(57)【要約】【課題】本発明は、コンクリートの性質を変化させず、実環境で生成する鉄さびと同じ組成の鉄さびを可能な限り簡便かつ短時間で生成できる新規な鉄筋腐食促進試験装置を提供すること。【解決手段】酸素供給量増加のために用いる加圧チャンバーと、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させる酸素供給装置又は酸素加圧装置とを備え、当該加圧チャンバーに前記セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を設置すると共に、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させて当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素供給量増加のために用いる加圧チャンバーと、
前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させる酸素供給装置又は酸素加圧装置とを備え、
当該加圧チャンバー内にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を設置すると共に、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させて当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させることを特徴とする鉄筋腐食促進試験装置。
【請求項２】
さらに、前記加圧チャンバー内に溜まるＮａＣｌ水溶液を有し、
当該ＮａＣｌ水溶液にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を浸漬させることを特徴とする請求項１に記載の鉄筋腐食促進試験装置。
【請求項３】
前記ＮａＣｌ水溶液での塩化物イオン濃度は、単位体積当たりのコンクリート換算で８．２×１０−５ｋｇ／ｍ３以上、５０ｋｇ／ｍ３以下であることを特徴とする請求項２に記載の鉄筋腐食促進試験装置。
【請求項４】
前記ＮａＣｌ水溶液の濃度はモルタル、セメント、又はコンクリートの練り混ぜに用いた水のＮａＣｌ濃度と同じになるように調整されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の鉄筋腐食促進試験装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の鉄筋腐食促進試験装置において、
さらに、前記加圧チャンバー内の湿度を制御する湿度制御部と、
前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させる酸素圧力制御部とを備え、
前記酸素圧力制御部によって、当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させることを特徴とする鉄筋腐食促進試験装置。
【請求項６】
前記湿度制御部は、加湿器で供給するガスを加湿する、および／もしくはチャンバー内に所定の無機塩の飽和溶液を設置して、前記加圧チャンバー内の湿度を制御することを特徴とする請求項５に記載の鉄筋腐食促進試験装置。
【請求項７】
前記加圧チャンバー内の酸素圧力の上昇は、大気の酸素分圧を基準として２倍以上２００倍以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の鉄筋腐食促進試験装置。
【請求項８】
加圧チャンバー内にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を設置し、
前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させて当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させ、
当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体に埋設された鉄筋の腐食を促進する試験法。
【請求項９】
さらに前記加圧チャンバー内に所定の無機塩の飽和溶液を設置して、前記加圧チャンバー内の湿度を調整することを特徴とする請求項８記載の鉄筋腐食促進試験法。
【請求項１０】
供試体であるコンクリート換算で所定の塩化物イオン濃度となるようなＮａＣｌ水溶液を調整し、
当該ＮａＣｌ水溶液を加圧チャンバー内に充填し、
当該加圧チャンバー内のＮａＣｌ水溶液にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を浸漬し、
