JP7116319B2 - 防食装置 - Google Patents

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Description

本発明は、金属の防食装置に関し、特に、鉄筋コンクリート構造物（例えば鉄筋コンクリート製電柱）内部の金属の防食技術に関する。
金属の防食方法として最も一般的な手法は環境遮断である。
一例として塗装による環境遮断があるが、塗装では物理的外傷や紫外線、降雨による塗膜劣化は避けられず、一見健全に見えてもピンホールのような欠陥部を介した塗膜下腐食の発生の恐れがある。その他の環境遮断には、コンクリートへの埋設があるが、ひび割れ等による欠陥部を介して鉄筋の腐食が生じる恐れがある。
また、その他の防食法には電気防食法がある。電気防食には外部電源を用いる方法と対象金属よりも卑な金属を接続することによる犠牲陽極法がある。電気防食は塗装と組み合わせて用いられることが多い（非特許文献１）。
篠田ら、電気防食と被覆防食の現状と将来、材料と環境、vol.63, pp.180-186(2014) 西方、薄膜水下での電気化学計測と大気腐食研究への応用、材料と環境、vol.65, pp.120-126(2016) 大谷ら、流電陽極方式電気防食によるコンクリート中鉄筋の防食効果に関する検討、材料と環境、vol.64, pp.462-465(2015)
塗装での防食が不十分な場合や適用が困難な場合、強度の腐食環境が想定される場合に電気防食が用いられる。電気防食において外部電源を用いる場合には専用の設備が必要となり、常時通電が必要となるためコストが嵩む。犠牲陽極を用いる場合には、特殊な設備は不要だが陽極が劣化してしまうと防食効果が失われてしまう。
本発明は、上述した従来の技術に鑑み、電気的設備の設置が不要で、陽極の劣化による防食効果の喪失の懸念がない防食装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、第１の態様に係る発明は、構造物中の金属材料を防食する防食装置であって、温度勾配により起電力を生ずる熱電発電部と、前記起電力に対応するアノード反応を担うアノード部と、前記起電力に対応するカソード反応を担うカソード部とを有し、前記カソード部が前記構造物中の金属材料であることを要旨とする。
第２の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記アノード部に、不溶性材料、炭素または貴金属を用いることを要旨とする。
第３の態様に係る発明は、第１または第２の態様に係る発明において、前記構造物に前記熱電発電部を直接設置することで、対象物からの熱拡散と前記熱電発電部からの放熱による恒常的温度勾配を利用することを要旨とする。
第４の態様に係る発明は、第１から第３のいずれか１つの態様に係る発明において、前記金属材料が非金属に包埋された構造物の内部に、前記熱電発電部、前記アノード部、前記カソード部を組み込むことで、前記構造物に耐食性を付与することを要旨とする。
第５の態様に係る発明は、第１から第４のいずれか１つの態様に係る発明において、前記構造物において、温度勾配における高温部に、屋外環境における対象物の日射面の特異的な温度上昇を用い、温度勾配における低温部に、屋外環境における対象物の非日射面の恒常的な低温部を用いることを要旨とする。
第６の態様に係る発明は、第５の態様に係る発明において、鉄筋コンクリート構造物の中空部内壁に前記熱電発電部を貼付し、前記熱電発電部が鉄筋および不溶性材料と電気的に接続することを要旨とする。
第７の態様に係る発明は、第６の態様に係る発明において、ひび割れが生じた鉄筋コンクリート構造物の、ひび割れ位置の中空部内壁に前記熱電発電部を貼付し、前記熱電発電部と鉄筋と不溶性材料とを電気的に接続することで鉄筋を防食することを要旨とする。
第８の態様に係る発明は、第１から第７のいずれか１つの態様に係る発明において、前記アノード部は地中に埋設されアースされていることを要旨とする。
本発明によれば、電気的設備の設置が不要で、陽極の劣化による防食効果の喪失の懸念がない防食装置を提供することが可能である。
