JP6673675B2 - 腐食センサおよびシース管継手部材 - Google Patents
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- Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)
Description
本発明は、コンクリート中の腐食環境状態を検出する技術に関する。
コンクリート構造物中の鋼材は、コンクリートがアルカリ性環境を保持していることで鋼材表面に不動態皮膜を形成し、腐食から保護されている。しかしながら、例えば、空気中の二酸化炭素、下水道施設における硫酸、あるいは塩化物イオンなどの腐食因子がコンクリート中に侵入すると、この不動態皮膜が破壊され、コンクリート中にある水と酸素によって鋼材の腐食が開始する。
コンクリート構造物の鋼材が腐食すると、鋼材の体積膨張を生じ、その膨張圧でコンクリートにひび割れを生じ、ひび割れを通じてさらに腐食因子の侵入と外部からの水と酸素の供給によって鋼材の腐食は加速的に進行し、ついにはコンクリート構造物としての機能が保持できなくなる。
従って、鋼材の腐食が開始する前に腐食因子の侵入や鋼材の腐食開始を検知し、例えば、表面被覆などの対策で腐食因子や水と酸素のさらなる侵入を阻止して鋼材を腐食から守り、構造物の予防的な保全を図ることが重要となる。この問題に対し、従来から種々の腐食診断方法が提案されている。例えば、コア抜きを行なって腐食因子を分析する方法や、非破壊的に鋼材の自然電位や分極抵抗を測定する手法、化学センサやガスセンサにより腐食因子を検出する手法、鉄製の細線を模擬腐食部材としてコンクリートに埋設し、細線が断線したときに腐食を検出する手法などが知られている。
これらの腐食診断手法のうち、細線の断線によって腐食を検知する方法は、（ａ）予めセンサを埋設することでコア抜きなどコンクリートを傷めることがない、（ｂ）コンクリート表面と鋼材の間に細線を深さに応じて数本設置することで表面からの腐食因子の侵入の時間依存性をモニタリングでき維持管理計画の立案を容易とする、（ｃ）直接的に鉄の腐食を捉えるので腐食因子だけでなく水や酸素の供給状態をも含めた腐食の可能性を検知できる、（ｄ）電気抵抗の変化を捉えるので極めて低消費電力での検出が可能で長期モニタリングに適する、というメリットがあり、細線切断を検出することによる腐食診断方法が、種々提案されている（例えば、特許文献１〜３）。また、感度が高く、設計自由度を大きくするために、鉄箔材を用いた腐食センサも提案されている（特許文献４）。
一方、プレストレストコンクリート（ＰＣ）構造物におけるＰＣグラウトは、ＰＣ構造物の内部に配されたシース管の中に通されるＰＣ鋼材の防食、およびＰＣ鋼材とコンクリート部材間の一体性を確保する重要な役割を担っており、その品質や施工の良否によりＰＣ構造物の耐久性に大きな影響を与えるものである。これらの役割を十分に果たすためには、シース管内にＰＣグラウトを完全に充填することが要求される。
近年、ＰＣグラウトの充填不良に起因した既存構造物の劣化事例が知られており、ＰＣグラウトの充填状況を確認することが望まれている。例えば、特許文献５には、シース管内のグラウトの充填状況を検知する技術が開示されている。
しかしながら、従来の腐食センサは、すべて電気抵抗を捉えるものである。導電率の高い鉄は、破断しなければ抵抗値に変化が現れにくく、センサの感度が線径や線幅等に依存しやすいという課題がある。また、検知部が破断すると、センサの機能が失われてしまうため、コンクリート中の鋼材の腐食環境の進展を捉えることが難しかった。
また、上記の理由から、センサの機能を損なうことなく、対象となる鉄筋や鋼材の近傍に設置したり、取り付ける必要があるが、従来は、取付けの対象部材の形状を考慮したセンサの設計となっておらず、取付け時に断線が生じたり、多大な労力を必要とする場合があった。とくに、円形や管状の構造物では、曲率を有するために、建設現場においてセンサを設置する際に、別に取付け鋼棒を用いて治具を組み立てたり、現場の鉄筋寸法にあわせて治具を溶接して作製する必要もあり、設置精度の確保に課題があった。
また、従来、プレストレストコンクリート構造物において、ＰＣ鋼材の腐食は、シース管内でのグラウトの未充填箇所において、ＰＣ鋼材が露出した状態で生じることが多い。したがって、構造物におけるシース管の配管で、天端側に配置される箇所（頂頭部）において、ＰＣ鋼材の腐食がもっとも懸念される。しかし、シース管へのグラウトの充填状況を確認する技術はあったものの、ＰＣ鋼材の腐食環境を直接検出する技術はなく、従来は、ＰＣ鋼材が切れるまで、シース管内の状況を把握することは困難であった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、腐食の危険性と共に腐食環境の進展状況を把握することができ、高精度で、低コスト化を図ることができる腐食センサおよび腐食センサ付きシース管継手部材を提供することを目的とする。
（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の腐食センサは、コンクリート中の腐食環境を検出する腐食センサであって、腐食性を有する金属で板状、箔状または膜状に形成された金属箔部と、耐腐食性を有する金属で形成され、前記金属箔部と対向する位置に設けられた対向電極と、前記金属箔部および前記対向電極の間に設けられた誘電体と、取り付け位置の形状に対応する曲面を有し、前記金属箔部が測定対象のコンクリートと接するように、前記金属箔部、前記誘電体および前記対向電極を固定するカプラ本体と、を備え、腐食による前記金属箔部の面積の減少に応じて、静電容量値または誘電正接値が変化することを特徴とする。
