JP7352065B2

JP7352065B2 - 複合構造体

Info

Publication number: JP7352065B2
Application number: JP2019104778A
Authority: JP
Inventors: 浩雅莊司; 雅充松本; 伸一山口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: JP2020196938A

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を、住宅・建築などに適用する場合、鋼材を地面や基礎構造物に固定する必要がある。その形態として一般的なものは、コンクリートの被覆、埋め込み固定する方法であり、コンクリートと亜鉛めっきを施した鋼材との界面の密着が十分に大きい構造体は耐久性が高く、市場から要求される。

めっきが施されていない鋼材との密着性を向上させるためには、サンドブラスト法等の粗面化処理によるアンカー効果によって密着性を向上させる方法等が採用される。しかしながら、亜鉛系めっきを施した鋼材の場合、めっき層は数十μｍ程度と薄いため、機械研磨法を施すと素地鋼材にまで達する疵ができ、耐食性が低下する等の問題を生じる。したがって、亜鉛系めっきを施した鋼材の密着性を向上させるためには、金属表面を粗面化する方法は採用できない。

特許文献１には、これを改善する技術として、スキンパス圧延による粗度調整によりＲａ、ＰＰＩを制御する方法が開示されている。

特許第３５３８３１６号公報

特許文献１で開示された技術により、亜鉛めっきを施した鋼材とコンクリートの密着性を向上させることができるが、さらに密着性を改善する余地がある。

本発明は、亜鉛系めっきが施された鋼材とコンクリートを有する複合構造体であって、鋼材とコンクリートの密着性をより向上させた複合構造体を提供することを課題とする。

本発明は、亜鉛系めっきが施された鋼材とコンクリートを有する複合構造体において、鋼材とコンクリートの密着性をより向上させる方法を鋭意検討した。

その結果、珪素、ジルコニウム、チタンの少なくとも１種の酸化物及び／又は水酸化物を主成分とする皮膜がコンクリートとめっきの間に存在することで、乾燥状態での密着性、湿潤環境での密着性が向上することを見出した。さらに、皮膜が無い場合に比べて、耐食性も向上することを見出した。

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）鋼材とコンクリートの複合構造体であって、鋼材と、前記鋼材の表面に設けられた亜鉛系めっきと、前記亜鉛系めっきの表面に設けられた珪素、ジルコニウム、チタンの少なくとも１種の酸化物及び／又は水酸化物を含む皮膜と、前記皮膜の一部又は全部と接するコンクリートを備えることを特徴とする複合構造体。

（２）鋼材とコンクリートの複合構造体であって、鋼材と、前記鋼材の表面の一部に設けられた亜鉛系めっきと、前記亜鉛系めっきの表面に設けられた珪素、ジルコニウム、チタンの少なくとも１種の酸化物及び／又は水酸化物を含む皮膜と、前記皮膜の一部又は全部、及び前記鋼材の一部と接するコンクリートを備えることを特徴とする複合構造体。

（３）前記亜鉛系めっきは鋼材の端部を除く面に設けられ、前記コンクリートは、前記皮膜の一部又は全部、及び前記鋼材の端部の一部又は全部と接することを特徴とする前記（２）の複合構造体。

（４）前記亜鉛系めっきが、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（１）～（３）のいずれかの複合構造体。

（５）前記亜鉛系めっきの表面に設けられた
前記皮膜中におけるＳｉの含有率がＳｉ換算で１質量％以上６０質量％以下、Ｓｉ付着量がＳｉ換算で０．１ｇ／ｍ^２以上５ｇ／ｍ^２以下であり、前記皮膜中におけるＺｒの含有率がＺｒ換算で１０質量％以上３０質量％以下、Ｚｒ付着量がＺｒ換算で０．２ｇ／ｍ^２以上２ｇ／ｍ^２であり、前記皮膜中におけるＴｉの含有率がＴｉ換算で１０質量％以上３０質量％以下、Ｔｉ付着量がＴｉ換算で０．２ｇ／ｍ^２以上２ｇ／ｍ^２であることを特徴とする前記（１）～（４）のいずれかの複合構造体。

（６）前記皮膜が、ポリウレタン樹脂からなる樹脂成分を含むことを特徴とする前記（１）～（５）のいずれかの複合構造体。

（７）前記皮膜の厚みが、０．１μｍ以上、１０．０μｍ未満であることを特徴とする前記（１）～（６）のいずれかの複合構造体。

本発明によれば、鋼材とコンクリートの密着性をより向上させた、亜鉛系めっきが施された鋼材とコンクリートを有する複合構造体を提供することができする。

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。

本発明者らは、鋼材とコンクリートとの複合構造体の構成として、珪素、ジルコニウム、チタンの少なくとも１種の酸化物及び／又は水酸化物を主成分とする皮膜がコンクリートとめっきの間に存在することで、乾燥状態での密着性、湿潤環境での密着性が向上することを確認した。

このような複合構造体を製造する方法の一例としては、亜鉛めっき系鋼材に化成処理を施すことにより皮膜を形成し、その後、鋼材をコンクリートに埋め込む方法が挙げられる。皮膜は常法に従い、化成処理液を塗布、乾燥することによって化成処理皮膜を形成すればよい。

上記のような皮膜の種類としては、化成処理被膜成分の酸化物及び／又は水酸化物が、コンクリートとめっき金属表面との接着機能を果たすものであれば、特段限定されるものではないが、たとえば、シランカップリング剤由来のＳｉＯｘ皮膜、炭酸ジルコニウムアンモニウム由来のＺｒＯｘ皮膜等が挙げられる。また、化成処理液に、さらに、珪素、ジルコニウム、チタンの少なくとも１種を含有した添加剤を加え、上記のような皮膜を形成してもよい。皮膜の付着量も限定されるものではないが、皮膜全体として、例えば、０．１ｇ／ｍ^２～５ｇ／ｍ^２の範囲（厚みが、０．１μｍ以上、１０．０μｍ未満）でよい。

