JP4521066B2 - コンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法 - Google Patents
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この方法は、該文献に記載された(1)式の未知定数Aとt0 を腐食速度から求め、(1)式に基づき腐食量を定量的に評価するものである。腐食速度は、交流インピーダンス〔具体的には段落〔0034〕に示されている式(B=k/Rct)〕から求める。
また、この特許文献2には、段落〔0022〕から段落〔0030〕において、コンクリートのかぶり深さおよび中性化深さを用いて腐食開始時期t0 を推定する方法を説明している。即ち、〔0022〕においてコンクリートの中性化深さはフェノールフタレイン・アルコール溶液噴霧により測定されることを紹介し、〔0024〕において中性化速度係数Kを該文献の式(11)で定め、〔0025〕において供用時間tでの中性化深さCd(t)を式(12)で推定することを述べている。さらに〔0027〕において「腐食が開始するのは、鉄筋のかぶりに相当する深さまでコンクリートが中性化したときである」と述べ、〔0029〕において表面からの距離がlで、供用時間tにおける塩化物イオン量G(l,t)が誤差関数erfを用いて式(14)で表されることを示し、〔0030〕においてその式(14)に基づいて計算した塩化物イオン濃度が所定の限界濃度に達するときを腐食開始時期t0 であると推定することの可能性を示唆している。
しかし、該特許文献2には、上記式(14)に現れる比例定数λ、表面塩化物イオン量Gs、塩化物イオンの拡散係数Hg等を具体的にどのようにして測定により決定するのかについては言及されていない。
この種のセンサーは、所定位置に配置した検知部(鋼材)の腐食過程において生じるマクロ電池電流(この明細書では、「腐食電流」と呼ぶ。)を計測し、その時点における鋼材の腐食の有無を検知する。この種のマクロ電池は、コンクリート中に腐食性が異なる二種類の金属を埋設すると、腐食速度の差により形成される。
このアノード・ラダー・システムは、図に示したように、6本の鋼材から成るアノード電極A1・・・A6が平行に配設されたハシゴ状部材Aを、コンクリート表面に対して傾斜して設置し、チタン材から成るカソード電極Kを、そのハシゴ状部材Aの近傍にアノード電極と垂直にかつコンクリート表面に略平行になるように設置し、その上にコンクリートを打設して使用される。
上記6本のアノード電極A1・・・A6は、部材Aを傾斜させて設置することによりコンクリート表面から所定の位置に深さ方向に異なる深さで配置されることとなり、コンクリート表面から異なる深さでのコンクリート中の各アノード電極A1・・・A6に流れる腐食電流を計測することができる。
図2は、エクスパンション・リング・システムの概念図である。
このエクスパンション・リング・システムは、円柱状部材Bの表面に6個のやはり鋼材から成るリング状アノード電極A1・・・A6が等間隔に配置され、この円柱状部材Bをコンクリートに穿設された円柱状の穴に挿入して固定し、他方、楔状のチタン材から成るカソード電極Kを、上記円柱状部材Bの近傍に、上記円柱状部材Bと平行、すなわちコンクリート表面に対して垂直に穿設された穴に挿入して固定する。
この場合も、上記6個のリング状アノード電極A1・・・A6は、コンクリート表面から深さ方向に異なる深さで配置されることとなり、コンクリート表面から異なる深さでのコンクリート中の各アノード電極A1・・・A6に流れる腐食電流を計測することができる。なお、このエクスパンション・リング・システムは、既設のコンクリート構造物に埋設後、可及的にすみやかに各リング状アノード電極A1・・・A6が、既設のコンクリート構造物の環境に応じた腐食状況となり、その状態における腐食電流を計測するものである。
