(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
雨がかりのある屋外環境における鋼材の年間腐食量Ａ（mm）を、年間平均気温Ｔ（℃）、雨がかりなどによる年間濡れ時間ＴＯＷ（ｈ）（但し、雨がかりしている時間と、雨がかりしていないが相対湿度が８０％以上である時間の合計）及び飛来塩分量Ｓa（mdd）を用いて、下記（1）式により求める予測方法であって、
Ａ＝kＴα・ＴＯＷβ・Ｓaγ    …（1）
対象となる鋼材について、（1）式中のk、α、β及びγの各値を暴露試験により求めることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【請求項２】
雨がかりのある屋外環境における鋼材の年間腐食量Ａ（mm）を、年間平均気温Ｔ（℃）、雨がかりなどによる年間濡れ時間ＴＯＷ（ｈ）（但し、雨がかりしている時間と、雨がかりしていないが相対湿度が８０％以上である時間の合計）及び飛来塩分量Ｓa（mdd）を用いて、下記（1）式により求める予測方法であって、
Ａ＝kＴα・ＴＯＷβ・Ｓaγ    …（1）
鋼材が炭素鋼である場合に、（1）式中のk、α、β及びγの各値を、０．９８≦k≦１．８９、−２．３３０≦α≦−２．１３０、０．３７０≦β≦０．４４０、−０．０８０≦γ≦０．１４０とすることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【請求項３】
鋼材が炭素鋼である場合に、（1）式中のk、α、β及びγの各値を、k＝１．３５、α＝−２．２３１、β＝０．３９６、γ＝０．０２８とすることを特徴とする請求項２に記載の屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の腐食量予測方法で求められた年間腐食量Ａ（mm）を用いて、飛来塩分量Ｓaが０．４mdd以下である場合に、下記（2）式によりＸ年経過後の経年腐食量Ｙ（mm）を求めることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
Ｙ＝ＡＸＢ      …(2)
【請求項５】
（2）式中のＢの値が０．３〜０．６であることを特徴とする請求項４に記載の屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【請求項６】
（2）式中のＢの値が０．６であることを特徴とする請求項５に記載の屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雨がかりのある屋外環境における鋼材の腐食量予測方法であり、全世界の環境で用いることが可能であり、特に構造用鋼材の腐食量予測に好適な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、建築・土木分野では、構造物の耐用年数を設定するために、環境を区分する方法や、建設地の環境における鋼材の腐食量を予測する方法が提案されてきた。
環境を区分する方法としては、海岸線の多い国内では、非特許文献１に記載の飛来塩分量を用いて耐候性鋼材の適用地域を区分する方法が知られている。また、国際的には、硫黄酸化物量、飛来塩分量などを用いて階級化する手法が非特許文献２に標準化されている。
また、建設地の環境における鋼材の腐食量を予測する方法として、特許文献１〜３には、当該環境の気温、湿度、飛来塩分量などを環境変数に用い、耐候性鋼の雨がかりのない部位の腐食を予測する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０３／００６９５７号
【特許文献２】特開２００６−５３１２２号公報
【特許文献３】特開２００６−２０８３４６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】道路橋示方書（Ｉ共通編・II鋼橋編）・同解説、社団法人日本道路協会、平成１７年９月１５日、p.181-185
【非特許文献２】ISO andASTM Standards、ISO 9223
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の環境を区分する方法では、定性的には適用の要否を判定できるものの、定量的な値が得られないため、鋼構造物の耐用年数を設定するなどの設計に詳細に反映することができない。
また、特許文献１〜３に示される方法は、雨がかりのない環境での腐食量を予測することを特徴としている。一般に雨がかりのない環境は、塩分などの腐食促進物質が蓄積し、腐食環境としては厳しくなる。したがって、例えば橋桁といった複雑な形状をした構造物に、耐候性鋼などを無塗装で用いる場合の適用可否を判定するには適切な方法である。しかし、建築構造物や鋼管を用いた支柱などは、内面は完全に閉塞されており、雨がかりのある外面に露出した部分の腐食量を予測することが必要となる。このような場合には、特許文献１〜３の方法は適用することができない。
