JP5934551B2 - コンクリート構造物中における耐食性に優れたステンレス異形棒鋼 - Google Patents
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Description
エポキシ樹脂被覆鉄筋は,塗膜によって鉄筋を保護するものであるが,運搬や施工時において塗膜に疵が付きやすく,施工時に生じた疵や溶接部については現地で補修する必要がある。またエポキシ樹脂被覆鉄筋は,曲げ加工の際に,疵を生じない特殊な加工機が必要になることや、疵を防止するために鉄筋を曲げ加工した後に樹脂を被覆するなど多大な労力を要し,取扱いに問題が多い。
海外では,塩害地域用防食鉄筋としてステンレス鉄筋が部分的に使用されている。しかしながら,それらは殆どSUS304鋼やSUS316鋼、さらには二相ステンレス鋼といった高価なステンレス鋼である。これらは耐食性には極めて優れているものの,高価であるため使用範囲が限定されるという問題があった。
また、国内においてもSUS304鋼種のステンレス鉄筋が使用されている事例もあるが、上記と同じく、高価であるため使用範囲が限定されるという問題があった。
最も一般的に用いられる継ぎ手は重ね継手である。これは、鉄筋同士を一定の長さ重ね合わせ、ワイヤー等で鉄筋同士を縛りとめて継ぎ手とするものである。この鉄筋どうしの重なり部分は、コンクリートが入り難いため空隙ができやすく、その部分にコンクリート表面から浸透した水や塩分が溜まり、中性化コンクリート中ですきま腐食が発生しやすくなるという問題があった。
また、上述したようにSUS304は高い耐食性を有するために簡便なメンテナンスで良い場合が多いが鉄筋のコストが高い。そこで、さらに少し過酷な環境においても十分な耐食性を有するステンレス鉄筋として、SUS304のステンレス鉄筋とクロム系鉄筋の耐食性差を埋めるための低コストである耐食鉄筋が求められていた。
(1)質量%で、C:0.001%以上0.15%以下,Si:0.1%以上2.0%以下,Mn:0.1%以上2.0%以下,P:0.04%以下,S:0.03%以下,N:0.001%以上0.1%以下、Cr:10.5%以上25.0%以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる重ね継ぎ手用の異形棒鋼であり、前記異形棒鋼の外面には、前記外面から凸出する断面視凸形状の節が、前記異形棒鋼の中心軸方向に対して45度〜85度の角度で延在し,前記外面において隣接して配置された前記節間の前記中心軸方向の距離が、公称直径の0.5倍以上2.0倍以下である部分を有し、前記凸形状が、前記節の延在方向に垂直な方向に1点の高さの極大値を有し、前記節の延在方向に垂直な方向の最大高さと、前記最大高さの位置から前記中心軸方向に垂直な方向に1000μm離れた位置の高さとの差が50μm以上であることを特徴とする,ステンレス異形棒鋼。
(3)さらに質量%で、Ni:0.6%以下,Mo:0.5%以下,Cu:0.5%以下、Al:0.05%以下,Ca:0.05%以下、V:0.1%以下、B:0.01%以下、Bi:0.5%以下、Nb:0.5%以下、Ti: 0.5%以下、Mg:0.1%以下、Zr:0.5%以下、REM:0.1%以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする前記(1)又は前記(2)に記載の耐食性に優れたステンレス異形棒鋼。
まず,本発明において,ステンレス異形棒鋼の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。なお、特に注記しない限り元素含有量の%は質量%を意味する。
Cは,オーステナイト相および炭化物の生成元素である。オーステナイト相は,熱間加工後においてマルテンサイト組織を生じて強度を向上させ,また微細炭化物も強度の向上に寄与する。しかしながら,C含有量が0.001%未満ではオーステナイト相および炭化物の生成量が少なすぎて強度不足となり,一方0.15%超では逆に炭化物が過剰に生成し、耐食性が劣化する。従って,C含有量は0.001%以上,0.15%以下の範囲に限定した。溶接部の靭性を確保するためには,C含有量は0.03%以下の範囲にすることが望ましい。また、C含有量は,優れた強度を有するものとするために、0.005%以上とすることが好ましい。