具体的には、鉄筋コンクリート構造物のコンクリート中に種々の深さで設置される複数のアノード電極とその近傍に配置されるカソード電極から成る腐食センサーにより測定された腐食電流に基づき、コンクリート中に埋設されている鋼材の腐食発生時期を予測するコンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法であって、上記腐食電流の限界値Ccを設定する限界値設定過程と、ある時点において上記腐食センサーにより腐食電流をコンクリート表面からの深さの関数として測定する腐食電流測定過程と、上記測定された腐食電流をFickの第2法則に基づいて計算してコンクリートの深さ位置との関係において腐食電流が上記限界値Ccに達する時期を求め、鋼材の腐食発生時期を予測する予測過程とを含むコンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法により解決された。
なお、本発明において言う上記鋼材の腐食発生時期とは、鋼材の腐食発生開始時期のみならず、明らかに腐食が進行し、補修を必要とする腐食に達した時期をも含む、広い概念である。
本件発明者らは、種々の環境下にある鉄筋コンクリート構造物のコンクリート中に埋設されている鉄筋の腐食進行状況と、上記したアノード・ラダー・システム、或いはエクスパンション・リング・システムと言った腐食センサーによって計測される腐食電流との関係を長年にわたり調査してきた。
なお、この明細書では、上記総括腐食因子を因子Aと呼ぶ。因子Aは腐食電流として測定される電流量であるので、その大きさはマイクロ・アンペアで示される。
なお、因子Aの限界値Ccとは、本発明において鋼材の腐食発生時期と判断する電流量を言う。
もちろん、この限界値Ccの値は、予測対象の鉄筋コンクリート構造物等に応じて、種々の値を選択することが可能である。
下記の式(1)は、回帰式の一例である。
C=C0・exp(A・X) ・・・(1)
ここで、C0とAは回帰分析により決定される回帰係数であり、C0はコンクリート表面における腐食電流に相当し、コンクリート構造物の表面における因子Aの大きさに対応する仮想値である。また、Cは深さXの位置の因子A(腐食電流)の大きさである。
その解をXCとすると、次の関係式(2)が得られる。
XC=(ln(CC)- ln(C0))/A・・・(2)
本発明においては、さらに拡散理論(Fickの第2法則)に基づき、一回の上記因子Aの測定により、将来における鋼材腐食の進行状況をも予測する。これについて、以下に説明する。
なお、この予測は、コンクリート構造物におけるコンクリートの状況及び周囲の環境等に大きな状況変化が起こらない場合、概ね正しい予測である。
コンクリート表面に垂直な方向をx軸とし、コンクリート表面に平行な面内にy軸とz軸を取る。y軸とz軸に関しては一様、すなわちyとzについての微分がゼロであるとき、上記ラプラシアンはxについての2階微分である。このとき、x軸上の点xにおける濃度をCx、拡散係数をDとすると、上記Fickの第2法則は次のように定式化できる。
dCx/dt=(d/dx)〔D・(dCx/dx)〕 ・・・(3)
ここで、tは時間を表す変数である。なお、因子Aの拡散係数Dは、腐食電流にかかわる拡散係数と言い換えることもできる。
dCx/dt=D・(d2Cx/dx2) ・・・(3a)
先ず、コンクリート構造体の表面部分にある鋼材は暴露と同時に腐食し、以後進行しないので、コンクリート構造体の表面部分では時間が経過しても因子Aの濃度CXは一定である。すなわち(x=0,0<t<∞)で因子Aの濃度CX=C0(一定)である。
なお、この明細書では拡散係数Dを、β2で表す。
β2=x2/(4tξ2) ・・・(5)
μ=21/2・λ ・・・(7)
X=21/2・ξ=erf-1(Y) ・・・(11)
CC=C0(1−2Y) ・・・(13)
Y*=(1−CC/C0)/2 ・・・(14)
X*=erf-1(Y*) ・・・(15)
21/2・ξ1=X* ・・・(16)
β2=XC 2/(4t1ξ1 2 ) ・・・(17)
X=2・ξ1・β・SQR(t) ・・・(18)
ここで
SQR(t)=t1/2 ・・・(19)
また、
X : 因子Aの限界値CCとなる表面からの深さ(cm)
ξ1: 誤差関数における積分の下限値
β : 因子Aの拡散係数(cm2/年)の平方根
t : 経過時間(年)
である。
先ず、前掲の式(1)を用いてC及びXに測定結果を代入して回帰すれば、下記の式が得られ、回帰定数C0,Aが決定できる。
C=50.15・exp(−0.12・X)
C0=50.15(μA)、A=−0.12(1/cm)
XC=(ln(15.0)- ln(50.15))/(−0.12)
XC=9.71(cm)
