JP6732236B2

JP6732236B2 - コンクリート内鉄筋腐食環境測定方法及びシステム

Info

Publication number: JP6732236B2
Application number: JP2016063807A
Authority: JP
Inventors: 寛之時枝; 昌幸板垣; 昇弓納持
Original assignee: Tokyo University of Science; Central Nippon Highway Engineering Nagoya Co Ltd
Current assignee: Tokyo University of Science; Central Nippon Highway Engineering Nagoya Co Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017181085A

Description

本発明は、コンクリート内に配置された鉄筋の腐食環境を測定する方法及びシステムに関する。

鉄筋コンクリートが用いられた橋梁等のコンクリート構造体は、安全確保のため、周期的に点検が行われている。しかし、コンクリート構造体の劣化は、必ずしも一定速度で起きるわけではなく、施工時の品質、コンクリート構造体が設置されている設置場所の環境に大きく影響される。

例えば、寒冷地に設置された橋梁には、凍結防止のために凍結防止剤が散布される。散布された凍結防止剤には、塩化物イオンが含まれ、塩化物イオンが橋梁を構成する鉄筋コンクリート内部に浸透し、鉄筋を腐食させる。特に、桁端など溶解した凍結防止剤により、塩化物の供給が多い箇所は、鉄筋の腐食が早い。そして、腐食により膨張した鉄筋により、コンクリートにクラックが発生し、クラックから塩化物イオンが浸透し、さらに腐食が加速される。

また、鉄筋が腐食する原因の一つに、中性化がある。通常コンクリートは高アルカリ性（ｐＨ１２以上）であるため、コンクリート内部の鉄筋は腐食しない。しかし、大気中の二酸化炭素がコンクリート中の空隙に侵入し、内部へ拡散すると、コンクリート中のｐＨを低下させる。ｐＨが低下すると、鉄筋の不働被膜が破壊され、鉄筋が腐食する。腐食により膨張した鉄筋により、コンクリートにクラックが発生し、クラックから二酸化炭素が浸透し、さらに腐食が加速される。

このように、鉄筋が腐食し始めると、腐食が加速度的に早くなることがあるので、鉄筋腐食の早期検知は重要である。したがって、橋梁をはじめとするコンクリート構造体の内部状態の検出方法は、種々検討されている。

例えば、特開２０００−２８５６７には、所定の測定電極及び照合電極を測定対象コンクリート構造体中に埋設するコンクリート構造体の中性化検出センサが提案されている。

また、特開２００４−１７７１２４には、コンクリート母材内に埋設されている鉄筋と、コンクリート表面に設置した対極との間に所定交流電圧を印加し、鉄筋と対極間に流れる電流の位相角を所定の周波数において測定し、位相角の大小から計測部位の鉄筋の腐食度を判定することが提案されている。

特開２０００−２８５６７特開２００４−１７７１２４

特許文献１に開示されている手法のように、電極間或いは電極と鉄筋の間の腐食電流（直流電流）を直接的に測定する手法は、自然電位法と呼ばれている。この手法は、容易に測定できる利点があるものの、センサ電極や鉄筋が早く腐食してしまうため、長期計測には不向きであるという問題があった。

特許文献２に開示されている手法のように、交流電圧を印加したときに計測されるインピーダンスに基づき鉄の腐食し易さを測定する手法は、インピーダンス法と呼ばれている。この手法では、大きな電流を必要とすることなく、また電極等の腐食も少ないため、長期間の測定に向いている。しかしながら、判定の精度を高めるためには、低周波数から高周波数まで、広い範囲の周波数についての測定が必要となり、１回の測定に長い時間を要していた。そのため、判定対象となるコンクリートの鉄筋腐食環境の経時変化がわかりにくいという問題があった。

そこで、本発明は、コンクリートの鉄筋腐食環境を長期にわたって計測し、その経時変化を精度良く判定できるコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法及びシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法では、判定対象となる鉄筋コンクリートの内部にコンクリート表面及び鉄筋から所定以上の距離をおいて配置された一対の電極に、コンクリート内でのイオン電導性の時定数と、鉄筋／コンクリート界面での電荷移動の時定数を分離することができる周波数範囲の中の任意の周波数であって、少なくとも、前記測定対象のインピーダンスが、電荷移動抵抗と骨材の抵抗とコンクリート抵抗とを合わせた抵抗値に相当する第一検査周波数と、コンクリート抵抗の抵抗値に相当する第二検査周波数の交流電圧を印加し、前記インピーダンスを計測する。