【０００６】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、雨がかりのある屋外環境における鋼材の腐食量を精度良く且つ迅速・簡便に予測することができ、しかも世界中のあらゆる環境で用いることができる鋼材腐食量の予測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］雨がかりのある屋外環境における鋼材の年間腐食量Ａ（mm）を、年間平均気温Ｔ（℃）、雨がかりなどによる年間濡れ時間ＴＯＷ（ｈ）（但し、雨がかりしている時間と、雨がかりしていないが相対湿度が８０％以上である時間の合計）及び飛来塩分量Ｓa（mdd）を用いて、下記（1）式により求める予測方法であって、
Ａ＝kＴα・ＴＯＷβ・Ｓaγ    …（1）
対象となる鋼材について、（1）式中のk、α、β及びγの各値を暴露試験により求めることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【０００８】
［2］雨がかりのある屋外環境における鋼材の年間腐食量Ａ（mm）を、年間平均気温Ｔ（℃）、雨がかりなどによる年間濡れ時間ＴＯＷ（ｈ）（但し、雨がかりしている時間と、雨がかりしていないが相対湿度が８０％以上である時間の合計）及び飛来塩分量Ｓa（mdd）を用いて、下記（1）式により求める予測方法であって、
Ａ＝kＴα・ＴＯＷβ・Ｓaγ    …（1）
鋼材が炭素鋼である場合に、（1）式中のk、α、β及びγの各値を、０．９８≦k≦１．８９、−２．３３０≦α≦−２．１３０、０．３７０≦β≦０．４４０、−０．０８０≦γ≦０．１４０とすることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【０００９】
［3］上記［2］の腐食量予測方法において、鋼材が炭素鋼である場合に、（1）式中のk、α、β及びγの各値を、k＝１．３５、α＝−２．２３１、β＝０．３９６、γ＝０．０２８とすることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの腐食量予測方法で求められた年間腐食量Ａ（mm）を用いて、飛来塩分量Ｓaが０．４mdd以下である場合に、下記（2）式によりＸ年経過後の経年腐食量Ｙ（mm）を求めることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
Ｙ＝ＡＸＢ      …(2)
［5］上記［4］の腐食量予測方法において、（2）式中のＢの値が０．３〜０．６であることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
［6］上記［5］の腐食量予測方法において、（2）式中のＢの値が０．６であることを特徴とする屋外環境における鋼材の腐食量予測方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、変数が少なくデータ採取が容易であり、しかも短期間の暴露試験の結果により定まる予測式を用いることにより、雨がかりのある屋外環境における鋼材の腐食量を精度良く且つ迅速・簡便に予測することができ、しかも世界中のあらゆる環境での鋼材腐食量の予測が可能である。また、短期間で腐食量の予測ができることにより、各種鋼材選定の信頼性が向上し、構造物の最適設計を図ることができ、また、メンテナンス費用も最小に抑えることが可能になる。また、国内とは異なり海外の多くの地域は気象データに乏しいという問題があるが、本発明は３つのパラメータのデータ採取だけでよいため、汎用性が高く、気象データが少ない地域にも適用することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】飛来塩分量と鋼材の年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との関係を示すグラフ
【図２】年間平均気温Ｔと鋼材の年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との関係を示すグラフ
【図３】年間濡れ時間と鋼材の年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との関係を示すグラフ
【図４】本発明の予測方法で求めた鋼材の年間腐食量Ａｐと鋼材の年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との関係を示すグラフ
【図５】特許文献２，３の予測方法で求めた鋼材の年間腐食量Ａｐと鋼材の年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との関係を示すグラフ
