鉄筋コンクリート構造物の防食電流密度に応じて、取り付け取り外し可能な乾電池を増減することにより、求める防食効果を得ることも可能となるものである。
ここで、本件発明者は、実際の現場で流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システムを構築した。
図４において、符号７は橋梁を示し、符号９は制御装置を示す。該制御装置９は、橋梁下に設置されている。
図４において、符号７は橋梁を示し、符号９は制御装置を示す。該制御装置９は、橋梁下に設置されている。
ここで、橋梁７の床版８は、流電陽極方式の電気防食工法による防食が施された複数枚の床版ユニット１０が長手方向につながれて構成されている。
そして、前記それぞれの床版ユニット１０内には、流電陽極方式の電気防食工法の回路が設置されており、該流電陽極方式の電気防食工法を構成する回路は前記橋梁下の制御装置９に接続されている。
そして、前記それぞれの床版ユニット１０内には、流電陽極方式の電気防食工法の回路が設置されており、該流電陽極方式の電気防食工法を構成する回路は前記橋梁下の制御装置９に接続されている。
制御装置９には前記床版ユニット１０内の流電陽極方式の電気防食工法を構成する回路において、起電力が発生しているか否かをチェックする起電力チェック手段１１が設けられている。具体的には、該起電力チェック手段１１は、流電陽極方式の電気防食工法を構成する回路である陽極４と鉄筋１とを接続する導線５において、前記導線５に電流が流れているか否かを計測する電流計などを用いて構成される。
そして、前記起電力チェック手段１１によって所定の床版ユニット１０には電流が流れていない、すなわち、起電力が生じていないと判断された場合には、起電力付加手段１２が投入される。
ここで、起電力付加手段１２は、通常１．５Ｖ乾電池を前記導線５内に付加する装置で構成され、この起電力付加手段１２は、スイッチの切り替えによって、複数の床版ユニット１０内に構成されたそれぞれの流電陽極方式の電気防食工法を構成する回路に付加できるよう構成されている。
前記起電力付加手段１２を構成する１．５Ｖ乾電池の個数は何ら限定されるものではなく、１個でもかまわないし、複数個を並列に接続したものでもかまわない。
尚、制御装置９内にはディスプレイなどの表示部１３が設けられており、この表示部１３によって、それぞれの床版ユニット１０の起電力のチェック状況、起電力付加手段１２の投入状況がリアルタイムで監視でき、また記憶手段１４に記憶された過去のそれぞれの床版ユニット１０の起電力のチェック状況、起電力付加手段１２の投入状況が閲覧出来るように構成されている。
本件発明方式の基となる流電陽極方式では、外部電源方式とは異なり、一般的に言われている完全防食復極量１００ｍVを満足することは難しいとされている。
加えて、適用するコンクリート構造物の鉄筋の腐食状態や、かぶりコンクリートの含水状態で復極量が異なり、得られる防食効果が不確定であるとも言われている。
しかしながら、今後、本発明方式を用いて、防食効果を補助することにより、確実に求められる防食効果が達成できると思われる。
加えて、適用するコンクリート構造物の鉄筋の腐食状態や、かぶりコンクリートの含水状態で復極量が異なり、得られる防食効果が不確定であるとも言われている。
しかしながら、今後、本発明方式を用いて、防食効果を補助することにより、確実に求められる防食効果が達成できると思われる。
１ 鉄筋
２ モルタル
３ 試験体
４ 陽極
５ 導線
６ 取り付け取り外し可能な乾電池
７ 橋梁
８ 床版
９ 制御装置
１０ 床版ユニット
１１ 起電力チェック手段
１２ 起電力付加手段
１３ 表示部
１４ 記憶手段
２ モルタル
３ 試験体
４ 陽極
５ 導線
６ 取り付け取り外し可能な乾電池
７ 橋梁
８ 床版
９ 制御装置
１０ 床版ユニット
１１ 起電力チェック手段
１２ 起電力付加手段
１３ 表示部
１４ 記憶手段
Claims (4)
- コンクリート構造物内に埋設された鉄筋と、コンクリート構造物に設けられた陽極と前記鉄筋と陽極とを接続する導線とを備え、陽極と鉄筋の電位差を起電力とし電流を供給し、コンクリート構造物中の腐食した鉄筋に対する補修を行う流電陽極方式の電気防食工法において、
前記鉄筋と陽極とを接続する導線間に取り付け取り外し可能な直流外部電源を取り付けた、
ことを特徴とする流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システム。
- コンクリート構造物内に埋設された鉄筋と、コンクリート構造物に設けられた陽極と前記鉄筋と陽極とを接続する導線とを備え、陽極と鉄筋の電位差を起電力とし電流を供給し、コンクリート構造物中の腐食した鉄筋に対する補修を行う流電陽極方式の電気防食工法において、
前記鉄筋と陽極とを接続する導線間に取り付け取り外し可能な１．５Ｖ乾電池を取り付けた、
ことを特徴とする流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システム。
- 取り付け取り外し可能な１．５Ｖ乾電池は、必要とされる前記起電力に応じて複数個、並列にして取り付ける、
ことを特徴とする請求項２記載の流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システム。
- 流電陽極方式電気防食工法の回路がそれぞれに内設された複数枚の床版ユニットで構成された床版と、前記流電陽極方式電気防食工法の回路に接続された制御装置を有し、
前記制御装置は、前記床版ユニット内に内設された流電陽極方式電気防食工法を構成する回路において、起電力が発生しているか否かをチェックする起電力チェック手段と、前記起電力チェック手段によって所定の床版ユニットに起電力が生じていないと判断された場合に、前記床版ユニット内に内設された流電陽極方式電気防食工法を構成する回路に起電力補助電流を投入する起電力付加手段とを有する、
ことを特徴とする流電陽極方式の電気防食工法における起電力補助システム。
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