JP5052881B2 - コンクリートの防食工法およびそれを実施してなるコンクリート構造物 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート構造物のコンクリート内部の鋼材を腐食から長期間守る防食工法に関するものであって、特に、コンクリート構造物の表面に、該鋼材よりも標準電極電位の低い金属の層である陽極金属層を端子の上下に形成して、効果的に、かつ、均質に防食電流を得ることのできるコンクリートの防食工法およびそれを実施してなるコンクリート構造物である。

一般に、コンクリート構造物は、コンクリートの中に鋼材を埋め込んで、外力に対してコンクリートと、その中の鋼材が一体となって働くものである。

コンクリート構造物の代表的な劣化要因としては、中性化、塩害、凍害、アルカリ骨材反応、化学的侵食、及び疲労等を挙げることができる。
このようにコンクリート構造物の耐久性の課題は、コンクリートそのものの耐久性のみでなく、併用するコンクリート内部の鋼材の耐久性（耐腐食性）の課題であることも多い。

コンクリート内部の鋼材の腐食は、コンクリートの中性化、コンクリートに含まれる塩分、並びに、外部からコンクリートに浸入してくる塩化物イオン、硫化物イオン、及び窒化物イオンなどの影響で、立地環境によっては比較的短期間で進行する場合がある。

従来、コンクリート内部の鋼材の腐食を防止する方法としては、（１）コンクリート構造物の表面に有機系の防食塗料を塗装し、外部からの劣化要因を遮断する方法、（２）外部電源により、陰極材であるコンクリート内部の鋼材と、コンクリート構造物の表面に設置した陽極材との間に通電する方法、（３）金属の標準電極電位の差を利用した流電陽極方式を用いた方法等が実施されている。

特に、流電陽極方式による電気防食方法は、特殊な装置が不要である、メンテナンスが容易である、及び長期防食性に優れるなどの特徴がある。
この流電陽極方式としては、切り溝埋設方式、切り溝埋設覆装方式、亜鉛板取り付け方式、及び流電陽極部材取り付け方式等が代表的であるが、いずれの方式も垂直面や天井面、形状が複雑な箇所あるいは狭いところへの施工は困難であり、作業性が悪いという課題があった。
この課題を解決する方法として、鉄筋コンクリート構造物の表面に、コンクリート内部の鋼材より標準電極電位の低い金属又は合金を溶射して、この溶射被膜層を陽極部材として付設する方法が提案されている。（特許文献１〜特許文献５参照）

特開平０５−３３１９２２号公報 特開平０６−００２１７４号公報 特開平０６−１１６７６６号公報 特開平１０−２４５２８０号公報 特開２００５−０１５８３５号公報

流電陽極方式において陽極部材は、コンクリート内部の鋼材と電気的に導通させる必要がある。そして、コンクリート構造物の表面に、該鋼材より標準電極電位の低い金属又は合金を溶射する方法は、導電材の溶射被膜層の空隙を埋めるために封孔処理材を使用し、導電材の溶射被膜層の端に金属プレートを端子として接続する方法で、大きさ、形状、及び取り付け位置等に特別な配慮をすることも無く、導電材との電気的接合がなされていた。

しかしながら、この方法では、長期的に端子のエッジ部に腐食が発生し長期的に防食電流を供給できない、端子から遠いところの防食電流量が少なくなり、コンクリート内部の鋼材に対して均質な防食効果が期待できないなどの課題があった。

本発明者は、溶射被膜層を用いた流電陽極方式によるコンクリート構造物の防食工法の課題を検討し、溶射被膜層を形成した範囲のコンクリート内部の鋼材を確実に防食するために、長期的に安定で、かつ、均質な防食電流を得る方法を検討した結果、本発明を完成したものである。

即ち、本発明は、コンクリート構造物の表面に、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属層である陽極金属層Ａを形成し、その上に、板状、線状、及び点状のいずれかである端子を設置し、さらにその上に、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属層である陽極金属層Ｂを形成し、コンクリート内部の鋼材と陽極金属層とを、該端子を用いて接続してなるコンクリートの防食工法であり、コンクリート構造物の表面を粗面とし、その上に、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属の層である陽極金属層Ａを形成してなる該コンクリートの防食工法であり、陽極金属層Ｂの上に、表面保護層を形成してなる該コンクリートの防食工法であり、陽極金属層Ａと陽極金属層Ｂが、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属の溶射によるものである該コンクリートの防食工法であり、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属が、亜鉛−アルミニウム擬合金である該コンクリートの防食工法であり、陽極金属層Ａの厚さが、100〜200μｍである該コンクリートの防食工法であり、陽極金属層Ｂの厚さが、50〜150μｍである該コンクリートの防食工法であり、該コンクリートの防食工法を実施してなるコンクリート構造物である。