Siは,脱酸剤として有用な元素である。脱酸不良は介在物増加と、それによる耐食性劣化につながるため、0.1%以上を添加する。しかし、2.0%を超えてSiを含有させると硬くなり機械的性質が劣化する。従って, Si含有量は0.1〜2.0%とし、好ましくは0.2〜1.0%とする。
Mnも,Cと同様,オーステナイト相生成元素であるが,含有量が0.1%未満だとオーステナイト相の生成が不十分となるため,熱間加工後のマルテンサイト組織が少なくなって,強度不足となる。一方,Mn含有量が2.0%超になると鋼中に残存する介在物が多くなり、耐食性が劣化する。従って, Mn含有量は0.1%以上2.0%以下の範囲とし、好ましくは0.3〜1.0%とする。
Pは,原料から不可避的に混入する元素であり、靱性等の機械的性質を劣化させるだけでなく,耐食性に対しても有害な元素である。特にP含有量が0.04%を超えるとその悪影響が顕著になるので,P含有量は0.04%以下とし、好ましくは0.03%以下とする。
Sは,Mnと結合してMnSを形成し,初期発銹起点となる。またSは,結晶粒界に偏析して,粒界脆化を促進する有害元素でもあるので,極力低減することが好ましい。特にS含有量が0.03%を超えるとその悪影響が顕著になるので,S含有量は0.03%以下とし、好ましくは0.01%以下とする。
Nは,強度を高めるが,耐食性,靭性を劣化させるため上限を0.1%とし、好ましくは0.03%以下とする。また,N含有量が0.001%未満では強度向上の効果が得られ難いため、下限を0.001%とし、好ましくは0.005%以上とする。
Crは,本発明における耐食性発現成分として重要な元素である。本発明で対象にする鉄筋として,コンクリート中において海洋飛沫帯などの高濃度塩化物イオン濃度に対する耐食性を確保するためには,少なくとも10.5%以上のCrが必要である。一方,Cr含有量が25.0%超になると,耐食性は良くなるものの,フェライト相の生成量が多くなって溶接部の靱性不足となることやコストアップに繋がる。従って,Cr含有量は10.5%以上25.0%以下とした。靭性確保の観点からCr含有量は,18.0%以下が望ましい。また、Cr含有量は,優れた耐食性を有するものとするために、11.0%以上とすることが好ましい。
Snは耐食性を向上させるため、必要に応じて添加する元素である。耐食性向上効果を得るためにSn含有量の下限を0.001%とした。好ましくは0.01%以上である。過度の添加は、加工性と製造性の低下につながるとともに耐食性向上効果も飽和する。そのためSn含有量の上限を1.0%とした。好ましくは、Sn含有量の上限は、加工性と製造性を考慮して0.8%以下とする。より好ましくは耐食性、加工性、製造性のバランスの観点からSn含有量を0.05〜0.5%とする。また、Snを添加することにより、強度も20〜50N/mm2高くなることから耐食性の高い高強度鉄筋を製造することも可能である。
Niは,靱性を高める効果があり、必要に応じて0.05%以上添加する。一方、過剰に添加し過ぎるとマルテンサイト組織が析出し加工性を劣化させるため,Ni含有量の上限を0.6%とし、好ましくは0.5%以下とする。
Mo:0.5%以下
Moは,強度,耐食性を高めるため、必要に応じて0.01%以上添加する。一方、過剰な含有は、靭性を劣化させるためMo含有量の上限を0.5%とし、好ましくは0.45%以下とする。
Cuは,耐食性を向上させる有用な元素であり,この効果を得るために必要に応じて0.03%以上添加する。一方、Cu含有量が0.5%超になると靭性が劣化する。従って, Cu含有量は0.5%以下とし、好ましくは0.45%以下とする。
Al:0.05%以下
Alは,脱酸剤として有用な元素であり、必要に応じて0.001%以上添加する。しかし,Al含有量が0.05%超になると靭性が劣化する。従って, Al含有量は0.05%以下とし、好ましくは0.045%以下とする。
