JP4170964B2 - 炭素繊維シート、これを用いたコンクリート構造物の電気防食方法及び防食構造 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート構造物の電気防食用の炭素繊維シートと、この炭素繊維シートを用いたコンクリート構造物の電気防食方法及び防食構造とに関する。

コンクリート構造物においては、酸素、水、塩化物イオン等の内部浸透によって、鉄筋等の鋼材に腐食が発生する。鋼材が腐食すると腐食生成物によりコンクリートにひび割れが発生し、腐食をさらに加速させ、最終的にはコンクリート構造物の強度等が低下する。そのため、コンクリート構造物における鋼材の腐食を防止する様々な手段が開発されてきており、その中の一つに電気防食方法がある。電気防食方法には、流電陽極方式と外部電源方式がある。

外部電源方式による電気防食方法は、一般的に鋼材を陰極とし、コンクリート表面に設置された陽極との間に電流を通すことにより鋼材の電位を卑方向に変化させ防食する方法である。この方法において、効果的に電気防食を行うためには陽極の材料や構造が重要であるため、炭素や白金など多くについて実用化が試みられてきたが、最近、陽極材料として炭素繊維シートの開発も行われている。

例えば、特開平１１−２００５１６号公報には炭素繊維シートを導電性接着剤で接着してコンクリート表面に固定する方法が記載されている。また特願２００１−３１３８２５号公報には炭素繊維シートの通電点と定着機能を備えた装置が記載されている。一方、上記外部電源方式による電気防食では、陽極表面に酸素、塩素、二酸化炭素などのガスが発生し、それによって陽極が劣化することが知られている。これらガスの発生は次の反応によって起こる。
２Ｈ₂Ｏ→Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ―
２Ｃｌ^-→Ｃｌ₂＋２ｅ―
Ｃ＋Ｏ₂→ＣＯ₂（炭素電極の場合）

ガスが発生すると陽極表面では、酸が発生して陽極は劣化する。このため、陽極が劣化
し難くなるような様々な手段が考え出されている。例えば、特許第３２９５１２０号公報に示すようにニッケルを被覆した繊維長１０ｍｍ程度の短炭素繊維を混入したモルタルをコンクリート表面に塗布し、電流を分散させることにより、1次陽極に電流を集中させないようにしてガスの発生を抑制する方法が検討されている。また特願２００１−２０９０４３号公報に示すようにガスが発生しても陽極が劣化しないように、陽極面積を大きくして酸を拡散するといった工夫がなされている。

しかしながら、これらの方法では被覆モルタル中の電流の通路は、セメント組成物中に混ぜ合わせて連結された短繊維の選択的電気経路となるために一次陽極から離れるに従い電流が流れなくなり、電流分布の不均一、すなわち過大な電流が流れる部分があるので、ガスの発生を十分に抑制することができない。

またガスの発生が抑制できたとしても、イオン伝導体であるモルタルが陽極を包囲していない場合、モルタルの収縮による陽極との接触の分断が起こりやすい。その結果、一部の繊維に電流が集中することによる高電流で陽極の劣化が起こったり、均一な電流分布や良好なイオン伝導性が得られなくなることによる電気防食効果の不均一が生じたりする。
特開平１１−２００５１６号公報 特願２００１−３１３８２５号公報 特許第３２９５１２０号公報 特願２００１−２０９０４３号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、外部電源方式により陽極に炭素繊維シートを用いてコンクリート構造物の電気防食を行うに際し、ガスが発生し難く、均一な電流分布となり、陽極の劣化が少なく且つ効率的に電気防食が行える電気防食構造及び電気防食方法を提供することを目的とする。

