JP7307324B2 - 複合構造体 - Google Patents

Description

本発明は複合構造体に関する。

主に住宅・建築用に、鋼材を用い、これをコンクリートに埋め込み固定して耐久性を向上させた構造物が提案されている。

一般に、大気腐食環境で用いられる住宅・建築・構造物においては、数十年にわたる長期の耐久性を持つ亜鉛系めっきを施した鋼材が用いられる。亜鉛系めっきを施した鋼材の寿命は、大気中での腐食によりめっき層の亜鉛が消耗し、地鉄が露出するまでであり、その期間は、田園地帯では数十年、海岸に近いところでも十年以上であることが知られている。

亜鉛系めっきを施した鋼材を、住宅・建築などに適用する場合、それらを地面や基礎構造物に固定する必要があり、その形態として一般的なものはコンクリートに埋め込み固定する方法である。しかしながら、コンクリートと亜鉛めっきを施した鋼材の界面で、めっきが選択的に消耗し、短期間で錆が発生する問題が生じていた。

たとえば、亜鉛系めっきをほどこした鋼板をコンクリートに固定し、腐食試験として、沖縄で雨風が当たる直接曝露、及び雨風を抑制するためカバーをかぶせたカバー内曝露を実施したところ、１年の曝露試験で鋼材とコンクリートの界面部のめっきが腐食した。

特許文献１には、コンクリートと亜鉛系めっきを施した鋼材の間（境界、地際）の耐食性を改善する技術が開示されている。この技術によれば、鋼材とコンクリートの界面部をはさんだ両側の領域で、めっきの表面にバインダー層を介し、その上に有機樹脂被覆層を設けることにより、短期間で錆が発生する問題を解決する。

特許第３９１１１３６号公報

特許文献１の方法によれば、鋼材をコンクリートに埋め込む前に、あらかじめ鋼材のめっき層の上にバインダー層及び有機樹脂被覆層を設ける必要がある。鋼材の必要な部分のみにあらかじめ有機樹脂被覆層を設ける処理を施すのは工程的に複雑であり、ＣＧＬインライン塗装やＣＣＬなどの鉄鋼連続生産プロセスで鋼材の全面に有機樹脂被覆層を設ける処理を施すのはコストが大きくなるという問題がある。

本発明は、より簡便で、低コストの技術により、鋼材をコンクリートに埋め込んだ複合構造体における鋼材とコンクリートの間の耐食性を改善する技術を提供することを課題とする。

本発明者らは、めっきを施した鋼材とコンクリートの界面部分でめっきが早期に腐食する腐食機構について鋭意検討した。その結果、コンクリート界面の内部側でめっきの腐食溶解を主体とするアノード、界面の外部側で溶存酸素の還元反応を主体とするカソードとなる、酸素濃淡電池機構で腐食が進行していると考えられた。

本発明者らは、さらに、工程省略、コスト低減を勘案し、これを実現するために鋭意検討した結果、カソード側を被覆すればよいことを見出した。

本発明は、上記の知見に基づきさらに検討を進めてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）鋼材の一部をコンクリートに埋め込んで固定した複合構造体であって、前記鋼材の表面であって、前記鋼材、前記コンクリート、及び大気が接する界面の大気側の領域の少なくとも一部であり、かつ、前記界面を含む領域に有機樹脂被覆層を有し、前記鋼材の表面であって、前記界面のコンクリート側の領域には、有機樹脂被覆層が実質的に存在しない
ことを特徴とする複合構造体。

（２）前記有機樹脂被覆層は、前記界面から１０ｍｍ以上の領域まで連続していることを特徴とする前記（１）の複合構造体。

（３）前記鋼材がめっき鋼材であることを特徴とする前記（１）又は（２）の複合構造体。

（４）前記めっき鋼材は亜鉛系めっき鋼材であり、亜鉛系めっきが、Ａｌ：０％以上６０％以下、Ｍｇ：０％以上１０％以下、Ｓｉ：０％以上３％以下、Ｆｅ：０％以上１５％以下、及びＮｉ：０％以上１％以下を含有し、残部がＺｎおよび不純物であることを特徴とする前記（３）の複合構造体。

（５）前記鋼材は、最表面に化成皮膜を有することを特徴とする前記（１）～（４）のいずれかの複合構造体。

本発明によれば、より簡便で低コストの技術により、優れた耐食性を有する、鋼材をコンクリートに埋め込んだ複合構造体を提供することができる。

鋼材とコンクリートの複合構造体を示す図である。 鋼板、溝形鋼（Ｃ型）、Ｈ型鋼、鋼管、角型鋼をコンクリートに埋め込んだ複合構造体を示す図である。 実施例における、鋼材とコンクリートの複合構造体の構成を示す図である。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。

