(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製材料の防食工法であって、
土壌に穴を掘る工程と、
ＪＩＳ１２０４：２００９の粒径区分で粗砂又はそれよりも小さい土粒子を前記穴に詰める工程と、
前記鋼製材料を前記土粒子に打ち込む工程とを含み、
前記土粒子は、前記粒径区分で、粗砂、中砂、細砂、シルト、及び粘土からなる群から選ばれる単一の粒径区分の土粒子であり、
前記鋼製材料は、土壌に位置する部位全面が前記単一の粒径区分の土粒子によって覆われている、防食工法。
【請求項２】
請求項１に記載の防食工法であって、
前記打ち込まれた鋼製材料から前記穴の内面までの距離が３０ｍｍ以上である、防食工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、防食工法に関し、より詳しくは、土壌改質による鋼製材料の防食工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屋外で使用される鋼製材料は、厳しい腐食環境に曝されることがある。例えば、鋼矢板は、連続的に並べて地中に打ち込まれ、矢板壁を形成して、河川、海岸、港湾などの護岸に用いられる。また例えば、鋼管杭は、地中や海底などに打ち込まれて、構造物などの基礎に用いられる。その結果、鋼矢板や鋼管杭などの鋼製材料は、地中や海中の土砂、泥、瓦礫などに直接激しく接するので、著しい腐食が起こりやすい。特に、地中は非常に過酷な腐食環境であるため、効果的な防食対策が望まれている。さらに、鋼製材料を酸性硫酸塩土壌環境に用いる場合には、土中に含まれるパイライトの酸性反応によりｐＨが著しく低下するため極めて腐食性が高く、より効果的な防食対策が望まれる。
【０００３】
従来から用いられる防食対策は、鋼製材料の表面に樹脂からなる防食被膜を形成する方法、防食電流を付与する電気防食方法、コンクリート、モルタル及びレンジモルタルなどで鋼材表面を被覆する防食工法、鋼製材料の接する土壌を改質する方法などがある。防食被膜を形成する方法は、鋼製材料を土壌に打ち込む際に被膜の一部が剥がれ、充分な防食効果が得られなくなることがある。電気防食方法は、土壌の電気抵抗が非常に大きいため、大きな防食電流を流す必要がある。また、電気防食方法は、周囲の通信設備に障害を生じたり、周囲の他の鋼材に迷走電流による腐食を生じたりすることがある。鋼材表面を被覆する防食工法は、コンクリートなどにひび割れが生じた場合、ひび割れからコンクリートなどの内部に酸素及び水素イオンが容易に侵入することができる。その結果、鋼材が著しく腐食する可能性がある。また、この被覆する防食工法は、例えば、特開平５−１７１６５８号公報（特許文献１）や特開平７−０５４３３６号公報（特許文献２）の防食工法がある。特開平７−０５４３３６号公報には、地下空間を囲う壁体用鋼材と壁体用鋼材の外側を囲う鋼製隔壁体との間に鉄筋コンクリートを打設して、壁体用鋼材の外側の表面をコンクリートで被覆する防食工法が開示されている。この工法では、壁体用鋼材と鋼製隔壁体とが必要になるため、鋼の使用量が非常に多くなり、施工費用が著しく増大する。
【０００４】
土壌を改質する方法は、例えば、特開２００１−１１６６８号公報（特許文献３）の防食工法がある。同公報には、施工の際、鋼製材料に接する土壌に、アルカリ性の土壌改質剤を混合して、鋼製材料から少なくとも１０ｍｍまでの範囲にある土壌のｐＨを６〜１３にする土壌改質を行う防食工法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１７１６５８号公報
【特許文献２】特開平７−０５４３３６号公報