このように、取付けの対象部材の形状を考慮したカプラ本体に金属箔部、誘電体および対向電極が取り付けられるので、取付けが容易であり、腐食センサが損傷することもない。また、腐食による金属箔部の面積の減少に応じて、静電容量値または誘電正接値が変化するので、金属箔部の面積に応じて腐食環境進行状況を捉えることが可能となる。なお、金属箔部が測定対象のコンクリートと接すればよく、金属箔部、誘電体および対向電極を固定する面は、カプラ本体の外周面上であっても良いし、内周面上であっても良い。
（２）また、本発明の腐食センサにおいて、前記カプラ本体には、保護突起が設けられ、前記保護突起は、金属箔部の高さより測定対象のコンクリート側に突出することを特徴とする。
このように、保護突起は、少なくとも金属箔部の高さよりも大きい高さを有する保護突起を備えるので、コンクリートを打設する際やＰＣ鋼材を挿通する際等に、金属箔部が傷つくことを防止することが可能となる。
（３）また、本発明の腐食センサにおいて、前記保護突起は、空気を逃がすための貫通孔、または溝を有することを特徴とする。
このように、保護突起は、空気を逃がすための貫通孔、または溝を有するので、コンクリートを充填する際に金属箔部の近くに空隙ができることを防止することが可能となる。これにより、センサ設置部からの劣化を防止でき、また、腐食センサの誤作動も防止できる。
（４）また、本発明の腐食センサにおいて、前記カプラ本体は、前記金属箔部を被覆するモルタル層をさらに備えることを特徴とする。
このように、カプラ本体は、金属箔部を被覆するモルタル層をさらに備えるので、金属箔部が十分に保護されると共に、施工までに金属箔部が錆びることを防止できる。
（５）また、本発明のシース管継手部材は、プレストレストコンクリート用鋼材（ＰＣ鋼材）の腐食環境を検出する腐食センサ付きシース管継手部材であって、腐食性を有する金属で板状、箔状または膜状に形成された金属箔部と、耐腐食性を有する金属で形成され、前記金属箔部と対向する位置に設けられた対向電極と、前記金属箔部および前記対向電極の間に設けられた誘電体と、ＰＣ鋼材側の面で、前記金属箔部が最もＰＣ鋼材側に位置するように、前記金属箔部、前記誘電体および前記対向電極を固定するシース管継手本体と、前記シース管継手本体に設けられ、前記金属箔部の高さよりＰＣ鋼材側に突出する保護突起と、を備え、腐食による前記金属箔部の面積の減少に応じて、静電容量値または誘電正接値が変化することを特徴とする。
このように、シース管継手本体に、ＰＣ鋼材側に突出し、少なくとも前記金属箔部の高さよりも大きい高さを有する保護突起を備えるので、シース管にＰＣ鋼材を挿通する際等に、金属箔部が傷つくことを防止することが可能となる。また、腐食による金属箔部の面積の減少に応じて、静電容量値または誘電正接値が変化するので、金属箔部の面積に応じて、シース管内の腐食環境進行状況を捉えることが可能となる。
（６）また、本発明のシース管継手部材は、複数の保護突起の間に、前記金属箔部、前記誘電体および前記対向電極並びに排気口を備えることを特徴とする。
このように金属箔部等が設けられた保護突起の間に空気を抜くため排気口を設置するので、金属箔部の近くに空隙ができることを防止することが可能となる。これにより、センサ設置部からの劣化を防止でき、また腐食センサの誤作動も防止できる。また、同時にシース管内の空気も確実に排出することができる。
（７）また、本発明のシース管継手部材は、前記金属箔部、前記誘電体および前記対向電極を被覆するモルタル層をさらに備えることを特徴とする。
このように、腐食センサ付きシース管継手部材は、金属箔部、誘電体および対向電極を被覆するモルタル層をさらに備えるので、金属箔部が十分に保護されると共に、施工までに金属箔部が錆びることを防止できる。
本発明によれば、カプラ本体やシース管継手部材に金属箔部、誘電体および対向電極が取り付けられるので、取付けが容易であり、腐食センサが損傷することもない。また、腐食による金属箔部の面積の減少に応じて、静電容量値または誘電正接値が変化するので、金属箔部の面積に応じて、コンクリート構造物内の腐食環境進行状況を捉えることが可能となる。
［第１の実施形態］
［腐食センサの概要］
図１は、第１の実施形態に係る腐食センサの概略構成を示す図である。腐食センサ１は、カプラに腐食を検知する検知部が取り付けられた構成を採る。すなわち、カプラ本体３は、取り付け位置の形状に対応する曲面を有し、検知部７を曲面の外側に固定する。カプラ本体３には、少なくとも検知部７の高さよりも大きい高さを有する保護突起５ａ、５ｂが設けられている。保護突起５ａは、カプラ本体３の曲面の周方向に１組設けられており、保護突起５ｂは、カプラ本体３の曲面の高さ方向に１組設けられている。その結果、検知部７は、保護突起５ａ、５ｂによって包囲されている。なお、図１では、検知部７に対する通電のためのリード線は省略している。
［腐食センサの概要］
図１は、第１の実施形態に係る腐食センサの概略構成を示す図である。腐食センサ１は、カプラに腐食を検知する検知部が取り付けられた構成を採る。すなわち、カプラ本体３は、取り付け位置の形状に対応する曲面を有し、検知部７を曲面の外側に固定する。カプラ本体３には、少なくとも検知部７の高さよりも大きい高さを有する保護突起５ａ、５ｂが設けられている。保護突起５ａは、カプラ本体３の曲面の周方向に１組設けられており、保護突起５ｂは、カプラ本体３の曲面の高さ方向に１組設けられている。その結果、検知部７は、保護突起５ａ、５ｂによって包囲されている。なお、図１では、検知部７に対する通電のためのリード線は省略している。
