JP6352851B2

JP6352851B2 - 水素脆化感受性評価方法

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Publication number: JP6352851B2
Application number: JP2015083568A
Authority: JP
Inventors: 憲宏藤本; 陽祐竹内; 東　康弘; 康弘東; 孝澤田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: JP2016205835A

Description

本発明は、鉄筋コンクリート内の鉄筋の水素脆化感受性評価方法に関する。

本発明は、鉄筋はある使用環境において水素を吸収し、延性が失われ、強度が著しく低下することがある。この現象は水素脆化（非特許文献１参照）と呼ばれており、例えば、ＰＣ（プレキャストコンクリート）鉄筋で生じることが知られている（非特許文献２参照）。水素脆化を発生させる要因の一つとして、材料に負荷される応力が知られており、近年では静的な応力より動的な荷重の方が水素脆化を促進するという報告（非特許文献３参照）がある。

水素脆化感受性を評価する手法として、ＦＩＰ試験（非特許文献４参照）が知られている。ＦＩＰ試験は予め定めた荷重を負荷した鉄筋を５０℃、２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液に接触させることで水素を吸収させ、破断の有無を確認する試験である。このような試験の結果はＰＣ構造物に用いる鋼材が強度・寿命の条件を満たしているか否かの判断基準として、もしくは、鋼材の品質の管理のために用いられている。

このように従来の水素脆化感受性の評価はＦＩＰ試験のように定荷重試験を用いることにより実施されている。ところが、現実のＰＣ構造物の設置環境において、ＰＣ構造物に繋がれたケーブルのゆれや強風、ＰＣ構造物への日の当たり方・温度変化によるコンクリートの膨張・収縮等により、ＰＣ構造物中の鉄筋は動的な荷重を受けることがある。このため本来ＰＣ構造物中の鉄筋は、動的な荷重による水素脆化促進効果について考慮する必要がある。

南雲道彦、鋼の力学的挙動に及ぼす水素の影響、鉄と鋼、Vol.90、2004、No.10、p766-775 白神哲夫、鉄鋼材料における水素脆化、材料と環境、60、p236-240、2011 T.Doshida and K.Takai、Dependence of hydrogen-induced lattice defects and hydrogen embrittlement of cold-drawn pearlitic steels on hydrogen trap state, temperature, strain rate and hydrogen content、Acta Materialia、vol.79、pp.93-107、2014 ２０％チオシアン酸アンモニウム溶液中でのＰＣ鋼材の水素脆化試験方法、社団法人腐食防食協会、JSCE S 1201、2012

しかし、従来の技術ではこのような動的な荷重による水素脆化促進効果について試験条件に反映することができておらず、実環境におけるＰＣ構造物等の鉄筋コンクリート内の鉄筋の水素脆化感受性について十分に評価できていなかった。そこで、本発明は前記した問題を解決し、鉄筋コンクリート内の鉄筋にかかる動的な荷重による水素脆化促進効果を考慮して水素脆化感受性の評価を行うことを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明の水素脆化感受性評価方法は、鉄筋コンクリートに応力を加え、前記鉄筋コンクリートに設置した変位計により、前記鉄筋コンクリート内の鉄筋のひずみの経時変化を計測するひずみ計測ステップと、前記ひずみの経時変化に基づき、前記鉄筋コンクリート内の鉄筋の負荷応力の経時変化を計算する負荷応力の経時変化計算ステップと、中性化したコンクリート環境を模擬した溶液中に、試験対象となる鉄筋を設置し、前記鉄筋に、前記計算した負荷応力の経時変化に基づく動的な応力を加えて破断試験を行う試験実施ステップと、を含んだことを特徴とする。

本発明によれば、鉄筋コンクリート内の鉄筋にかかる動的な荷重による水素脆化促進効果を考慮して水素脆化感受性の評価を行うことができる。

図１は、本実施形態の水素脆化感受性評価方法の手順を示すフローチャートである。図２は、ＣＰのひび幅の測定環境を例示する図である。図３は、図２のＣＰに荷重を加えた後のひび幅の変化を示すグラフである。図４は、図２のＣＰから取り出した鉄筋の応力ひずみ曲線を示すグラフである。図５は、図２のＣＰから取り出した鉄筋の動的荷重試験装置を例示する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の水素脆化感受性評価方法を実施するための形態（実施形態）について説明する。なお、本発明は、本実施形態に限定されない。また、本実施形態における鉄筋は鉄筋コンクリートに用いられる鉄筋であり、例えば、ＰＣ柱に用いられる鉄筋である。