本発明の実施の形態における防食装置の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における防食装置の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるひび割れ位置での防食フローを示す図である。 本発明の実施の形態における防食装置の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における防食装置の熱電発電部の模式図である。 本発明の実施の形態における防食装置の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における防食装置の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における防食装置の一例を示す構成図である。
次に、図面を参照して、実施の形態について説明する。なお、図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。各実施の形態は、特許請求の範囲内において、種々の変更を加えることができる。
（概要）
本発明は、自然に存在する温度勾配を用いて熱電発電し、これを電気防食の電源とすることで鉄筋を防食する技術に関する。熱電発電は可動部や消耗部品もなくメンテナンス不要な発電方法である。本発明により、鉄筋コンクリート構造物中鉄筋の電気防食を、外部エネルギー供給不要、メンテナンス不要で安価に実現できる。
（実施の形態）
本実施の形態は、対象物が温度勾配を有する場合に、その温度勾配を利用し熱電発電することで電気防食を実現する。鉄筋コンクリート構造物中の鉄筋を防食対象とした場合、例えばコンクリート柱は中空の構造となっているため、コンクリート柱外壁面は日射による温度上昇が顕著な一方、中空内は気温以下の温度となる。コンクリートの厚さが４０ｍｍの場合のコンクリート柱の外壁面、中空内壁面、中空内部の温度を測定した結果、日中、外壁面から中空内壁面の温度差は１０℃程度、中空内壁面から中空内部の温度差も１０℃程度となっていた。したがって、利用できる温度勾配は、コンクリート外壁面から内壁面にかけての１０℃程度の温度勾配、内壁面から中空内部にかけての１０℃程度の温度勾配、および、両勾配を合わせたコンクリート外壁面から中空内部への２０℃程度の温度勾配となる。
コンクリート外壁面５１から内壁面にかけての温度勾配を利用する防食装置の一例を図１に示す。この防食装置は、構造物中の金属材料を防食する防食装置であって、図１に示すように、温度勾配により起電力を生ずる熱電発電部１０と、起電力に対応するアノード反応を担うアノード部２０と、起電力に対応するカソード反応を担うカソード部３０とを有し、カソード部３０が構造物中の金属材料（対象金属）である。図１中の符号１１はＰ材料、符号１２はＮ材料、符号１３は接合部、符号５１はコンクリート外壁面、符号５２はコンクリート内壁面、符号５３は非金属を示している。アノード部２０には、不溶性材料、炭素または貴金属を用いることができる。
このように、本実施の形態では、構造物に熱電発電部１０を直接設置することで、対象物からの熱拡散と熱電発電部１０からの放熱による恒常的温度勾配を利用する。すなわち、金属材料が非金属に包埋された構造物の内部に、熱電発電部１０、アノード部２０、カソード部３０を組み込むことで、構造物に耐食性を付与することができる。
ここで、熱電発電部１０はコンクリート内部に埋め込む、もしくは、コンクリート構造物の外周に這わせる形で設置してもかまわない。コンクリ―ト内部に埋め込む場合には、高温となるコンクリート外壁面５１および低温となるコンクリート内壁面５２に近い方が好ましいためコンクリートに浅く埋め込む。
また、カソード部３０、アノード部２０ともに電気化学反応が生じる条件において通電するため湿潤環境であることが必要だが、対象金属が腐食する環境は湿潤環境であることから、カソード部３０、アノード部２０を同じ環境に置くことで通電条件が満たされる。アノード部２０をカソード部３０と同様の環境に配するのが困難な場合には、アノード部２０の不溶性材料を、水溶液を満たしたセルに浸漬する等の処置をすればよい。なお、図２に示すように、アノード部２０を地中に埋設することでアースとして活用しても、熱発電による起電力により防食効果が得られる。
