(57)【要約】【課題】実構造物が実際に曝される土壌環境における耐食性を短期間で評価できる土壌腐食試験装置及び土壌腐食試験方法を提供する。【解決手段】土壌腐食試験装置１は、土壌中における金属の耐食性の評価に用いる。土壌腐食試験装置１は、試験槽２と、土圧制御装置１０と、を含む。試験槽２は、実土壌３を収容可能、かつ、評価対象の試験体４を実土壌３に接触した状態で収容可能である。土圧制御装置１０は、実土壌３の土圧を制御可能である。試験槽２は、試験体４を取り付け可能な電気化学セル８を含む。【選択図】図１
2020106452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌中における金属の耐食性の評価に用いる土壌腐食試験装置であって、
実土壌を収容可能、かつ、評価対象の試験体を前記実土壌に接触した状態で収容可能な試験槽と、
前記実土壌の土圧を制御可能な土圧制御装置と、を備え、
前記試験槽は、
前記試験体を取り付け可能な電気化学セルを含む、土壌腐食試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の土壌腐食試験装置を用いる土壌腐食試験方法であって、
前記実土壌を採取する採取工程と、
前記採取工程後、前記実土壌の物性値を測定する測定工程と、
前記測定工程後、前記実土壌の物性値を用いて前記実土壌の土圧を算出する算出工程と、
前記算出工程後、前記実土壌を前記試験槽に収容し、前記実土壌と前記試験体とを接触させる準備工程と、
前記準備工程後、前記土圧制御装置によって前記実土壌の土圧を制御する土圧制御工程と、を備える土壌腐食試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌腐食試験装置及びその装置を用いた土壌腐食試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屋外で長期間使用する鋼材等は、厳しい腐食環境に曝されることがある。例えば、鋼管杭や鋼矢板等は、土木建築用の基礎構造物として土壌中に埋設される。土壌中に埋設された鋼構造物は、土壌や地下水等の電解質と接しているため次第に腐食し、経過年数に伴い減肉していく。そのため、鋼材が埋設される実土壌環境における耐食性を短期間で評価することが重要である。
【０００３】
従来から、実土壌環境における鋼材の耐食性の評価として、日本鉄鋼連盟、米国ＮＢＳ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｂｕｒｅａｕ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）による暴露試験が行われていた。しかしながら、暴露試験では評価に時間がかかることや、土壌腐食環境が異なる場合には、別途長期にわたる検討が必要になる等の課題があった。そのため、暴露試験以外の方法による鋼材の耐食性の評価が求められていた。
【０００４】
暴露試験以外の方法による耐食性の評価としては、電気化学測定（交流インピーダンス測定等）による腐食モニタリング手法が考えられるが、実土壌環境の場合には地中への電極の設置が非常に困難であり（例：数十ｍ程度の深い部分への電極の設置）、また実土壌環境を乱すことなく不撹乱状態で測定することも非常に困難であると考えられる。
【０００５】
その他にも、暴露試験以外の方法による鋼材の耐食性の評価としては例えば、特開２０１７−２１５３００号公報（特許文献１）、特許第６３４８４５４号公報（特許文献２）、特開２０１１−７５４７７号公報（特許文献３）及び特開２０１７−７２５９２号公報（特許文献４）に開示されている。
【０００６】
特許文献１〜３では、実土壌や模擬土壌を試験槽内に充填し、それらの土壌の水分含有量を調整し、温度や酸素分圧等を制御して土壌中の鋼の耐食性を評価している。特許文献４では、試験槽内に模擬土壌を複数層重ねて形成し、各層で土壌中の通気量を変えて酸素濃淡マクロセル腐食を再現し、土壌中の鋼の耐食性を評価している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−２１５３００号公報
【特許文献２】特許第６３４８４５４号公報
【特許文献３】特開２０１１−７５４７７号公報
【特許文献４】特開２０１７−７２５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、土壌腐食環境は大気や海洋に代表されるような腐食環境に比べて不均一な環境であるため、土壌中の鋼の耐食性の評価には、土壌の締固め度合い（土壌充填度合い）や、土壌と鋼材との接触状態を精密に制御することが重要である。土壌の締固め度合いが変化することにより、土粒子間隙中の水分量（水分飽和度）も変化するところ、特許文献１〜４の耐食性の評価では、土壌の締固め度合いは考慮されていないため、より実環境に近い土壌腐食環境を再現することが求められている。特に、鋼管杭や鋼矢板など土中の奥深くまで埋設する鋼材は、土圧の影響を大きく受けることから腐食態様が深さ方向で大きく異なると考えられている。
