(57)【要約】【課題】鋼材に対する水素の侵入が抑制できるようにする。【解決手段】第１工程Ｓ１０１で、対象とする鋼材をアルカリ性水溶液に接触させる。例えば、所定の容器にアルカリ性水溶液を収容し、このアルカリ性水溶液中に鋼材を浸漬すればよい。また、鋼材の一部にアルカリ性水溶液が接触した状態としてもよい。アルカリ性水溶液としては、例えば、ｐＨ＝１２程度に調整した水酸化カルシウムの水溶液を用いればよい。次に、第２工程Ｓ１０２で、０．１ＶｖｓＳＳＥより貴な電位を、鋼材に印加する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材をアルカリ性水溶液に接触させる工程と、
０．１ＶｖｓＳＳＥより貴な電位を、前記鋼材に印加する工程と
を少なくとも備えることを特徴とする水素侵入防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築物に用いられている鉄筋および鉄鋼などの鋼材における水素脆化の原因となる水素の侵入を防止する水素侵入防止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建造物などの構造物では、遅れ破壊が問題となることがある。遅れ破壊とは、静的な負荷を受けているある条件下で使用している鋼材などが、ある時間の経過後、外見上ではほぼ塑性変形を伴うことなく、突然脆性的に破壊する現象である。この遅れ破壊のメカニズムは十分に解明されていないが、水素が金属に侵入して延性が失われることによる水素脆性によるものと考えられている。例えば、鉄筋コンクリートの鉄筋などのコンクリートに埋設されている鋼材では、アルカリ性と推定されるコンクリートの中の環境で、応力・鉄鋼種別などにより、水素脆化が生じるとする報告と生じないとする報告があり，検討が続けられている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】齋藤博之、藤本憲宏、澤田孝、「高強度鋼への水素侵入効率」、電気化学会第７９回大会講演予稿集，２０５頁、２０１２年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した水素脆性を抑制するために、水素が侵入しても金属組織内に強く束縛されて金属組織に影響しない材料の検討、また、鋼材の合金組成を検討するなど、種々の水素脆性対策技術が模索されている。しかしながら、いずれにしても鋼材を用いている場合、コンクリート内という環境であっても鋼材の表面で水素が発生する可能性は現段階では否定できない。これが鋼材に吸着し、鋼種によっては水素脆性を引き起こす発端となり得る。従って、条件によっては水素脆性が引き起こされてしまう可能性があるという問題がある。
【０００５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、鋼材に対する水素の侵入が抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る水素侵入防止方法は、鋼材をアルカリ性水溶液に接触させる工程と、０．１ＶｖｓＳＳＥより貴な電位を、鋼材に印加する工程とを少なくとも備える。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明したことにより、本発明によれば、鋼材に対する水素の侵入が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における水素侵入防止方法を説明するフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における水素侵入防止方法を実現する装置の構成例を示す構成図である。
【図３】図３は、鉄−水系の電位−ｐＨ図である。
【図４】図４は、ｐＨ＝１２のアルカリ性水溶液を用いて測定したことにより得られた鉄鋼の分極曲線である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における水素侵入防止方法を説明するフローチャートである。この水素侵入防止方法は、まず、第１工程Ｓ１０１で、対象とする鋼材をアルカリ性水溶液に接触させる。例えば、所定の容器にアルカリ性水溶液を収容し、このアルカリ性水溶液中に鋼材を浸漬すればよい。また、鋼材の一部にアルカリ性水溶液が接触した状態としてもよい。アルカリ性水溶液としては、例えば、ｐＨ＝１２程度に調整した水酸化カルシウムの水溶液を用いればよい。
【００１０】
次に、第２工程Ｓ１０２で、０．１ＶｖｓＳＳＥより貴な電位を、鋼材に印加する。
【００１１】
次に、上述した水素侵入防止方法を実現する装置について簡単に説明する。図２に示すように、ポテンショスタット２０１を用意し、この作用電極接続端に鋼材２０２を接続し、また、鋼材２０２の表面に接触させたアルカリ性水溶液２０３中に対極２０４および参照電極２０５を配置する。対極２０４は、鋼材２０２と同じ材料から構成すればよい。また、対極２０４は、例えば炭素電極を用いてもよい。また、参照極２０５は、Ａｇ／ＡｇＣｌ（飽和銀塩化銀）電極であればよい。
【００１２】
また、アルカリ性水溶液２０３は容器２１１に収容され、容器２１１の開口部２１２で収容しているアルカリ性水溶液２０３が、鋼材２０２の表面に接触している。このようにポテンショスタット２０１を用いることで、鋼材２０２に、０．１ＶｖｓＳＳＥ以上の電位を印加すればよい。なお、参照極を用いずに、鋼材と対極との間に電位を印加してもよい。ただし、上述したように３つの電極を用いる構成の方が、印加する電圧の制御がより容易であり、より正確な値の電位印加が可能である。また、電源としては、電池などの直流電源を用いればよい。
【００１３】