本発明のコンクリートの防食工法を採用することによって、長期的に安定で、かつ、均質な防食電流を得ることができ、陽極金属層を形成した範囲のコンクリート内部の鋼材を確実に防食することが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。
また、本発明におけるコンクリートとは、モルタルを含む場合もある。

本発明は、コンクリート内部の鋼材を陰極とし、コンクリート構造物の表面に形成した金属層を陽極として、この陰極−陽極間に電気を流し、コンクリート内部の鋼材を防食するものである。

本発明では、コンクリート構造物の表面に、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属（以下、陽極金属という）の層である陽極金属層を形成する。

陽極金属層は、コンクリート構造物の表面に、後述の端子を挟むように、二層形成する。

陽極金属層は、陽極金属を溶射することによって形成することが好ましい。
具体的には、金属溶射装置等のノズル先端で溶融した陽極金属の不定形なうろこ状のものが溶射された面に積層された、ポーラスな金属皮膜層となる。

陽極金属としては、アルミニウム、亜鉛、アルミニウム合金、亜鉛合金、及び亜鉛−アルミニウム擬合金が挙げられる。

アルミニウム合金又は亜鉛合金としては、アルミニウム又は亜鉛合金を少なくとも50％以上含み、Cr、Si、Fe、Ni、及びSn、並びに、Zn又はAlなどの金属を少なくとも一種又は二種以上混入して得られた合金である。

アルミニウム又はアルミニウム合金より形成された陽極金属層は、アルミニウム自体の表面が酸化されて安定かつ密実な溶射被膜層を形成するので消耗が少なく、好ましい。

また、亜鉛−アルミニウム擬合金は、亜鉛とアルミニウムとを、Zn：Al＝85：15〜30：70（質量比）の割合で含む擬合金である。
亜鉛−アルミニウム擬合金とは、亜鉛とアルミニウムが合金組成を形成しておらず、亜鉛微粒子とアルミニウム微粒子が不規則に重なり合い、外見的に亜鉛−アルミニウム合金を形成している状態をいう。

亜鉛−アルミニウム擬合金により形成された陽極金属層は、ブリスター状となり、陽極金属層内に連続気孔を有することから、相対的に金属表面積が大きくなり、良好な防食性能が得られる面から最も好ましい。
亜鉛−アルミニウム擬合金の陽極金属層は、亜鉛とアルミニウムの溶射線材を使用し、減圧内アーク溶射法等の低温溶射法によりアーク溶射で形成することが可能である。
例えば、金属アルミニウムと金属亜鉛を体積比が１：１になるように、アルミニウム線材と亜鉛線材の口径、送り速度を調整し、アーク溶射法によって亜鉛−アルミニウム擬合金を溶射して、陽極金属層を形成することが可能である。

陽極金属の金属溶射方法としては、ガス溶線式溶射法、ガス溶粉式溶射法、アーク式溶射法、及びプラズマ式溶射法等が挙げられ、いずれの方法を用いることができるが、特に常温アーク式溶射法が好ましい。
常温アーク式溶射装置とは、低温の空気又は不活性気体を高速で噴射し、噴射された気流により発生する減圧部において、金属ワイアを溶融させ、溶融した金属を、高速の噴射気流で射出し、急激に過冷却し、微粒化しつつ下地祖面にブリスター状金属を溶着することができるものである。一回で溶射できる膜厚は、通常、70μｍ程度であり、複数回溶射することにより膜厚を厚くすることが可能である。

陽極金属層は、端子を挟むようにＡＢの二層を形成する。
陽極金属層Ａは、コンクリート構造物の表面に形成し、陽極金属層Ｂは、端子と陽極金属層Ａの表面に形成する。
陽極金属層Ａの厚みは特に限定されるものではないが、100〜200μｍが好ましい。100μｍ未満では、陽極を形成する金属量が少なく、防食できる期間に対する費用が割高となるおそれがあり、200μｍを超えると溶射時の熱ひずみなどにより、割れや剥離が発生する可能性が高くなるおそれがある。
陽極金属層Ｂの厚みは特に限定されるものではないが、50〜150μｍが好ましい。50μｍ未満では、陽極を形成する金属量が少なく、防食できる期間に対する費用が割高となるおそれがあり、150μｍを超えると溶射時の熱ひずみなどにより、割れや剥離が発生する可能性が高くなるおそれがある。