本実施形態の水素脆化感受性評価方法は、以下の（１）〜（４）の工程からなる。（１）実環境下における鉄筋の負荷応力の変化量と変動周期の算出、（２）ＰＣ環境を模擬する試験溶液の決定、（３）（２）で決定した試験溶液中における（１）の負荷応力の変化量と変動周期に基づく応力負荷試験の実施、（４）水素脆化感受性の評価。

上記の（１）〜（４）の工程を、図１を参照しながら詳細に説明する。まず、（１）の工程において、評価者は、ひびを形成したＰＣ柱を設置し（Ｓ１）、ひびの直上にひずみゲージを設置し、ひずみを計測する（Ｓ２）。そして、評価者は、ＰＣ柱の内部の鉄筋の負荷応力の経時変化を求める（Ｓ３）。次に、（２）の工程において、評価者は、ＰＣ環境（例えば、中性化したコンクリート環境）を模擬した試験溶液を決定する（Ｓ４）。そして、（３）の工程において、評価者は、Ｓ４で決定した試験溶液中に設置された鉄筋に、Ｓ３で求めた負荷応力の経時変化に基づき、動的な応力をかけて破断試験を行う（Ｓ５）。そして、評価者は、（４）の工程において、Ｓ５で行った破断試験の結果により、鉄筋の水素脆化感受性の評価を行う。

以下、上記の（１）〜（４）の工程を詳細に説明する。

［（１）実環境下における鉄筋の負荷応力の変化量と変動周期の算出]
実環境下における鉄筋の負荷応力の変化量と変動周期は、実環境下における鉄筋のひずみを測定し、負荷応力の変化量についてはひずみと鉄筋の引張試験の結果から求め、変動周期については時間に対するひずみの変化から決定することができる。

まず、鉄筋のひずみの測定方法について説明する。実環境における鉄筋のひずみを評価する方法として、例えば、予めひびを形成したＰＣ柱に変位計（例えば、ひずみゲージ）を取り付け、その変化量から鉄筋のひずみを推定する。以下に実験例を説明する。

ここでは、ＰＣ柱として、図２に示す予めひびを導入した高さ８ｍ、設計荷重２ｋＮのコンクリートポール（ＣＰ）を用いた。そして、ひびを入れた位置の約５０ｃｍ下を固定し、ＣＰの上部（元口）から２５ｃｍの位置に、錘により荷重をかける曲げ試験を行った。次に、図２のようにＣＰのひび直上にひずみゲージ等の変位計を取り付けた後、ＣＰの元口から２５ｃｍの位置に、錘により２ｋＮを与え、その後の時間に対する変位計の変化、すなわちひび幅の変化量を測定した。なお、ＣＰを設置したときのひびは閉じた状態にあるので、このときのひび幅を０とした。

図３に、図２のＣＰに対し荷重を加えた後のひび幅の変化を示す。図３の（ａ）は荷重をかけた後のひび幅の変化を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）における１４日目〜１８日目までのひび幅の変化を拡大して示したグラフである。図２のＣＰに荷重をかけた直後にひび幅は０．１００ｍｍ増加し、さらに１日（２４時間）を１つの周期として、ひび幅が約０．０９７〜０．１０４ｍｍの間で変動していることが分かる。これは日中、夜間の温度変化に伴うＣＰのコンクリートの膨張・収縮による動的な荷重に対応するものである。