Caは,熱間加工性を向上させる有用な元素であり,必要に応じて0.001%以上添加する。一方、Ca含有量が0.05%超になると靭性が劣化する。従って, Ca含有量は0.05%以下とし、好ましくは0.04%以下とする。
V:0.1%以下、
Vは,耐食性を向上させる有用な元素であり,必要に応じて0.03%以上添加する。一方、V含有量が0.1%超になると靭性が劣化する。従って, V含有量は0.1%以下とし、好ましくは0.08%以下とする。
Bは,熱間加工性を向上させる有用な元素であり、必要に応じて0.0003%以上添加する。一方、B含有量が0.01%超になると靭性が劣化する。従って, B含有量は0.01%以下とし、好ましくは0.008%以下とする。
Bi:0.5%以下
Biは,耐食性及び切削加工性を向上させる有用な元素であり、必要に応じて0.005%以上添加する。一方、Bi含有量が0.5%超になると靭性が劣化する。従って, Bi含有量は0.5%以下とし、好ましくは0.4%以下とする。
Nbは,耐食性を向上させる有用な元素であり,必要に応じて0.003%以上添加する。一方、Nb含有量が0.5%超になると靭性が劣化する。従って, Nb含有量は0.5%以下とし、好ましくは0.4%以下とする。
Ti:0.5%以下
Tiは,耐食性を向上させる有用な元素であり,必要に応じて0.003%以上添加する。一方、Ti含有量が0.5%超になると靭性が劣化する。従って, Ti含有量は0.5%以下とし、好ましくは0.4%以下とする。
Mgは,耐食性を向上させる有用な元素であり,必要に応じて0.0002%以上添加する。一方、Mg含有量が0.1%超になると靭性が劣化する。従って, Mg含有量は0.1%以下とし、好ましくは0.08%以下とする。
Zr:0.5%以下
Zrは,耐食性,熱間加工性を向上させる有用な元素であり,必要に応じて0.03%以上添加する。一方、Zr含有量が0.5%超になると効果が飽和する。従って, Zr含有量は0.5%以下とし、好ましくは0.4%以下とする。
REMは、LaやCe、Y等のランタノイド系希土類元素の含有量の総和である。REMは,熱間加工性を向上させる有用な元素であり,必要に応じて0.03%以上添加する。一方、REM含有量が0.1%超になると靭性が劣化する。従って, REM含有量は0.1%以下とし、好ましくは0.08%以下とする。
なお、公称直径とは、単位長さ当りの重量から算出した異形棒鋼の直径を意味する。
最も好ましい形態は、節2間の中心軸6方向の全ての距離d1が、公称直径の0.5倍以上、2.0倍以下の範囲内にあることで、この場合は本発明の効果が最も顕著に発揮される。
本発明のステンレス異形棒鋼においては、図1に示す異形棒鋼1のように、節2として、断面視2つの節2(第1節21および第2節22)が設けられていてもよいが、第1節21と第2節22のうち一方のみを設けることにより、図3(a)に示すように、断面視1つの節23が設けられている異形棒鋼12であってもよいし、断面視3つ以上の節2が設けられているものであってもよい。また、断面視における節の個数は、節の配置や断面を切る箇所によっても異なり、特に限定されるものではないが、全ての断面において断面視1つ以上の節2が設けられていることが好ましい。
図1に示す異形棒鋼1においては、節2として、中心軸6方向に対して互いに対称方向に延在する第1節21と第2節22とが設けられ、第1節21の延在方向と第2節22の延在方向とが互いに直交している。しかし、本発明のステンレス異形棒鋼においては、第1節21と第2節22との交差する角度は直交でなくてもよいし、中心軸6方向に対して互いに対称方向でなくてもよく、特に限定されるものではなく、平行であってもよい。
また、図3(c)に示す異形棒鋼13の節28a、28b、29a、29bの中心軸6方向に対する角度も、全て同じであってもよいし、全てまたは一部が異なっていてもよい。
図2(a)に示すように、節2の延在方向に垂直な方向の最大高さH1は,異形棒鋼1とコンクリートとの付着強度を確保するため、公称直径の2.0%以上とすることが望ましい。節2の最大高さH1の上限は特に定めないが、加工性を考えると公称直径の20%以下とすることが望ましい。更に好ましい節2の最大高さH1は、4.0〜10%である。
