JP7304570B2

JP7304570B2 - 鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法

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Publication number: JP7304570B2
Application number: JP2019091816A
Authority: JP
Inventors: 英吉大下; 祥彦刈田
Original assignee: Chuo University; Maeda Corp
Current assignee: Chuo University; Maeda Corp
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: JP2020186443A

Description

本発明は鉄筋コンクリート構造物の防食技術に関するものであり、詳しくは、鉄筋コンクリート構造物に損傷を与えることなく、鉄筋の防食を行うことが可能な構造及び方法に関するものである。

鉄筋コンクリート構造物の鉄筋は、セメントの水和反応により生成される水酸化カルシウムによってｐＨ１２～１３程度の強アルカリ性下に置かれるため、腐食から保護されている。しかし、コンクリートが中性化してアルカリ度が低下し、あるいはコンクリート中に塩化物等が存在すると、鉄筋が腐食され易くなる。

そこで、鉄筋コンクリート構造物において鉄筋を防食するため、流電陽極方式(犠牲陽極方式)や外部電源方式の防食方法が提案されている。流電陽極方式は、鉄と比較してイオン化傾向の高いアルミニウム合金、亜鉛合金またはマグネシウム合金などを陽極材としてコンクリート表面に張り付け、陽極材と内部鉄筋を短絡して鉄筋腐食の原因となる鉄筋中の電位差を外部より微弱な直流電流を流すことにより相殺する技術である。

外部電源方式は不溶性電極と直流電源装置を設け、コンクリート表面にプラス極、鉄筋にマイナス極を接続し、コンクリートを介して直接微弱な直流電流を鉄筋に流入させることで、腐食が発生する原因となる電位差を相殺する技術である。

従来、鉄筋コンクリート構造物において、中性化等により鉄筋が腐食することを防止するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１に記載された技術は、鉄筋コンクリート建造物に外部直流電源を接続して、当該建造物のコンクリート壁面をアノードに設定するとともに、鉄筋をカソードに設定することにより、鉄筋をカソード分極してその腐蝕（腐食）を防止するようになっている。この技術では、中性化したコンクリート壁面あるいは劣化した下地や塗膜を鉄の腐蝕（腐食）箇所までハツリ、錆落としを行なうとしている。

特許文献２に記載された技術は、コンクリート構造物の表面に電極材を貼付し、薬剤シートで覆うとともに、構造物の内部に配筋されている鉄筋を直流電源のマイナス側に、電極材をプラス側に接続し、鉄筋側にマイナスの電荷を与える。直流電源は、コンクリート構造物に配置された太陽光発電パネルから得られる直流電源を直接または二次電池を介して得るようになっている。

特開平５－１９５５８８号公報特開２００２－２４２４４８号公報

上述した特許文献に記載された技術を含めて従来の鉄筋防食技術は、いずれも鉄筋コンクリート構造物の内部に電気回路を形成するために、陽極材と鉄筋を導線で接続しなければならず、物理的に導通を確保する必要がある。このように、既存の電気防食法は陽極材と内部鉄筋を導線などに直接接続しなければならず、コンクリートをハツリ、一部鉄筋を露出させていた。また、防食範囲は陽極材の設置範囲に左右されるため、対象部位における電気防食しか行うことができない。さらに、設置部位ごとに配線、電気系統の確認を行う必要があり、メンテナンスに手間がかかる。

外部電源方式は電源装置の固定が必要となるため、高所や海岸港湾付近などでは設置が困難である。また、流電陽極方式は鉄筋コンクリート構造物全体に犠牲陽極を敷設する必要があるため設置コストが大きくなる。さらに、経年的に陽極材が性能劣化するため、取り替えの必要性が生じる。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋と非接触で防食効果を発揮させることにより、鉄筋コンクリート構造物の損傷を最低限に抑えるとともに、施工コストや管理コストを低減することが可能な鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造は、鉄筋コンクリート構造物中のコンクリートが中性化してアルカリ度が低下し、あるいはコンクリート中に塩化物が存在した場合に、当該鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋に流れる腐食電流を打ち消して防食を行うための構造に関するものである。そして、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋の周囲に巻き付けた導電部材と、導電部材に高周波電流を供給し、電磁誘導の作用により鉄筋に渦電流を発生させて、表皮効果により鉄筋の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流を発生させるための電源装置とを備えたことを特徴とするものである。

