Transcript 中性化残り
中性化 コンクリート工学研究室 岩城一郎 1 コンクリート内部の鋼材腐食のメカニズム 大前提：コンクリートがアルカリ性（pH13程度）に 保たれており，鋼材表面の不動態被膜が健全 であればコンクリート内部の鋼材は腐食しない． 鋼材腐食の発生原因 中性化：炭酸化等によるpHの低下→不動態被 膜の喪失→酸素と水分の供給により腐食が進 行 塩害：塩化物イオンの侵入→不動態被膜の破 壊→酸素と水分の供給により腐食が進行 ※無筋コンクリートであれば考慮する必要なし 2 鋼材腐食の概念図 3 CONCRETE：Microstructure, Properties, and Materials, Second Edition, P. Kumar Mehta, Paulo J. M. Monteiro, McGraw-Hill 鋼材腐食のメカニズム アノード反応（不動態被膜の破壊）：Fe→Fe2＋＋2e－ （電 子2個を母材に残して鉄がイオンとなって溶出する反応） カソード反応：1/2O2＋H2O＋2e－→2OH－ （アノード反応に よって生じた電子を消費する反応） 総括反応：Fe＋1/2O2＋H2O→Fe(OH)2 アノード部：酸化反応により腐食生成物（さび）が析出（例え ばFeOOH，Fe2O3あかさび，Fe3O4くろさび）．さびの体積は 鉄の約2.5倍→体積膨張によるコンクリートのひび割れ，は く離→腐食反応の促進→劣化 鉄筋腐食は中性化，塩化物イオンの侵入の他に，酸素と 水を必要とする．酸素と水のどちらかが少ない環境下では 腐食しにくい．たとえば水中，非常に乾燥した環境では腐 食しにくい．換言すれば，CaCO3，Cl－は腐食反応そのもの には関係しない． 4 中性化とは？ コンクリートがアルカリ性を失って中性に近づく現象 炭酸化（Carbonation）：セメント水和物，主としてCa(OH)2が炭酸 ガスCO2と反応し，炭酸カルシウムCaCO3に変化すること Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O 3CaO・2SiO2・3H2O（C-S-H）＋3CO2→3CaCO3＋2SiO2＋3H2O 劣化要因：二酸化炭素 劣化現象：炭酸化反応により細孔溶液中のpHを低下させること で，鋼材腐食が促進され，コンクリートのひび割れやはく離，鋼 材の断面減少→耐荷力の低下（炭酸化自体はコンクリートの物 性を大きく低下させないため，劣化とはみなさない．） 劣化指標：中性化深さ（中性化残り），フェノールフタレインの1% エタノール溶液の噴霧による呈色反応により判定（高アルカリ pH10程度以上に対し赤紫色に呈色し，中性化が大きく進んだ領 域では色の変化が見られない．必ずしも赤紫色に呈色していれ 5 ば健全とは限らない？） 中性化（炭酸化）の事例 資料提供 東北大学 久田 真 教授 6 各要因と中性化との関係 セメント（混和材）の種類 混合セメント（高炉セメント，フライアッシュセメント）を用いた場 合，中性化速度 大：ポゾラン反応により水酸化カルシウムを消 費 水セメント比 水セメント比 小⇒中性化速度 小：組織の緻密化により，CO2 の拡散を抑制 環境条件 屋内では屋外より一般に中性化速度が高い．CO2濃度が高く， 湿度が低い． 温度：温度が高くなるほど中性化速度が速くなるが，20-50℃の 範囲ではあまり変わらない． 湿度：50-70%RHで中性化速度最大，湿度 高⇒CO2の拡散を抑 制．湿度 低⇒炭酸化反応が生じにくい．（炭酸化は二酸化炭 素が気体として直接反応するのではなく，硬化体中の水分に溶 7 2－ － 解することにより酸CO3 ，HCO3 として作用する）． 