【０００９】
本発明の目的は、実構造物が実際に曝される土壌環境における耐食性を短期間で評価できる土壌腐食試験装置及び土壌腐食試験方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態の土壌中における金属の耐食性の評価に用いる土壌腐食試験装置は、試験槽と、土圧制御装置と、を含む。試験槽は、実土壌を収容可能、かつ、評価対象の試験体を実土壌に接触した状態で収容可能である。土圧制御装置は、実土壌の土圧を制御可能である。試験槽は、試験体を取り付け可能な電気化学セルを含む。
【００１１】
本実施形態の土壌腐食試験方法は、上記の土壌腐食試験装置を用いる。土壌腐食試験方法は、採取工程と、測定工程と、算出工程と、準備工程と、土圧制御工程と、を含む。採取工程では、実土壌を採取する。測定工程では、採取工程後、実土壌の物性値を測定する。算出工程では、測定工程後、実土壌の物性値を用いて実土壌の土圧を算出する。準備工程では、算出工程後、実土壌を試験槽に収容し、実土壌と試験体とを接触させる。土圧制御工程では、準備工程後、土圧制御装置によって実土壌の土圧を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による土壌腐食試験装置及び土壌腐食試験方法によれば、実構造物が実際に曝される土壌環境における耐食性を短期間で評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施形態の土壌腐食試験装置を示す断面図である。
【図２】図２は、電気化学セルの上面図である。
【図３】図３は、本実施形態の土壌腐食試験方法を説明するための実土壌の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施形態の土壌中における金属の耐食性の評価に用いる土壌腐食試験装置は、試験槽と、土圧制御装置と、を含む。試験槽は、実土壌を収容可能、かつ、評価対象の試験体を実土壌に接触した状態で収容可能である。土圧制御装置は、実土壌の土圧を制御可能である。試験槽は、試験体を取り付け可能な電気化学セルを含む。
【００１５】
このような構成の土壌腐食試験装置によれば、土壌腐食試験中に土圧を制御することができる。土圧を制御することで、実土壌と試験体との接触状態を制御でき、様々な深度を想定した土壌腐食試験を試験槽内に再現することができる。したがって、より実環境に近い土壌腐食環境で土壌腐食試験を行うことができる。また、このような構成の土壌腐食試験装置によれば、電気化学セルを用いた電気化学測定により土壌腐食試験を行うことができるため、試験体を放置する場合と比べて短期間で土壌腐食試験を行うことができる。また、電気化学測定を行うことにより、より詳細な腐食過程の評価が可能となる。
【００１６】
本実施形態の土壌腐食試験方法は、上記の土壌腐食試験装置を用いる。土壌腐食試験方法は、採取工程と、測定工程と、算出工程と、準備工程と、土圧制御工程と、を含む。採取工程では、実土壌を採取する。測定工程では、採取工程後、実土壌の物性値を測定する。算出工程では、測定工程後、実土壌の物性値を用いて実土壌の土圧を算出する。準備工程では、算出工程後、実土壌を試験槽に収容し、実土壌と試験体とを接触させる。土圧制御工程では、準備工程後、土圧制御装置によって実土壌の土圧を制御する。
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１８】
［土壌腐食試験装置］
図１は、本実施形態の土壌腐食試験装置を示す断面図である。土壌腐食試験装置１は、試験槽２と、土圧制御装置１０と、を含む。
【００１９】
［試験槽］
試験槽２は、実土壌３を収容可能であり、土壌腐食試験の際には試験槽の所定の高さまで実土壌が収容される。試験槽２は、鉛直方向に延びる側部７と、底部を構成する電気化学セル８とを含む。試験槽２の上面は開口しており、上面から実土壌を試験槽内に入れることができる。すなわち、試験槽２はいわゆる土槽を構成する。
【００２０】
鉛直方向を法線とする断面において、側部７の形状は円形でもよく、多角形でもよく、特に限定されない。また、側部７の材質は特に限定されず、例えば塩化ビニルやアクリル等の樹脂が採用できる。
【００２１】