上述した鉄筋コンクリート構造物の防食構造において、導電部材は、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋の周囲に螺旋状に巻き付けることが可能である。

上述した鉄筋コンクリート構造物の防食構造において、導電部材は、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋を軸方向に複数の区間に区分して、区間毎にそれぞれ巻き付けることが可能である。

上述した鉄筋コンクリート構造物の防食構造において、導電部材は、内部に鉄筋が存在する鉄筋コンクリート構造物の外周部に巻き付け、あるいは鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋自体の外周部に巻き付けることが可能である。

上述した鉄筋コンクリート構造物の防食構造において、導電部材を周囲に巻き付ける鉄筋は主筋であり、導電部材は帯筋から構成することが可能である。

本発明に係る鉄筋コンクリート構造物の防食方法は、鉄筋コンクリート構造物中のコンクリートが中性化してアルカリ度が低下し、あるいはコンクリート中に塩化物が存在した場合に、当該鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋に流れる腐食電流を打ち消して防食を行うための方法に関するものである。そして、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋の周囲に導電部材を巻き付け、導電部材に高周波電流を供給して、電磁誘導の作用により鉄筋に渦電流を発生させ、表皮効果により鉄筋の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流を発生させて、当該鉄筋の防食を行うことを特徴とするものである。

本発明に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法によれば、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋と非接触で防食構造を構成している。したがって、鉄筋コンクリート構造物に損傷を与えることなく防食構造を構成することができる。また、既設、新設を問わずに防食構造を構築することができるので、適用対象となる構造物の範囲が広くなる。

このように、本発明に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法は、簡易な構成でありながら、優れた防食効果を発揮できるとともに、施工コストや管理コストを低減することが可能である。

本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造の模式図。本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造の適用例（１）。本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造の適用例（２）。本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造の適用例（３）。本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法の実験結果の説明図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法（以下、防食構造、防食方法と略記することがある）を説明する。図１～図５は本発明の実施形態に係る鉄筋コンクリート構造物の防食構造及び防食方法を説明するもので、図１は模式図、図２～図４は適用例、図５は実験結果の説明図である。

＜防食構造＞
本発明の実施形態に係る防食構造は、土木構造物及び建築構造物の双方に適用可能な技術であるが、特に厳しい環境化で鉄筋の腐食が進行する可能性がある土木構造物に好適に適用することができる。また、適用対象となる鉄筋コンクリート構造物は、導電部材を巻き付けることが可能な柱や梁であるが、導電部材を巻き付けることができれば、斜材や壁等にも適用することができる。

導電部材を巻き付ける場所は、既設の鉄筋コンクリート構造物であれば、柱や梁の外周部である。また、新設の鉄筋コンクリート構造物であれば、予め鉄筋自体の外周部に導電部材を巻き付けておき、型枠内にコンクリートを打ち込んで柱や梁を作成してもよい。

本発明の実施形態に係る防食構造は、図１～図４に示すように、鉄筋コンクリート構造物５０の内部に存在する鉄筋（例えば、主筋１０）の周囲に巻き付けた導電部材３０と、導電部材３０に交番電流を供給する電源装置４０とを主要な構成要素とする。なお、鉄筋とは、鉄筋コンクリート構造物５０の内部に配設された部材であり、主筋１０及び帯筋２０等が存在する。本実施形態で防食の主要対象となるのは主筋１０であるが、帯筋２０についても防食効果を発揮することができる。

＜導電部材＞
導電部材３０は、一般的には銅線等の電線を用いるが、主筋１０を巻回する帯筋２０を導電部材３０としてもよい。なお、図１では、帯筋２０、鉄筋コンクリート構造物５０の図示を省略している。導電部材３０（電線）の太さ、導電率、巻き付け間隔、巻き付け位置等は、鉄筋コンクリート構造物５０の種類、大きさ、設置場所、環境等に応じて適宜設定する。また、導電部材３０は、漏電、短絡、腐食等を防止するため、絶縁性及び耐食性を有する部材で被覆されていることが好ましい。