【特許文献３】特開２００１−１１６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記防食工法は、土壌改質剤を添加して酸性土壌のｐＨを中性〜アルカリ性に変えることで、鋼製材料を防食している。しかしながら、この技術は、土壌の土粒子に関する観点からは開発がなされていない。そのため、土粒子同士の隙間が大きい場合には、たとえ土壌のｐＨを中性〜アルカリ性に改質されたとしても、地表面からの酸素が十分に供給されていると、パイライトの酸化反応により土壌のｐＨが低下して、鋼製材料に著しい腐食損傷を生じる恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、土壌改質により鋼製材料を防食可能な防食工法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態による防食工法は、鋼製材料の防食工法である。土壌に穴を掘る工程と、ＪＩＳ１２０４：２００９の粒径区分で粗砂又はそれよりも小さい土粒子を穴に詰める工程と、鋼製材料を土粒子に打ち込む工程とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、土壌改質により鋼製材料を防食することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、パイライトと土粒子とが存在する土壌系の鋼製材料の腐食反応の模式的な説明図である。
【図２】図２は、防食工法開始前の土壌の模式図である。
【図３】図３は、防食工法のフローチャートである。
【図４】図４は、工程Ｓ１完了時の土壌の模式図である。
【図５】図５は、工程Ｓ２で土粒子を入れた模式図である。
【図６】図６は、工程Ｓ２で土粒子を締め固めた模式図である。
【図７】図７は、工程Ｓ２完了時の土壌の模式図である。
【図８】図８は、工程Ｓ３完了時の土壌の模式図である。
【図９】図９は、浸漬試験の模式図である。
【図１０】図１０は、浸漬日数と重量減との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、浸漬日数とｐＨとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者らは、土壌に接触する鋼製材料を土壌改質により防食するため、種々の検討を行い、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の知見を得た。
【００１２】
（Ａ）土壌腐食環境において、酸性硫酸塩土壌（以下、酸性土という）は、時間経過でｐＨが低下しやすく、腐食環境が非常に厳しい。ｐＨの低下は、土壌中に含まれるパイライト（ＦｅＳ２）の酸化反応により硫酸を生成するためである。パイライトと水と土粒子とが存在する環境（以下、土壌系という）は、パイライトと水とからなるパイライト分散溶液の環境（以下、溶液系という）に比べて腐食速度が小さくなることが分かった。土壌系では、例えば、図１に示すように、土粒子３が酸素や水素イオンの拡散の障害となり、土粒子３間に生じる隙間が酸素や水素イオンの拡散経路９になることで、パイライト８への酸素の供給や鋼製材料１への酸素及び水素イオンの供給が遅くなり、腐食速度が小さくなると考えられる。
【００１３】
（Ｂ）土壌系では、土粒子３の平均粒径が小さくなると、鋼製材料１の腐食速度が小さくなり、平均粒径が大きくなると、溶液系の腐食速度に近づく傾向があることが分かった。これは、土粒子３が細かいほど、拡散経路９が減少したり狭まったりするなどで拡散が制限され、土粒子３が粗いほど、拡散経路９が増加したり広がったりするなどで拡散が容易になるためと考えられる。ここで、土壌系及び溶液系において、酸素及び水素イオンの拡散速度を測定した結果、土壌系は溶液系に比べて酸素及び水素イオンの拡散速度が遅くなることが確認された。
【００１４】
（Ｃ）溶液系では腐食が進行しても低ｐＨを維持するのに対し、土壌系では日数経過に伴い土壌と鋼製材料との界面のｐＨが上昇し、界面を低ｐＨに維持できなくなることが分かった。さらに、土壌系では、界面のｐＨが上昇しても、土壌の鋼製材料から３０ｍｍ離れた位置（以下、バルク部という）のｐＨが低ｐＨを維持することが分かった。これは、鋼製材料の腐食により水素イオンが消費されることでｐＨが上昇に向かうところ、溶液系では、パイライトの酸化反応により水素イオンが継続的に供給されることで、低ｐＨに維持されるものであると考えられる。そして、土壌系では、酸素や水素イオンの拡散が制限される（遅れる）ことで、鋼製材料の周囲において水素イオンの消費に水素イオンの供給が追いつかず、界面のｐＨが上昇するものであると考えられる。
【００１５】
（Ｄ）また、土壌２は、例えば、図２に示すように、通常、酸性土の層６と中性土の層７などの複数の異質の土の層が積み重なるものである。そのため、鋼製材料は、十数ｍの深さまで土壌２に打ち込むと、複数の層に接触して、層間でのマクロセル腐食を生じることが分かった。