本発明に係るコンクリート内鉄筋腐食環境測定システムは、測定対象となる鉄筋コンクリートの内部にコンクリート表面及び鉄筋から所定以上の距離をおいて配置された一対の電極と、前記電極に交流電圧を印加しインピーダンスを計測する計測装置を備える。前記計測装置は、前記交流電圧を、コンクリート内でのイオン電導性の時定数と、鉄筋／コンクリート界面での電荷移動の時定数を分離することができる周波数範囲の中の任意の周波数であって、少なくとも、前記測定対象のインピーダンスが、電荷移動抵抗と骨材の抵抗とコンクリート抵抗とを合わせた抵抗値に相当する第一検査周波数と、コンクリート抵抗の抵抗値に相当する第二検査周波数で印加する。

前記第一検査周波数が１Ｈｚ以下、前記第二検査周波数が１ｋＨｚ以上であってもよい。

前記交流電圧を、所定のタイミングで、所定の期間、複数回印加し、前記インピーダンスの経時変化を計測してもよい。

前記インピーダンスの計測と併せて、前記鉄筋コンクリートの周囲の空間の温度及び湿度を計測してもよい。

静電容量が既知のコンデンサと、抵抗値が既知の抵抗器とで構成される校正用回路に、前記交流電圧を前記所定の周波数で印加して計測されるインピーダンスと、前記校正用回路のインピーダンス理論値との比較に基づき、計測値の校正を行ってもよい。

本発明によれば、交流電極が、測定対象となる鉄筋コンクリートの内部に配置された電極に印加されるため、コンクリート内でのイオン電導性の時定数と、鉄筋／コンクリート界面での電荷移動の時定数を分離することができる周波数範囲の中の任意の周波数のときに計測されるインピーダンスは、腐食環境と相関性の高いものとなる。すなわち、電荷移動抵抗とコンクリート抵抗の何れか、又は、双方と、骨材の抵抗が支配的要因となる。従って、計測されたインピーダンスに基づき、腐食環境の状態を把握することができる。

また、任意の周波数の交流電圧を印加するのみであることから、大きな電流を必要とすることなく、また電極等の腐食も少なく、更に、１回の測定に要する時間が短くなる。従って、コンクリートの鉄筋腐食環境を長期にわたって計測し、その経時変化を精度良く判定できる。

本発明に係るコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法で計測されるインピーダンスのナイキスト線図である。本発明に係るコンクリート内鉄筋腐食環境測定システムの実施形態の構成を模式的に示す図である。本発明に係るコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法の原理となる等価電気回路である。公正用回路の実施形態を示す電気回路である。電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔの経時変化を示すグラフである。コンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌの経時変化を示すグラフである。

本発明に係るコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法の実施形態を、図面に基づいて説明する。
本実施形態は、測定対象となる鉄筋コンクリートのコンクリートに埋め込み配置された電極１０と、電極１０に交流電圧を印加するとともにインピーダンスを計測する計測装置５０で構成される。

電極１０は、コンクリートにドリル等で形成した設置孔３０に挿入設置する。設置深さは、実際に鉄筋が埋まっている深さの３ｃｍ〜７ｃｍ程度に適宜決めることができる。なお、この実施形態では、電極間の距離として５ｃｍ程度を想定しているが、電極１０を浅い場所に設置する場合は、電流がコンクリート表面に付着した水分に流れることによる、インピーダンスの計測への影響が生じないようにするために電極間を短くすればよい。

また、電流がコンクリート内部に配置された鉄筋を流れることによる、インピーダンスの計測への影響が生じることを防止するために、鉄筋から所定の間隔をおいて設置する。鉄筋からの間隔は測定状況に応じて適宜決めることができるが、例えば、３ｃｍ程度とすることができる。

更に、電極１０の外表面と設置孔３０の内面との間に、設置孔３０の開口の閉塞材３１などの異物が介在することによる、インピーダンスの計測への影響が生じることを防ぐために、電極１０の外表面は、設置孔３０の内面に密着した状態とする。

電極１０がコンクリート内に配置されていることから、電極１０に交流電圧を印加する場合の等価電気回路は、図３に示すように、鉄筋とコンクリート間の電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔと電気二重層容量Ｃ_ｄｌ、骨材の抵抗Ｒ_ｇｂと誘電性容量Ｃ_ｇｂ、及び、コンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌで表されるものとなる。

そして、電極１０に交流電圧を印加したときに測定されるインピーダンスは、図１のナイキスト線図で示すように、コンクリート内でのイオン電導性の時定数と、鉄筋／コンクリート界面での電荷移動の時定数を分離することができる周波数範囲の中の任意の周波数においては、電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔとコンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌの何れか、又は、双方と、骨材の抵抗Ｒ_ｇｂが支配的要因となる。