前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させて当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させ、
当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体に埋設された鉄筋の腐食を促進する試験法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメント、モルタル、又はコンクリートの内部の鉄筋腐食を加速させる鉄筋腐食促進試験法およびこれに用いる試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速道路や鉄道の高架橋など大型で高耐荷重が要求される構造物の材料にはコンクリートが必要不可欠である。我が国は１９５０年代から１９７０年代までに高度経済成長期を迎え、特に１９６４年に開催された東京オリンピックの際にインフラ設備の充実を図ったために、コンクリート構造物が多数建設された。それから約５０年が経過し、これらの構造物の多くが経年劣化のために補修・建て直しを必要としている。コンクリート内部には引張強度向上のために鉄筋が埋設されている。コンクリート構造物の経年劣化によりコンクリートの剥離や崩落などの事故がしばしば報告されているが、その原因の大部分は鉄筋の腐食および生成した鉄さびによるものである。すなわち、安心・安全な構造物の補修や建設のためにはコンクリート内部の腐食挙動の検討が必須であるといえる。このようなコンクリート構造物の鉄筋腐食診断技術については、例えば、非特許文献１に解説がある。
【０００３】
腐食挙動の検討は、鉄試料を腐食環境に置くことで行われる。例えば、特許文献１では、原子炉、化学プラント、海底油田のような海洋構造物に好適なステンレス鋼の腐蝕試験法を提案している。特許文献２では、実環境シミュレート大気腐食試験装置を提案している。さらに、特許文献３では、自動車の居住空間内に配置されたワイヤーハーネスについての腐食試験法を提案している。
一方、コンクリート内部はアルカリ環境であり鉄は保護性の高い酸化皮膜（不働態皮膜）に覆われるため、腐食は極めて緩やかである。このため、実環境ではコンクリートが剥離するほどの腐食の進行には数十年以上を要するといわれている。新規開発された耐食鋼や耐候性鋼、補修剤を使用したコンクリートの劣化にはさらに長い期間がかかり、クラックなどの欠陥のないコンクリート内部の鉄筋の腐食を実環境で予測することはほぼ不可能である。そこで、鉄筋の腐食を促進させ短時間で鉄さびの生成が可能な腐食加速試験が必須である。
【０００４】
現在、例えば非特許文献２に示すように、コンクリート試験体内部の鉄試料を短期間で腐食させるため、電食試験法、乾湿繰返し試験法、オートクレーブ法などの加速試験法が提案されている。また、腐食の主因子と考えられている塩化物イオン導入には、電気泳動法、塩（ＮａＣｌ）練り込みなどが行われている。いずれの試験法においても、厳しい腐食環境に試験体をさらすことで比較的短時間で鉄試料を腐食させることが可能である。しかし、いずれの試験法にも課題が存在する。
【０００５】
例えば電食試験法は、ひび割れを起こす鉄筋腐食減量を得るのに用いられており、目的のさび厚さ（＝腐食量）を定電流アノード分極により短時間で達成可能である。しかし、実環境で生成する鉄さびとは異なった組成の鉄さび（塩化物イオンを含む鉄酸化物や鉄水酸化物）が生成する場合がある。塩化物を含む鉄さびは実際の鉄さびと膨張率が大きく異なるため、さび量とコンクリートのひび割れ発生の正確な関係を検討できていない。
乾湿繰り返し試験法では、実環境の乾燥環境と湿潤環境を模擬し、湿潤と乾燥を交互に繰り返すことで鉄試料を腐食させる。この方法では、実環境の鉄さびと同様のさびを生成することができるが、他の加速試験法と比較して多くの時間と手間がかかる。
【０００６】
オートクレーブ法では、高温高圧下に試験体を置くことで腐食を加速させるが、コンクリートの組織が変化するおそれがあり、正確なコンクリートの強度評価を行えない。
電気泳動および塩分練込みは、鉄試料表面の不働態皮膜を破壊する塩化物イオンをコンクリート内部に導入するために行うが、電気泳動では塩化物イオンの供給が継続するため、塩化物イオンを含んだ鉄さびができることが多い。また、塩分練込みではコンクリート試験体の力学特性を変化させるおそれがある。
以上より、コンクリートの性質を変化させず、実環境で生成する鉄さびと同じ組成の鉄さびを可能な限り簡便かつ短時間で生成できる新規腐食促進試験法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ０３／０７３０７３  Ａ２
