JP2021116219A - 電気化学的処理工法及び電極用ユニットパネル - Google Patents

Abstract

【課題】電解質の蒸発を抑制しつつ、コンクリートへの良好な電解質浸透性により安定した電圧が早く得られる鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムを提供する。【解決手段】コンクリート表面側に設置した電極を外部電極２０とし、コンクリート内部側に埋設されている鉄筋を内部電極とし、前記内部電極、電解質を保持した第１の電解質保持材２２、前記外部電極、電解質を保持した第２の電解質保持材２４をこの順に配置して、前記外部電極と内部電極との間に直流電流を通電する鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学的処理工法及び電極用ユニットパネルに関する。

従来、道路、鉄道などの土木建設構造物、具体的には橋梁の下部工、橋梁の橋桁、トンネルなどの地下構造物又は半地下構造物、カルバートなどの構築には、一般的に鉄筋コンクリートが使用されている。この鉄筋コンクリートは、高い圧縮強度性能を持つコンクリートと、高い引張強度性能を持つ鉄筋とを組み合わせることにより、圧縮強度と引張強度とを併せ持つ複合構造体を作ることが可能であり、構造物の材料として多く使用されている。なお、この鉄筋コンクリートを用いた構造物には、所謂ＰＣ構造物と呼ばれ、更にＰＣ鋼材（ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼棒、ＰＣ鋼より線など）をコンクリート内に配置したコンクリート構造物も多く存在する。

コンクリートは環境抵抗性が高く、コンクリート自体のアルカリ度はｐＨ値で１２〜１２．５の強アルカリ性であるため、コンクリート内部に配設された鉄筋は表面に不動態被膜を形成し腐食から防止されるものと考えられてきた。

しかしながら、近年、コンクリートの中性化や塩害によって鉄筋コンクリート構造物に劣化現象が生じていることが社会問題となってきている。
ここで、「中性化」とは、セメントの水和反応によって生成された水酸化カルシウムが大気中の二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムとなる現象であり、この炭酸化によりコンクリートのアルカリ度が低下し、ｐＨ値が１０以下になると鉄筋の不動態被膜が破壊され、鉄筋の腐食が始まる劣化現象である。
また、「塩害」とは、沿岸部にあるコンクリート構造物の場合、海水の飛沫がコンクリート表面に付着すると、その塩分がコンクリートの吸着現象や濃度勾配によりコンクリート中に浸透して鉄筋まで到達すると、塩素イオンにより鉄筋の不動態皮膜が破壊され腐食が始まる劣化現象である。さらに、過去のコンクリート構造物では、細骨材として海砂が使用されることもあり、その際、管理の不十分さから塩分除去が十分に行われないまま使用されたため、多量の塩化物がコンクリート中に存在することになり、その結果、鉄筋の不動態皮膜が破壊され腐食が始まるケースもあった。
上記のような鉄筋コンクリートの劣化現象が進行すると、複合構造物としての耐久性が大きく低下することになる。

そこで、劣化した鉄筋コンクリートの補修方法として、劣化部分をはつり取り、コンクリート又はモルタル等で埋め戻すなどの構造物の破壊を伴う補修方法の他に、破壊を伴うことなく電気化学的な方法により補修を行う方法が提案され、実施されてきた。

例えば、特許文献１では、板状体の一方面側に外部電極を配設するとともに、外部電極配設領域の全面を繊維質シートからなる電解質溶液保持材で被覆した電極用ユニットパネルを多数用意し、処理対象のコンクリート面に対して、電極用ユニットパネルを並べて配設するとともに、隣接する電極用ユニットパネル間の目地部及び外周部において液密性を確保した状態とし、任意箇所に電解質溶液供給口を設置するとともに、電解質溶液回収口を設置し、継続的又は断続的に、電解質溶液供給口から電解質溶液を電極用ユニットパネルとコンクリート表面との間に供給するとともに、電解質溶液回収口から電解質溶液を回収する、鉄筋コンクリートの電気化学的処理方法が提案されている。