図１は、本発明に係る構成を説明する図である。図１に示すように、本発明の複合構造体は、鋼材の一部がコンクリートに埋め込んで固定された構造体であり、コンクリート表面から大気側の鋼材の少なくとも一部に有機樹脂被覆層を有する。コンクリートに埋め込まれたコンクリート内部の鋼材の表面には有機樹脂被覆層が、実質的に、存在しない。

このような複合構造体を製造する方法の一例としては、鋼材をコンクリートに埋め込み、その後、鋼材とコンクリートの地際（鋼材、コンクリート、及び大気が接する界面）周辺に有機樹脂を塗布する方法が挙げられる。

コンクリート表面から大気側の有機樹脂被覆層は、地際から１０ｍｍ以上の範囲の鋼材表面に設けられることが好ましい。有機樹脂は鋼製柱本体を大気腐食から守る目的で施されるものであり、その種類は特に限定されるものではないが、長期間の耐久性を持つものが有効であり、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、尿素樹脂、塩化ゴム系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ふっ素樹脂、若しくはエポキシ樹脂、又はその変性物を含む樹脂等が適用できる。有機樹脂被覆層の厚みは特に限定されないが、鋼材の腐食を抑制する観点から、１０μｍ以上が好ましく、２０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。有機樹脂被覆層が厚い場合、腐食抑制の観点からは問題はない。コストを考慮すると、厚さは３ｍｍ以下がこのましい。

有機樹脂被覆層の厚さは一様である必要はない。鋼材をコンクリートに埋め込んだ後に有機樹脂を塗装する場合、有機樹脂が垂れ落ち厚さに差が出る場合はあるが、腐食を抑制できる範囲の被覆がされていれば問題はない。有機樹脂の塗布方法も特に限定されるものではなく、刷毛塗り、スプレー塗装などを適宜選定できる。

このような構成を有することにより、本発明の複合構造体は、めっきを施した鋼材とコンクリートの界面部分でめっきが早期に腐食することを、より簡便に低コストで防止することができる。

また、本発明の複合構造体においては、界面のコンクリート側の領域の鋼材の表面、すなわち、コンクリートに埋め込まれたコンクリート内部の鋼材の表面には有機樹脂被覆層が、実質的に存在しない。「実質的に存在しない」とは、理想的には、コンクリートに埋め込まれたコンクリート内部の鋼材の表面には有機樹脂被覆層が、まったく存在しないことである。ただし、鋼材埋め込み後に有機樹脂を塗布し、これがコンクリート内部に浸透したり、あらかじめ有機樹脂が塗布された鋼材をコンクリートに埋め込んだ場合に有機樹脂が塗布された面の一部がコンクリート内部に埋め込まれたりして、地際から深さ方向に２５ｍｍ未満の範囲、好ましくは１０ｍｍ未満の範囲で、鋼材の表面に有機樹脂被覆層が存在する場合は、コンクリート内部に有機樹脂被覆層は「実質的に存在しない」と判断するものとする。

本発明の複合構造体に用いる鋼材は特に限定されるものではないが、亜鉛系めっきを施された亜鉛系めっき鋼材を用いた場合、本発明による効果が特に顕著となる。亜鉛系めっきには、ＪＩＳ－Ｈ８６４１で規定されているめっきが適用できる。さらに、亜鉛にＡｌやＭｇ等の合金成分を添加した合金めっきにおいても、同様の効果を有する。

亜鉛系めっきに含有される亜鉛以外の合金成分の例としては、０～６０％のＡｌ、０～１０％のＭｇ、０～３％のＳｉ、０～１５％のＦｅ、０～１％のＮｉが例示できる。亜鉛めっきの性能を落とさない範囲であれば、不純物としてその他の元素が含有してもよい。

また、鋼材の最表面（めっき鋼材の場合はめっき層の上側）に、ＳｉＯｘ皮膜、ＺｒＯｘ皮膜等の化成皮膜が設けられた鋼板を用いてもよい。

鋼材の形状も特に限定されるものではない。板状の鋼材の他、鋼管形状、角管形状、形鋼でもよいし、その他デザイン上で複雑な形状を有するものであってもよい。図２に、本発明の実施形態の例として、鋼板、溝形鋼（Ｃ型）、Ｈ型鋼、鋼管、角型鋼をコンクリートに埋め込んだ複合構造体を示す。