電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔは鉄筋の被膜の腐食状態を、コンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌはかぶりコンクリートの導電性を示し、また、骨材の抵抗Ｒ_ｇｂはコンクリート内の状態によらず安定している。従って、コンクリート内でのイオン電導性の時定数と、鉄筋／コンクリート界面での電荷移動の時定数を分離することができる周波数範囲の中の任意の周波数（以下、検査周波数という）の交流電圧を印加したときに計測されるインピーダンスは、腐食環境に応じて変化する。すなわち、このインピーダンスに基づき、腐食環境の状態を把握することができる。

検査周波数は、測定対象となる鉄筋コンクリートの材質や電極の配置状態などに応じて適宜決めることができるが、１０ｋＨｚ以上の周波数から１０ｍＨｚ以下の周波数まで、周波数を走査して、ナイキスト線図やボード線図を作成し分析したうえで決めることが好ましい。また、ナイキスト線図において縦軸の値が小さくなる周波数であれば、電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔ及びコンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌがより支配的となるため好ましい。

本実施形態では、図１における点Ｐ１の周波数（以下、第一検査周波数とする）と、点Ｐ２の周波数（以下、第二検査周波数とする）を検査周波数としているが、図１において、インダクタンス（横軸）の大きい側に位置する点の周波数は低く、小さい側に位置する点の周波数は高くなる。従って、第一検査周波数は低く、第二検査周波数は高くなる。例えば、第一検査周波数は１Ｈｚ以下、第二検査周波数は１ｋＨｚ以上となる。ただし、第一検査周波数及び第二検査周波数は、測定対象となる鉄筋コンクリートの材質や電極の配置状態などにより異なるものとなる。

なお、低い周波数での計測には時間を要するため、第一検査周波数は、計測時間を考慮して決めることが好ましい。

ナイキスト線図において、曲率が変化する点があれば、その点における周波数を検査周波数としてもよい。例えば、図１において、曲率の変化する点Ｐ３の周波数（以下、第三検査周波数とする）としてもよい。

本実施形態における第一検査周波数のインピーダンス（点Ｐ１の実数値）は、電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔと骨材の抵抗Ｒ_ｇｂとコンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌを合わせた抵抗値を示すものとなる。また、第二検査周波数のインピーダンス（点Ｐ２の実数値）は、コンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌの抵抗値を示すものとなる。更に、第三検査周波数のインピーダンス（点Ｐ３の実数値は、骨材の抵抗Ｒ_ｇｂとコンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌを合わせた抵抗値を示すものとなる。

第一検査周波数、第二検査周波数及び第三検査周波数のいずれにおいても、交流電圧を、所定のタイミングで、所定の期間、複数回印加することにより、インピーダンスの経時変化を計測することができる。そして、その経時変化により、腐食環境の変化を把握することができる。例えば、１２時間に１回の印加を一年間継続することにより、一年間の経時変化を把握することができる。

計測装置５０は、また、温湿度計を備えている。そして、インピーダンスの計測と併せて、測定対象となる鉄筋コンクリートの周囲の空間の温度及び湿度を計測する。電気化学反応である鉄筋腐食は、温度の影響や、コンクリート表面に結露し付着或いは浸透した水分の影響を受けるため、インピーダンスの経時変化とともに、温湿度の経時変化を計測することで、腐食環境をより精度良く把握することができる。

計測装置５０は、更に、静電容量が既知のコンデンサと、抵抗値が既知の抵抗器とで構成される校正用回路を備えている。そして、校正用回路に、検査周波数で交流電圧を印加して計測されるインピーダンスと、校正用回路のインピーダンス理論値との比較に基づき計測値の校正を行う。

使用する校正用回路に制限はないが、１ｋΩの抵抗器を電荷移動抵抗Ｒ_ｃｔに、１０μＦのコンデンサを電気二重層容量Ｃ_ｄｌに、１０Ωの抵抗器をコンクリート抵抗Ｒ_ｓｏｌに模した場合、すなわち、図４に示す等価電気回路を校正用回路とした場合について説明する。なお、計測は、第一検査周波数を１０ｍＨｚ、第二検査周波数を１０ｋＨｚとして行う場合を想定する。

まず、周波数１０ｋＨｚの交流電圧を印加した場合のインピーダンス理論値Ｚ’_{１０ｋＨｚ}は、以下の数式（１）により求めることができる。

従って、校正用回路に第二検査周波数で交流電圧を印加して計測されるインピーダンスが１０．００２５Ωから乖離している場合は、計測値に校正値を加減し一致させる校正を行う。