保護突起５ａ、５ｂのカプラ本体３からの高さは、設置場所で使用されるコンクリートに依存する。コンクリートのかぶりの厚さは、一般的に３０ｍｍ〜１００ｍｍである。このかぶりの厚さによって、コンクリートの骨材・砂利の大きさが決まるため、コンクリートに使用される骨材・砂利の大きさによって、保護突起５ａ、５ｂの高さを選定する。このため、保護突起５ａ、５ｂの高さを、例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度とすることができる。また、カプラ本体３の厚さは、概ね１ｍｍ〜５ｍｍとすることが望ましい。
このように、カプラ本体３に、少なくとも検知部７の高さよりも大きい高さを有する保護突起５ａ、５ｂを備えるので、コンクリートを打設する際等に、検知部７が傷つくことを防止することが可能となる。
［腐食センサの測定原理］
平行平板導体（検知部）の誘電正接tanδは、ω：角周波数、C:静電容量、R：直列等価抵抗との間に以下の関係がある。
tanδ=ωCR ・・・（１）
平行平板導体（検知部）の誘電正接tanδは、ω：角周波数、C:静電容量、R：直列等価抵抗との間に以下の関係がある。
tanδ=ωCR ・・・（１）
平行平板導体（検知部）の静電容量Ｃは、平行平板導体の面積Ｓ、平行平板導体間の間隔ｄとの間に、以下の関係がある。
Ｃ＝Ｑ／Ｖ＝εＳ／ｄ[F] ・・・（２）
ここで、εは、誘電率である。
Ｃ＝Ｑ／Ｖ＝εＳ／ｄ[F] ・・・（２）
ここで、εは、誘電率である。
本実施形態に係る腐食センサは、この原理を用いる。すなわち、センサの検知部７は金属箔部、誘電体、及び対向電極から構成され、金属箔部が腐食因子によって腐食していくと、金属箔部の面積が減少し、それに伴って電気特性が変化する。電気特性の変化度合いを捉えることによって、金属箔部の面積の減り具合、ひいては腐食の進行具合を把握することが可能となる。
また、腐食センサ１において、留意すべき点は、以下の通りである。すなわち、金属箔部が、腐食因子と反応する材料である必要がある。次に、電気特性として静電容量または誘電正接を用いて腐食センサとして機能させるためには、断面欠損の発生が必要となるため、金属箔部が腐食により消失することが必要である。本実施形態では、金属箔部をごく薄い鉄箔で構成することでこれらの課題を解決した。また、金属箔部が、全面的に腐食して消失してしまうと、その後の腐食進展を評価することができなくなるため、全面消失するまで長期間を要する程度の大きさが必要となる。さらに、コンクリート中に埋設して使用するため、腐食センサの取り付け方法や方向を定める必要がある。また、コンクリートに使用される骨材の影響を排除するような寸法や形状を定める必要がある。
図２Ａは、本実施形態に係る腐食センサの検知部の概略構成を示す図である。検知部７ａは、カード形状（矩形）に形成されている。検知部７ａは、金属箔部に複数の貫通孔を有し、メッシュ状に形成された第１の領域、および貫通孔を有しない第２の領域で構成されている。第２の領域にはリード線７ｂが接続されている。この検知部７ａの寸法は、「５０ｍｍ×７０ｍｍ」である。なお、第１の領域に設けられている複数の貫通孔の平面形状は、円である。これにより、センサの形成精度や歩留まりが向上する。
このように、検知部７ａの金属箔部には、平面形状が円である複数の貫通孔が設けられているので、腐食因子が滞留し、金属箔部を腐食させ、さらに水平方向（横方向）への腐食反応も生じさせるため、初期段階での腐食による断面欠損を促進する。これにより、腐食因子に対する感度を高め、かつ腐食されやすくすることができる。また、金属箔部の貫通孔のある箇所の腐食感度が高く、貫通孔のない箇所では腐食が進行しにくいことから、これを組み合わせることによって、選択的に腐食する領域を形成することも可能となる。また、貫通孔の平面形状は、円であるので、エッチングによる形成において、形成精度や歩留まりが向上する。エッチングは、形成対象の形状として角が生じると、エッチングにおける金属溶解の応力によって、隅角部に亀裂が生じたり、エッチング液が隅角部に滞留して局所的に金属溶解が進行し、所定の形状が形成できない場合がある。貫通孔が円形である場合は、そのような応力が分散されやすく、また隅角部での滞留も生じないため、金属箔部の貫通孔の製作における形成精度や歩留まりが向上する。その結果、品質の安定化やコスト削減に資することが可能となる。
金属箔部は、鉄を圧延することにより作製され、３μｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さを有する。金属箔部は、測定対象のコンクリートと接するように、カプラ本体３に固定される。すなわち、最も外側（表面側）から金属箔部、図示しない誘電体および対向電極の順で積層される。また、金属箔部には、リード線７ｂが設けられ、対向電極にもリード線が設けられている。
金属箔部の厚さを３μｍ以上０．１ｍｍ以下としたのは、薄すぎるとセンサの取り扱い時に金属箔部にひび割れが生じやすく、厚すぎるとセンサの感度が低下する恐れがあるためである。また、金属箔部の面積は、３００ｍｍ２以上、好ましくはコンクリート中の最大骨材寸法Ｇｍａｘの２乗の面積以上、より好ましくは７００ｍｍ２以上である。検知部７ａの面積を３００ｍｍ２以上とすることで、金属箔部の急激な腐食反応の進行を抑制して、長期間センサとして計測することができる。