ここで構造物に対して荷重を負荷することにより鉄筋に生じるひずみについて考える。例えば、ＣＰのひび割れ位置から上下２５ｍｍに渡って、コンクリートが鉄筋と密着していない（つまり図２の剥離部分がある）と仮定すると、コンクリートと密着していない５０ｍｍの鉄筋が０．０９７〜０．１０４ｍｍの間で伸び縮みすることによりひび幅が変動したと見なすことができる。すなわち、本実験条件において、ＣＰに対して荷重を負荷し、さらに材料・環境要因により鉄筋に１９４０〜２０８０μ（＝０．０９７ｍｍ／５０ｍｍ〜０．１０４ｍｍ／５０ｍｍ）のひずみが生じたことになる。

次に、評価者は、上記のＣＰを破壊し、取り出した鉄筋の引張試験を行い、負荷応力とひずみ量の関係を得ることで先ほど得られたひずみから応力値を推定する。図４に、引張試験により得られた応力ひずみ曲線を示す。応力ひずみ曲線において、弾性応力領域では、応力とひずみを一次関数で表すことができるため、例えば、図４における１０００ＭＰａまでの応力とひずみの関係から得た近似直線から応力を求めればよい。この近似直線から鉄筋のヤング率は６５ＧＰａと求められ、測定された鉄筋のひずみが１９４０〜２０８０μであったので、応力＝ひずみ×ヤング率の関係式から本実験における鉄筋の負荷応力の変化量は１２６〜１３５ＭＰａと算出された。

[（２）ＰＣ環境を模擬する試験溶液の決定]
次に、評価者は、ＰＣ環境を模擬し、鉄筋に水素脆化を起こさせるための試験溶液を決定する。ただし、実際のＰＣ環境を再現することが難しいため、予め決めた指標を用い、試験溶液を決定すればよい。例えば、試験溶液のｐＨ、試験溶液に含まれるイオン、錆の形成状態等を指標とすればよい。具体例としては、中性化したコンクリートの環境を模擬し、例えば溶液のｐＨを指標とし、ｐＨ＝８．３の５０ｍＭＮａＨＣＯ_３を添加した水溶液を用いればよい。

[（３）（２）で決定した試験溶液中における（１）の負荷応力の変化量と変動周期に基づく応力負荷試験の実施]
次に、評価者は、（２）の工程で決定した試験溶液中に、（１）の工程で用いた鉄筋を設置し、（１）で得た負荷応力の変化量と変動周期で負荷応力試験を実施する。例えば、図５に示す動的荷重試験装置により負荷応力試験を実施する。

動的荷重試験装置は、試験片１４への引張応力を制御する応力制御用コンピュータ１０、参照極１２経由で水槽１３内の電圧・電流の制御や計測を行うポテンショスタット１１、参照極１２、水槽１３を備える。水槽１３内には、（２）の工程で決定した試験溶液を入れ、その水槽１３内には、（１）で用いた鉄筋を試験片１４として設置する。ポテンショスタット１１により水槽１３内の試験片１４の電圧・電流の制御を行うことにより、試験片１４に水素が吸収される。そして、試験片１４に水素が吸収された状態で、応力制御用コンピュータ１０からの制御により、試験片１４に引張応力の負荷がかけられる。

なお、応力制御用コンピュータ１０には、例えば、（１）の工程で得られた試験片１４への負荷応力の変化量とその変動周期を示す応力の変動プログラムを設定し、この応力の変動プログラムに基づき負荷応力を変動させる。また、この応力の変動プログラムには、（１）で実測された応力（実測値）および変動周期を用いてもよいし、この実測値および変動周期に近似した関数を用いてもよい。関数は、例えば、三角関数等を用いる。

また、試験片１４への負荷応力は、（１）の工程における実測値をそのまま用いてもよいが、例えば、値が過剰とならない範囲（例えば、試験片１４にかかる負荷応力が弾性応力を超えない範囲）で幅を持たせてもよい。例えば、安全率３倍とすると、ひずみが０．１００ｍｍを基準として０．０９１〜０．１１２ｍｍとなるような負荷応力とする。このように安全率を考慮することで、（１）の工程における鉄筋への負荷応力の測定誤差、鉄筋の品質のばらつき、鉄筋の多種多様な使用環境を想定した上で、試験片１４（鉄筋）への負荷応力試験を実施することができる。