【特許文献２】特開２００６−２５８５０６号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１０／０１６２６５  Ａ１
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】コンクリート構造物の鉄筋腐食診断技術に関する共同研究報告書  独立行政法人土木研究所、日本構造物診断技術協会  （平成１５年１１月）
【非特許文献２】ＪＣＩ規準集（２００４）  コンクリート構造物の腐食・防食に関する試験方法ならびに規準  日本コンクリート工業会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述した課題を解決するもので、コンクリートの性質を変化させず、実環境で生成する鉄さびと同じ組成の鉄さびを可能な限り簡便かつ短時間で生成できる新規な鉄筋腐食促進試験法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の鉄筋腐食促進試験装置は、酸素供給量増加のために用いる加圧チャンバーと、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させる酸素供給装置又は酸素加圧装置とを備え、当該加圧チャンバー内にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を設置すると共に、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させて当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の鉄筋腐食促進試験装置において、好ましくは、加圧チャンバー内に溜まるＮａＣｌ水溶液を有し、当該ＮａＣｌ水溶液にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を浸漬させるとよい。
本発明の鉄筋腐食促進試験装置において、好ましくは、加圧チャンバー内に充填されるＮａＣｌ水溶液は、単位体積当たりのコンクリート換算で８．２×１０−５ｋｇ／ｍ３以上、５０ｋｇ／ｍ３以下の塩化物イオン濃度を有するとよい。８．２×１０−５ｋｇ／ｍ３(０．０２ｍｍｏｌ／Ｌ)は雨水の塩化物イオン濃度の代表的な値であり、内陸で使用されるコンクリート構造物にとって事実上の下限値である。５０ｋｇ／ｍ３を超える塩化物イオン濃度は、海砂を粗骨材として用いた場合や直接ＮａＣｌの粉末をコンクリートに混ぜ込んだ際に、飽和ＮａＣｌ溶液の上限値を超える場合の、海洋コンクリートにおける実質上の上限値である。なお、飽和ＮａＣｌ溶液を水セメント比５０％で海洋コンクリートに練り込む場合は、例えばコンクリート換算で約３９．３ｋｇ／ｍ３である（土木学会「コンクリート標準示方書〈施工編〉２０章海洋コンクリート」の配合参照）。さらに好ましくは、加圧チャンバー内に充填されるＮａＣｌ水溶液は、単位体積当たりのコンクリート換算で２ｋｇ／ｍ３以上、１０ｋｇ／ｍ３以下の塩化物イオン濃度を有するとよく、特に好ましくは海水の塩化物イオン濃度に相当する５ｋｇ／ｍ３であるとよい。
本発明の鉄筋腐食促進試験装置において、好ましくは、当該ＮａＣｌ水溶液の濃度はモルタルもしくはセメントの練り混ぜに用いた水のＮａＣｌ濃度と同じになるように調整されているとよい。
【００１２】
本発明の鉄筋腐食促進試験装置において、好ましくは、さらに、前記加圧チャンバー内の湿度を制御する湿度制御部と、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させる酸素圧力制御部とを備え、前記酸素圧力制御部によって、当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させるとよい。
本発明の鉄筋腐食促進試験装置において、好ましくは、前記湿度制御部は、加湿器で供給するガスを加湿する、および／もしくはチャンバー内に所定の無機塩の飽和溶液を設置して、前記加圧チャンバー内の湿度を制御するとよい。
本発明の鉄筋腐食促進試験装置において、好ましくは、前記加圧チャンバー内の酸素圧力の上昇は、大気の酸素分圧を基準として２倍以上２００倍以下であるとよい。２倍未満では、当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量の増加が充分でなく、鉄筋腐食の促進が充分でない。２００倍を超す場合は、加圧チャンバーに過度な耐圧性が必要となり、設備価格が高騰する。さらに好ましくは、前記加圧チャンバー内の酸素圧力の上昇は、大気の酸素分圧を基準として１５倍以上１００倍以下であるとよい。
【００１３】