ここで、具体例2の構造物における鉄筋のかぶりが15cmである場合には、X>XCであるため、測定時点においては、鉄筋の腐食は未だ発生していないと判断できる。
Y*=(1−CC/C0)/2
=(1−15.0/50.15)/2
=0.35
X*=erf-1(Y*)
=erf-1(0.35)
=1.04
ξ1=X*/21/2
=1.04/21/2
=0.73
β2=XC 2/(4t1ξ1 2 )
=9.712/(4×10×0.732)
=4.37(cm2/年)
X=2・ξ1・β・SQR(t)
=2×0.73×4.371/2×SQR(t)
=3.07×SQR(t)
ここで、SQR(t)=t1/2であるため、上式は、
X=3.07×t1/2
となる。
このように本発明の方法を用いると、ある一時点でアノード・ラダー・システム、或いはエクスパンション・リング・システム等の腐食センサーにより腐食電流を測定することによって、時間tの関数として、腐食電流が限界値CC(例えば、15.0μA)になる深さXをグラフに描くことができる。
そして、例えばこのグラフに基づき、鉄筋のかぶりを15cmとすると、具体例2のコンクリート構造物においては、概ね材齢30年において鉄筋は腐食発生の時期に達すると予測でき、極めて劣悪環境に構築された具体例4のコンクリート構造物においては、材齢7年の時点で既に鉄筋は腐食発生の時期に達していた判断することができる。
Claims (5)
- 鉄筋コンクリート構造物のコンクリート中に種々の深さで設置される複数のアノード電極とその近傍に配置されるカソード電極から成る腐食センサーにより測定された腐食電流に基づき、コンクリート中に埋設されている鋼材の腐食発生時期を予測するコンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法であって、上記腐食電流の限界値Ccを設定する限界値設定過程と、ある時点において上記腐食センサーにより上記腐食電流をコンクリート表面からの深さの関数として測定する腐食電流測定過程と、上記測定された腐食電流をFickの第2法則に基づいて計算してコンクリートの深さ位置との関係において腐食電流が上記限界値Ccに達する時期を求め、鋼材の腐食発生時期を予測する予測過程とを含むことを特徴とする、コンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法。
- 上記予測過程が、上記測定された腐食電流を深さの関数として表現する回帰式を求める回帰分析過程と、腐食電流にかかわる拡散係数β2を決定する拡散係数決定過程と、Fickの第2法則に基づいてコンクリートの深さ位置との関係において腐食電流が上記限界値Ccに達する時期を計算する腐食発生時期決定過程とを含むことを特徴とする、請求項1に記載のコンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法。
- 上記回帰分析過程が、上記回帰式に基づきコンクリート表面でのその測定時点における腐食電流COを求める過程と、上記回帰式に基づき上記限界値Ccを与えるその測定時点における深さXcを計算する過程とを含むことを特徴とする、請求項2に記載のコンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法。
- 上記拡散係数決定過程が、上記Ccの値と上記COの値から式〔Y*=(1−Cc/C0)/2〕に基づきY*の値を求める過程と、式〔X*=erf-1(Y*)〕に基づきX*の値を求める過程と、式〔ξ1=X*/(2)( 1/2 ) 〕に基づきξ1の値を求める過程と、コンクリート打設からの経過時間t1と上記深さXcと上記ξ1の値から式〔β2=Xc 2/(4t1ξ1 2)〕に基づき拡散係数β2の値を求める過程とを含むことを特徴とする、請求項3に記載のコンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法。
- 上記腐食発生時期決定過程が、上記ξ1の値と上記β2の値を用いて、コンクリート打設から時間tだけ経過した時における上記限界値Ccの電流が流れる深さXを式〔X=2・ξ1・β・SQR(t)〕に基づき計算する過程を含むことを特徴とする、請求項4に記載のコンクリート中の鋼材の腐食発生時期予測方法。
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