特許第６５８６０００号公報

特許文献１の鉄筋コンクリートの電気化学的処理方法によれば、セルロースファイバー及び電解質溶液の吹付け作業を無くし作業環境を良好に保つとともに、作業員の安全性を確保することが可能であり、また特殊産業廃棄物の発生を極力抑え、更に電解質溶液の使用量を削減できるとともに、給水作業の省力化を図り得る等、種々の効果が期待できる。

ところで、作業環境をより良好に保ち、かつ作業員の安全性をより確保しやすくするために、電気化学的処理における電解質溶液の使用量をさらに削減することが好ましい。しかし、電解質溶液の使用量を単に減らしてしまうと、コンクリートへの電解質浸透性が低下して、安定した電圧が得られにくくなることが懸念される。すなわち、電解質溶液の使用量を減らしつつ、コンクリートへの電解質浸透性をより向上させることができれば、作業環境をより良好にすることができ、かつ作業員の安全性をより確保しやすくすることができる。

以上から、本発明は、電解質の蒸発を抑制しつつ、コンクリートへの良好な電解質浸透性により安定した電圧が早く得られる鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために鋭意検討したところ、本発明者らは下記本発明に想到し、当該課題を解決できることを見出した。すなわち本発明は下記のとおりである。

［１］ コンクリート表面側に設置した電極を外部電極とし、コンクリート内部側に埋設されている鉄筋を内部電極とし、前記内部電極、電解質を保持した第１の電解質保持材、前記外部電極、及び、電解質を保持した第２の電解質保持材をこの順に配置して、前記外部電極と内部電極との間に直流電流を通電する鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
［２］ 任意箇所に電解質供給口を設置するとともに、電解質回収口を設置し、継続的又は断続的に、前記電解質供給口から前記電解質を前記第１の電解質保持材及び前記第２の電解質保持材に供給するとともに、前記電解質溶液回収口から前記電解質を回収する［１］に記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
［３］ 前記第１の電解質保持材の厚さが、前記第２の電解質保持材よりも厚い［１］又は［２］に記載の電気化学的処理システム。
［４］ 前記電解質供給口から供給される前記電解質が、前記第１の電解質保持材から前記第２の電解質保持材へ供給される［１］〜［３］のいずれかに記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
［５］ 前記電解質供給口の径が０．５〜１．０ｍｍであり、前記供給口と供給口との間隔が１０〜３５ｍｍである［２］〜［４］のいずれかに記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
［６］ 第１の電解質溶液保持材、電極、第２の電解質保持材がこの順に配置された電極用ユニットパネル。
［７］ ［１］〜［５］のいずれかに記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムに使用される［６］に記載の電極用ユニットパネル。

本発明によれば、電解質の蒸発を抑制しつつ、コンクリートへの良好な電解質浸透性により安定した電圧が早く得られる鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムを提供することができる。その結果、電解質溶液の使用量を減らしつつ、コンクリートへの電解質浸透性をより向上させることができるので、作業環境をより良好にすることができ、かつ作業員の安全性をより確保しやすくなる

本実施形態に係る電極用ユニットパネルをコンクリートの壁面に取り付けた状態を示す部分断面図である。 本実施形態に係る電極用ユニットパネル上部に給水ホース等が設けられた状態を示す部分断面図である。 本実施形態に係る電極用ユニットパネルをコンクリートの壁面に取り付けた状態を説明する説明図である。 試験例で作製した角柱試験体を示す図であり、（Ａ）が正面図であり、（Ｂ）が側面図である。 試験例で作製した角柱試験体の試験方法を説明する図であり、（Ａ）が正面側の断面図であり、（Ｂ）が側面側の断面図である。 試験例１の結果を示す図である。 試験例２の結果を示す図である。