本発明では、炭素からなる連続単繊維が耐酸化性金属で被覆され、該連続単繊維の複数が束ねられて帯状繊維束が形成され、該帯状繊維束が隙間を有する格子状に編成され、該各隙間は一辺がほぼ２ｍｍ〜２０ｍｍである炭素繊維シートを準備し、コンクリート構造物における防食対象域のコンクリート表面にセメントモルタルを用いて上記炭素繊維シートを固定し、さらに固定した炭素繊維シートをセメントモルタルで被覆し、該炭素繊維シートを陽極とすると共にコンクリート構造物中の鉄筋や鉄骨等の鋼材を陰極とするように通電することを特徴とするコンクリート構造物の電気防食方法が提供される。
ここで、各隙間の一辺をほぼ２ｍｍ〜２０ｍｍにするのは、セメントモルタル等の固体電解質との接合力を高めるためである。例えば、各隙間の一辺が２０ｍｍを超える炭素繊維シートでは連続単繊維が破損したり、望ましくない電圧損失が起こることがあり、また一辺が２ｍｍ未満である場合には、セメントモルタルを塗布したり、あるいは吹き付けて押さえたりする際に隙間にセメントモルタルが入り込まず、炭素繊維シートとコンクリート表面との接合力が低下する虞がある。
炭素繊維シートを構成する連続単繊維は、直径が１〜１５μｍ程度であることが好ましい。このような連続単繊維の複数を束ねた帯状繊維束は幅２ｍｍ〜２０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。このような帯状繊維束を編んで炭素繊維シートを形成することにより、炭素繊維シートを敷設したコンクリート表面では、防食電流が帯状繊維束の長さ及び幅に沿って分布し、これにより有害な電流集中が防止できるといった効果が得られる。

本発明に用いる炭素繊維シートにおいて、前記耐酸化性金属は、ニッケル、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、白金の群から選択された一つの金属、または選択された２つ以上の金属の合金とすることができる。このように耐酸化性金属で被覆した炭素繊維シートを陽極とすると共に、コンクリート構造物中の鋼材を陰極として、所定以上の防食電流を流した場合、陽極の分極電位を比較的低く抑制することができて、炭素繊維シートは一定の不働態保持状態を示し、不働態被膜は破壊されても直ちに自己修復される。すなわち、耐酸化性金属で被覆された炭素繊維シートからなる陽極では、酸素の発生反応を抑制し、塩素や二酸化炭素の発生反応は防止することができる。

上記連続単繊維を被覆する耐酸化性金属の被膜厚は、０. ０５ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。この被膜厚であれば、炭素繊維シートの耐久性と経済性に関して良好な効果が得られる。

炭素繊維シートの体積抵抗率は７.５×１０^-5Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。この体積抵抗率であれば、陽極接続線から均一に電流分布が得られる（すなわち均一に腐食を防止）距離に対し良好な効果が得られやすくなる。

前記コンクリート構造物の表面には下地処理を実施するのが好ましく、サンドブラスト等を使用してコンクリート表面に凹凸を設ける。下地処理の後に、セメントモルタルを塗布し、その上に上記炭素繊維シートのうちの何れかを敷設する。炭素繊維シートは帯状繊維束が隙間を有する格子状に編成されたものであるため、未硬化状態のセメントモルタルが隙間に入り込み、炭素繊維シートがセメントモルタルに一体化される。このような両者の一体化により、陽極としての炭素繊維シートとモルタルとの接触状態が継続的に良好に維持され、電流分布を均一化させ得る電気防食システムを提供することができる。

本発明で使用されるセメントモルタルは、成分や生成方法が特に限定されるものではなく、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメントなどのいずれのポルトランドセメントを使用しても生成可能であり、その他にも、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカヒュームセメントなどポゾラン反応である混合セメントも使用することができる。前記セメントモルタルは、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤などの添加剤を含むことも可能である。
また陽極反応によるｐＨの変動を可能な限り小さく抑えるために、セメントモルタルの練混ぜ水は、緩衝溶液を用いるのが好ましい。緩衝溶液は共役塩基である、例えば、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＬｉＯＨ等のアルカリ金属の水酸化物で調整することが可能であるが、Ｎａ⁺イオン、Ｋ⁺イオンはアルカリ骨材反応の劣化因子であることを考慮すると、緩衝溶液としてはＬｉＯＨが好ましいものと考えられる。緩衝溶液は、濃度が高いほど緩衝能力が大きくなる一方で、濃度が高いと析出しやすくなるため、ＬｉＯＨ濃度は２〜４ｗｔ％程度が好ましい。