ここで、０．１ＶｖｓＳＳＥより貴な電位を印加することについて、より詳細に説明する。アルカリ性の環境下では、鋼材表面に存在する水が電子を受け取って水素と水酸化物イオンとを生成し、この水素が鋼材に侵入することで水素脆性が発生するものと考えられる（非特許文献１参照）。このため、鋼材に対する水素侵入は、上述した生成反応で律速されることになる。
【００１４】
上述したように、水素脆化の原因となる水素発生および水素侵入には律速段階となる反応が推定されるので、この反応を抑制するためには，反応を進行させる電子を鋼材から水分子に渡さないように電位を調整することがひとつの解決方法として考えられる。
【００１５】
熱力学的には、図３に示すように、Ｆｅ2+の濃度が１０-6ｍｏｌ／Ｌの場合にｐＨ＝９以上のアルカリ性水溶液で水素発生は生じない。図３は、ベルギーのプルベーが提唱した一般的な鉄−水系の電位−ｐＨ図である。
【００１６】
これに対して、鋼材を電子が過剰な状態、すなわち過電圧により電位を下げるように分極すると、速度論的に，上述の水素発生反応が生じるようになる。この状態における律速段階が、非特許文献１によれば、電荷移動過程であるので、電荷移動の元になる電位を調整すればよい。
【００１７】
ところで、図３の電位−ｐＨ図について簡単に説明する。まず、水は、ａ線（Ｈ2／Ｈ+の平衡線）とｂ線（Ｈ2Ｏ／ＯＨ-の平衡線）の間で安定な状態となっている。鉄は２３番，１３番，２４番の線の下で安定な状態となる。水と鉄が存在すると、あるｐＨ，ある電位で、どちらが熱力学的に安定かという問題が生じるが、例えばｐＨ＝４で考えると、強制的に外部から電位を制御せずに自発的な反応に任せた場合、水が分解するａ線の平衡はＨ2の生成側に移動し、２３番の線（Ｆｅ／Ｆｅ++の平衡線）は、Ｆｅ++の生成側に移動する。なおＦｅ++は、Ｆｅ2+を意味している。このため、ｐＨ＝４の水（溶液）に浸漬された鉄は、水素発生をともなって腐食（酸化）していく。このようなことが、図３より分かる。
【００１８】
ところで、図３では、２３番の線（Ｆｅ／Ｆｅ++の平衡線）が、Ｆｅ++イオン活量１０-6［Ｍ］の際にｐＨ＝９で１３番の線（Ｆｅ／Ｆｅ3Ｏ4の平衡線）と交差している。従って、鉄ＦｅはＦｅ++イオン活量１０-6［Ｍ］の際にｐＨ＝９で安定相が変化する。水の安定領域での鉄の安定相はＦｅ3Ｏ4（およびＦｅ2Ｏ3）となり、いずれも固体であるため、水と鉄の表面を覆うと不動態化する。このことにより腐食がみかけ上停止するため、鉄をｐＨ＝９以上のアルカリ性の水溶液に浸漬しても、図３から読みとった平衡論の観点では、水素発生を生じないと考えられる。
【００１９】
具体的には、ｐＨ＝１２のアルカリ性水溶液（電解質）中で取得した鋼材（鉄鋼）の分極曲線（図４）をもとに、水素の反応を示す水素線のターフェル領域を延長し、この延長線（図４中の破線）と水素発生速度が１０-6ｍＡ／ｃｍ2における電位軸との交点における値以上の電位を、鋼材に印加すればよい。なお、電位の印加は、例えば、鋼材を一方の電極とし、これに対する他の電極をアルカリ性水溶液に電気的に接続して電池などの直流電源で電位制御して行えばよい。なお、前述したように、二電極法でなく三電極法を用いてもよい。
【００２０】
図４より、０．１ＶｖｓＳＳＥ以上の電位に制御すると、水素発生速度が１０-6ｍＡ／ｃｍ2以下となる。ここで、図４の分極曲線においては、図３の水素線ａ線と酸素線ｂ線に対応する反応が重なって観測されているものと考えられる。飽和銀塩化銀電極基準で、概ね−１．１Ｖあたりまでは酸素の反応（拡散律速），これ以降で水素の反応がみられている。このため、図４に示す分極曲線の電流密度が１０〜１０-1ｍＡ／ｃｍ2、電位（ＶｖｓＳＳＥ）が−１．１〜−１．５Ｖの範囲に出現している部分が、水素発生反応に関するターフェル領域と考えられる。このターフェル領域を、電流値の小さい方向に延長・外挿すると、水素発生速度が１０-6ｍＡ／ｃｍ2における電位軸との交点から、１０-6ｍＡ／ｃｍ2まで電流が減少する電極電位が０．１ＶｖｓＳＳＥであると求められる。なお、この電位印加の範囲では、水素が水素イオンに酸化されない。
【００２１】
不動態化により速度論的には、図３からｐＨ９以下であれば水素発生は生じないが、一方、平衡論的には、ｐＨ＝１２の条件において、図３の１３番の線との交点を読むと標準水素電極基準で−０．８Ｖ，飽和銀塩化銀電極基準で約−１Ｖが鉄の反応（Ｆｅ／Ｆｅ3Ｏ4）の平衡電位となる。鉄は、電位を負方向に変化させる分には安定であるが、水素はａ線より負の電位を負荷すると水中の水素イオンの還元により発生する。従って、酸性雰囲気下のように金属の溶解が進行することはないが、小さな電流であればｐＨ＝１２であっても反応が進行する。なお、一般に、コンクリート環境がｐＨ＝１２の前後であるので、図４の分極曲線を求める実験では、ｐＨ＝１２のアルカリ性水溶液を用いている。なお、アルカリ性水溶液としては、１例として水酸化カルシウム水溶液が考えられる。また、水酸化カルシウムなどのアルカリ性水溶液を含む多孔質な固体を利用してもよい。
【００２２】
以上に説明したように、本発明によれば、鋼材にアルカリ性水溶液を接触させ、０．１ＶｖｓＳＳＥより貴な電位を、鋼材に印加するようにしたので、鋼材に対する水素の侵入が抑制できるようになる。
【００２３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、アルカリ性水溶液は、水酸化カルシウムに限るものではなく、水酸化ナトリウムなど他の水酸化物の水溶液であってもよい。
【符号の説明】
【００２４】
２０１…ポテンショスタット、２０２…鉄鋼、２０３…アルカリ性水溶液、２０４…対極、２０５…参照電極、２１１…容器、２１２…開口部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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