JP6449757B2

JP6449757B2 - 試験装置および試験方法

Info

Publication number: JP6449757B2
Application number: JP2015224561A
Authority: JP
Inventors: 真悟峯田; 東　康弘; 康弘東; 水沼　守; 守水沼; 香織根岸
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: JP2017090399A

Description

本発明は、試験装置および試験方法に関する。

鋼管柱、支持アンカや配管等のインフラ設備に代表される金属構造物は、全体またはその一部が地中に埋設された状態で利用される。通常、金属構造物は土壌または地下水に接するために腐食すなわち土壌腐食し、経過年数とともに減肉していく（非特許文献１〜３参照）。

土壌腐食により、金属構造物の減肉が進行していくと、本来構造物が発揮するべき機能が担保されなくなる恐れがある。そのため、点検・保守、防食方法、更に腐食進展を予測する手法などの検討が行われている。

適切な点検・保守、防食方法および高精度かつ高信頼性の腐食進展予測を行うためには、金属の土壌腐食機構に関する充分な知見が必須である。このような知見を得るためには、土壌腐食に影響を及ぼす因子のそれぞれを制御した系で、腐食減肉量や腐食生成物などを調査し、腐食機構を明らかにする必要がある。

土壌腐食の程度は、土壌の種類や性質、金属構造物の構造や地中への埋設状態、および気象条件の差異によって著しく異なる。土壌腐食に影響を及ぼす因子として、土壌の種類、温度、気温、ｐＨ、比抵抗、含水量、可溶性塩類濃度、酸素濃度、ガス類、バクテリア活動等が挙げられる（非特許文献１，２参照）。土壌腐食はこれらの因子が関係した複雑な機構で進行する。

特に、複数種の層状の土壌にまたがって設置された金属構造物では、マクロ腐食が促進される場合が多く、注意を要する。マクロ腐食とは、各土壌中の金属構造物の間で電位差が生じ、アノード部とカソード部とが巨視的に分離してマクロセルが形成されて生じる腐食であり、実用上で問題が生じるような大きな速度で激しい腐食が進行する事例が多数確認されている。マクロ腐食の発生には、例えば、地中深さ方向における土壌密度、水分量、および酸素濃度等の土壌環境の因子の差が影響するものと考えられる。

門井守夫，高橋紹明，矢野浩太郎，「金属材料の土壌腐食についての研究（第１報）」，防蝕技術，1967年，Vol.16，No.6，pp.10-18 宮田義一，朝倉祝治，「電気化学的手法を中心とした土壌腐食計測（その２）」，材料と環境，1997年，Vol.46，pp.610-619 江向直美，高沢壽佳，「モデル実験による鋼棒の土壌腐食」，材料と環境，1993年，Vol.42，pp.136-143

しかしながら、マクロ腐食に影響を及ぼす土壌環境の因子の差について、定量的に把握されている情報は少ない。マクロ腐食に影響を及ぼす環境因子の影響を確認するために、例えば、異種の土壌を積層した容器に、異種の土壌をまたぐように金属構造物を埋設する試験系が想定される。この試験系において、金属構造物の腐食状態は、長期間埋設した後に取り出された金属構造物を用いて分析できる。しかしながら、このような試験系においては、異種の土壌にまたがっていても、導電体である金属構造物について測定される自然電位の値は１つであり、異種の各土壌の部分で生じる電位差を把握することはできない。したがって、異種の土壌環境にまたがって埋設されている金属構造物において、どれだけマクロ腐食が生じるかを定量的に把握することは困難であった。また、この試験系においては、異種の各土壌について、土壌環境の因子である土壌密度、水分量、および酸素濃度を制御することは困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、異種の土壌にまたがって埋設される金属構造物に生じるマクロ腐食への土壌の組み合わせの影響を、土壌環境を制御して簡便かつ明確に把握することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る試験装置は、土壌と該土壌に一部または全部が埋設された金属構造物とが収容される２以上のセルと、各セル内の土壌に圧力をかける加圧機構と、各セル内に給水する給水機構と、各セル内に酸素以外のガスを供給するガス供給機構と、異なるセルに収容される金属構造物間の電位差を測定する電位測定機構と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、異種の土壌にまたがって埋設される金属構造物に生じるマクロ腐食への土壌の組み合わせの影響を、土壌を制御して簡便かつ明確に把握することができる。