本発明では、コンクリート構造物における防食対象域のコンクリート表面に、セメントモルタルを介して上記炭素繊維シートが敷設され、該炭素繊維シートがセメントモルタルで被覆され、該炭素繊維シートを陽極とすると共にコンクリート構造物中の鉄筋や鉄骨等の鋼材を陰極とするように通電手段が接続されたものであるコンクリート構造物の防食構造が提供される。
前記コンクリート表面に敷設された前記炭素繊維シートは、隙間を含む面積がコンクリート表面積の３／４以上にすることが好ましい。このように炭素繊維シートをコンクリート表面積の３／４以上に敷設すれば、常に酸素発生電位がより低くなる電流密度が保証され、最大の陽極寿命及び鋼材の効果的な電気防食が達成される。

本発明によれば、陽極としての炭素繊維シートの表面に酸素、塩素、二酸化炭素などのガスが発生し難くなるので、炭素繊維シートの劣化を防止することができる。また陽極がコンクリートに接触している範囲において、防食電流は連続単繊維束の長さ及び幅に沿って分布していることにより、陽極で均一な電流分布が得られるとともに、陽極とセメントモルタルとの一体化が十分であることにより、良好なイオン伝導性が得られるので効率的に電気防食が行える。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は本発明に用いる炭素繊維シート１０の一例を示す平面図であり、図２は異なる実施態様を示す平面図である。図１の炭素繊維シート１０は、縦方向の帯状繊維束１１と横方向の帯状繊維束１２とが交互に交錯し、両方向の帯状繊維束１１，１２の一本置きに隙間１３ができるように織り込まれたものである。一方、図２の炭素繊維シート２０は、縦方向の帯状繊維束２１と横方向の帯状繊維束２２とが交互に交錯し、両方向の帯状繊維束２１，２２のそれぞれ二本置きに隙間２３ができるように織り込まれたものである。

図１及び図２における帯状繊維束１１，１２，２１，２２は、それぞれ炭素からなる連続単繊維が耐酸化性金属で被覆され、連続単繊維の複数が束ねられて形成されたものであり、幅２ｍｍ〜２０ｍｍ程度、厚さ０.０５ｍｍ〜０.５ｍｍ程度に形成されたものが使用される。隙間１３，２３は一辺がほぼ２ｍｍ〜２０ｍｍになるように形成され、各炭素繊維シート１０，２０における面積比が１０〜２５％程度にされる。耐酸化性金属の被膜厚は０.０５〜０.５μｍ程度にされる。また炭素繊維はマルチフィラメントであって、炭素繊維糸条の太さは３０００〜１００００フィラメント程度であり、これはポリアクリルニトリル系（ＰＡＮ系）又はピッチ系の何れであっても良く、電気防食効果を十分に発現させるため体積抵抗率は７.５×１０^-5Ω・ｃｍ以下のものが好ましい。
なお、図１及び図２の炭素繊維シート１０，２０は、何れもコンクリート構造物の電気防食構造及び電気防食方法に使用することができるものであるが、炭素繊維シート２０は炭素繊維シート１０よりも形状維持性能が良好である点で異なる。

次に、図３は電気防食構造３０を説明するための斜視図である。
本発明の電気防食構造３０を形成するためには、最初に、コンクリート構造物３１の表面にサンドブラスト等を使用して下地処理を実施する。下地処理の後に、セメントモルタル３２を塗布或いは吹き付けて、このセメントモルタル３２の上に炭素繊維シート１０，２０の何れか一方を敷設する。この炭素繊維シート１０，２０の敷設作業の前後には、炭素繊維シート１０，２０を上下から挟むように電流接続部材３３を設け、電流接続部材３３とコンクリート構造物３１の鉄筋３５にそれぞれ接続線３６，３７を接続し、これら接続線３６，３７を電源３８まで延ばして接続する。そして、炭素繊維シート１０，２０の上側にセメントモルタル３４を塗布或いは吹き付けて平滑に仕上げれば、電気防食構造３０は形成される。このように構成した電気防食構造３０を用いた電気防食方法では、炭素繊維シート１０，２０を陽極として作用させ、鉄筋３５や鉄骨等の鋼材を陰極として作用させるように通電する。