［電気化学的処理システム］
本発明の一実施形態（本実施形態）に係る鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムは、図１に示すように、コンクリート１０の表面側に設置した電極を外部電極２０とし、コンクリート１０の内部側に埋設されている不図示の鉄筋を内部電極とし、当該内部電極、電解質を保持した第１の電解質保持材２２、外部電極２０、電解質を保持した第２の電解質保持材２４をこの順に配置して、外部電極２０と内部電極との間に直流電流を通電する鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムである。
当該システムで直流電流を通電することで、例えば、コンクリート１０内部の塩化物イオンを外部電極２０側に泳動させて除去したり、コンクリート１０内部へアルカリ性の電解質溶液を鉄筋側に電気浸透させ中性化しているコンクリート１０のアルカリ性を回復させたりすることができる。

上記いずれの場合においても、内側（コンクリート１０側）の第１の電解質保持材２２により、コンクリートへの電解質浸透性が向上して安定した電圧が早く得られ、外側の第２の電解質保持材２４により、電解質の蒸発を抑制して電解質保持能力を維持することができる。その結果、電解質の蒸発を抑制しつつ、コンクリートへの良好な電解質浸透性により安定した電圧が早く得られる鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムを構築することができる。
以下、本実施形態に係る鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムについて具体的に説明する。

図１及び図２に示す、電解質を保持した第１の電解質保持材２２、外部電極２０、及び、電解質を保持した第２の電解質保持材２４をこの順に配置してなる電極用ユニットパネル２６は、例えば、第２の電解質保持材２４の外側に保護板２８が設けられて、複数の桟木３０とこれを固定するアンカー３２で、コンクリート１０表面に第１の電解質保持材２２が接触して固定化されている。この電極用ユニットパネル２６については、後述する本実施形態に係る電極用ユニットパネルを用いることが好ましい。

また、桟木３０のうち、電極用ユニットパネル２６の上部にある桟木３０Ａには、図１及び図３に示すように、給水ホース３４が桟木３０Ａにビス３６等で固定されたホース用吊りヒモ３８で吊り下げられた状態で配置されている。給水ホース３４の任意箇所には電解質供給口（不図示）が設置されている。また、図３に示すように、電極用ユニットパネル２６の下部には、給水ホース３４からの電解質を回収する電解質回収口（不図示）を有する回収管４０が設けられている。

給水ホース３４の電解質供給口からは、継続的又は断続的に、電解質を第１の電解質保持材及び第２の電解質保持材に供給するとともに、下方に流れる電解質が回収管４０で回収される。

給水ホース３４の電解質供給口の径は、０．５〜１．０ｍｍであることが好ましく、０．６〜０．８ｍｍであることがより好ましい。０．５〜１．０ｍｍであることで、安定的にユニットパネルへ電解質を供給することができる。また、電解質供給口とその隣にある電解質供給口との間隔は１０〜３５ｍｍであることが好ましく、１５〜３０ｍｍであることがより好ましい。間隔が１０〜３５ｍｍであることで、電極用ユニットパネルへ均一に電解質を供給することができる。

電極用ユニットパネル２６の取付けは、例えば、特許第６５８６０００号公報に記載のパネル固定金具を用いて行ってもよいし、その他の公知の手段を用いてもよい。

また、電極用ユニットパネル２６を格子状に並べて配置する際には、隣接する電極用ユニットパネル２６の間に所定の隙間を設けて配置し、この隙間（目地部）に特許第６５８６０００号公報に記載の接続部材を配置して液密性を確保するようにしてもよい。

給水ホース３４及び回収管４０はそれぞれホース等で外部と接続されている。すなわち、給水ホース３４には、電解質溶液タンク（図示せず）から電解質溶液がポンプ圧送される。回収管４０で回収される電解質は、電解質溶液分離タンク（空気と電解質溶液を分離するタンク）、エレメントを経て電解質溶液タンクへポンプ圧送されるようになっていることが好ましい。