図１は、本発明の一実施形態の概要を説明するための図である。図２は、本実施形態の試験装置の概略構成を示す模式図である。図３は、本実施形態の試験処理の電位差の測定結果を例示した図である。図４は、本実施形態の試験処理手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

まず、図１を参照して、本実施形態の概要について説明する。本実施形態に係る試験装置による試験処理では、図１に例示するように、深さ方向に積層された異種の土壌Ｓ１および土壌Ｓ２にまたがって埋設される金属構造物Ｋに生じるマクロ腐食への土壌Ｓ１および土壌Ｓ２の影響を把握する。図１に示す例において、土壌Ｓ１中における金属構造物Ｋの電位と、土壌Ｓ２中における金属構造物Ｋの電位との差が大きいほど、マクロ腐食が発生しやすいことが知られている。そこで、本実施形態では、土壌Ｓ１および土壌Ｓ２の土壌環境を個別に制御して、土壌Ｓ１中における金属構造物Ｋの電位と、土壌Ｓ２中における金属構造物Ｋの電位との差を測定することにより、マクロ腐食への土壌Ｓ１と土壌Ｓ２との組み合わせの影響を把握する。

［試験装置の構成］
図２は、本実施形態に係る試験装置の概略構成を示す模式図である。図２に示すように、試験装置１は、２つ以上のセル２（２１，２２）と、電位測定機構３とを備える。

各セル２には、試験対象の金属構造物Ｋが埋設された１種類の土壌Ｓが収容される。セル２１に収容される土壌Ｓ１とセル２２に収容される土壌Ｓ２とは同種であってもよいし、異種であってもよい。土壌Ｓ１に埋設される金属構造物Ｋ１と土壌Ｓ２に埋設される金属構造物Ｋ２とは、同一の材質でもよいし異なる材質でもよい。ここで、合金組成や製造・加工方法が異なる金属構造物は異なる材質とする。なお、土壌Ｓ１と土壌Ｓ２との組み合わせについては後述する。

各土壌Ｓは、１種類以上の酸化物種からなる粒状物を含んでいればよく、土壌の構成物種および粒状物の粒径については特に限定されない。実土壌の土壌環境に近づけるため、例えば、実土壌の構成物として代表的な二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化カルシウム、および酸化マグネシウム等を混合するとよい。その場合に、さらに各構成物の混合比率や粒径を制御してもよい。これにより、実土壌の土壌環境の再現性が高まることが期待される。さらに、塩化物、硫酸塩、または硝酸塩等を混合してもよい。

あるいは、各土壌Ｓに実土壌を用いてもよい。実土壌の回収場所や回収条件は特に限定されないが、本実施形態で実土壌を用いる場合には、水分量を制御するため、予め十分に加熱して水分を除去しておくことが好ましい。また、草、根、または昆虫類等の混合物をふるいにかけたりして除去することが好ましい。

各セル２に収容される土壌Ｓの量は特に限定されず、金属構造物Ｋの腐食状態を確認したい部分が埋設されればよい。また、各セル２のサイズおよび形状は特に限定されず、金属構造物Ｋのサイズおよび土壌Ｓの量を考慮して、金属構造物Ｋが埋設された土壌Ｓを収容できればよい。また、各セル２の材質は、後述する加圧機構４による加圧に耐える強度および化学的安定性があるものであればよい。例えば、ポリ塩化ビニル製やアクリル等の透明プラスチックを用いれば、セル２内の様子を常時確認できる。