なお、連続生産プロセスが活用しづらく、工程が多少複雑化するが、あらかじめ鋼材に有機樹脂を塗布する位置を決めておき、その位置に有機樹脂を塗布し、次いで、有機樹脂が塗布された鋼材をコンクリートに、鋼材とコンクリートの地際より上側の鋼材表面には有機樹脂が塗布され、地際の下側のコンクリートに埋め込まれた鋼材表面には有機樹脂が塗布されていない状態になるように鋼材を埋め込む方法も挙げられる。このような方法により本発明の複合構造体を製造することを妨げるものではない。

種々の鋼材を図１に示すようにコンクリートに埋め込んだ複合構造体を複数準備した。表１に鋼材の種類、表２に有機樹脂被覆の種類、図３に塗膜の有無と選定した塗装部位を図示する。使用した鋼材はすべて長さ３００ｍｍ×幅５０ｍｍ×板厚２．３ｍｍで統一し、長さ方向で１００ｍｍをコンクリートに埋め込んだ。クロメートフリー処理は、Ａが炭酸ジルコニウムアンモニウム由来のＺｒＯｘ皮膜に燐酸アンモニウム塩、Ｖのアセチルアセトネート化合物、Ｃｏの硫酸塩を添加した皮膜であり、膜厚は０．５μｍとした。Ｂはウレタン樹脂皮膜に、燐酸アンモニウム塩、Ｔｉの弗化水素酸塩、Ｖのアセチルアセトネート化合物、硫酸塩、ＮｂおよびＳｉは酸化物を添加した皮膜であり、膜厚は１μｍである。有機樹脂は、膜厚６０μｍで統一した。

表３に複合構造体の構成と評価結果を示す。表３中の複合構造体欄の「タイプＡ」、「タイプＢ」は、図３に示すように、鋼材をコンクリートに埋め込んだ後に被覆を施した例、「前被覆」は、図３に示すように、鋼材をコンクリートに埋め込む前に被覆を施した例、「無被覆」は、図３に示すように、有機樹脂被覆をしなかった例を示す。また、ａ、ｂは、図３中のａ、ｂの長さ（ｍｍ）を示す。被覆方法は、タイプＡ、タイプＢ、前被覆のいずれも刷毛塗りで鋼材の平面部、端面部いずれも被覆した。塗装後、室温で自然乾燥させた。

作業工程の評価基準は、現場での塗膜剥離の有無と埋め込み位置の位置合わせの有無で判断した。

施工時の施工性の耐食性の評価は、ＪＡＳＯ Ｍ６０９に規定される複合サイクル試験で評価した。３０サイクルと６０サイクルでの評価は目視で、赤錆もしくは白錆の有無を調べた。両者の評価結果を総合的に判断し、△以上を合格とした。評価基準は、表４に示す。

表３に示すように、本発明の複合構造体は優れた耐食性を示し、特に、地際から大気側に１０ｍｍ以上の範囲に有機樹脂被覆層を設けた場合は極めて優れた耐食性を示すことが確認できた。

なお、前被覆の場合は、耐食性には問題が見られなかったが、鋼材をコンクリートに埋め込んだ後に塗装をした場合と比べ作業工程が複雑となり、また、コンクリートに埋め込まれた鋼材表面も広い範囲で被覆を有するためコスト高となったので、総合判定は「×」とした。

Claims (3)

1. 鋼材の一部をコンクリートに埋め込んで固定した複合構造体であって、
   前記鋼材は最表面に化成皮膜を有し、前記化成皮膜はクロメートフリー処理による皮膜であり、かつ、ジルコニウム、チタンの少なくとも１種を含有し、
   前記鋼材の表面であって、前記鋼材、前記コンクリート、及び大気が接する界面の大気側の領域の少なくとも一部であり、かつ、前記界面を含む領域に有機樹脂被覆層を有し、
   前記鋼材の表面であって、前記界面のコンクリート側の領域には、有機樹脂被覆層が実質的に存在せず、
   前記コンクリートの表面であって、大気に接し、前記鋼材に接しない領域には、有機樹脂被覆層が実質的に存在せず、
   前記有機樹脂被覆層は、前記界面から１０ｍｍ以上の領域まで連続している
   ことを特徴とする複合構造体。
2. 前記鋼材のうち、前記化成皮膜を除いた部分がめっき鋼材であることを特徴とする請求項１に記載の複合構造体。
3. 前記めっき鋼材は亜鉛系めっき鋼材であり、亜鉛系めっきが、
   Ａｌ：０％以上６０％以下、
   Ｍｇ：０％以上１０％以下、
   Ｓｉ：０％以上３％以下、
   Ｆｅ：０％以上１５％以下、及び
   Ｎｉ：０％以上１％以下
   を含有し、残部がＺｎおよび不純物であることを特徴とする請求項２に記載の複合構造体。

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