また、試験片１４への応力値の基準値は、（１）の工程に用いられるＣＰの製品の品質として規定された範囲で決めればよい。例えば、上記の応力値の基準値は、ＪＩＳＡ５３６４に定められる（１）の工程に用いられるＣＰのプレストレス値である破壊応力に対して０．７倍の応力値とする。また、試験片１４に追加される応力値の上限は、例えば、ＪＩＳＡ５３７３で定めるＰＣ構造物に一時的に設計荷重がかかったときに許容されるひび幅０．２５ｍｍから求める。例えば、（１）の工程においてコンクリートから解放された鉄筋（つまり、鉄筋におけるコンクリートの剥離部分）の長さが５０ｍｍであるとして、この鉄筋が０．２５ｍｍ変動したとみなすと、ひずみは５０００μとなる。したがって、追加される応力値の上限はヤング率６５ＧＰａを用い、３２５ＭＰａと算出することができる。

なお、図２のＣＰの多様な使用環境を想定し、試験片１４の水素吸収を促進させるようにしてもよい。例えば、ポテンショスタット１１を用い、電位を−１０００ｍＶｖｓ．ＳＳＥと設定してもよいし、水槽１３内にＮＨ_４ＳＣＮ等の水素の吸収を促進する物質を添加してもよい。

［（４）水素脆化感受性の評価］
次に、評価者は、（３）の工程における試験を、例えば、最大２００時間として実施し、試験片１４の破断の有無等を確認することにより、試験片１４の水素脆化感受性を評価する。例えば、評価者は、試験開始から何時間後にどのような条件で試験片１４の破断が起こったか、により試験片１４の水素脆化感受性を評価する。

これにより、鉄筋コンクリート内の鉄筋の動的な荷重による水素脆化促進の作用を考慮し、鉄筋の水素脆化感受性を評価することができる。その結果、これまでは破断しないとされていた応力範囲で鉄筋コンクリート内の鉄筋が破断した場合の破断の原因究明や、当該鉄筋コンクリートに負荷すべきプレストレス値の設定が可能となる。これにより鉄筋コンクリート内の鉄筋の寿命改善の指標を得ることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、前記した実施形態の（１）の工程において、予めひびを形成したＣＰを用いたが、ひびを形成したＣＰでなくてもよい。また、（３）の工程における試験で、鉄筋（試験片１４）への応力の変動周期については予め適宜決めればよい。例えば、（３）の工程において、当初設定した試験条件よりも試験片１４への水素吸収量を増やした条件において、応力変動の速度を１０倍ずつ変えた試験を行い、当初よりも破断までの時間が短い、もしくは周期の回数が少ない応力変動の速度を見つけた場合、この速度に基づき応力の変動周期を決定してもよい。さらに、（３）の工程において、試験片１４への負荷応力を変動には、応力の変動プログラムを用いることとしたが、手動で変動させてももちろんよい。

１０応力制御用コンピュータ
１１ポテンショスタット
１２参照極
１３水槽
１４試験片

Claims

鉄筋コンクリートに応力を加え、前記鉄筋コンクリートに設置した変位計により、前記鉄筋コンクリート内の鉄筋のひずみの経時変化を計測するひずみ計測ステップと、
前記ひずみの経時変化に基づき、前記鉄筋コンクリート内の鉄筋の負荷応力の経時変化を計算する負荷応力の経時変化計算ステップと、
中性化したコンクリート環境を模擬した溶液中に、試験対象となる鉄筋を設置し、前記鉄筋に、前記計算した負荷応力の経時変化に基づく動的な応力を加えて破断試験を行う試験実施ステップと、
を含んだことを特徴とする水素脆化感受性評価方法。
前記試験実施ステップでは、前記鉄筋コンクリート内の鉄筋の負荷応力の経時変化の実測値を用いて前記鉄筋に動的な応力を加えることを特徴とする請求項１に記載の水素脆化感受性評価方法。
前記試験実施ステップでは、前記鉄筋コンクリート内の鉄筋の負荷応力の経時変化に類似する関数を用いて前記鉄筋に動的な応力を加えることを特徴とする請求項１に記載の水素脆化感受性評価方法。