【図６】ｋが許容範囲の上限及び下限である場合（α＝-2.231、β=0.396、γ＝0.028）の予測線（点線）を示すグラフ
【図７】αが許容範囲の上限及び下限である場合（k＝1.35、β=0.396、γ＝0.028）の予測線（点線）を示すグラフ
【図８】βが許容範囲の上限及び下限である場合（k＝1.35、α＝-2.231、γ＝0.028）の予測線（点線）を示すグラフ
【図９】γが許容範囲の上限及び下限である場合（k＝1.35、α＝-2.231、β=0.396）の予測線（点線）を示すグラフ
【図１０】期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係を示すグラフ
【図１１】実験室で行った腐食試験方法を示す説明図
【図１２】実験室で行った腐食試験により得られた年間腐食量ＡＱと推定年間腐食量ＡＳとの関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第一の腐食量予測方法は、鋼材の年間腐食量Ａを求めるものであり、雨がかりのある屋外環境における鋼材の年間腐食量Ａ（mm）を、年間平均気温Ｔ（℃）、雨がかりなどによる年間濡れ時間ＴＯＷ（ｈ）（但し、雨がかりしている時間と、雨がかりしていないが相対湿度が８０％以上である時間の合計）及び飛来塩分量Ｓa（mdd）を用いて、下記（1）式により求める予測方法であって、
Ａ＝kＴα・ＴＯＷβ・Ｓaγ    …（1）
対象となる鋼材について、（1）式中のk、α、β及びγの各値を暴露試験により求めるものである。
【００１３】
ここで、雨がかりのある屋外環境における鋼材とは、雨で濡れること（若しくは付着塩分の潮解や結露などにより鋼材表面に水分が付着する環境にあること）により、付着した腐食促進物質（塩分など）を洗い流す作用が生じ得る環境に置かれた鋼材を意味する。また、上記暴露試験は、１〜２年程度の短期間の暴露試験でよく、ＪＩＳ−Ｚ２３８３：１９９８に準じて行なうことができる。
また、実際に雨がかりしていなくても、上記のように鋼材表面がぬれる場合があるため、本発明における「雨がかりなどによる年間濡れ時間ＴＯＷ（ｈ）」は、雨がかりしている時間と、雨がかりしていないが相対湿度が８０％以上である時間の合計とする。
【００１４】
表１に世界各地の暴露環境と鋼材（炭素鋼）の年間腐食量ＡＲを示す。これらのデータは各地で行われた短期間（１年間）の暴露試験により得られたものである。ここで、気候区分に示した記号は、ケッペンの気候区分における気候区であり、それぞれ、Cfa：温暖湿潤気候、Cwa：温暖冬季少雨気候、Aw：サバナ気候、Am：熱帯モンスーン気候、BW：砂漠気候である。図１は、表１の暴露試験結果について飛来塩分量Ｓａと鋼材の年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との相関をみたものである。国内では、鋼材の腐食量は飛来塩分量に大きく依存することが知られている。しかし、図１によると、飛来塩分量Ｓａと年間腐食量ＡＲには、世界各地のデータでの統一的な相関は認められない。但し、各気候区分毎では、飛来塩分量Ｓａと年間腐食量ＡＲには相関があることが判る。また、図２は、表１の暴露試験結果について年間平均気温Ｔと年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との相関をみたものであるが、これもあまり明確な相関は認められない。
図３は、表１の暴露試験結果について年間濡れ時間ＴＯＷと年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との相関をみたものである。年間濡れ時間ＴＯＷと年間腐食量ＡＲには、飛来塩分量Ｓaより高い相関が認められる。すなわち、世界的にみると、年間腐食量ＡＲは、飛来塩分量Ｓaよりも年間濡れ時間ＴＯＷとの相関が高いことが判った。
【００１５】
【表１】
0005895522.tif 000002
【００１６】
以上の結果から、年間濡れ時間ＴＯＷによる相関関係を基本とし、飛来塩分量Ｓaと年間平均気温Ｔによって補正することにより、さらに予測精度が向上すると考えた。
特許文献２，３に示される雨がかりない場合の予測式では、年間腐食量Ａは、Ａ＝（α・Ｔ＋β）・Ｐw（Ｔ，Ｈ）・（Ｓaγ）で表わされており、濡れ時間比率Ｐw（Ｔ，Ｈ）に比例すると考えられている。これに対して、雨がかりがある場合には、濡れることにより、塩分などの腐食促進物質を洗い流す作用が生じるため、必ずしも正比例するとは限らない。そこで、本発明では、年間濡れ時間ＴＯＷに対し、ＴＯＷβと指数を設け、腐食量の予測式として下記（1）式を考えた。
Ａ＝kＴα・ＴＯＷβ・Ｓaγ    …（1）