【００１６】
本発明者らは、前述の知見に基づいて本発明を完成させた。まず、本発明の一実施形態の概要を説明する。
【００１７】
防食工法は、鋼製材料の防食工法である。土壌に穴を掘る工程と、ＪＩＳ１２０４：２００９の粒径区分で粗砂又はそれよりも小さい土粒子を穴に詰める工程と、鋼製材料を土粒子に打ち込む工程とを含む。
【００１８】
この防食工法は、土壌における鋼製材料の設置場所及び周囲の領域を、粒径区分で粗砂又はそれよりも小さい土粒子に交換することで、土壌を改質する。その結果、土壌中の鋼製材料の周囲で酸素及び水素イオンの拡散が制限され、例えばパイライトを含む酸性土であっても鋼製材料の周囲のｐＨが上昇する。
【００１９】
好ましくは、土粒子が、粒径区分で、粗砂、中砂、細砂、シルト、及び粘土からなる群から選ばれる１種である。
【００２０】
この防食工法は、１種のみの土粒子を穴に詰めることで、例えば２種以上の土粒子を混合して詰める場合に生じる混合むら（不均一性）などを回避することができる。その結果、不均一性などに伴うマクロセル腐食の発生を抑制することができ、鋼製材料の腐食を抑制することができる。
【００２１】
好ましくは、打ち込まれた鋼製材料から穴の内面までの距離が３０ｍｍ以上である。
【００２２】
この防食工法は、土粒子を交換していない領域（既存の土の層）から鋼製材料を十分離すことができ、鋼製材料への水素イオンと酸素の供給がさらに遅くなり、腐食速度をさらに遅くすることができる。
【００２３】
［防食工法］
以下、本発明の一実施形態による鋼製材料１の防食工法について詳細に説明する。
防食工法を用いる土壌２は、例えば、図２に示すように、酸性土の層６と中性土の層７とが積み重なるものであるが、酸性土の層６のみや３以上の層が積み重なるものであってもよく、特にこれらに限定されない。防食工法に用いる鋼製材料１は、例えば、Ｈ形鋼、鋼管杭、あるいは鋼矢板などであるが、特にこれらに限定されない。鋼製材料１は、土壌２に打ち込まれることで、土壌２に設置される。
【００２４】
防食工法は、土壌改質により鋼製材料１を防食する施工方法である。防食工法は、図３に示すように、土壌２に穴４を掘る工程Ｓ１と、土粒子３を穴４に詰める工程Ｓ２と、鋼製材料１を土粒子３に打ち込む工程Ｓ３とを含む。
【００２５】
工程Ｓ１は、例えば、図４に示すように、ボーリング機材により土壌２の所定の領域を掘削して、大気中に開放された穴４を土壌２に形成する。土壌２を掘削する（穴４を掘る）方法は、ボーリング機材による掘削に限らず、周知の方法が適用され、特に限定されない。
【００２６】
工程Ｓ２は、工程Ｓ１後に行われる。工程Ｓ２は、例えば、図５に示すように、穴４に所定量の土粒子３を入れた後、例えば、図６に示すように、穴４に重錘５を落とす重錘落下締め固め工法などで、穴４に入れた土粒子３を締め固める。工程Ｓ２は、図７に示すように、締め固めた土粒子３の表面が土壌２の表面と並ぶまで、穴４に土粒子３を入れて締め固めることを所定回数（１回以上）行う。その結果、穴４には、土壌２の穴４の周辺と同程度あるいは鋼製材料１を支持可能な程度の固さで、新たな土粒子３が詰められる。工程Ｓ２の土粒子３を詰める方法は、例示のものに限らず、周知の方法を適用でき、特に限定されない。
【００２７】
穴４に詰める土粒子３は、ＪＩＳ  １２０４：２００９の粒径区分で粗砂又はそれよりも小さい土粒子３である。つまり、工程Ｓ２は、土壌２の所定の領域（穴４）の土粒子３を、粒径が調整された土粒子３に交換する。粗砂又はそれよりも小さい土粒子３とは、ＪＩＳ  １２０４：２００９において、粒径２ｍｍ以下の土粒子である。粒径２ｍｍ以下とは、ＪＩＳ  １２０４：２００９の土粒度試験方法に基づき、土粒子３を格子状のふるいにかけ、２ｍｍ×２ｍｍの格子を通過した土粒子３の重量比率が５０％以上を表す（有効粒径Ｄ５０）。そして、粒径区分は、ＪＩＳ  １２０４：２００９に基づき、０．８５０〜２ｍｍが粗砂、０．２５０〜０．８５０ｍｍが中砂、０．０７５〜０．２５０ｍｍが細砂、０．０７５ｍｍ以下の細粒分であるシルト及び粘土である。シルトは０．０７５〜０．００５ｍｍであり、粘土は０．００５ｍｍ以下である。穴４に詰める土粒子３は、知見のとおり粒径が小さいほど好ましく、より好ましくは細砂以下である。