ここで、炭素繊維シート１０，２０は細かく編成されているので表面積が大きく、表面積あたりの電流密度が低くなるため分散され、酸による腐食を防止することができて、電流分配を均一にできる。
また炭素繊維シート１０，２０は隙間１３，２３を有する格子状に編成されたものであるため、特に下側のセメントモルタル３２が隙間１３，２３に入り込み、炭素繊維シートが上下のセメントモルタル３２，３４に一体化される。これらセメントモルタル３２，３４では、硬化した後にも、セメントの水和反応に必要の無い過剰な水が毛細管空隙中に残り、この空隙水はｐＨ１２〜１３程度である。このような空隙水のイオンにより、セメントモルタル３２には防食電流を流すことが可能になるのであるが、セメントモルタル３２の層厚は４ｍ以上、少なくとも８ｍｍ以上にする必要があり、このように構成すればイオン伝導性が高く防食電流が流れやすくなる。すなわち、セメントモルタル３２の層厚が５ｍｍよりも薄くなると、セメントモルタルが乾燥しやすくなり、電解質が減少し、イオン伝導性が低下して防食電流が流れ難くなるからである。
炭素繊維シート１０，２０には、耐酸化性金属による厚さ０.０５〜０.５μｍ程度の被膜が設けられているので、この耐酸化性金属の被膜表面に、さらに酸化物や水酸化物等の被膜が形成され、表面からの活性溶解を防止する。これらの酸化物や水酸化物等の被膜は不働態被膜と呼ばれるものであり、このような不働態被膜は安定しており、導電性を有するので、炭素繊維シート１０，２０は、長期に及ぶ耐久性が求められる陽極としての使用が可能である。この耐酸化性金属の被膜厚が０.０５μｍ未満であると、長期にわたる炭素基材の酸化消耗の防止に不十分であり、また電気化学的活性が不十分であるために、低い電位で酸素が発生せず、有害な塩素や次亜塩素酸を発生させることなく酸素の発生反応を促進することが難しい被膜となる。他方、耐酸化性金属による被膜が０.５μｍ以上である場合には、膜厚が必要以上に厚くなり、耐酸化性金属の材料コストが上昇するのみである。
さらに、炭素繊維シート１０，２０の体積抵抗率は７.５×１０^-5Ω・ｃｍ以下のものが好ましい。体積抵抗率をこのような範囲にすることにより、適正電流密度である２０ｍＡ／ｍ²で陽極の接続線３６から５ｍの距離におけるＩＲロスを計測すれば、３００ｍＶ以下となり、均一に電流分布が得られる距離に対し、良好な効果が得られる。接続線３６は、炭素繊維シート１０，２０と下側のセメントモルタル３２との間に配置される。接続線３６，３７はチタン線に白金被膜が設けられたものが好ましい。

次に、本発明の効果を検証するために実施した電気防食試験とその結果について説明する。
試験体は、長さ３４０ｍｍのＤ１３鉄筋を格子状に組んで配筋し、鉄筋の所定箇所に埋設型飽和ＫＣｌ銀塩化銀照合電極を設け、縦４００ｍｍ、横６００ｍｍ、厚さ１００ｍｍのコンクリート版を形成した。コンクリート配合は、早強ポルトランドセメントを使用して水セメント比を４５.５％にし、鋼材腐食を促進するために塩化物イオンＣｌ^-を６ｋｇ／ｍ³添加した。コンクリート版の表面を下地処理した後にセメントモルタルを塗布し、セメントモルタルが未硬化のうちに、炭素繊維シートを敷設し、端部に電流接続板を固定した後に、その上をセメントモルタルで被覆し、これを試験体とした。電流接続板と鉄筋は電線により電源と接続した。
電気防食試験は、二つの試験体を屋外に２５０日間暴露し、この暴露期間中、一方には通常の電流密度である２０ｍＡ／ｍ²を通電し、他方にはこれを５倍に促進した電流密度１００ｍＡ／ｍ²を通電した。試験結果を図４に示した。
５倍に促進した電流密度１００ｍＡ／ｍ²の試験体においても、陽極インスタントオフ電位は０.８Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ）以下となり、通常の電流密度の試験体と比較しても安定していることが判った。