また、コンクリートに使用される骨材の最大寸法は、２０ｍｍ×２０ｍｍのふるいを通過する寸法、あるいは２５ｍｍ×２５ｍｍのふるいを通過するものが使用されることが多いことから、金属箔部の面積を３００ｍｍ２以上とすることで、骨材が金属箔部の直上にくることで生じる誤差要因などの骨材の影響を受けにくくすることができる。また、金属箔部の面積は、２０，０００ｍｍ２以下とすることが好ましい。金属箔部の面積を２０，０００ｍｍ２以下とすることで、構造物中の鉄筋やコンクリートの性能に影響を及ぼさない大きさとして形成でき、製造や保管が容易になると共に、腐食を検知する場所への設置が容易となる。また、リード線７ｂを含む金属箔部または外縁部全体に、腐食しない材質で腐食防止膜を設けても良い。
図２Ｂは、他の検知部の例を示す図である。この検知部７ｄは、図２Ａで示したカード形状（矩形）の検知部７ａが連設された長軸形状に形成されている。検知部７ｄには、複数の貫通孔を有し、メッシュ状に形成された領域および貫通孔を有しない領域が交互に連設するように設けられている。また、貫通孔を有しない領域の複数個所には、それぞれ、リード線７ｆが設けられている。このように、複数のリード線７ｆを設けることによって、検知部７ｄのどこまでが腐食したのかを把握することが可能となる。また、一部のリード線の周囲が腐食して断線しても、他のリード線を用いて計測することが可能である。
図２Ｂの右半分の中央部は、金属箔部の貫通孔を有しない外周の一部に、貫通孔を設け、金属箔部の縦方向に腐食しやすい箇所を設けている。このように、腐食しにくい外周の一部に貫通孔を設けることで、当該箇所が他の外周と比較して腐食の進行も早くなる。したがって、当該箇所が縦方向に腐食することで、中央部の通電部と右側の通電部が通電しなくなるため、複数の通電部で計測される電気特性に変化が生じ、腐食が生じた位置を特定することが可能となる。
また、図２Ｂにおいて、リード線７ｆの接続点７ｇは、例えば、樹脂等の錆びない材料で被覆されている。この検知部７ｄの寸法は、「３０ｍｍ×１２０ｍｍ」である。
［腐食センサの製造方法］
図２Ｃは、本実施形態に係る腐食センサの製造方法を示すフローチャートである。まず、金属箔部としての鉄を圧延して鉄箔を製造する（ステップＳ１０１）。鉄箔は、３μｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さを有するものとする。ここで、鉄箔は、蒸着やメッキにより形成される薄膜であっても良いし、板状に形成されていても良い。
図２Ｃは、本実施形態に係る腐食センサの製造方法を示すフローチャートである。まず、金属箔部としての鉄を圧延して鉄箔を製造する（ステップＳ１０１）。鉄箔は、３μｍ以上０．１ｍｍ以下の厚さを有するものとする。ここで、鉄箔は、蒸着やメッキにより形成される薄膜であっても良いし、板状に形成されていても良い。
次に、鉄箔材とポリイミド材との貼り合わせを行ない（ステップＳ１０２）、センサパターンのレジスト印刷を行なう（ステップＳ１０３）。次に、ケミカルエッチングを行なう（ステップＳ１０４）。ここでは、貫通孔も形成される。次に、対向電極としての対極板を形成する（ステップＳ１０５）。ここでは、例えば、スパッタリング、金属蒸着、プレーティング、金属塗料、金属板・金属箔の貼付などを用いることができる。次に、リード線の接続と防水加工を施し（ステップＳ１０６）、センサの外装を行なう（ステップＳ１０７）。ここでは、カプラ本体３の保護突起５ａ、５ｂに包囲された箇所に検知部を固定する。これにより、腐食センサの製造工程が終了する。
金属箔部としての鉄箔の面積は、腐食進行状況を段階的に捉えることができるよう、また、鉄箔の形状は、矩形としているが、本発明は、これに限定されるわけではない。金属箔部は鉄箔に変えて、腐食状態を測定したい材質と同じものに換えることができ、ステンレスやアルミニウム等の金属としても良い。
金属箔部としての鉄箔の領域には、複数の貫通孔が設けられ、メッシュ状に形成されている。このような複数の貫通孔が設けられているので、腐食が容易に進行し、一部が限定的に腐食して欠損した場合においても、鉄箔が島状に取り残されることが少なく、電気的な導通が確保され、鉄箔面積の減少量を電気特性の変化で正確に捉えることが可能となる。なお、図２Ａおよび図２Ｂでは、歩留まりの観点から、各貫通孔の形状を円形としているが、本発明は、これに限定されるわけではなく、矩形や他の形状とすることもできる。
また、金属箔部は、目的に応じて、腐食感度を高めるために貫通孔を設けた領域と、貫通孔のない領域を選択的に組み合わせることもできる。前記のように組み合わせて作成することにより、通電部近傍などの腐食による断面欠損が進行しにくい箇所や、あるいは腐食を早期に発生させる箇所を作成することができる。
式（２）から明らかなように、誘電率の大きさと鉄箔の面積の減少が、静電容量の減少に大きく関与するため、誘電体は、誘電率が３以上の誘電体であることが望ましく、その厚さは０．０１ｍｍ〜２ｍｍが望ましく、温度による変化が少ない誘電体が望ましい。これにより、センサの測定感度を向上させることが可能となる。
また、対向電極は、耐腐食性が高い性能を有した金属が望ましい。鉄箔の腐食による減少を電気特性で捉えるためには、対向電極の面積が変化しないことが前提である。対向電極には、金または白金、パラジウム等に代表される貴金属をはじめ、対象である金属よりイオン化傾向の小さく導電性を有した金属であり、鉄が対象の場合はパラジウム、銅、ニッケル等を用いることができる。また、圧延以外にもスパッタリングや蒸着、めっき等で成膜して形成する方法もある。対抗電極の厚さは問わない。
なお、リード線を含む金属箔部の外縁部には、腐食しない材質で腐食防止膜を設けても良く、例えば、樹脂や白金等の金属等を用いることができる。中でも、腐食進行状況を段階的に捉えるために樹脂等の絶縁体を用いることが好ましい。この樹脂は、塗布したりシールを張付けたりすれば良い。一方、金属とする場合は、金または白金の他、パラジウム、銅、鉛、スズ、ニッケル、またはこれらの合金等、被膜の材料である金属箔部より貴な金属を用いることが可能であり、湿式めっき法および乾式めっき法、あるいは蒸着により箔層を形成できる。金属を用いる場合は、金属箔部との電位差が生じて腐食が早く進展するので、早期の腐食検知を行ないたい場合に有用である。