また、リブ3の凸形状は、リブ3の延在方向(中心軸6方向)に垂直な方向に1点の高さの極大値を有するものであって、中心軸6方向に垂直な方向の最大高さ位置と、前記最大高さ位置から中心軸6方向に垂直な方向に1000μm離れた位置とにおける高さの差が50μm以上であることが好ましい。
また、リブ3の凸形状は、節2の凸形状と同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、中心軸6と軸線の中心軸6方向に垂直な断面との交点が重心である。
その結果、図1に示す異形棒鋼1においては、異形棒鋼1間の面接触が防止され、コンクリート中におけるすきま腐食に至りやすいすきまの発生が抑制され、優れた耐すきま腐食性が得られる。
図4に示す重ね継ぎ手においては、異形棒鋼1と、異形棒鋼1に重ね合わせられた他の異形棒鋼11との重なり部分において、異形棒鋼1の第2節22と、他の異形棒鋼11の第2節22と延在方向の異なる第1節21とが接触しており、節2同士(第1節21と第2節22)が接触した接点51は、図4(a)および図4(b)に示すように、点接触となっている。
図5に示す重ね継ぎ手においては、異形棒鋼1と、異形棒鋼1に重ね合わせられた他の異形棒鋼11との重なり部分において、異形棒鋼1の第2節22と、他の異形棒鋼11の第1リブ31とが接触しており、第2節22と第1リブ31とが接触した接点52は、図5(a)および図5(b)に示すように、点接触となっている。
(1)溶製
スクラップ等のFe,Cr原料を電気炉にて溶解した溶鋼を,AOD(Argon Oxygen Decarburization)法等により脱炭し、上記の成分に調整した成分調整したものを,連続鋳造にてビレットを製造する。
ビレットを,1100〜1200℃に加熱したのち,熱間圧延より節2およびリブ3を有する図1に示す形状の異形棒鋼1あるいは図1に示す形状の線材とする。
(3)仕上工程
熱間圧延により製造した棒鋼あるいは線材は,矯直等を施して使用することが可能であるが,必要に応じて適当な熱処理により強度を調整する。また,より耐食性を向上させる場合には,熱間圧延後,場合によっては,ショットブラストを施し,さらには硝酸+弗酸等による脱スケール処理(酸洗)を施す。仕上工程において、異形棒鋼1あるいは線材に対して酸洗する工程を行うことにより、良好な表面性状が得られ、容易に本発明の形状の異形棒鋼が得られる。
コンクリートの配合は、普通ポルトランドセメントを使用し、粗骨材の最大寸法(Gmax)20mm、セメント300g/m3,水180g/m3,水セメント質量比(W/C)0.60とした。塩害・中性化環境の想定に対してコンクリート中にNaClを練り混ぜ,塩化物イオン濃度を24kg/m3とした。鉄筋表面への中性化進行を早めるため,試験体にあらかじめひび割れを導入した。試験体は,3点曲げによって載荷し0.3mm幅のひび割れを導入した。
耐食試験の評価は、重ね継ぎ手の接点の腐食状況、すなわち接点に発生した発銹のうち最大の発銹点面積を、接点以外の部分で発生した最大発銹点面積に比べ50%以下の場合、すきま腐食抑制効果大(○)とし、50%超100%以下の場合はすきま腐食抑制効果あり(△)とし、100%を超える場合はすきま腐食抑制効果なし(×)とした。
引張強さについては、JIS Z 2241:1998により鉄筋の引張り試験を実施し、JIS G 4322:2008表3に規定されている引張強さの範囲を適合範囲とした。すなわち、強度区分295Aの範囲より下がる場合を不適合とした。
本実施例においては、基準とする形状の異形棒鋼として、公称直径12.7mm、節と中心軸とのなす角度を60度と120度、公称直径に対する外面において隣接して配置された節間の中心軸方向の距離の割合(節−節間隔/公称直径)を異形棒鋼全域で1.3に統一、節の延在方向に垂直な方向の最大高さ(H1)1mm、節の延在方向に垂直な方向の幅(節の幅)2mmの条件とした。この異形棒鋼の付着強度(最大付着応力度)は12.9N/mm2であった。