本発明に用いる炭素繊維シートの平面図である。 図１とは異なる炭素繊維シートの平面図である。 本発明の電気防食構造を説明するための斜視図である。 電気防食試験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 炭素繊維シート
１１ 帯状繊維束
１２ 帯状繊維束
１３ 隙間
２０ 炭素繊維シート
２１ 帯状繊維束
２２ 帯状繊維束
２３ 隙間
３０ 電気防食構造
３１ コンクリート構造物
３２ セメントモルタル
３３ 電流接続部材（通電手段）
３４ セメントモルタル
３５ 鉄筋
３６，３７ 接続線（通電手段）
３８ 電源（通電手段）

Claims (7)

1. 炭素からなる連続単繊維が耐酸化性金属で被覆され、該連続単繊維の複数が束ねられて帯状繊維束が形成され、該帯状繊維束が隙間を有する格子状に編成され、該各隙間は一辺がほぼ２ｍｍ〜２０ｍｍである炭素繊維シートを準備し、コンクリート構造物における防食対象域のコンクリート表面にセメントモルタルを用いて上記炭素繊維シートを固定し、さらに固定した炭素繊維シートをセメントモルタルで被覆し、該炭素繊維シートを陽極とすると共にコンクリート構造物中の鉄筋や鉄骨等の鋼材を陰極とするように通電することを特徴とするコンクリート構造物の電気防食方法。
2. 前記炭素繊維シートにおける耐酸化性金属は、ニッケル、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、白金の群から選択された一つの金属、または選択された２つ以上の金属の合金である請求項１に記載の電気防食方法。
3. 前記炭素繊維シートにおける帯状繊維束は、幅２ｍｍ〜２０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍに形成されたものである請求項１に記載の電気防食方法。
4. 前記炭素繊維シートにおける隙間は、縦方向に並行させた帯状繊維束の複数束置き、且つ横方向に並行させた帯状繊維束の複数束置きに配置されたものである請求項１に記載の電気防食方法。
5. コンクリート構造物における防食対象域のコンクリート表面に、セメントモルタルを介して炭素繊維シートが敷設され、該炭素繊維シートがセメントモルタルで被覆され、該炭素繊維シートを陽極とすると共にコンクリート構造物中の鉄筋や鉄骨等の鋼材を陰極とするように通電手段が接続されたものであって、前記炭素繊維シートが、炭素からなる連続単繊維が耐酸化性金属で被覆され、該連続単繊維の複数が束ねられて帯状繊維束が形成され、該帯状繊維束が隙間を有する格子状に編成され、該各隙間は一辺がほぼ２ｍｍ〜２０ｍｍである炭素繊維シートであるコンクリート構造物の防食構造。
6. コンクリート表面に敷設された前記炭素繊維シートは、隙間を除いた面積がコンクリート表面積の３／４以上である請求項５に記載のコンクリート構造物の防食構造。
7. 請求項１記載の電気防食方法に用いる炭素繊維シートであって、炭素からなる連続単繊維が耐酸化性金属で被覆され、該連続単繊維の複数が束ねられて帯状繊維束が形成され、該帯状繊維束が隙間を有する格子状に編成され、該各隙間は一辺がほぼ２ｍｍ〜２０ｍｍであるコンクリート構造物の電気防食用炭素繊維シート。

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