ここで、特許文献２，３に示された濡れ時間比率Ｐw（Ｔ，Ｈ）は濡れ時間の１年の時間（３６５×２４時間＝８７６０時間）に対する比率なので、それらの積が本発明の(1)式のＴＯＷに相当する。つまり、ＴＯＷ＝８７６０時間×Ｐw（Ｔ，Ｈ）である。
【００１７】
表１の暴露試験データを上記（1）式を用いて重回帰分析することで表２に示す結果が得られ、これに基づき上記（1）式の各係数を決めた。すなわち、表２の結果から、炭素鋼におけるk、α、β及びγについて、それぞれk＝1.35、α＝-2.231、β＝0.396、γ＝0.028という値が得られた。この係数を上記（1）式に適用し、表１の年間平均気温Ｔ、年間濡れ時間ＴＯＷ、飛来塩分量Ｓａに基づき年間腐食量Ａ（予測腐食量）を求めた結果を表３に示す。また、図４に、この年間腐食量と表１に示される年間腐食量ＡＲ（実腐食量）との相関関係を示す。飛来塩分量、濡れ時間の単相関よりも精度が格段に向上していることが判る。また、β＝0.396であり、濡れ時間が増加しても腐食量は比例して増加しない結果となっており、これは、想定したとおり、洗い流し作用が予測に反映されたためであると考えられる。
【００１８】
【表２】
0005895522.tif 000003
【００１９】
【表３】
0005895522.tif 000004
【００２０】
以上の結果から、対象となる鋼材について、k、α、β及びγの各値を暴露試験により求めた上記（1）式を用いることにより、雨がかりのある屋外環境における鋼材の年間腐食量Ａを精度良く予測できることが判る。
ここで、対象となる鋼材は炭素鋼などである。炭素鋼とは、炭素含有量が０．０２〜２．１４mass％の鋼材であり、一般に普通鋼と呼ばれるＪＩＳ−Ｇ３１０１規定の一般構造用圧延鋼材、ＪＩＳ−Ｇ３１０６規定の溶接構造用圧延鋼材、ＪＩＳ−Ｇ３１２９規定の鉄塔用高張力鋼鋼材、ＪＩＳ−Ｇ３１３６規定の建築構造用圧延鋼材、及び耐候性鋼と呼ばれるＪＩＳ−Ｇ３１１４規定の溶接構造用耐候性熱間圧延鋼材、ＪＩＳ−Ｇ３１２５規定の高耐候性圧延鋼材などが含まれる。
【００２１】
図４において点線で示した「上限９５%」、「下限９５％」は、重回帰分析の結果得られた標準誤差（表２に記載の０．０７０）を基に計算された、信頼区間が９５％になるそれぞれの係数の上限線と下限線である。これに基づき、ｋ，α，β，γの各値について、それぞれ許容できる範囲を求めた。
ｋに関しては、α，β，γを固定した（α＝-2.231、β＝0.396、γ＝0.028）ときに、図４に示した点線と一致する範囲として、0.98≦k≦1.89を得た。また、αに関しては、ｋ，β，γを固定した（k＝1.35、β＝0.396、γ＝0.028）ときに、図４に示した点線と一致する範囲として、-2.330≦α≦-2.130を得た。また、βに関しては、ｋ，α，γを固定した（k＝1.35、α＝-2.231、γ＝0.028）ときに、図４に示した点線と一致する範囲として、0.370≦β≦0.440を得た。さらに、γに関しては、ｋ，α，βを固定した（k＝1.35、α＝-2.231、β＝0.396）ときに、図４に示した点線と一致する範囲として、-0.080≦γ≦0.140を得た。係数ｋ，α，β，γが上限および下限を取る場合の予測線を図６〜図９に示した。
【００２２】
本発明の腐食量予測方法で用いる上記（1）式は、変数が３つと少なくデータ採取が容易であり、しかも短期間の暴露試験の結果により簡便に規定することができ、したがって、このような予測式を用いることにより、雨がかりのある屋外環境における鋼材の腐食量を精度良く且つ迅速・簡便に予測することができる。また、世界中のあらゆる環境での鋼材腐食量の予測に適用でき、特に３つの変数のデータ採取だけでよいため、汎用性が高く、気象データが少ない地域にも適用することができる。
【００２３】
本発明の第二の腐食量予測方法は、上述した第一の腐食量予測方法（（1）式）により求められた年間腐食量Ａを用いて鋼材の経年腐食量Ｙを求めるものである。すなわち、この鋼材の腐食量予側方法は、飛来塩分量Ｓaが０．４mdd以下である場合に、上記第一の腐食量予測方法で求められた年間腐食量Ａ（mm）を用いて、下記（2）式によりＸ年経過後の経年腐食量Ｙ（mm）を求める。
Ｙ＝ＡＸＢ      …(2)
ここで、この腐食量予測方法が、飛来塩分量Ｓａが０．４mdd以下である場合に限られるのは、飛来塩分量が０．４mddを超えるとさびの保護効果が小さくなり、上記（2）式のＢの値が０．６を超えるようになること、また、Ｂ値を求めた表４のデータは、いずれも０．４mdd以下の暴露環境で得られたものであるためである。
【００２４】
図１０は期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係を示した特性図であり、腐食寿命の判断の目安は、例えば１００年の推定片側板厚減少量が０．５ｍｍ以下である。この期間Ｘと鋼材の腐食量Ｙとの関係は、上記（2）式により表される。この式において、Ｂ値はさびの保護性を表している。鋼材の耐食性が高ければ図１０の特性の初期の傾きは小さく、さびの保護性が高ければ経年腐食量Ｙの長期経過後の値は小さくなる。