各セル２は、加圧機構４、給水機構５、およびガス供給機構６を備え、各セル２に収容される土壌Ｓの土壌環境が個別に制御される。なお、各セル２はセンサ７を備え、適時にセル２内の土壌Ｓの土壌環境の因子の測定が行われる。センサ７には、温度計、水分量計、導電率測定器、ｐＨ測定器、または圧力計等が例示される。

加圧機構４は、セル２内の土壌Ｓに圧力をかける。加圧機構４は、例えば、セル２内に設けられた内蓋をネジ等で押し込んだりガスで加圧したりすることにより実現される。これにより、セル２内の土壌Ｓの土壌密度を制御することができる。なお、センサ７としての圧力計により、土壌Ｓに印加された圧力をモニタすることが好ましい。

加圧機構４は、例えば、各セル２内の土壌Ｓに所定の地中深さに応じた圧力をかける。ここで、所定の地中深さとは、再現したい土壌環境の地中深さを意味する。すなわち、加圧機構４は、図１に例示したように積層された土壌Ｓ１と土壌Ｓ２との深さ方向の位置関係を再現するために、下層の土壌Ｓ２に、上層の土壌Ｓ１の重量に相当する圧力を加える。すなわち、土壌Ｓ１が収容されたセル２１は解放圧すなわち加圧０の大気圧条件とされる一方、土壌Ｓ２が収容されたセル２２には、土壌Ｓ１の層の厚み、密度およびセル２の底面積から算出された重量に相当する圧力が加えられる。

なお、加圧にともなって土壌Ｓに埋設された金属構造物Ｋの深さ方向の位置が変わらないように、金属構造物Ｋを台座に載せることが好ましい。台座は、塩化ビニル製等の耐腐食性の高い材質で形成されることが好ましい。また、金属構造物Ｋの腐食環境にさらされる深さ方向の位置が限定されるように、金属構造物Ｋの上面または下面のみを露出させて絶縁樹脂に埋設してもよい。この絶縁樹脂が台座と一体的に形成されてもよい。

また、加圧機構４に対向する金属構造物Ｋおよび台座の面積をできるだけ小さくすることが好ましい。これにより、金属構造物Ｋおよび台座の抵抗が抑制され、土壌Ｓへの均一な加圧が行われる。

給水機構５は、セル２内に給水する。例えば、給水機構５は、セル２内への給水口５１と排水口５２とで構成され、量が調整された水をセル２内に供給することにより実現される。本実施形態では、給水機構５は、給水口５１に連結された水容器５３を備え、水容器５３内の液面高さにより、セル２内の水分量を調整する。すなわち、水容器５３内の液面高さとセル２内に給水された水の液面高さとが等しくなることにより、水分量が調整される。この場合に、金属構造物Ｋの近傍の土壌Ｓの水分量は、セル２内での金属構造物Ｋの深さ方向の位置に水容器５３の液面高さとの関係により調整される。給水機構５は、例えば、各セル２内に所定の地中深さすなわち再現したい土壌環境の地中深さに応じた水分量を給水する。

ガス供給機構６は、セル２内にガスを供給する。例えば、ガス供給機構６は、セル２に備えたガスの供給口と排気口とで構成され、供給口から供給されたガスを排気口から排気することによりセル２内を循環させる。供給されるガスは、例えば窒素Ｎ_２がある。セル２内に酸素以外のガスを循環させることにより、土壌Ｓ中の酸素濃度を低下させることができる。これにより、土壌Ｓ中の酸素濃度を、土壌密度および水分量のみによる調整よりさらに低下させることができる。なお、ガスの供給圧力は、セル２内の土壌Ｓの土壌密度等を変化させないように、大気圧よりやや高くなる程度であることが好ましい。ガス供給機構６は、例えば、各セル２内の酸素濃度を所定の地中深さすなわち再現したい土壌環境の地中深さに応じて低下させる。

電位測定機構３は、異なるセル２に収容される金属構造物Ｋの間の電位差を測定する。例えば、電位測定機構３は、セル２１に収容される金属構造物Ｋ１とセル２２に収容される金属構造物Ｋ２とを電圧計を介して導線で接続することにより実現される。この場合には、電圧計の内部抵抗ができるだけ高いことが好ましい。電位差の測定は、常時行われてもよいし、定期的に行われてもよい。