本発明の鉄筋腐食促進試験法は、加圧チャンバー内にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を設置し、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させて当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させ、当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体に埋設された鉄筋の腐食を促進する試験法である。
本発明の鉄筋腐食促進試験法において、好ましくは、さらに加圧チャンバー内に所定の無機塩の飽和溶液を設置して前記加圧チャンバー内の湿度を調整する工程を有するとよい。
【００１４】
本発明の鉄筋腐食促進試験法は、供試体であるコンクリート換算で所定の塩化物イオン濃度となるようなＮａＣｌ水溶液を調整し、当該ＮａＣｌ水溶液を加圧チャンバー内に充填し、当該加圧チャンバー内のＮａＣｌ水溶液にセメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体を浸漬し、前記加圧チャンバー内の酸素圧力を上昇させて当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体の内部への酸素供給量を増加させ、当該セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体に埋設された鉄筋の腐食を促進させる試験法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、コンクリート、モルタルおよびセメント試験体の内部への酸素供給量を増加することで、試験体に埋設した鉄試料の腐食反応を促進することができる。さらに詳しくは、酸素供給量の増加により腐食反応のカソード反応である酸素還元反応を促進することで、カソード反応と対になって進行するアノード反応である鉄の酸化反応を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかるセメント試験体又はモルタル試験体の概略図および外観写真である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態にかかる加圧チャンバーの概念的構成図である。
【図３】図３は、様々なかぶりのセメント内部の鉄試料のカソード分極曲線から得られた、酸素拡散限界電流密度とかぶりの逆数の関係を示す図である。
【図４】図４は、各条件で腐食加速試験を行った際の鉄試料表面の光学顕微鏡像を示す図である。
【図５】図５は、各条件で試験を行った鉄試料の断面ＳＥＭ反射電子像を示す図である。
【図６】図６は、０．５ＭＰａの加圧酸素下で試験を行った鉄試料表面の腐食生成物のラマンスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかるセメント試験体又はモルタル試験体の説明図で、（Ａ）は概略図、（Ｂ）は外観写真である。
図において、セメント試験体又はモルタル試験体１０は、例えば外径Ｄが３０ｍｍ、高さＨが２５ｍｍの円筒体よりなるセメント又はモルタル１１と、この内部に収容された鉄試料１２で構成されている。ここで、セメントとは、セメント材料を水で練混ぜたセメントペーストを固化させたものをいう。モルタルとは、セメントペーストに砂（細骨材）を練混ぜたものをいう。セメント材料は、ポルトランドセメントの場合は、石灰石、粘土、けい石、酸化鉄原料、せっこうである。これらの原料を調合し、原料ミルで粉砕し、ロータリーキルンで１４５０℃以上の高温で焼成され、水硬性をもった化合物の集まりであるクリンカとなり、このクリンカを粉砕してポルトランドセメントが製造される。セメント材料には、ポルトランドセメントに加えて、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント、超速硬セメント、アルミナセメント等がある。セメント試験体又はモルタル試験体１０に代えて、コンクリート試験体を用いても良い。コンクリートとは、セメントペーストに砂（細骨材）、砂利（粗骨材）、並びに必要に応じて他の混和材料を練混ぜたものをいう。混和材料には、独立気泡を連行するＡＥ材、セメントを分散する減水材、硬化促進剤、防錆剤、付着モルタル安定剤、凝結遅延剤、促進剤、急結剤、収縮低減剤、分離低減剤、起泡剤、発泡剤、防凍剤、耐寒促進剤等がある。
【００１８】
鉄試料１２は、鉄試料１２の底面がセメント又はモルタル１１と接触していると共に、鉄試料１２の表面および周側面はエポキシ樹脂の被覆層１５で覆われている。鉄試料１２の表面には、塩化ビニル製等の絶縁性棒材１３を用いて、導線１４が接触した状態で固定されている。鉄試料１２の底面でのセメント又はモルタル１１のかぶり１６は、１〜５０ｍｍの範囲で適宜に選定されている。導線１４には、導電性のある金属製の線材、例えば銅線が用いられている。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態にかかる加圧チャンバーの概念的構成図である。