また、コンクリート柱のような日射による片面温度上昇に伴う膨張によりたわみを生じる設備では、膨張面でひび割れ幅が拡大する。ひび割れ内部には通常水分が滞留しているが、温度上昇とひび割れ幅拡大に伴う拡散蒸発経路の拡大により水分蒸発が促進される。水分の蒸発により金属表面の水膜厚さが変動すると腐食が促進されることが知られており（非特許文献２）、日射によりたわみを生ずる構造物では、腐食が促進されると考えられる。したがって、ひび割れを有する日射面に防食装置を設置する、あるいは、防食機構を内蔵させることが鉄筋防食には有用である。ひび割れ位置での防食機能の発現のフローを図３に示す。
すなわち、図３に示すように、日射による温度上昇があると、片面膨張によるたわみの発生とひび割れ幅の拡大が発生し、水分侵入に腐食環境が形成され、防食電流経路が形成される（ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４）。ひび割れを有する日射面に防食装置を設置する、あるいは、防食機構を内蔵させた場合、熱電発電部１０の接地部の温度上昇による防食起電力が発生し、日射断による温度低下が生じ、ひび割れ幅の縮小と水分の排出が生じ、非腐食環境化を図ることができる（ステップＳ５→Ｓ６→Ｓ７）。
このように、本実施の形態では、構造物において、温度勾配における高温部に、屋外環境における対象物の日射面の特異的な温度上昇を用い、温度勾配における低温部に、屋外環境における対象物の非日射面の恒常的な低温部を用いる。具体的には、ひび割れが生じた鉄筋コンクリート構造物の、ひび割れ位置の中空部内壁に熱電発電部１０を貼付し、熱電発電部１０と鉄筋と不溶性材料とを電気的に接続することで鉄筋を防食する。
コンクリート内壁面５２から中空内部にかけての温度勾配を利用する防食装置の一例を図４に示す。この構成では熱電発電部１０をコンクリート内壁面５２に貼付設置し、設置面を高温側（コンクリート内壁面５２側）、中空内部側５４を低温側とし、熱電発電部１０内部に温度勾配を生じさせる。すなわち、鉄筋コンクリート構造物の中空部内壁に熱電発電部１０を貼付し、熱電発電部１０が鉄筋および不溶性材料と電気的に接続することで鉄筋を防食する。
熱電発電部１０の模式図を図５に示す。図５に示すように、熱電発電部１０は、Ｐ材料１１とＮ材料１２とを備え、Ｐ材料１１とＮ材料１２とが交互に直列に配列されている。
コンクリート外壁面５１から中空内部５６にかけての温度勾配を利用する防食装置の一例を図６、図７に示す。図６中の符号５５は支持柱（基準点）を示している。これらの構成は図１と同様だが、低温部を中空内部５６に露出している点が異なる。
上記いずれの構成例においても熱電発電部１０における素子の接続数は、所望の起電力に従い任意に設計すればよい。熱電発電部１０の起電力としては、例えば２０℃の温度勾配により１００ｍＶ以上の復極量（非特許文献３）を実現するのに十分な熱電発電部１０を設計すればよい。熱電発電部１０は異種金属接合や半導体接続を複数直列する方法等により温度勾配に対する起電力を設計可能である（非特許文献３）。
内部に高温の液体やガスを保存するための金属製のタンクやパイプの場合には、内部が常に高温であり、外部は気温となる。そのため、対象金属中には内容物の温度から大気温にかけての温度勾配が恒常的に生じている。したがって、図８に示すように、図５の熱電発電部１０を対象金属３０Ａに設置し、対象金属３０Ａをカソード部３０、不溶性材料２０Ａをアノード部２０に接続することで、メンテナンスフリーの防食が実現される。
以上のように、本実施の形態によれば、対象物に生じる温度勾配を利用し熱電発電することで専用設備からの電気エネルギー供給を不要とし、陽極に不溶性材料を用いることで陽極劣化による防食性能の低下・喪失を防止することができる。すなわち、電気的設備の設置が不要で、陽極の劣化による防食効果の喪失の懸念がなくなる。したがって、簡易な構成で、再生可能エネルギーを活用したメンテナンスフリーな防食が実現される。