ここで、電解質は、コンクリート中に浸透することによりコンクリートの電気抵抗を低減し、電気を流れやすくするもので、溶液中にプラスイオンとマイナスイオンが存在するものであればよい。具体的には、溶媒である水に、溶質として各種のアルカリ金属塩やアルカリ土類金属塩を溶解した水溶液が好適に使用される。アルカリ金属塩やアルカリ土類金属塩としては、リチウム、ナトリウム及びカリウム、並びにマグネシウムやカルシウムなどの炭酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩、硫酸塩、ホウ酸塩、さらに水酸化物や塩化物等が挙げられる。

電極用ユニットパネル２６の外部電極２０を構成する各電極棒と、コンクリート内部に埋設されている鉄筋（内部電極）とは、それぞれ電線ケーブルと接続し、電極間が通電できるようになっている。

以上のような状態で、外部電極と、コンクリート内部に埋設されている鉄筋（内部電極）との間に直流電流を通電（好ましくはコンクリート表面積当り０．５Ａ／ｍ^２以上、より好ましくは０．７〜１．５Ａ／ｍ^２）しながら、継続的又は断続的（間欠的）に、電解質の供給管に電解質溶液を供給する。

ここで、コンクリートへの効率的に電解質を電気浸透性させ、また、コンクリート内部の塩化物イオンを外部電極側に泳動させて除去する観点から、電解質の供給は断続的（間欠的）であることが好ましい。
この場合、例えば、吐出量を０．０５〜０．２ｍ^３／ｍｉｎ（より具体的には０．１ｍ^３／ｍｉｎ）として、タイマーにて５〜１５分（より具体的には１０分）運転後、５〜２５分（より具体的には１５分）休止するような操作を繰り返して電解質を供給することが好ましい。

第１の電解質保持材及び第２の電解質保持材の保水量（特に、第１の電解質保持材の保水量）はコンクリートを湿潤状態で保持する観点から、０．１〜１．５ｍｌ／ｃｍ^３とすることが好ましく、０．４〜０．８ｍｌ／ｃｍ^３とすることがより好ましい。保水量は下記式のようにして求めることができる。
保水量（ｍｌ／ｃｍ^３）＝湿潤質量（ｇ）−絶乾質量（ｇ）／電解質保持材の体積（ｃｍ^３）

上記の各質量を求めるには、まず、電解質保持材を２０ｃｍ角に切る。その後、バットに電解質溶液を張り各時間吸水浸漬させて、その後、ウエス等で表面の目に見える水分をぬぐった後、天秤にて質量を測定して、湿潤質量を求める。次に温度６０℃の乾燥機内で２４時間乾燥後、常温まで冷却して天秤にて質量を測定して、絶乾質量を求める。

電解質溶液は、図３に示されるように、給水ホース３４を通り、電解質供給口から供給される電解質は、第１の電解質保持材２２から第２の電解質保持材２４へ供給される。また、第１の電解質保持材２２及び第２の電解質保持材２４の各繊維間を流路としながら下方に向かって電解質が供給され、回収管４０から適宜、電解質溶液分離タンク、エレメントを通り電解質溶液タンクに送られる。

電解質は、コンクリートの中性化処理が進行するに従って、ｐＨが徐々に低下するようになる。ｐＨの低下した電解質を使用し続けると、コンクリート表面で酸性化した電解質の影響を受け、ペースト分が溶解してコンクリートの酸荒れ現象が発生するようになるため、所定の管理値（通常ｐＨ８）までｐＨが低下したならば電解質を交換するようにする。

［電極用ユニットパネル］
図１に示すように、本発明の一実施形態（本実施形態）に係る電極用ユニットパネル２６は、第１の電解質溶液保持材２２、電極（外部電極２０）、第２の電解質保持材２４がこの順に配置されてなる。実用的には、第２の電解質保持材２４の外側にさらに保護板２８等が設けられる。本実施形態に係る電極用ユニットパネル２６は、本発明の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムの電極用ユニットパネルに使用されることが好ましい。