このように構成された試験装置１において、各セル２内の土壌Ｓは、加圧機構４、給水機構５およびガス供給機構６により土壌環境が個別に制御される。そして、土壌環境が異なる土壌Ｓ１と土壌Ｓ２にそれぞれ埋設された金属構造物Ｋ１と金属構造物Ｋ２との間の電位差が測定される。測定された電位差が大きいほど、マクロ腐食が起こりやすいと判定される。

図３は、電位差の測定結果を例示する図である。図３の例では、金属構造物Ｋ１と金属構造物Ｋ２との形状および材質が同一である場合に、土壌Ｓ１と土壌Ｓ２との組み合わせを変えて、土壌１と土壌２、土壌３と土壌４、土壌５と土壌６との３つの異なる組み合わせに対する電位差が測定されている。図３に例示するように、土壌Ｓ１と土壌Ｓ２との組み合わせが異なれば、電位差が異なり、マクロ腐食の起こりやすさが異なる。

なお、本実施形態では、電位測定機構３によって電位差を測定しているが、電位測定機構３の代わりに電流計を設置してもよい。この場合に、セル２１に収容される金属構造物Ｋ１とセル２２に収容される金属構造物Ｋ２とを電流計を介して接続することで、異なる環境下にさらされた金属構造物Ｋのマクロ腐食に関わる反応の大小を、電流値という形で計測できる。この場合に、電流計の内部抵抗は限りなくゼロに近いことが好ましい。

このように、金属構造物Ｋ１と金属構造物Ｋ２との形状、材質およびセル２内の埋設位置を同一にして、土壌Ｓ１と土壌Ｓ２とを異種とすれば、同一の金属構造物Ｋにおけるマクロ腐食への土壌Ｓ１と土壌Ｓ２との組み合わせの影響を把握することが可能となる。

また、土壌Ｓ１と土壌Ｓ２とを同種にして、一方のセル２２にのみ、他方のセル２１内の土壌Ｓ１の重量に相当する圧力と、地中深さに応じた水分量とを加え、窒素ガスを供給して酸素濃度を低下させれば、地中深さに応じた土壌環境を再現することができる。すなわち、セル２１内の土壌Ｓ１において地表側の土壌環境が再現され、セル２２内の土壌Ｓ２において深層の土壌環境が再現される。この場合に、実土壌についての地表深さに応じた土壌密度、水分量、および酸素濃度の実測値に応じて、各セル２内の土壌Ｓの土壌環境を制御することが好ましい。これにより、試験処理の精度および信頼性が高くなる。

この同種の土壌Ｓが収容され地中深さに応じた土壌環境が再現されたセル２１およびセル２２のそれぞれに、形状および材質が同一の金属構造物Ｋを埋設すれば、地中の地表側から深層に向かって埋設された金属構造物Ｋにおいてマクロ腐食が起こりやすいか否かの傾向を把握することができる。あるいは、地中の深さによって形状または材質の異なる金属構造物Ｋにおいてマクロ腐食が起こりやすいか否かを把握することもできる。例えば、この同種の土壌Ｓが収容され地中深さに応じた土壌環境が再現されたセル２１およびセル２２のそれぞれに、地中の深さに応じた形状または材質の金属構造物Ｋ１、Ｋ２を埋設すればよい。

［試験処理］
次に、図４のフローチャートを参照して、試験装置１における試験処理手順について説明する。図４に例示するように、まず、各セル２内の土壌Ｓは、加圧機構４、給水機構５およびガス供給機構６により土壌環境が個別に制御される。すなわち、加圧機構４が、各セル２内の土壌に圧力をかけ（ステップＳ１０１）、給水機構５が、各セル２内に給水し（ステップＳ１０２）、ガス供給機構６が、各セル２内に酸素以外のガスを供給する（ステップＳ１０３）。なお、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理の処理順は相互に入れ替えてもよい。