本発明では、上下の陽極金属層の間に端子を設置する。
端子はコンクリート内部の鋼材にできるだけ近づけるように、例えば、コンクリート内部の鋼材の真上に設置することが好ましい。

端子の材質は、電気導電性を有する材料であれば特に制限されるものではなく、金属、セラミックス、又は有機導電体等が使用可能である。

本発明に使用する端子の形状は特に制限されるものではなく、板状、線状、及び点状のものが使用可能である。
端子の長さは、長いほうが好ましいが、防食されるコンクリート内部の鋼材のうち端子から最も遠い位置と、端子を結ぶ直線のうち最も短い直線と、金属層面がなす角度のうち、もっとも小さい角度が10度〜90度となる長さであることが好ましい。

端子の設置方法は特に限定されるものではないが、コンクリート内部の鋼材の真上に設置することが好ましく、設置前に鉄筋探査等により鉄筋位置を確認したうえで設置する方法が可能である。

本発明において、溶射して陽極金属層を形成する前に、陽極金属層Ａとコンクリート面との付着強度を向上するために、コンクリート構造物の表面を、また、端子と陽極金属層Ｂとの付着強度を向上するために、端子表面に、例えば、粗面形成剤等で粗面とすることが好ましい。

粗面形成剤としては特に限定されるものではないが、例えば、炭化珪素等を分散させたエポキシ樹脂やポリアミド樹脂等が挙げられる。

さらに、本発明では、陽極金属層の劣化を防ぐために、例えば、封孔処理材等を用いて、表面を保護することが好ましい。

封孔処理材としては陽極金属層の孔等が埋まり表面が保護できればよく、特に限定されるものではないが、例えば、ビニル樹脂、ブチラール樹脂等が使用可能である。

本発明では、コンクリート構造物の表面に、陽極金属層を形成して、端子を設置し、さらに陽極金属層を形成して、端子を介して、陽極金属層とコンクリート内部の鋼材を接続すると、陽極金属層とコンクリート内部の鋼材間に電気が流れ、コンクリート内部の鋼材が防食される。

本発明では、自然電位を測定することで、効果を確認することが可能である。
コンクリート内部の鋼材に、それより標準電極電位の低い金属を電気的に接続すると、コンクリート内部の鋼材自体の自然電位が低くなる。そのため、自然電位を測定することで、その数値から、陽極電極層の有効性が判断できる。
自然電位の測定は、溶射面と直角をなす150mm×530mmの一面（側面）のコンクリート内部の鋼材の真横の３点を測定点とし、銅照合電極を用い測定した。また、インスタントオフ電位と通電を停止してから24時間後のオフ電位を測定し復極量を算出した。