また、外装材としてのカプラ本体３は、絶縁体で形成されることが好ましい。例えば、樹脂材料やセラミックスである。導電材料の場合、外部のコンクリートと導通したり、交流計測において検知部の電気特性が不安定になったりする場合があるので好ましくない。中でもセラミックスを用いることが、線膨張係数がコンクリートとほぼ同じであるため、好ましい。より具体的には、比誘電率（１ＭＨｚ）が１〜８、マイナス２０℃から９０℃の温度範囲で熱膨張係数が７〜１１×１０−６／℃、モース硬度が７〜８、曲げ強度が５０ＭＰａ〜２５０ＭＰａであるセラミックス部材でカプラを作成することが望ましい。この場合、腐食センサを設置する場所の鉄筋の太さに合わせてカプラのサイズを定める。一方、カプラを、柔軟性を有する樹脂で形成することも可能である。この場合、柔軟性を有するため、腐食センサを設置する場所の鉄筋の太さごとにカプラを用意する必要がない。柔軟性を有する樹脂は、硬質なものとして、ＡＢＳ樹脂やポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。軟質な樹脂としては、ブチルゴム、スチレンゴム、ニトリルゴム、シリコンゴム等が挙げられる。
［腐食センサの設置例］
図３は、本実施形態に係る腐食センサの使用例を示す図である。図３では、どの方向が鉛直方向であるかについては、特定していない。図３に示すように、腐食センサ１を、例えば異形鉄筋９に固定する。この場合、結束線などを用いて異形鉄筋９に固定するのが望ましい。特に、施工中にセンサが移動したり脱落したりしないように留意する。また、接着剤などで鉄筋に貼り付けても良い。
図３は、本実施形態に係る腐食センサの使用例を示す図である。図３では、どの方向が鉛直方向であるかについては、特定していない。図３に示すように、腐食センサ１を、例えば異形鉄筋９に固定する。この場合、結束線などを用いて異形鉄筋９に固定するのが望ましい。特に、施工中にセンサが移動したり脱落したりしないように留意する。また、接着剤などで鉄筋に貼り付けても良い。
コンクリートを打設する際、コンクリートは鉛直下方から充填される。コンクリートは複合材料であり、セメント、水、砂利からなるが、材料分離が生じ、水が上に上がってくる傾向がある。その結果、鉄筋の下側に水が溜まりやすくなり、鉄筋の下面が錆びやすくなる。このため、鉄筋に腐食センサ１を取り付ける場合、鉄筋の下面部に設けることが望ましい。また、腐食センサ１を鉄筋に設ける場合は、側面と下面にかかるようにするのが良い。また、暴露面の背面は、暴露面よりも錆び難いため、暴露面側に腐食センサを設けるのが望ましい。
なお、鉄筋の全周をカプラで覆う必要はない。鉄筋の一部に設けられていれば良い。これにより、コンクリートとの密着性が確保される。鉄筋とカプラとの間にモルタルや樹脂を埋めても良い。樹脂を用いる場合は、線膨張係数の差が問題になることがある。すなわち、剛性を持つ樹脂は、線膨張係数の差からコンクリートが割れる原因を生じさせる恐れ場ある。このため、柔らかい樹脂として、ブチルゴム・スチレンゴム・スチレンブタジエンゴム等を用いることが望ましい。
さらに、検知部７の表面をモルタルで被覆しても良い。特に、施工上、傷が懸念される場合は、モルタルで被覆すると良い。モルタルの被覆の厚さは、例えば、２ｍｍ〜１０ｍｍである。これにより、検知部７が十分に保護される。
［第２の実施形態］
図４Ａは、第２の実施形態に係る腐食センサの概略構成を示す図である。腐食センサ１１は、第１の実施形態と同様に、カプラに腐食を検知する検知部が取り付けられた構成を採るが、検知部は、第１の実施形態に対して反対側の面（内側）に検知部を取り付けられる。すなわち、カプラ本体１３は、取り付け位置の形状に対応する曲面を有し、検知部７を曲面の内側に固定する。カプラ本体１３には、少なくとも検知部７の高さよりも大きい高さを有する保護突起１５ａ、１５ｂが設けられている。保護突起１５ａは、カプラ本体１３の曲面の内周方向に１組設けられており、保護突起１５ｂは、カプラ本体３の曲面の高さ方向に１組設けられている。その結果、検知部７は、保護突起１５ａ、１５ｂによって包囲されている。また、保護突起１５ａには、空気を通すための複数の貫通孔１７が設けられている。なお、保護突起１５ｂにも貫通孔を設けることも可能である。また、図４Ｂに示すように、貫通孔１７に代えて、溝１８とすることもできる。その他の構成要素、例えば、カプラ本体１３の材質や保護突起１５ａ、１５ｂの高さ等は、第１の実施形態と同様である。なお、導出部３１は、検知部７からリード線を引き出すための設けられた貫通孔である。
図４Ａは、第２の実施形態に係る腐食センサの概略構成を示す図である。腐食センサ１１は、第１の実施形態と同様に、カプラに腐食を検知する検知部が取り付けられた構成を採るが、検知部は、第１の実施形態に対して反対側の面（内側）に検知部を取り付けられる。すなわち、カプラ本体１３は、取り付け位置の形状に対応する曲面を有し、検知部７を曲面の内側に固定する。カプラ本体１３には、少なくとも検知部７の高さよりも大きい高さを有する保護突起１５ａ、１５ｂが設けられている。保護突起１５ａは、カプラ本体１３の曲面の内周方向に１組設けられており、保護突起１５ｂは、カプラ本体３の曲面の高さ方向に１組設けられている。その結果、検知部７は、保護突起１５ａ、１５ｂによって包囲されている。また、保護突起１５ａには、空気を通すための複数の貫通孔１７が設けられている。なお、保護突起１５ｂにも貫通孔を設けることも可能である。また、図４Ｂに示すように、貫通孔１７に代えて、溝１８とすることもできる。その他の構成要素、例えば、カプラ本体１３の材質や保護突起１５ａ、１５ｂの高さ等は、第１の実施形態と同様である。なお、導出部３１は、検知部７からリード線を引き出すための設けられた貫通孔である。