図において、加圧チャンバーとしての鉄筋腐食促進試験装置２０は、筐体２１、フランジ２２、蓋部２３、観察窓２４、酸素供給弁２５、酸素放出弁２６、圧力ゲージ２７、ＮａＣｌ水溶液２８、並びに試験体支持板２９を有している。
【００２０】
筐体２１は、耐圧容器としての仕様として２ＭＰａ以上がよく、好ましくは５ＭＰａ以上であるとよい。大気圧は約０．１ＭＰａであるため、耐圧容器材料としては鋼製やチタン製が好ましい。チタン製は、鋼製と比較すると、塩による局部腐食に強い。筐体２１の頂部開口部にはフランジ２２が設けられていると共に、蓋部２３とシール材（図示せず）によって筐体２１内部の密封状態を保持する。観察窓２４は、蓋部２３に設けられたもので、筐体２１内部の状態を目視するために、透明なガラス等で構成されている。酸素供給弁２５は、筐体２１内部に酸素を供給するための弁であり、例えば酸素ボンベと接続されている。酸素放出弁２６は、筐体２１内部から酸素を外部に放出するための弁であり、例えば酸素循環用の配管系に接続されている。圧力ゲージ２７は、筐体２１内部の酸素圧力を測定する為の圧力計である。
【００２１】
ＮａＣｌ水溶液２８は、筐体２１内部に蓄えられるもので、セメント試験体又はモルタル試験体１０を浸した状態でも良く、またセメント試験体又はモルタル試験体１０が露出した状態の水量でも良い。試験体支持板２９は、筐体２１内部に設けられたセメント試験体又はモルタル試験体１０を支持する板材である。
加圧チャンバー内の湿度の範囲は、相対湿度３０％（ＭｇＣｌ２飽和水溶液による）以上９８％（Ｋ２ＳＯ４飽和水溶液による）以下がよい。この湿度範囲は、通常屋外にコンクリートを設置した際の乾湿変化に対応しているので実験条件として妥当である。
【実施例】
【００２２】
次に、実施例におけるセメント試験体又はモルタル試験体１０の各構成要素について、さらに詳細に説明する。
鉄試料１２には、９９．５％鉄板（株式会社ニラコ）、厚さ１ｍｍの材質・形状とした。この鉄板を試料面積５×５ｍｍ2となるように切断した後、ＳｉＣ耐水研磨紙（丸本ストルアス株式会社）で＃８００まで研磨し、エタノールで５分間超音波洗浄した。その後、裏面に導線をはんだ付けし、おもて面以外をエポキシ樹脂（ショーボンド建設株式会社）で絶縁被覆した。
【００２３】
続いて、上記で作製した鉄試料１２を、セメント又はモルタルに埋設し、セメント試験体又はモルタル試験体１０とした。図１（Ａ）に示した通り、セメント試験体又はモルタル試験体１０ではかぶり１６を１〜５０ｍｍに変化させた。ただし、かぶり２０ｍｍ以上の試験体に関しては側面や上面から鉄試料表面までの距離がかぶりよりも小さくならないよう試験体を大きくした。動電位カソード分極試験に用いた試験体にはＮａＣｌを練り込まず、酸素供給増加による腐食加速試験に供した試験体には［Ｃｌ−］＝５ｋｇ／ｍ３（コンクリート換算）となるように１．０３ＭのＮａＣｌ水溶液を練り込んだ。セメント又はモルタルを打設する際にはセメント協会が提供している力学試験用標準セメントと標準砂を用い、水セメント比は６０％、セメント細骨材比は１：３とした。それぞれの養生期間は２８日とし、水中で養生した。
【００２４】
各試験で用いたセメントとモルタルの組成および練り込んだＮａＣｌ濃度を表１に示す。
【表１】
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【００２５】
続いて、動電位カソード分極曲線測定について説明する。
セメント試験体又はモルタル試験体内に埋設した鉄試料表面における酸素還元反応を検討するため、動電位カソード分極曲線測定を行った。参照電極にはＨｇ／ＨｇＯ電極を用い（−０．０９８Ｖ  ｖｓ．ＳＨＥ（１Ｍ  ＮａＯＨ））、対極には白金線を用いた。電位掃引速度は２０ｍＶ／ｍｉｎとし、自然電位から−１Ｖ（ｖｓ．Ｈｇ／ＨｇＯ）まで分極測定を行った。溶液には室温の飽和Ｃａ（ＯＨ）２を用いた。試験体を養生した後、溶液中に１０分間浸漬し、自然電位が定常になったことを確認してから分極を開始した。試験体のかぶりはセメント試験体では１、２、５、１０、２０、５０ｍｍ、モルタル試験体では３、５、１０、２０、５０ｍｍとした。比較としてセメント又はモルタルに埋設していない試料（かぶり０ｍｍ）を用意し、同様にカソード分極測定を行った。
【００２６】
次に、酸素加圧による腐食加速試験について説明する。