図２は、電気化学セルの上面図である。電気化学セル８は、上面１１と、電極収容部１２とを含む。上面１１には側部７（図１参照）の下端が取り付けられる。電極収容部１２は、側部７（図１参照）の内側に位置し、上面１１から凹んだ空間である。電極収容部１２には、電極（試験体４）が収容される。電極収容部１２に収容された試験体４は、電気化学セル８の上面１１と面一であるか上面１１から僅かに突出している。これにより、図１に示すように試験槽２に実土壌３を収容した際に、試験体４が実土壌３と接触できる。試験体４には導線が接続されており、導線は図示しない電気化学装置に接続される。
【００２２】
図２ではマクロセル腐食の評価を想定して７つの試験体４を示すが、試験体４の数はこれに限定されず、電気化学測定方法に応じて適宜設定される。電気化学測定方法は、例えば分極測定、交流インピーダンス測定、ガルバニック腐食電流測定等である。
【００２３】
図１を参照して、試験槽２に収容される実土壌３は、耐食性を評価する環境に存在する実際の土壌である。すなわち、実土壌３は、実構造物が実際に曝される土壌環境から採取された土壌である。
【００２４】
試験体４は、耐食性を評価する金属であり、例えばＪＩＳ  Ｇ  ３１０１（２０１５）に準拠した土木建築用鋼材等である。土壌腐食試験の際、試験体４は電極に適した任意の形状に成形され、電気化学セル８の電極収容部１２に取り付けられる。
【００２５】
［土圧制御装置］
土圧制御装置１０は、載荷板５と、フォースゲージ６とを含む。
【００２６】
載荷板５は、試験槽２（側部７）の内面に対応した形状の板である。載荷板５と側部７の内面との間には僅かな隙間が設けられており、載荷板５は試験槽２内に収容された実土壌３の上面ほぼ全域を覆う。載荷板５の材質は特に限定されず、例えば塩化ビニルやアクリル等の樹脂が採用できる。
【００２７】
フォースゲージ６は、載荷板５の上面に取り付けられ、鉛直上方から下方に向かって載荷板５に任意の荷重を加えることが可能である。フォースゲージ６は、周知の構成であるので詳細な説明は省略する。載荷板５に荷重を加えることで、実土壌３にも荷重が加えられる。荷重が加えられた実土壌３は、土圧が上昇し、締め固められる。つまり、土圧制御装置１０は、試験槽２に収容された実土壌３の土圧を制御可能である。
【００２８】
なお、土圧制御装置１０は、フォースゲージ６に代えて錘を含んでもよい。要するに、載荷板５に荷重を負荷する方法は特に限定されない。
【００２９】
［土圧の制御による効果］
本実施形態の土壌腐食試験装置によれば、土壌腐食試験中に土圧を制御することができる。そのため、土壌の締固め度合いを任意に設定することができ、実土壌と試験体との接触状態を制御できる。また、土圧を制御することで、様々な深度を想定した土壌腐食試験を試験槽内に再現することができる。したがって、本実施形態の土壌腐食試験装置によれば、より実環境に近い土壌腐食環境で土壌腐食試験を行うことができる。
【００３０】
また、本実施形態の土壌腐食試験装置によれば、実土壌を試験体と接触させるので、模擬土壌を試験体と接触させる場合に比べて、実環境での試験体の耐食性をより正確に評価することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態の土壌腐食試験装置によれば、土壌腐食試験の際に電気化学測定を行うことができる。そのため、試験体を放置する土壌腐食試験に比べて、短期間で試験体の耐食性を評価できる。また、電気化学測定によって、より詳細な腐食過程の評価が可能となる。
【００３２】
［土壌腐食試験方法］
続いて、本実施形態の土壌腐食試験方法について説明する。本実施形態の土壌腐食試験方法では、上述した本実施形態の土壌腐食試験装置を用いる。本実施形態の土壌腐食試験方法は、採取工程と、測定工程と、算出工程と、準備工程と、土圧制御工程と、を含む。
【００３３】
図３は、本実施形態の土壌腐食試験方法を説明するための実土壌の模式図である。以下では図３に例示されるように、ある場所に鋼管杭２０が地層Ａ、Ｂ及びＣの３層にわたって埋設されている場合を仮定する。そして、鋼管杭２０（試験体）の耐食性の評価を、地層Ａ中のＡ点、地層Ｂ中のＢ点及び地層Ｃ中のＣ点において行うとする。
【００３４】
［採取工程］
採取工程では、土壌腐食試験に用いる実土壌３を採取する。本例示の場合、採取する実土壌には地層Ａ、地層Ｂ及び地層Ｃが含まれる。実土壌３は、例えばボーリングコア等から採取する。
【００３５】
［測定工程］
測定工程は、採取工程後に実施される。測定工程では、採取工程で採取された実土壌３の物性値を測定する。測定する物性値は、実土壌３の土粒子密度、含水比及び湿潤密度である。本例示の場合、地層Ａ、地層Ｂ及び地層Ｃそれぞれについてこれらの物性値を測定する。なお、これらの物性値は、周知の方法で測定すればよい。