図５は、プレストレストコンクリート構造物内のシース管の配管の様子を模式的に示す図である。紙面に対して下の方向が鉛直方向である。図５に示すように、プレストレストコンクリート構造物１９に、シース管２１が設けられている。シース管２１には、図示しないＰＣ鋼材が挿通され、グラウトが充填されるのであるが、シース管２１が上りから下りになる形状になる箇所、例えば、図５の矢印Ａの位置には、空気が溜まりやすく、グラウトが未充填になりやすい。グラウトが未充填で、ＰＣ鋼材がシース管２１内で露出すると、錆びやすくなってしまう。そこで、第２の実施形態に係る腐食センサ１１を、シース管２１に取り付ける。第２の実施形態に係る腐食センサ１１は、カプラ本体１３の局面に内側に検知部７が設けられるため、シース管２１内の腐食環境を検知することが可能となる。
図６Ａは、第２の実施形態に係る腐食センサをシース管に取り付けた状態を示す上面図である。また、図６Ｂは、第２の実施形態に係る腐食センサをシース管に取り付けた状態を示す斜視図である。図６Ｃは、シース管２３にＰＣ鋼材２０を挿通し、グラウト２２を充填した状態を模式的に示す図である。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、シース管２３の一部を切り取って、腐食センサ１１を、検知部７がシース管２３の内部に向くように取り付ける。第２の実施形態に係る腐食センサ１１は、保護突起１５ａ、１５ｂを有するため、ＰＣ鋼材をシース管２３に挿通する際に傷つけられることを防止できるが、その後、グラウトを充填する際に、保護突起１５ａ、１５ｂの近傍に空隙ができてしまう可能性がある。しかし、第２の実施形態に係る腐食センサでは、保護突起１５ａに挿通するＰＣ鋼材よりも小さい複数の貫通孔１７が設けられているため、空気が溜まることが無くなり、空隙の発生が防止される。これにより、グラウトの充填率を高めると共に、シース管２３内の腐食環境を正確に検知することが可能となる。なお、図６Ａにおいて、導出部３１は、検知部７からリード線を引き出すための設けられた貫通孔である（図６Ｂでは導出部を省略している）。
なお、第１の実施形態と同様に、検知部７の表面をモルタルで被覆しても良い。特に、施工上、傷が懸念される場合は、モルタルで被覆すると良い。モルタルの被覆の厚さは、例えば、２ｍｍ〜１０ｍｍである。これにより、検知部７が十分に保護される。
［第３の実施形態］
図７Ａは、第３の実施形態に係る腐食センサ付きシース管継手部材の概略を示す図である。第３の実施形態では、カプラではなく、シース管継手部材そのものに検知部７を設けた。シース管そのものに腐食センサの取り付け孔を空けることが許されない場合もあるため、シース管継手部材を腐食センサとしたものである。
図７Ａは、第３の実施形態に係る腐食センサ付きシース管継手部材の概略を示す図である。第３の実施形態では、カプラではなく、シース管継手部材そのものに検知部７を設けた。シース管そのものに腐食センサの取り付け孔を空けることが許されない場合もあるため、シース管継手部材を腐食センサとしたものである。
図７Ａに示すように、腐食センサ付きシース管継手部材２５は、内側に突出する一組の保護突起２７ａを有する。これにより、ＰＣ鋼材を挿通する際に、検知部７が傷つくことを防止することが可能となる。また、保護突起２７ａには、複数の貫通孔２９が設けられている。これにより、グラウトを充填する際に、空気が溜まることが無くなり、空隙の発生が防止される。導出部３１は、検知部７からリード線を引き出すための設けられた貫通孔である。
なお、第１の実施形態と同様に、検知部７の表面をモルタルで被覆しても良い。特に、施工上、傷が懸念される場合は、モルタルで被覆すると良い。モルタルの被覆の厚さは、例えば、２ｍｍ〜１０ｍｍである。これにより、検知部７が十分に保護される。
図７Ｂは、腐食センサ付きシース管継手部材２５を用いて２つのシース管２１を連結し、ＰＣ鋼材２０を挿通し、グラウト２２を充填した状態を模式的に示す図である。この構成により、シース管２１に孔を空けることなく、腐食センサを設置することが可能となる。
［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態に係る腐食センサ付きシース管継手部材の概略を示す図である。第４の実施形態では、第３の実施形態で示した保護突起２７ａの近傍に、排気口３３を設けた。すなわち、ＰＣ構造物のシース管に内側に突出する一組の保護突起２７ａを設け、保護突起２７ａの間に腐食センサ、およびグラウト充填の際に構造物の外部に空気を逃がす空気の排気口３３を設ける。例えば、一組の保護突起２７ａに挟まれた位置にパイプ穴としての排気口３３を設け、外側に導出パイプ３５を設けて、グラウトホースを接続して構造物の外部に導出する。この構造を付加することによって、シース管へのグラウト充填の際、前記排気口３３から、前記グラウトホースを通過させて、構造物の外部に空気と充填中のグラウトを押し出し、シース管内のグラウト未充填の防止、およびセンサ近接部のグラウト未充填を防止することが可能となる。