コンクリート内部の鉄筋の腐食がアルカリ水溶液中と比較して著しく抑制されるのは、コンクリート内部での酸素拡散が非常に遅いためであるという仮説から、鉄試料表面への酸素供給量を増加させ腐食を促進させる腐食加速試験を着想した。
【００２７】
この加圧チャンバー内に、単位体積当たりのコンクリート換算で［Ｃｌ−］＝５ｋｇ／ｍ３となるように調整したＮａＣｌ水溶液に浸漬したセメント試験体又はモルタル試験体を設置し、チャンバー内の酸素圧力を上昇させることで大気中の酸素供給量を増加させた。チャンバー内の酸素圧は０．５ＭＰａ（５気圧）とし、大気圧の２５倍の酸素供給圧下でセメント又はモルタル内部への酸素供給量を増加した。試験期間は３０日間とした。比較として、同様に作製したセメント・モルタル試験体を［Ｃｌ−］＝５ｋｇ／ｍ３（コンクリート換算、１．０３ｍｏｌ／Ｌ）のＮａＣｌ溶液に大気中で３０日間浸漬した。用いたセメント試験体又はモルタル試験体のかぶりは５ｍｍとした。
【００２８】
腐食加速試験後、セメント試験体又はモルタル試験体を割裂して鉄試料を取り出し、光学顕微鏡（３Ｄ１ｓｈｏｔ、キーエンス）用いて鉄試料表面観察を、走査電子顕微鏡（Ｑｕａｎｔａ  ＦＥＧ，ＦＥＩ）を用いて試料断面観察を行った。さらに、鉄試料表面に生成した鉄さびの結晶構造の分析を行うため、試験後の鉄試料表面のレーザーラマン分光測定を行った。レーザーラマン分光測定には（ＲＡＭＡＮ  ｐｌｕｓ、ナノフォトン）を使用した。レーザー波長は５３２ cm-1である。鉄試料の取り出しから分析まで時間が空く際には、鉄試料はシリカゲルを敷き詰めた真空デシケーター内で保管した。
【００２９】
続いて、セメント又はモルタル内部の鉄表面における酸素還元反応について説明する。セメントに埋設した鉄試料ではいずれのかぶり（１ｍｍ〜５０ｍｍ）においても溶液に暴露した試料（かぶり０ｍｍ）と比較して自然電位付近の酸素還元電流密度が著しく減少した。また、自然電位付近の酸素還元電流密度はかぶりが大きくなるほど減少する傾向にあった。
【００３０】
モルタル内部においても、セメント内部と同様に、かぶり０ｍｍと比較して自然電位付近の酸素還元電流密度が著しく減少し、その値はかぶりが大きくなるほど減少した。セメント内部又はモルタル内部を比較すると、同じかぶりではセメント内部の酸素還元電流密度が低くなる傾向が得られた。溶存酸素は拡散によりセメント・モルタル細孔内の水層に供給される。外部と鉄表面の距離、すなわちかぶりが大きいほど酸素拡散に要する時間が増加するためカソード分極曲線の酸素還元電流密度が減少したと考えられる。モルタル内部においてはセメント‐細骨材界面においてセメント内部よりも大きな細孔が存在することが知られており、より大きな細孔が存在することで酸素拡散係数が大きくなることが報告されている。これらの結果から、モルタル内部においては比較的大きな細孔内部に存在する水が酸素拡散のパスとなるために酸素還元電流密度が増加したと考えられる。
【００３１】
セメント又はモルタル内部の酸素還元反応が酸素拡散に律速されていると仮定すると、カソード分極における酸素還元電流密度は酸素拡散電流密度として表される。すなわち、酸素拡散電流密度と拡散層厚さからなる拡散方程式に当てはめることが可能である。酸素の拡散方程式は次式で表される。
【数１】
2018063176.tif 000004
【００３２】
ここでｉＬは酸素拡散限界電流密度（Ａ／ｍ２）、zは荷電子数、Ｆはファラデー定数（Ｃ／ｍｏｌ）、Ｄは溶存酸素拡散定数（ｍ２/s）、Ｃは溶存酸素沖合濃度（ｍｏｌ／ｍ３）、δは拡散層の厚さ（ｍ）である。ここでは、かぶり全てが拡散層となっていると仮定した。
図３は、様々なかぶりのセメント内部の鉄試料のカソード分極曲線から得られた、酸素拡散限界電流密度とかぶりの逆数の関係を示す図である。図３（Ａ）にはかぶり１ｍｍから５０ｍｍの範囲を、図３（Ｂ）には図３（Ａ）を拡大してかぶり１０ｍｍから５０ｍｍの範囲を示した。なお、セメント又はモルタル内部におけるカソード分極では電流の定常状態が認められなかったため、自然電位より５０ｍＶ卑な電位における電流密度を酸素拡散限界電流密度として採用した。
【００３３】
図３（Ａ）より、かぶり１ｍｍから１０ｍｍの範囲では、酸素拡散限界電流密度とかぶりの逆数には直線的な比例関係が認められた。よって、この範囲ではセメント又はモルタル内部は巨視的には一様な拡散層であるとみなせる。
図３（Ｂ）より、２０ｍｍから５０ｍｍの範囲では限界拡散電流密度とかぶりの逆数は直線関係から外れた。これらの結果から、かぶり内部での酸素拡散層の厚さは１０ｍｍ以上２０ｍｍ未満であることが示され、かぶり１０ｍｍ以下であれば鉄筋の腐食は酸素の還元律速であり、鉄表面への酸素の供給を増加させることで鉄の腐食を促進できることが示された。
【００３４】
次に、酸素加圧下におけるセメント又はモルタル内部の鉄さびの加速生成について説明する。