電極用ユニットパネル２６は、図２に示すように処理対象コンクリート面に対して、格子状に並べやすいように、平面視で矩形状を成していることが好ましい。

電極用ユニットパネル２６における外部電極を構成する電極は、腐食性に優れ転用使用を可能とするために、チタン製の丸棒を用いることが好ましく、その表面にイリジウム焼付け処理を施したものを用いることがより好ましい。丸棒サイズはφ２〜５ｍｍ程度のものを用いることが好ましい。また、一般的な鋼棒に対してチタン、チタン合金又は白金などでめっき処理したものを用いてもよい。

第１の電解質溶液保持材２２及び第２の電解質保持材２４の電解質溶液保持材としては、親水性素材による不織布、親水処理された不織布又はフェルトを用いることができる。
親水性素材による不織布とは、レーヨン、キュプラなどの再生繊維、綿などの天然繊維のように素材自在に親水性を有する原料により製造された不織布である。
親水処理された不織布とは、ポリエチレンまたはポリプロピレン等のオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系等の合成繊維を原料として製造された不織布であって、合成繊維の製造過程で親水基を持つ化合物、例えばポリエチレングリコールの酸化生成物などを共存させて重合させる方法や、塩化第２スズのような金属塩で処理し、表面を部分溶解し多孔性とし金属の水酸化物を沈着させる方法等により合成繊維を膨潤または多孔性とし、毛細管現象を応用して親水性を与えた不織布である。
フェルトは、羊毛または他の獣毛繊維を縮絨してシート状にしたものである。

上記の不織布の製造方法は、特に限定はなく、スパンレース法、スパンボンド法、サーマルボンド法、メルトブローン法、ニードルパンチ法等の適宜の加工法によって得られた各種の不織布を用いることができる。

各電解質溶液保持材の厚みは、２〜１５ｍｍであることが好ましく、２〜１０ｍｍであることがより好ましく、２〜５ｍｍ程度であることがさらに好ましい。また、密度は２００〜５００ｇ／ｍ^２であることが好ましく、３００〜４００ｇ／ｍ^２であることがより好ましい。

また、第１の電解質保持材の厚さ（Ｔ１）は、コンクリートへの電解質保持の観点から、第２の電解質保持材の厚さ（Ｔ２）よりも厚いことが好ましく、Ｔ１／Ｔ２が１．１〜２．５であることが好ましく、１．２〜２．２であることがより好ましい。

保護板２８は、電解質保持材からの電解質の蒸発を緩和するために設けられ、例えば、中空ポリカーボネート板、透明アクリル板、硬質塩ビ板等を用いることが好ましい。保護板２８の厚さは、４〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。

［試験例］
（試験例１）
下記表１に示す配合のコンクリートと、直径１３ｍｍの鉄筋を用いて、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すような１００ｍｍ×１００ｍｍ×４００ｍｍでかぶり３０ｍｍの角柱試験体を作製した。なお、コンクリートは２８日間封緘養生後、試験に使用した。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、容器内に上から電解質を保持した第１の電解質保持材、チタンメッシュ、及び、電解質を保持した第２の電解質保持材をこの順に配置し、さらに、角柱試験体を第１の電解質保持材上に配置した。鉄筋を内部電極とし、チタンメッシュを外部電極として、これらの間に直流電流を通電できるようにした。
ここで、電解質は、０．３ｍｏｌ／Ｌ炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）と０．２ｍｏｌ／Ｌほう酸（Ｈ_３ＢＯ_３）の混合溶液とした。当該混合液をポリプロピレン製のハズマットピグ吸収剤（ニューピグコーポレーション製のＭＳＤ−０１５）である不織布に含浸し、電解質を保持した第１の電解質保持材（厚さ：５ｍｍ）及び電解質を保持した第２の電解質保持材（厚さ：５ｍｍ）を作製した。