図８は、第４の実施形態に係る腐食センサ付きシース管継手部材の概略を示す図である。第４の実施形態では、第３の実施形態で示した保護突起２７ａの近傍に、排気口３３を設けた。すなわち、ＰＣ構造物のシース管に内側に突出する一組の保護突起２７ａを設け、保護突起２７ａの間に腐食センサ、およびグラウト充填の際に構造物の外部に空気を逃がす空気の排気口３３を設ける。例えば、一組の保護突起２７ａに挟まれた位置にパイプ穴としての排気口３３を設け、外側に導出パイプ３５を設けて、グラウトホースを接続して構造物の外部に導出する。この構造を付加することによって、シース管へのグラウト充填の際、前記排気口３３から、前記グラウトホースを通過させて、構造物の外部に空気と充填中のグラウトを押し出し、シース管内のグラウト未充填の防止、およびセンサ近接部のグラウト未充填を防止することが可能となる。
なお、第２および第３の実施形態に排気口を設けることもできる。また、第２、第３および第４の実施形態の保護突起の先端はカプラ内に突出していても良いし、カプラ面と同等にしても良い。すなわち、検知部が引っ込んでいても良い。
［腐食検出方法］
本実施形態に係る腐食検出方法は、上記のように設けられた検知部に交流電界を印加した場合の静電容量または誘電正接の変化に基づいて、腐食センサの腐食進行状況を特定する。これにより、鉄箔や細線の切断による抵抗変化を検出する方式と比較して、板状、箔状または膜状の検知部の腐食開始をより正確に把握することが可能となる。さらに、誘電正接の変化により早期に腐食因子をまたは腐食環境を検知し、その後も静電容量の変化も計測することで、検知部の面積に応じて腐食進行状況を捉え、継続的にかつより高い精度で腐食環境進行状況が把握することができる。
本実施形態に係る腐食検出方法は、上記のように設けられた検知部に交流電界を印加した場合の静電容量または誘電正接の変化に基づいて、腐食センサの腐食進行状況を特定する。これにより、鉄箔や細線の切断による抵抗変化を検出する方式と比較して、板状、箔状または膜状の検知部の腐食開始をより正確に把握することが可能となる。さらに、誘電正接の変化により早期に腐食因子をまたは腐食環境を検知し、その後も静電容量の変化も計測することで、検知部の面積に応じて腐食進行状況を捉え、継続的にかつより高い精度で腐食環境進行状況が把握することができる。
［腐食センサの性能評価］
ここで、本発明者らは、本実施形態の原理で腐食を検知することが可能であるかを確認した。図９は、本性能評価で使用した静電容量型腐食センサの概略構成を示す平面図である。図１０は、図９に示した腐食センサ１をＡ−Ａで切断した場合の断面図である。この腐食センサ９１は、鉄を圧延することにより作製され、１０μｍ以下の厚さを有する金属箔部としての鉄箔部９３と、鉄箔部９３にメッシュ状に設けられた複数の貫通孔９５と、誘電体９７（ポリイミド厚さ０．１ｍｍ）と、リード線９９と、対向電極４０（金）とを備える。鉄箔部９３は、蒸着やメッキにより形成される薄膜であっても良いし、板状に形成されていても良い。
ここで、本発明者らは、本実施形態の原理で腐食を検知することが可能であるかを確認した。図９は、本性能評価で使用した静電容量型腐食センサの概略構成を示す平面図である。図１０は、図９に示した腐食センサ１をＡ−Ａで切断した場合の断面図である。この腐食センサ９１は、鉄を圧延することにより作製され、１０μｍ以下の厚さを有する金属箔部としての鉄箔部９３と、鉄箔部９３にメッシュ状に設けられた複数の貫通孔９５と、誘電体９７（ポリイミド厚さ０．１ｍｍ）と、リード線９９と、対向電極４０（金）とを備える。鉄箔部９３は、蒸着やメッキにより形成される薄膜であっても良いし、板状に形成されていても良い。
本発明者らは、３％のＮａＣｌ水溶液に図９の腐食センサを浸漬させ、７日を１サイクルとして、１サイクル毎に腐食状態の目視観察を行なった。静電容量の計測は、浸漬液から腐食センサを一旦取り出し、表面に付着した水分を取り除いた後、ピンセット状のプローブにて鉄箔部９３の端部と貴金属（対向電極４０）との間の静電容量を計測した。計測条件は、ＬＣＲメーターを用いて、１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚまでの１Ｖの交流電界下にて実施した。実験で使用した装置は、以下の表の通りである。なお、目視による各サイクルの腐食面積は、１サイクル目は０％、２サイクル目は２０％、３サイクル目は６０％、４サイクル目は８０％であった。
図１１は、図９に示す腐食センサを塩水浸漬した際の測定周波数による各サイクルにおける静電容量値の違いを示す図である。図１１において、いずれの周波数においても、試験実施前から１サイクル目で静電容量が上昇し、その後、腐食面積が増加するに従って静電容量が低下していくことが分かる。また、測定周波数が高くなるほど、各サイクルの差は若干小さくなる傾向があった。したがって、静電容量に影響を受ける誘電正接についても塩分に代表される電解質の腐食因子による変動要因を排除できるため、測定周波数は５０ｋＨｚ以上、好ましくは１００ｋＨｚ以上、より好ましくは１ＭＨｚ以上として測定するのが好ましい。
［モルタル試験体を用いた促進試験による腐食センサの性能評価］
モルタル中における静電容量・誘電正接式を用いた腐食センサの性能を確認することを目的に、塩分を練り込んだ試験体を用いて促進試験で評価した。
モルタル中における静電容量・誘電正接式を用いた腐食センサの性能を確認することを目的に、塩分を練り込んだ試験体を用いて促進試験で評価した。
モルタル試験体は、水セメント比６５％のセメント砂比１：３のモルタルとし、塩化物イオン量で４．８ｋｇ／ｍ３となるようにＮａＣｌを添加した。図１２は、試験体の概要を示す図である。ここでは、試験体を１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍのサイズとした。かぶり１５ｍｍの位置に腐食センサを埋設した水準（図１２（ｂ））と、腐食面積計測用にφ２０ｍｍ×１３０ｍｍの磨き棒鋼を埋設した水準（図１２（ａ））を用意した。なお、試験体の表面は塩水浸透を行なう１面だけ残し、他の面をエポキシ樹脂で被覆した。