図４に各条件で腐食加速試験を行った際の鉄試料表面の光学顕微鏡像を示す。ここで腐食加速試験を行った際のセメント又はモルタルのかぶりは、鉄の腐食が酸素拡散律速の範囲内であると推察される５ｍｍで行った。図４（Ａ）および図４（Ｂ）より、セメント又はモルタルに埋設し大気中のＮａＣｌ溶液中で試験を行った試料では腐食はほとんど認められなかった。図４（Ｃ）より、セメントに埋設し０．５ＭＰａ加圧酸素下のＮａＣｌ溶液中で試験を行った試料では大気中で試験した試料よりも多くの腐食生成物が認められた。図４（Ｄ）より、モルタルに埋設し０．５ＭＰａの加圧酸素下で試験を行った試料では、大気中およびセメントに埋設し加圧酸素下で試験を行った試料よりもさらに多くの腐食生成物の付着が認められた。
【００３５】
腐食加速試験により生成した鉄さびの厚さを検討するため、試料の断面ＳＥＭ観察を行った。図５に各条件で試験を行った鉄試料の断面ＳＥＭ反射電子像を示す。図５（Ａ）および図５（Ｂ）より、セメント又はモルタルに埋設し大気中で試験を行った試料では、断面像からも腐食生成物の存在は確認されなかった。図５（Ｃ）および図５（Ｄ）より、セメント又はモルタルに埋設して酸素加圧下で試験を行った試料では数μｍの腐食生成物が生成していた。ただし、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）の断面図は図４（Ｃ）、図４（Ｄ）で多くの腐食が認められた箇所を撮影した。図５（Ｄ）と同じ箇所のＥＤＳ測定による鉄と酸素の分布を図５（Ｅ）および図５（Ｆ）に示す。ＥＤＳの結果より、酸素加圧下で得られた腐食生成物は鉄酸化物、すなわち鉄さびであることが確かめられた。断面ＳＥＭ像より求めた各鉄さびの厚さを表２に示す。
【表２】
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【００３６】
さらに、カソード分極より得られた酸素限界拡散電流より求められる各条件の鉄さび予想厚さも示す。ここで鉄さびの膨張率は２．５５であるとして計算した。ＳＥＭ観察により得られた鉄さびの厚さは、セメント又はモルタルにかぶり５ｍｍで埋設し大気中で試験を行った試料では１μｍ以下、セメントにかぶり５ｍｍで埋設し酸素加圧下で試験を行った試料では約１．７μｍ、モルタルにかぶり５ｍｍで埋設し酸素加圧下で試験を行った試料では約３．７μｍであった。それぞれの鉄さびの厚さは、無作為に５点ＳＥＭ像を撮影し、計測した鉄酸化物の平均厚さとした。いずれも酸素限界拡散電流密度より求められた鉄さびの予想厚さと近い値となった。これらの結果から、セメント又はモルタル内部の鉄さび生成には酸素供給量が大きな影響を与えており、酸素加圧が鉄さびの生成加速に有効であることが明らかとなった。
【００３７】
続いて、酸素加圧下で生成した鉄さびの構造分析について説明する。
上述したように、加速生成した鉄さびには実環境で何十年かけて生成した鉄さびと同様の組成であることが求められる。酸素加圧下で生成した鉄さびの構造をレーザーラマン分光法を用いて検討した。高谷らは、アルカリ環境であるコンクリート内部で生成する鉄さびはＦｅ３Ｏ４（magnetite）とオキソ水酸化鉄（α−ＦｅＯＯＨ（goethite）、γ−ＦｅＯＯＨ（lepidocrocite））であると報告している。モルタルにかぶり５ｍｍで埋設し、０．５ＭＰａの加圧酸素下で試験を行った鉄試料表面の腐食生成物のラマンスペクトルを図６に示す。セメント中で試験を行った試料表面の鉄さびは薄すぎたためラマンスペクトルを得ることができなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の酸素加圧試験法は電食試験法よりも実環境と同様の鉄さびが生成可能であり、乾湿繰返し試験法よりも短時間で簡便な方法であり、オートクレーブ法よりもコンクリート試験体の力学特性を損なわない試験法であるため、コンクリート内部鉄筋腐食の新規加速試験法として非常に有効である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  セメント試験体、モルタル試験体、又はコンクリート試験体
１１  セメント又はモルタル
１２  鉄試料
１３  絶縁性棒材
１４  導線
１６  かぶり
２０  鉄筋腐食促進試験装置（加圧チャンバー）
２１  筐体
２２  フランジ
２３  蓋部
２４  観察窓
２５  酸素供給弁
２６  酸素放出弁
２７  圧力ゲージ
２８  ＮａＣｌ水溶液
２９  試験体支持板
【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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