【００２５】
次に、上記（2）式中のＢ値について説明する。このＢ値は、２〜５年の短期間の暴露試験を行って腐食量を経時的に測定したデータから求めることができる。一般に鋼材の表面にさびが生成していくと、さびが水、酸素、塩分の透過を抑制するために、腐食速度は小さくなる。このとき腐食反応が物質移動で律速される状態では、ＹはＸに対し、理論上放物線則、すなわちＢ＝１／２乗則に従うことが知られているが、本発明では、より精度を高めるため実際の暴露試験の結果からＢ値を求める。表４に、種々の地域で実際の雨がかりのある暴露試験を複数年実施し、その結果から（2）式を用いて回帰分析して求めたＢの値を示す。この結果から、Ｂ値は理論値（Ｂ＝０．５）近傍の０．３〜０．６の値をとることが判った。したがって、Ｂ値はこの範囲とすればよいが、この数値範囲においてＢ値が小さいほど経年の予測腐食量は小さくなり、予測腐食量が構造物の設計などに使用されることを考えると、安全側に設定することが望ましい。したがって、Ｂ値は０．５〜０．６とすることが好ましく、特に０．６とすることがより好ましい。
【００２６】
【表４】
0005895522.tif 000005
【００２７】
以上述べた本発明の第二の腐食量予測方法によれば、上記(1)式で求められた年間腐食量Ａを利用して鋼材の経年腐食量を予測することができるので、さきに述べた本発明の第一の腐食量予測方法の利点を全て享有しつつ、鋼材の寿命を精度良く且つ迅速・簡便に予測することができる。
【実施例】
【００２８】
さきに挙げた表３と図４は、表１の世界各地の暴露環境における炭素鋼の年間腐食量ＡＲ（実腐食量）に対して、本発明法に従い（1）式（k＝1.35、α＝-2.231、β=0.396、γ＝0.028）を用いて予測した年間腐食量Ａを示すものである。これによれば、本発明法により求められる予測値と実腐食量とはよい相関を示しており、他の地域での腐食量の予測にも有力な手法となり得ることが理解できる。
また、表１のデータに基づき特許文献２，３に示された予測方法を用いて年間腐食量を求め、実腐食量（年間腐食量ＡＲ）との相関をみた。その結果を図５に示すが、両者には全く相関がなく、特許文献２，３の予測方法では「雨がかりのある屋外環境における鋼材の腐食量」は予測できないことが判る。
【００２９】
また、本発明の有効性を確認するために、実験室において環境条件を制御した状態で鋼材の腐食試験を行い、その結果と本発明による予測方法との乖離の程度を調べた。
試料としては、一般に普通鋼と呼ばれるＪＩＳ−Ｇ３１０６規定の溶接構造用圧延鋼材（試験面積１０ｃｍ×１０ｃｍ）を使用した。
実験室で行った腐食試験方法を図１１に示す。温度及び湿度が調整できる装置を用いて、乾燥（４０％ＲＨ）、湿潤（９５％ＲＨ）を組合わせ、１サイクルで２４時間となるように設定し、３６５サイクル行なった。１サイクルを２４時間としたのは、日間の乾湿を再現するためである。
【００３０】
このとき、年間濡れ時間（ＴＯＷ）は、さきに示したとおり濡れ時間比率に８７６０時間を乗じたものであり、１日あたりの湿潤（９５％ＲＨ）時間ｔより、
ＴＯＷ（ｈ）＝ｔ（ｈ）／２４×８７６０
とした。
温度の調整は、乾燥を高温側、湿潤を低温側とし、２４時間の平均温度を年間平均気温Ｔ（℃）とした。
塩分の付与は、７日間（７サイクル）に１回、試料を試験機から取り出して、表５に記載の塩分量（付着塩分量）が試料試験面に乗るように、人工海水を試料の試験面全体に均一に塗布した。なお、塗布する直前には、降雨洗浄を再現するため、水道水にて放水量２Ｌ、時間１０秒程度の水洗を行い、その後、冷風乾燥を行った。
【００３１】
３６５サイクル終了後、従来公知の除錆方法により試料を酸洗して錆部分を溶解し、酸洗前後の試料の質量減少分より年間腐食量ＡＱを求めた。
設定した腐食試験条件と、その時の平均気温、年間濡れ時間（ＴＯＷ）、飛来塩分量及び得られた年間腐食量ＡＱを表５に示す。
また、（1）式を用い、k＝１．３５、α＝−２．２３１、β＝０．３９６、γ＝０．０２８として、上記の条件の時の推定年間腐食量ＡＳを算出した。この際、飛来塩分量（mg/dm２/day）としては、表５に記載の付着塩分量を７で除した値を用いた。この算出された推定年間腐食量ＡＳを表５に併せて示す。
実験で得られた年間腐食量ＡＱと、（1）式を用いて算出した推定年間腐食量ＡＳとの関係を図１２に示すが、両者は良い相関を示すことが判る。
【００３２】
【表５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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