図１３は、モルタル試験体に埋設するセンサの概要を示す図である。図１３に示すように、腐食センサ９１は、Ｏリング４５でアクリルケース４３との間隔が設けられ、エポキシ樹脂４７でアクリルケース４３に接着されている。この腐食センサ９１は、試験体外部より誘電正接及び静電容量の計測を行なうため、リード線９９を半田付けし、リード線９９の接続部が腐食しないよう、鉄箔部９３のみが表面に露出するように、アクリルケース４３で外装され、ケース内部が樹脂５１で充填されている。このように構成したのは、リード線の錆防止を図るためと、周りに充填されるコンクリート自体が誘電体で含水状態により誘電率が変動することから、その影響を回避するためである。また、センサをコンクリート充填時の衝撃から保護する意味もある。本実施形態では、アクリルケース４３を用いたが、必ずしもこれを必要とするわけではなく、上記の目的を達成することができるのであれば、アクリルケース４３を使用せずに、例えば、樹脂だけでも構わない。
促進試験の条件は、４０℃で１０％ＮａＣｌ水溶液に２日間浸漬−６０％ＲＨ環境下で５日間乾燥させる条件を１サイクルとし、合計１０サイクルの促進試験を行なった。１サイクル終了毎にＬＣＲメーターを用いて腐食センサの静電容量、誘電正接を測定した。計測条件は交流電圧１Ｖで、測定周波数は塩水浸漬実験の測定結果を参考に１００ｋＨｚ固定とした。図１４は、Ｍ−１、Ｍ−２及びＭ−３の３個の同一のセンサについて各サイクルで計測した誘電正接の結果を示す図である。図１５は、Ｍ−１、Ｍ−２及びＭ−３の３個の同一のセンサについて各サイクルで計測した静電容量の結果を示す図である。初期値は、試験体を脱型後、塩水に浸漬する前に計測した結果とした。
誘電正接は、図１４に示すように、Ｍ−２及びＭ−３が３サイクルから段階的な上昇が見られ、Ｍ−１が６サイクルから除々に上昇した。一方、静電容量は、図１５に示すように、Ｍ−２及びＭ−３が６サイクルから、Ｍ−１は７サイクルからの低下が見られ、Ｍ−１、Ｍ−２は段階的に低下していることが分かる。実験によるグラフでは初期の腐食により上昇する誘電正接と、その後の誘電正接の低下と静電容量の低下のタイミングがほぼ等しい。誘電正接の上昇後に静電容量が低下するので、静電容量の減少度合いも継続して測定することで腐食の進展状況も捉えることができ、より高い精度の腐食状態の把握が可能となる。このように、金属箔部、誘電体および対向電極からなる検出部により、腐食環境とその進行状況を捉えることが可能であることが証明された。
以上説明したように、本実施形態によれば、カプラ本体やシース管継手部材に金属箔部、誘電体および対向電極が取り付けられるので、取付けが容易であり、腐食センサが損傷することもない。また、腐食による検知部の面積の減少に応じて、静電容量値または誘電正接値が変化するので、検知部の面積に応じて、コンクリート構造物内の腐食環境進行状況を捉えることが可能となる。
１ 腐食センサ
３ カプラ本体
５ａ、５ｂ 保護突起
７、７ａ 検知部
７ｂ リード線
７ｄ 検知部
７ｆ リード線
７ｇ 接続点
９ 異形鉄筋
１１ 腐食センサ
１３ カプラ本体
１５ａ、１５ｂ 保護突起
１７ 貫通孔
１８ 溝
１９ プレストレストコンクリート構造物
２０ ＰＣ鋼材
２１ シース管
２２ グラウト
２３ シース管
２５ シース管継手部材
２７ａ 保護突起
２９ 貫通孔
３１ 導出部
３３ 排気口
３５ 導出パイプ
４０ 対向電極
４３ アクリルケース
４５ Ｏリング
４７ エポキシ樹脂
５１ 樹脂
９１ 腐食センサ
９３ 鉄箔部
９５ 貫通孔
９７ 誘電体
９９ リード線
３ カプラ本体
５ａ、５ｂ 保護突起
７、７ａ 検知部
７ｂ リード線
７ｄ 検知部
７ｆ リード線
７ｇ 接続点
９ 異形鉄筋
１１ 腐食センサ
１３ カプラ本体
１５ａ、１５ｂ 保護突起
１７ 貫通孔
１８ 溝
１９ プレストレストコンクリート構造物
２０ ＰＣ鋼材
２１ シース管
２２ グラウト
２３ シース管
２５ シース管継手部材
２７ａ 保護突起
２９ 貫通孔
３１ 導出部
３３ 排気口
３５ 導出パイプ
４０ 対向電極
４３ アクリルケース
４５ Ｏリング
４７ エポキシ樹脂
５１ 樹脂
９１ 腐食センサ
９３ 鉄箔部
９５ 貫通孔
９７ 誘電体
９９ リード線
Claims (3)
- コンクリート中の腐食環境を検出する腐食センサであって、
腐食性を有する金属で板状、箔状または膜状に形成された金属箔部と、
耐腐食性を有する金属で形成され、前記金属箔部と対向する位置に設けられた対向電極と、
前記金属箔部および前記対向電極の間に設けられた誘電体と、
取り付け位置の形状に対応する曲面を有し、前記金属箔部が測定対象のコンクリートと接するように、前記金属箔部、前記誘電体および前記対向電極を固定するカプラ本体と、を備え、
前記カプラ本体には、保護突起が設けられ、前記保護突起は、前記金属箔部の高さより測定対象のコンクリート側に突出し、
腐食による前記金属箔部の面積の減少に応じて、静電容量値または誘電正接値が変化することを特徴とする腐食センサ。 - 前記保護突起は、空気を逃がすための貫通孔、または溝を有することを特徴とする請求項１記載の腐食センサ。
- 前記カプラ本体は、前記金属箔部を被覆するモルタル層をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の腐食センサ。
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