Ｅcse＝ＥＭ−８００
Ｅcse ：鉛照合電極で測定した値（ｍＶ）
ＥＭ ：飽和硫酸銅電極基準換算値（ｍＶ）

復極量（ｍＶ）＝［Ｅio（ｍＶ）］−［Ｅof（ｍＶ）］
Ｅio ：インスタントオフ電位
Ｅof ：２４時間後、オフ電位

以下、本発明の実験例に基づいて、本発明をさらに説明する。

実験例１
150×150×530mmの直方体のコンクリートの試験体の150×150mmの面に垂直かつ中心となるように、長さ600mmのＤ１９異型鋼棒を、両端部がそれぞれ35mmづつコンクリートから出るように配置して、コンクリート内部の鋼材とし、成形体を作製した。
作製した成形体を４週間屋外で養生し、コンクリート構造物を模したコンクリートの試験体を作製した。
作製した試験体の150mm×530mmの１面を溶射面とした。
溶射面に、粗面形成剤をエアスプレーにて塗布したのち、金属アルミニウムと金属亜鉛を体積比が１：１になるように、アルミニウム線材と亜鉛線材の口径、送り速度を調整し、アーク溶射法によって、亜鉛−アルミニウム擬合金を溶射して、150μｍの陽極金属層Ａを形成した。
陽極金属層Ａの上にステンレス製で、40mm×40mm、厚さ２mmの板状の端子を、溶射面の長手方向中央に、両端部が５mmづつ出るように設置した。
設置した板状の端子表面に、粗面形成剤を塗布し、さらに、陽極金属層Ａと同様に、100μｍの陽極金属層Ｂを形成し、その表面に、封孔処理剤をエアスプレーにて塗布し封孔処理をした。
コンクリート内部の鋼材の片端部に、導線を圧着端子と木ねじを用いて電気的に接続し、導線のもう一方の端部は、ワニ口クリップを介し、陽極金属層ＡＢ間に設置した板状の端子に接続し、防食回路をつくった。
600mm×160mmで深さ20mmのプラスチック製バットに約10mm程度水を張り、溶射面と反対側の面が水と接するように配置し、コンクリート内部の鋼材が直接水に接するこがないように、試験体に２週間以上給水し、腐食環境下に放置した。その後、自然電位を測定するとともに、所定期間後、端子と陽極金属層との境界面の腐食状況を目視で確認した。
自然電位の測定は、溶射面と直角をなす150mm×530mmの一面（側面）のコンクリート内部の鋼材の真横で、端部より等間隔の３点（１、２、及び３）を測定位置とし、銅照合電極を用い測定した。また、インスタントオフ電位と通電を停止してから24時間後のオフ電位を測定し復極量を算出した。自然電位測定結果を、表１に示し、腐食状況の結果を表２に示す。

＜使用材料＞
粗面形成剤：エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、及び炭化珪素よりなる市販品

実験例２
金属アルミニウムと金属亜鉛を体積比が１：１になるように、アルミニウム線材と亜鉛線材の口径、送り速度を調整し、アーク溶射法によって、亜鉛−アルミニウム擬合金を溶射して、厚さ150μｍに形成した陽極金属層Ａの上に、ステンレス製で、30mm×30mm、厚さ２mmの板を端子として、溶射面の長手方向端部に端部が５mm程度出るように配置し、その表面に、封孔処理剤をエアスプレーにて塗布し封孔処理をして防食回路をつくったこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表１に併記する。

実験例３
試験体の150mm×530mmの１面を溶射面とし、ステンレス製で、30mm×30mm、厚さ２mmの板を端子として、溶射面の長手方向端部に端部が５mm程度出るように設置して、その上に金属アルミニウムと金属亜鉛を体積比が１：１になるように、アルミニウム線材と亜鉛線材の口径、送り速度を調整し、アーク溶射法によって、亜鉛−アルミニウム擬合金を溶射して、厚さ100μｍの陽極金属層Ａを形成し、自然電位を測定したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表１に併記する。

実験例４
表３に示す厚さの陽極金属層Ａと陽極金属層Ｂを形成したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表３に示す。

本発明の端子の上下に陽極金属層を形成することにより、流電陽極方式のコンクリート構造物の防食工法において、安定で、かつ均質な防食電流を得ることができ、主に、土木・建築業界等において海洋構造物や護岸構造物等のコンクリート構造物補修や高耐久化の用途に適する。

Claims (8)

1. コンクリート構造物の表面に、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属層である陽極金属層Ａを形成し、その上に、板状、線状、及び点状のいずれかである端子を設置し、さらにその上に、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属層である陽極金属層Ｂを形成し、コンクリート内部の鋼材と陽極金属層とを、該端子を用いて接続してなるコンクリートの防食工法。
2. コンクリート構造物の表面を粗面とし、その上に、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属の層である陽極金属層Ａを形成してなる請求項１に記載のコンクリートの防食工法。
3. 陽極金属層Ｂの上に、表面保護層を形成してなる請求項１又は請求項２に記載のコンクリートの防食工法。
4. 陽極金属層Ａと陽極金属層Ｂが、コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属の溶射により形成されるものである請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載のコンクリートの防食工法。
5. コンクリート内部の鋼材よりも標準電極電位の低い金属が、亜鉛−アルミニウム擬合金である請求項４に記載のコンクリートの防食工法。
6. 陽極金属層Ａの厚さが、100〜200μｍである請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載のコンクリートの防食工法。
7. 陽極金属層Ｂの厚さが、50〜150μｍである請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載のコンクリートの防食工法。
8. 請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項に記載のコンクリートの防食工法を実施してなるコンクリート構造物。