そして、異なるセル２１およびセル２２のそれぞれに収容された、土壌環境が制御された土壌Ｓ１および土壌Ｓ２のそれぞれに埋設された金属構造物Ｋ１と金属構造物Ｋ２との間の電位差が測定される（ステップＳ１０４）。

以上、説明したように、本実施形態の試験装置１は、土壌Ｓと該土壌Ｓに一部または全部が埋設された金属構造物Ｋとが収容される２以上のセル２と、各セル２内の土壌Ｓに圧力をかける加圧機構４と、各セル２内に給水する給水機構５と、各セル２内に酸素以外のガスを供給するガス供給機構６と、異なるセル２に収容される金属構造物Ｋ間の電位差を計測する電位測定機構３と、を備える。

これにより、各セル２に収容される土壌Ｓの土壌環境を、例えば地中深さに応じて制御して、異なる土壌環境の組み合わせで生じる電位差を測定できるので、電位差が大きくマクロ腐食がおこりやすい土壌環境の組み合わせを把握することができる。したがって、本実施形態の試験装置１は、異種の土壌にまたがって埋設される金属構造物Ｋに生じるマクロ腐食への土壌の組み合わせの影響を、土壌環境を制御して簡便かつ明確に把握することができる。

また、加圧機構４は、各セル２内の土壌Ｓに所定の地中深さに応じた圧力をかける。また、給水機構５は、各セル２内に所定の地中深さに応じた水分量を給水する。また、ガス供給機構６は、各セル２内の酸素濃度を所定の地中深さに応じて低下させる。これにより、積層された土壌Ｓの土壌環境が地中深さに応じて再現される。

また、セル２に連結した水容器５３を備え、該水容器５３内の液面高さによりセル２内の液面高さを調整する。これにより、簡易にセル２内の水分量を調整することができる。

なお、試験装置１は、３つ以上のセル２を備えてもよい。この場合に、電位測定機構３は、３つ以上のセル２のうちのいずれか２つのセル２内の金属構造物Ｋ間の電位差を測定する。また、各セル２に２つ以上の金属構造物Ｋが埋設されてもよい。この場合に、電位測定機構３は、同一セル２内の２つ以上の金属構造物Ｋのいずれか１つと、他のセル２内の金属構造物Ｋのいずれか１つとの間の電位差を測定する。複数の電位測定機構３により、同時に他の金属構造物Ｋの組み合わせの電位差を測定してもよい。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１試験装置
２，２１，２２セル
３電位測定機構
４加圧機構
５給水機構
５１給水口
５２排水口
５３水容器
６ガス供給機構
７センサ
Ｋ，Ｋ１，Ｋ２金属構造物
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２土壌

Claims

土壌と該土壌に一部または全部が埋設された金属構造物とが収容される２以上のセルと、
各セル内の土壌に圧力をかける加圧機構と、
各セル内に給水する給水機構と、
各セル内に酸素以外のガスを供給するガス供給機構と、
異なるセルに収容される金属構造物間の電位差を測定する電位測定機構と、
を備えることを特徴とする試験装置。
前記加圧機構は、前記各セル内の土壌に所定の地中深さに応じた圧力をかけることを特徴とする請求項１に記載の試験装置。
前記給水機構は、前記各セル内に所定の地中深さに応じた水分量を給水することを特徴とする請求項１または２に記載の試験装置。
前記ガス供給機構は、前記各セル内の酸素濃度を所定の地中深さに応じて低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の試験装置。
前記給水機構は、前記セルに連結された水容器を備え、該水容器内の液面高さにより前記セル内の水分量を調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の試験装置。
土壌と該土壌に一部または全部が埋設された金属構造物とを異なるセルに収容する収容工程と、
各セル内の土壌に圧力をかける加圧工程と、
各セル内に給水する給水工程と、
各セル内に酸素以外のガスを供給するガス供給工程と、
異なるセルに収容される金属構造物間の電位差を測定する電位測定工程と、
を含んだことを特徴とする試験方法。