部材の性能低下 中性化による劣化 中性化による劣化進行過程 腐食ひび割れの発生 腐食の開始 （CO2が鋼材近傍まで到達） 使用期間 （供用年数） 潜伏期 進展期 中性化進行速度 （中性化深さ） 鋼材の腐食速度 （ひび割れなし） 加速期 劣化期 鋼材の腐食速度 （ひび割れあり） 8 中性化の進行予測（√t則） y=b√t ここに，y：中性化深さ(mm)，t：中性化期間(年)，b：中性化速度係 数(mm／√年)→多くの提案式がある． 例えば， y=R(-3.57＋9.0W/B)√t（示方書提案式） ここに，R：環境の影響を表す係数，乾燥しやすい環境R=1.6，乾燥 しにくい環境R=1.0，W/B：有効水結合材比＝W/(Cp＋k・Ad)，W：単 位水量，B：単位結合材量，Cp：単位セメント量，Ad：単位混和材量 （フライアッシュ，高炉スラグ微粉末），k：混和材の影響を表す係数 フライアッシュk＝0，高炉スラグ微粉末k＝0.7，使用材料（結合材 の種類），水結合材比，環境条件（乾燥のしやすさ）を考慮 例題 Case-1：OPC，W/C=0.5，Case-2：OPC，W/C=0.4，Case-3：OPC， W/C=0.6，Case-4：OPCの20%FA置換，W/B=0.5，Case-5：OPCの 9 70%BS置換，W/B=0.5，Case-6：OPCの70%BS置換，W/B=0.4 コンクリート標準示方書による各種コンクリー トの中性化に対する耐久性能照査 40 W/C=0.5 中性化深さ（mm） 35 かぶり30mm 30 中性化残り 10mm 25 20 15 W/C=0.4 W/C=0.6 W/B=0.5, FA=0.2*B 10 W/B=0.5, BS=0.7*B 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 中性化期間（年） W/B=0.4, BS=0.7*B 10 中性化によるコンクリートのはく落 はく落→第三者影響度 資料提供 横浜国立大学 細田 暁 准教授 11 2 00 鉄筋かぶり量と 剥落との関係 無剥落箇所 箇所数 コンクリート 表面 中性化 深さ 剥落箇所 中性化 残り 鉄 筋 1 00 0 かぶり 0～ 1 0～ 2 0～ 3 0～ 4 0～ 5 0～ 鉄 筋 か ぶ り 量 （m m ） 2 00 中性化残りと 剥落との関係 箇所数 剥落箇所 無剥落箇所 1 00 0 ～ -1 0 ～0 ～ 10 ～ 20 中 性 化 残 り（mm） ～ 30 3 0～ 12 50 中 性 化 深 さ （m m ） 雨水等の影響 を受けた場合 40 30 20 10 0 0 10 20 30 剥落箇所 無剥落箇所 70 80 90 100 中 性 化 残 り1 0 m m 50 中 性 化 深 さ （m m ） 雨水等の影響 を受けない場合 40 50 60 か ぶ り （m m ） 40 30 20 10 0 0 10 20 剥落箇所 30 40 50 60 か ぶ り （m m ） 無剥落箇所 70 80 90 中性化残り0m m 100 13 中性化によるコンクリートの剥落対策（JR東日本） • かぶりを十分に確保する．少なくとも20mm以上 • 中性化の進行が小さいコンクリートを使用する．できれ ば供用期間中に中性化残りが10mmを下回らないこと． →標準示方書の照査方法に従い，建設後100年程度に おいても中性化残りが10mm程度以上となるように設計 • 雨水や漏水の影響が極力 小さい構造形式とする． →水切り形状の見直し • コンクリートの単位水量の 上限値の設定と受入れ 検査の徹底 • かぶりの非破壊検査 14 社会基盤メインテナンス工学（東京大学出版会） 中性化対策 中性化の進行を抑制するための対策 かぶりの確保 水セメント比の低下 （混合セメントは要注意） 中性化による鉄筋腐食を抑制するための対策 水分の供給の遮断 15