上記のような構成で通電を行った。通電は、直流電源方式は定電流方式（一定の電流値を通電）を使用し、所定の電流を流すのに必要な電圧を測定し、電圧の経時変化をデータロガーにて記録保存した。コンクリートへの通電は、コンクリート表面積当り１Ａ／ｍ^２とした。
また、比較のために第１の電解質保持材を配置しない以外は上記と同様の構成についても通電を行った。これらについての電圧推移の結果を図６に示す。

図６より、第１の電解質保持材がある場合、通電初期より電圧は１５Ｖ程度を示しており１４日間程度経過してもほぼ安定した電圧を示した。一方、第１の電解質保持材がない場合には通電初期は電圧が３０Ｖ程度を示しており徐々に低下しているが、１４日間程度経過しても僅かに電圧が高かった。

（試験例２）
試験例１と同じ角柱試験体を、図６に示すように、容器内に上から電解質を保持した第１の電解質保持材、チタンメッシュ、及び、電解質を保持した第２の電解質保持材をこの順に配置し、さらに、角柱試験体を第１の電解質保持材上に配置した。鉄筋を内部電極とし、チタンメッシュを外部電極として、これらの間に直流電流を通電できるようにした。
なお、このときの上記第１の電解質保持材及び第２の電解質保持材の厚さはともに５ｍｍとした。

上記のような構成で通電を行った。通電は、直流電源方式は定電流方式（一定の電流値を通電）を使用し、所定の電流を流すのに必要な電圧を測定し、電圧の経時変化をデータロガーにて記録保存した。コンクリートへの通電は、コンクリート表面積当り１Ａ／ｍ^２とした。
また、第１の電解質保持材の厚さを１０ｍｍとした以外は上記と同様の構成についても通電を行った。これらについての電圧推移の結果を図７に示す。

第１の電解質保持材の厚みが１０ｍｍの場合、通電初期より電圧は１０から１５Ｖの範囲内で安定して推移している。一方、第１の電解質保持材の厚みが５ｍｍの場合、通電初期に電圧が２０から２５Ｖの範囲で高い値を示しているが、通電３日程度から徐々に低下傾向であり通電５日ぐらいから第１の電解質保持材に厚みが１０ｍｍと同程度の電圧を示すようになった。

本発明は、道路、鉄道等の各種の土木建設構造物に用いられている鉄筋コンクリートに対し、コンクリート内部の塩化物イオンを除去したり、中性化しているコンクリートのアルカリ性を回復させたりといった電気化学的処理システム好適に使用できる。

１０…コンクリート
２０…外部電極
２２…第１の電解質保持材
２４…第２の電解質保持材
２６…電極用ユニットパネル
２８…保護板
３０…桟木
３４…給水ホース
３６…ビス
４０…回収管

Claims (7)

1. コンクリート表面側に設置した電極を外部電極とし、コンクリート内部側に埋設されている鉄筋を内部電極とし、前記内部電極、電解質を保持した第１の電解質保持材、前記外部電極、及び、電解質を保持した第２の電解質保持材をこの順に配置して、前記外部電極と内部電極との間に直流電流を通電する鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
2. 任意箇所に電解質供給口を設置するとともに、電解質回収口を設置し、継続的又は断続的に、前記電解質供給口から前記電解質を前記第１の電解質保持材及び前記第２の電解質保持材に供給するとともに、前記電解質溶液回収口から前記電解質を回収する請求項１に記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
3. 前記第１の電解質保持材の厚さが、前記第２の電解質保持材よりも厚い請求項１又は２に記載の電気化学的処理システム。
4. 前記電解質供給口から供給される前記電解質が、前記第１の電解質保持材から前記第２の電解質保持材へ供給される請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
5. 前記電解質供給口の径が０．５〜１．０ｍｍであり、前記供給口と供給口との間隔が１０〜３５ｍｍである請求項２〜４のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システム。
6. 第１の電解質溶液保持材、電極、第２の電解質保持材がこの順に配置された電極用ユニットパネル。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリートの電気化学的処理システムに使用される請求項６に記載の電極用ユニットパネル。
   
   
   

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