化成処理被膜の機能をより発現するために、易酸化元素である、Ｓｉ・Ｚｒ・Ｔｉを、金属換算で、Ｓｉは１質量％以上６０質量％以下、Ｚｒ及びＴｉは１０質量％以上３０質量％以下であることが望ましい。この範囲を下回ると十分な密着性が得られない。またこれ以上あると接着機能に寄与しない部分の強度の問題が生じ、信頼性に劣る。

化成処理液を塗布した後の乾燥方法は特に限定されるものではないが、鋼板到達温度が５０℃以上２００℃以下であれば、コンクリートとの初期密着性が上がるため有効である。この理由として、前記乾燥方法であれば化成処理皮膜表面に水酸化物が多く存在することによると推定している。

また、鋼材表面の一部が、めっき及び皮膜を介さずに、コンクリートと直接接していると、乾燥状態での密着性、湿潤環境での密着性が良化する傾向がある。このメカニズムは明確ではないが、コンクリート打設時のアルカリ溶液との接触によって形成した局部セルによって、めっき及び皮膜でのアノード反応が少し進行し、コンクリートとの界面に形成される層が密着性を向上させる効果があるものと推定される。

このような複合構造体を製造する方法の一例としては、鋼材の一部に亜鉛めっき鋼材、皮膜が施されていない領域を有する状態とし、コンクリートに埋め込む方法が挙げられる。たとえば、めっき、化成処理後の鋼板の端部を切断し、鋼材を露出する方法が挙げられる。

本発明の複合構造体に用いる鋼材、亜鉛系めっきは、特に限定されるものではない。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。めっき厚も限定されるものではないが、例えば、５μｍ以上であれば、十分な効果を示す。

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。

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１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。

表１に記載の亜鉛めっきを施した鋼板に、化成処理により表２に示す皮膜を形成した。
当該鋼材を切断することなくそのまま、または、切断し鋼板が露出した端面に補修用塗料（例えば日本ペイント防食コーティングス社製ジンキーコートＳＤスプレー等）を塗布した場合を端面無とし、鋼板を切断して鋼板が露出する端面を形成した場合を端面ありとした。

これらの鋼材を図２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。使用した鋼材はすべて長さ２００ｍｍ×幅６０ｍｍ×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み後、密着性、耐食性の評価を行った。

なお、化成処理被膜は、いずれも化成処理溶液をロールコーターで塗布し、鋼板到達温度１００℃に熱処理、放冷することで形成した。付着量の確認は蛍光Ｘ線装置により皮膜中の金属量を測定し、それを指標としてα、β、γが０．６ｇ／ｍ^２、δが１ｇ／ｍ^２であることを確認した。添加剤については、Ｐは燐酸アンモニウム塩、ＴｉおよびＺｒは弗化水素酸塩、Ｖはアセチルアセトネート化合物、Ｃｏは硫酸塩、ＮｂおよびＳｉは酸化物を使用した。

密着性は、（財）建材試験センターのＪＳＴＭＣ２１０１「引抜き試験による鉄筋とコンクリートの付着強さ試験方法」に規定される方法に準じて行った。コンクリートを鋼板から引き剥がす剥離試験を行い、試験後の鋼板表面の接着面に残存するコンクリートについて以下の表３の基準で判定し、評価した。

耐食性は、促進試験（ＪＡＳＯＭ６０９；１５サイクル及び３０サイクル）を行い、以下の表４の基準で判定し、評価した。

結果を表５に示す。表５中の「端面有無」は、「有」は鋼板が露出する端面が形成されている例で、「無」は鋼板全面にめっき、化成皮膜、補修塗料による皮膜のいずれかが形成されている例である。

表３に示すように、本発明の複合構造体は優れた耐食性に加え、優れた密着性を示すことが確認できた。

Claims

鋼材とコンクリートの複合構造体であって、
鋼材と、
前記鋼材の表面の一部に設けられた亜鉛系めっきと、
前記亜鉛系めっきの表面に設けられたジルコニウムの酸化物及び／又は水酸化物を含み、随意にチタンの酸化物及び／又は水酸化物を含む皮膜と、
前記皮膜の一部又は全部、及び前記鋼材の一部と接するコンクリート
を備えることを特徴とする複合構造体。
前記亜鉛系めっきは鋼材の端部を除く面に設けられ、
前記コンクリートは、前記皮膜の一部又は全部、及び前記鋼材の端部の一部又は全部と接する
ことを特徴とする請求項１に記載の複合構造体。
前記亜鉛系めっきが、
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。
前記亜鉛系めっきの表面に設けられた前記皮膜中において、
（１）Ｚｒの含有率がＺｒ換算で１０質量％以上３０質量％以下、かつ、Ｚｒ付着量がＺｒ換算で０．２ｇ／ｍ²以上２ｇ／ｍ²、及び
（２）Ｔｉの含有率がＴｉ換算で１０質量％以上３０質量％以下、かつ、Ｔｉ付着量がＴｉ換算で０．２ｇ／ｍ²以上２ｇ／ｍ²
の少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の複合構造体。
前記皮膜が、ポリウレタン樹脂からなる樹脂成分を含むことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の複合構造体。
前記皮膜の厚みが、０．１μｍ以上、１０．０μｍ未満であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の複合構造体。