以上説明したように、本実施の形態は、構造物中の金属材料を防食する防食装置であって、温度勾配により起電力を生ずる熱電発電部１０と、起電力に対応するアノード反応を担うアノード部２０と、起電力に対応するカソード反応を担うカソード部３０とを有し、カソード部３０が構造物中の金属材料（対象金属）であることを特徴とする。
具体的には、アノード部２０に、不溶性材料、炭素または貴金属を用いる。
また、構造物に熱電発電部１０を直接設置することで、対象物からの熱拡散と熱電発電部１０からの放熱による恒常的温度勾配を利用する。
また、金属材料が非金属に包埋された構造物の内部に、熱電発電部１０、アノード部２０、カソード部３０を組み込むことで、構造物に耐食性を付与する。
また、構造物において、温度勾配における高温部に、屋外環境における対象物の日射面の特異的な温度上昇を用い、温度勾配における低温部に、屋外環境における対象物の非日射面の恒常的な低温部を用いる。
また、鉄筋コンクリート構造物の中空部内壁に熱電発電部１０を貼付し、熱電発電部１０が鉄筋および不溶性材料と電気的に接続することで鉄筋を防食する。
また、ひび割れが生じた鉄筋コンクリート構造物の、ひび割れ位置の中空部内壁に熱電発電部１０を貼付し、熱電発電部１０と鉄筋と不溶性材料とを電気的に接続することで鉄筋を防食する。
また、アノード部２０は地中に埋設されアースされている。
（その他の実施の形態）
上記のように、いくつかの実施の形態を記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、各実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、各実施の形態は、ここでは記載していない様々な態様を含む。
１０…熱電発電部
１１…Ｐ材料
１２…Ｎ材料
１３…接合部
２０…アノード部
３０…カソード部
５１…コンクリート外壁面
５２…コンクリート内壁面
５３…非金属
５４…中空内部側
５５…支持柱（基準点）
５６…中空内部

Claims (6)

  1. 構造物中の金属材料を防食する防食装置であって、
    温度勾配により起電力を生ずる熱電発電部と、
    前記起電力に対応するアノード反応を担うアノード部と、
    前記起電力に対応するカソード反応を担うカソード部と、を有し、
    前記カソード部は、前記構造物中の金属材料であ り、
    前記構造物は、鉄筋とコンクリートとで構成され、ひび割れが生じた鉄筋コンクリート構造物であり、
    前記ひび割れが生じたひび割れ位置の中空部内壁に前記熱電発電部を貼付し、前記熱電発電部と前記カソード部である前記鉄筋と前記アノード部とを電気的に接続することで、前記鉄筋コンクリート構造物の鉄筋を防食する ことを特徴とする防食装置。
  2. 前記アノード部に、液体に溶けない不溶性材料、炭素、貴金属のうちいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載の防食装置。
  3. 前記構造物に前記熱電発電部を直接設置することで、前記構造物との接触面から前記熱電発電部への熱拡散と前記熱電発電部の前記構造物との非接触面からの放熱による恒常的温度勾配を利用することを特徴とする請求項１または２に記載の防食装置。
  4. 前記金属材料が非金属に包埋された構造物の内部に、前記熱電発電部、前記アノード部、前記カソード部を組み込むことで、前記構造物に耐食性を付与することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の防食装置。
  5. 前記構造物において、温度勾配における高温部に、屋外環境における前記構造物の日射面の温度上昇を用い、温度勾配における低温部に、屋外環境における前記構造物の非日射面の恒常的な低温部を用いることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の防食装置。
  6. 前記アノード部は、地中に埋設されアースされていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の防食装置。
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