No.24〜36:成分が本発明の範囲外であり、耐食性が劣化する場合がみられた。
No.24:C量が少ない場合であり、耐食試験の評価は○であるが、引張強さがJIS G4322のいずれの強度区分よりも下回ったため不適合であった。
No.28:Mn量が少ない場合であり、耐食試験の評価は○であるが、引張強さがJIS G4322のいずれの強度区分よりも下回ったため不適合であった。
No.33:Cr量が多い場合であり、耐食試験の評価は○であるが、靭性不足のため最終圧延で一部割れが発生し、歩留低下したため不適合とした。
No.37,No.38:節と中心軸とのなす角度が本発明の範囲外であり、異形棒鋼の外面と節とが接触しやすくなり、すきま腐食が発生しやすくなったため、すきま腐食抑制効果はみられなかった。
No.40:節と節との間隔が広くなり付着強度が低くなった。
No.41:節の断面形状が凹形状で中央にすきま腐食が発生し、すきま腐食抑制効果がみられなかった。
No.42:節の高さの差(R1−R2)が小さく、すきま腐食抑制効果がみられなかった。
Claims (5)
- 質量%で、
C :0.001%以上0.15%以下,
Si:0.1%以上2.0%以下,
Mn:0.1%以上2.0%以下,
P:0.04%以下,
S:0.03%以下,
N:0.001%以上0.1%以下、
Cr:10.5%以上25.0%以下を含有し、残部が鉄および不可避不純物からなる重ね継ぎ手用の異形棒鋼であり、
前記異形棒鋼の外面には、前記外面から凸出する断面視凸形状の節が、前記異形棒鋼の中心軸方向に対して45度〜85度の角度で延在し,
前記外面において隣接して配置された前記節間の前記中心軸方向の距離が、公称直径の0.5倍以上2.0倍以下である部分を有し、
前記凸形状が、前記節の延在方向に垂直な方向に1点の高さの極大値を有し、前記節の延在方向に垂直な方向の最大高さと、前記最大高さの位置から前記中心軸方向に垂直な方向に1000μm離れた位置の高さとの差が50μm以上であることを特徴とする,ステンレス異形棒鋼。 - さらに質量%で、
Sn:0.001%以上1.0%以下を含有することを特徴とする請求項1に記載のステンレス異形棒鋼。 - さらに質量%で、
Ni:0.6%以下,
Mo:0.5%以下,
Cu:0.5%以下、
Al:0.05%以下,
Ca:0.05%以下、
V:0.1%以下、
B:0.01%以下、
Bi:0.5%以下、
Nb:0.5%以下、
Ti:0.5%以下、
Mg:0.1%以下、
Zr:0.5%以下、
REM:0.1%以下の一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の耐食性に優れたステンレス異形棒鋼。 - 請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の成分に調整した溶鋼を鋳造してビレットとする溶製工程と、
前記ビレットを熱間圧延して節を有する棒鋼とする熱間圧延工程と、
前記棒鋼を酸洗する工程を含む仕上工程とを備え、
前記節として、外面から凸出する断面視凸形状のものであって、前記異形棒鋼の中心軸方向に対して45度〜85度の角度で延在するものであり,
前記外面において隣接して配置された前記節間の前記中心軸方向の距離が、公称直径の0.5倍以上2.0倍以下である部分を有し、
前記凸形状が、前記節の延在方向に垂直な方向に1点の高さの極大値を有し、前記節の延在方向に垂直な方向の最大高さと、前記最大高さの位置から前記中心軸方向に垂直な方向に1000μm離れた位置の高さとの差が50μm以上であるものを形成することを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の耐食性に優れたステンレス異形棒鋼の製造方法。 - 請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のステンレス異形棒鋼を使用したコンクリート構造物。
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