【００３６】
［算出工程］
算出工程は、測定工程後に実施される。算出工程では、測定工程で測定された実土壌３の物性値を用いて、実土壌３の任意の点の土圧を算出する。以下、土圧の算出方法について詳述する。
【００３７】
まず、土圧を算出するために実土壌の単位体積当たりの重量を求める。地層が異なれば単位体積当たりの重量も異なることから、本例示の場合、地層Ａの単位体積当たりの重量ＷＡ（ｋｇ／ｍ3）、地層Ｂの単位体積当たりの重量ＷＢ（ｋｇ／ｍ3）及び地層Ｃの単位体積当たりの重量ＷＣ（ｋｇ／ｍ3）それぞれを求める。各地層の単位体積当たりの重量は、測定工程において測定された各地層の土粒子密度、含水比及び湿潤密度から周知の方法で求めればよい。
【００３８】
次に、求められた各地層の単位体積当たりの重量から耐食性を評価する各点の土圧を求める。本例示の場合、地層Ａは最上層の地層であり、Ａ点は地表から深さＬＡ（ｍ）の地点であるため、Ａ点の土圧ＰＡ（ｋｇｆ／ｍ2）は静止土圧係数をＫ0（通常Ｋ0＝０．５）とすると以下の式（Ａ）によって求められる。
ＰＡ＝Ｋ0・ＷＡ・ＬＡ      （Ａ）
地層Ｂは地層Ａの直下の地層であり、Ｂ点は地層Ａと地層Ｂとの境界からＬＢ（ｍ）の地点であるため、地層Ａの厚さＸＡ（ｍ）を考慮して、Ｂ点の土圧ＰＢ（ｋｇｆ／ｍ2）は以下の式（Ｂ）によって求められる。
ＰＢ＝Ｋ0（ＷＡ・ＸＡ＋ＷＢ・ＬＢ）      （Ｂ）
地層Ｃは地層Ｂの直下の地層であり、Ｃ点は地層Ｂと地層Ｃとの境界からＬＣ（ｍ）の地点であるため、地層Ａの厚さＸＡ及び地層Ｂの厚さＸＢ（ｍ）を考慮して、Ｃ点の土圧ＰＣ（ｋｇｆ／ｍ2）は以下の式（Ｃ）によって求められる。
ＰＣ＝Ｋ0（ＷＡ・ＸＡ＋ＷＢ・ＸＢ＋ＷＣ・ＬＣ）      （Ｃ）
【００３９】
［準備工程］
準備工程は、算出工程後に実施される。図１を参照して、準備工程では、採取工程で採取した実土壌３を試験槽２に収容し、実土壌３と試験体４（電極）とを接触させる。試験槽２に収容する実土壌３は、耐食性を評価する地点の実土壌である。例えば、図３中のＣ点での耐食性を評価する際には試験槽２に地層Ｃの実土壌を収容する。この場合、試験槽２に地層Ｃ以外の実土壌を収容してもよいが、試験体４は地層Ｃの実土壌と接触させる必要がある。
【００４０】
［土圧制御工程］
土圧制御工程は、準備工程後に実施される。土圧制御工程では、上述した土圧制御装置１０によって実土壌３の土圧を制御する。例えば、土圧制御工程では、試験槽２に収容された実土壌３の上面に載荷板５を置き、フォースゲージ６と載荷板５とを接続する。その後、フォースゲージ６を操作し、実土壌３に算出工程で求めた土圧に対応する荷重を負荷する。
【００４１】
土圧制御工程後、土圧制御装置１０によって任意の荷重を実土壌３に負荷し続けた状態で電気化学測定を行う。電気化学測定は、交流インピーダンス測定、分極測定、ガルバニック腐食電流測定等、耐食性の評価指標に応じて適宜選定すればよい。電気化学測定後、試験体を取り出し、腐食状態を調査する。
【００４２】
以上、本実施形態の土壌腐食試験装置及び土壌腐食試験方法について説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
【００４３】
例えば、上述の説明では試験体（電極）を試験槽の底面の一部として構成したが、試験槽内の土壌中に試験体を埋設して電気化学測定を行ってもよい。また、この場合試験槽に複数の種類の実土壌を積層し、試験体の酸素濃淡マクロセル腐食に対する耐食性を評価してもよい。
【００４４】
また、円形断面を有し、かつ、内寸がボーリングコアの外径に等しい試験槽２について、側部７を二つの半円筒を合わせたものとして構成しても良い。このように構成することで、実土壌３をボーリングコアから採取して試験槽２に収容する場合に、土壌を攪乱することなく収容することが容易となる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本実施形態の土壌腐食試験装置及び土壌腐食試験方法は、土壌中における金属の耐食性の評価に用いることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１：土壌腐食試験装置
２：試験槽
３：実土壌
４：試験体
５：載荷板
６：フォースゲージ
７：側部
８：電気化学セル
１０：土圧制御装置
１１：上面
１２：電極収容部
【図１】
2020106452.tif 000003
【図２】
2020106452.tif 000004
【図３】
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