また、周波数１０ｍＨｚの交流電圧を印加した場合のインピーダンス理論値Ｚ’_{１０ｍＨｚ}は、以下の数式（２）により求めることができる。

従って、校正用回路に第一検査周波数で交流電圧を印加して計測されるインピーダンスが９９９．９９７Ωから乖離している場合は、計測値に校正値を加減し一致させる校正を行う。

「実施例」
以下の条件で、腐食環境の経時変化の計測を行った。結果を図５及び図６に示す。
＜供試体＞
蒸留水にＣａ（ＯＨ）_２を溶かしてｐＨ１２．０５とし、コンクリートのアルカリ環境を模したＣａ（ＯＨ）_２水溶液に、鉄筋と同材質で制作した電極を浸漬させた。そして、実際のコンクリートの中性化反応と同様に、空気中の二酸化炭素が溶液に溶け込んで、Ｃａ（ＯＨ）_２と反応してＣａＣＯ_３となり中性化する過程を測定した。
＜計測条件＞
第一検査周波数を１０ｍＨｚとし、第二検査周波数を１０ｋＨｚとし、電圧１０ｍＶ、測定間隔１０分、測定期間２８８０分のインピーダンス計測を行った。

図５では、当初からＲ_ｃｔが増加しており、これは電極に不働態皮膜が形成されて、電荷移動の抵抗値が上がっていることを示している。また、約１３００分後には、急激にＲ_ｃｔが低下しているが、このときのｐＨは１０．９であり、中性化によって不働態皮膜が破壊される様子を定量的に経時的に把握できたものである。

１０電極
３０設置孔
３１閉塞材
５０計測装置

Claims

測定対象となる鉄筋コンクリートの内部にコンクリート表面及び鉄筋から所定以上の距離をおいて配置された一対の電極に、コンクリート内でのイオン電導性の時定数と、鉄筋／コンクリート界面での電荷移動の時定数を分離することができる周波数範囲の中の任意の周波数であって、少なくとも、前記測定対象のインピーダンスが、電荷移動抵抗と骨材の抵抗とコンクリート抵抗とを合わせた抵抗値に相当する第一検査周波数と、コンクリート抵抗の抵抗値に相当する第二検査周波数の交流電圧を印加し、前記インピーダンスを計測することを特徴とするコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法。
前記第一検査周波数が１Ｈｚ以下、前記第二検査周波数が１ｋＨｚ以上である請求項１に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法。
前記交流電圧を、所定のタイミングで、所定の期間、複数回印加し、前記インピーダンスの経時変化を計測する請求項１又は２に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法。
前記インピーダンスの計測と併せて、前記鉄筋コンクリートの周囲の空間の温度及び湿度を計測する請求項１、２又は３に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法。
静電容量が既知のコンデンサと、抵抗値が既知の抵抗器とで構成される校正用回路に、前記交流電圧を前記所定の周波数で印加して計測されるインピーダンスと、前記校正用回路のインピーダンス理論値との比較に基づき、計測値の校正を行う請求項１、２、３又は４に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定方法。
測定対象となる鉄筋コンクリートの内部にコンクリート表面及び鉄筋から所定以上の距離をおいて配置された一対の電極と、
前記電極に交流電圧を印加しインピーダンスを計測する計測装置を備え、
前記計測装置は、前記交流電圧を、コンクリート内でのイオン電導性の時定数と、鉄筋／コンクリート界面での電荷移動の時定数を分離することができる周波数範囲の中の任意の周波数であって、少なくとも、前記測定対象のインピーダンスが、電荷移動抵抗と骨材の抵抗とコンクリート抵抗とを合わせた抵抗値に相当する第一検査周波数と、コンクリート抵抗の抵抗値に相当する第二検査周波数で印加することを特徴とするコンクリート内鉄筋腐食環境測定システム。
前記第一検査周波数が１Ｈｚ以下、前記第二検査周波数が１ｋＨｚ以上である請求項６に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定システム。
前記交流電圧を、所定のタイミングで、所定の期間、複数回印加し、前記インピーダンスの経時変化を計測する請求項６又は７に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定システム。
前記計測装置は温湿度計を備え、前記インピーダンスの計測と併せて、前記鉄筋コンクリートの周囲の空間の温度及び湿度を計測する請求項６、７又は８に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定システム。
前記計測装置は、静電容量が既知のコンデンサと、抵抗値が既知の抵抗器とで構成される校正用回路を備え、前記校正用回路に前記交流電圧を前記所定の周波数で印加して計測されるインピーダンスと、前記校正用回路のインピーダンス理論値との比較に基づき計測値の校正を行う請求項６、７、８又は９に記載のコンクリート内鉄筋腐食環境測定システム。