＜電源装置＞
電源装置４０は、導電部材３０に交番電流を供給するための装置であり、例えば、高周波インバータからなる。電源装置４０から導電部材３０に供給する電流は、電磁誘導の作用により鉄筋の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流を発生させるためのものであり、本実施形態では高周波電流としている。高周波の定義は種々あるが、本実施形態では、例えば、５００Ｈｚ～２，０００Ｈｚ程度とする。なお、電源装置４０から供給する電流の周波数は、鉄筋コンクリート構造物５０の種類、大きさ、設置場所、環境等に応じて適宜設定する。また、種々の状況に対応させて、電源装置４０の出力を可変としてもよい。

＜防食方法＞
本発明の実施形態に係る防食方法は、鉄筋コンクリート構造物５０の内部に存在する鉄筋（主筋１０）の周囲に導電部材３０を巻き付けて、導電部材３０に交番電流を供給する。そして、電磁誘導の作用により鉄筋（主筋１０）の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流を発生させて、当該鉄筋（主筋１０）の防食を行うようになっている。

＜防食構造及び防食方法の原理＞
鉄筋（主筋１０）の軸方向に対して、導電部材３０を螺旋状に巻き付けて交番電流を流すと、交番磁界が発生して、鉄筋（主筋１０）に渦電流が生じる。鉄筋（主筋１０）に渦電流が生じると、表皮効果により、鉄筋（主筋１０）の中心部では渦電流により電流が打ち消しあい、鉄筋（主筋１０）の表皮部分に電流が流れることになる。

そして、表皮効果により流れる電流により、腐食電流を打ち消して防食を行うことができる。なお、表皮効果は高周波電流により顕著に生じる効果であるため、導電部材３０に流す電流は、１，０００Ｈｚ～２，０００Ｈｚ程度の周波数であることが好ましいと考えられる。

＜適用例（１）＞
以下、本発明に係る防食構造及び防食方法の適用例を説明する。第１の適用例は、導電部材３０を柱または梁の外周部に巻き付ける態様である。第１の適用例では、図２に示すように、鉄筋コンクリート構造物５０である柱または梁の外周部に導電部材３０を螺旋状に巻き付ける。

第１の適用例では、主筋１０の軸方向のほぼ全体にわたって導電部材３０を螺旋状に巻き付けている。このような構成であるため、鉄筋コンクリート構造物５０に対してはつり作業等や電源の埋め込み等が不要となり、鉄筋コンクリート構造物５０に損傷を与えることがない。

第１の適用例は、既存の鉄筋コンクリート構造物５０に好適に適用することができる。すなわち、鉄筋（主筋１０）の腐食が懸念される鉄筋コンクリート構造物５０の柱や梁の外周部に導電部材３０を螺旋状に巻き付けて、電源装置４０から導電部材３０に交番電流を供給することにより、鉄筋（主筋１０）の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流が発生して防食効果を発揮することができる。

＜適用例（２）＞
第２の適用例では、図３に示すように、鉄筋コンクリート構造物５０である柱または梁の内部に存在する鉄筋（主筋１０）自体の外周部に導電部材３０を螺旋状に巻き付ける。第２の適用例は、新設の鉄筋コンクリート構造物５０に好適に適用することができる。

すなわち、鉄筋（主筋１０）の腐食が懸念される鉄筋コンクリート構造物５０を施工する際に、柱や梁の主筋１０の外周部に導電部材３０を螺旋状に巻き付け、導電部材３０の両端部が柱や梁の外部に突出した状態で、型枠の内部にコンクリートを打ち込んで柱や梁を形成する。そして、電源装置４０から導電部材３０に交番電流を供給することにより、鉄筋（主筋１０）の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流が発生して防食効果を発揮することができる。

第２の適用例では、予め鉄筋（主筋１０）の外周部に導電部材３０を巻き付けるとともに、導電部材３０の両端部を柱や梁の外部に突出させているので、鉄筋コンクリート構造物５０に対してはつり作業等や電源の埋め込み等が不要となり、鉄筋コンクリート構造物５０に損傷を与えることがない。

＜適用例（３）＞
第３の適用例では、図４に示すように、鉄筋コンクリート構造物５０内に存在する鉄筋（主筋１０）を軸方向に複数の区間に区分して、区間毎にそれぞれ導電部材３０を巻き付けている。例えば、柱や梁を主筋１０の軸方向に対して上下に２分して、各区間に導電部材３０をそれぞれ巻き付ける。導電部材３０を巻き付けた各区間の導電部材３０に対して、電源装置４０から交番電流を供給することにより、鉄筋（主筋１０）の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流が発生して防食効果を発揮することができる。

導電部材３０を巻き付けていない場所では、腐食電流を打ち消す電流は殆ど発生しないが、導電部材３０を巻き付けた区間で発生する腐食電流を打ち消す電流により、導電部材３０を巻き付けていない場所においても、防食効果を期待することができる。

なお、区間数、導電部材３０を巻き付ける範囲等は、鉄筋コンクリート構造物５０の形状や設置場所等、種々の条件に応じて設定すればよい。

＜実験結果＞
本発明に係る防食構造及び防食方法について実験を行った。実験は、種々の条件に基づいて実施した。すなわち、実験装置は、塩化ビニル製の管（塩ビ管）を鉄筋コンクリート構造物５０の外周部に見立てて塩ビ管内部に鉄筋（主筋１０、帯筋２０）を配設し、塩ビ管の外周部に銅線を螺旋状に巻き付けたものであり、鉄筋（主筋１０、帯筋２０）に塩水を噴霧するとともに、銅線に所定周波数の電流を流さない場合（防食なし）と、銅線に所定周波数の電流を流した場合（防食あり）とで、鉄筋（主筋１０、帯筋２０）の腐食率を測定した。

図５（ａ）は、「防食なし」の実験結果であり、図５（ｂ）は、「防食あり」の実験結果である。この実験では、実験前の質量と実験後の質量とに基づいて腐食率を計算した。なお、電流の周波数は５００Ｈｚ、電流値は１０．５Ａとした。

図５（ａ）に示すように、「防食なし」では、主筋の腐食率は１．６９５～４．７８２％であり、帯筋の腐食率は８．５６７％であった。また、図５（ｂ）に示すように、「防食あり」では、主筋の腐食率は０．０８０～０．１６３％であり、帯筋の腐食率は０．３６２％であった。

上述した実験から明らかなように、本発明に係る防食構造及び防食方法によれば、主筋１０は勿論のこと、帯筋２０に対しても顕著な防食効果が認められた。

１０主筋
２０帯筋
３０導電部材
４０電源装置
５０鉄筋コンクリート構造物

Claims

鉄筋コンクリート構造物中のコンクリートが中性化してアルカリ度が低下し、あるいはコンクリート中に塩化物が存在した場合に、当該鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋に流れる腐食電流を打ち消して防食を行うための構造であって、
鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋の周囲に巻き付けた導電部材と、
前記導電部材に高周波電流を供給し、電磁誘導の作用により前記鉄筋に渦電流を発生させて、表皮効果により前記鉄筋の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流を発生させるための電源装置と、
を備えた、
ことを特徴とする鉄筋コンクリート構造物の防食構造。
前記導電部材は、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋の周囲に螺旋状に巻き付けた、
ことを特徴とする請求項１に記載の鉄筋コンクリート構造物の防食構造。
前記導電部材は、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋を軸方向に複数の区間に区分して、区間毎にそれぞれ巻き付けた、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄筋コンクリート構造物の防食構造。
前記導電部材は、内部に鉄筋が存在する鉄筋コンクリート構造物の外周部に巻き付けたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリート構造物の防食構造。
前記導電部材は、鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋自体の外周部に巻き付けたことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリート構造物の防食構造。
前記導電部材を周囲に巻き付ける鉄筋は主筋であり、
前記導電部材は帯筋からなる、
ことを特徴とする請求項５に記載の鉄筋コンクリート構造物の防食構造。
鉄筋コンクリート構造物中のコンクリートが中性化してアルカリ度が低下し、あるいはコンクリート中に塩化物が存在した場合に、当該鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋に流れる腐食電流を打ち消して防食を行うための方法であって、
鉄筋コンクリート構造物の内部に存在する鉄筋の周囲に導電部材を巻き付け、
前記導電部材に高周波電流を供給し、
電磁誘導の作用により前記鉄筋に渦電流を発生させ、表皮効果により前記鉄筋の表皮部分に腐食電流を打ち消す電流を発生させて、当該鉄筋の防食を行う、
ことを特徴とする鉄筋コンクリート構造物の防食方法。