【００２８】
工程Ｓ３は、例えば工程Ｓ２後に行われる。工程Ｓ３は、例えば、図８に示すように、鋼製材料１が鋼管杭である場合、鋼管杭を穴４に充填した土粒子３に打ち込み、鋼管杭を土壌２に設置する。鋼製材料１は、土壌２に埋まる部位全面が工程Ｓ２で入れた土粒子３に接触する。その結果、鋼製材料１は、粒径が調整された土粒子３に囲まれて土壌２に設置される。鋼製材料１が土粒子３に囲まれる領域１１は、鋼製材料１を設置した後に土粒子３が存在する領域（置換土壌外周領域ともいう）である。具体的には、領域１１は、打ち込まれた鋼製材料１から穴４の内面までの領域であり、穴４の内面は穴４の周壁及び底面を含む。さらに、鋼製材料１から穴４の内面（周壁及び底面）までの距離はいずれも、３０ｍｍ以上であることが好ましい。つまり、工程Ｓ１において、この距離を確保可能な寸法で穴４を掘ることが好ましい。鋼製材料１を打ち込む方法は、周知の方法を適用でき、特に限定されない。
【００２９】
以上の通り、防食工法は、土壌２における鋼製材料１の設置場所及び周囲の領域を、粒径区分で粗砂又はそれよりも小さい土粒子３に交換する。その結果、土壌２における鋼製材料１の周囲で酸素及び水素イオンの拡散が制限され、パイライトを含む酸性土であっても、鋼製材料１の周囲の領域１１（置換土壌外周領域）における土粒子３でのｐＨが上昇して、土壌２に設置した鋼製材料１を防食することができる。そして、防食工法は、同一条件に整えた１つの土の層（粒径を調整した土粒子３）で鋼製材料１の土壌２に位置する部位全面を覆うことができる。その結果、例えば複数の異質の層を有する土壌２であっても層間のマクロセル腐食の発生を抑制することができ、鋼製材料１を防食することができる。さらに、防食工法は、土粒子３を交換していない領域（既存の土の層）から領域１１により鋼製材料１を十分離すことができる。その結果、防食工法は、鋼製材料１への水素イオンと酸素の供給がさらに遅くなり、腐食速度をさらに遅くすることができる。
【００３０】
さらに、防食工法は、工程Ｓ２において、単一の粒径区分の土粒子３（１種の土粒子３）を入れることが好ましい。その結果、土壌２の鋼製材料１の周囲において、例えば土粒子３の不均一性などに伴うマクロセル腐食の発生をさらに抑制することができ、鋼製材料の腐食をさらに抑制することができる。なお、単一の区分範囲の土粒子３とは、例えば、粗砂、中砂、細砂、シルト、及び粘土からなる群から選ばれる１種を指すが、特にこれに限定されない。
【実施例】
【００３１】
次に、実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【００３２】
表１は、Ｎｏ．１〜４の試験片における、土粒子３の条件および実験結果である。Ｎｏ．１〜３はパイライト８を含む土壌系での浸漬試験を行い、Ｎｏ．４はパイライト８を含む溶液系での浸漬試験を行った。溶液系は、図９に示すように、水及びパイライト８からなる１７５ｍＬのパイライト分散溶液１０（４．９ｇ／Ｌ  ＦｅＳ２）に、試験片１１の全面を接触させてパイライト分散溶液１０の中央付近に浸漬した。土壌系は、溶液系と同じ条件で６７ｍＬのパイライト分散溶液１０に、溶液系と同量の体積となるよう土粒子３を加えたものに、試験片１１の全面を接触させて土壌２の中央付近に浸漬した（埋め込んだ）。Ｎｏ．１の土粒子３は粒径２ｍｍ以下で構成され平均粒径０．２ｍｍの細砂であり、Ｎｏ．２の土粒子３は粒径２ｍｍ以下で構成され平均粒径０．８５ｍｍの粗砂であり、Ｎｏ．３の土粒子３は平均粒径３ｍｍの礫である。平均粒径には、ＪＩＳ  １２０４：２００９の土粒度試験方法に基づき、粒径加積曲線の通過質量百分率が５０％に該当する粒径（有効粒径Ｄ５０）を用いた。試験片１１は、ＪＩＳ  ＳＳ４００の鋼材から得たもの（２５ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍ）を供試材とした。試験条件は、初期ｐＨが４．０、試験温度が４０℃、雰囲気が大気開放とした。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
Ｎｏ．１〜４は、図１０に示すように、７日後及び１４日後、回収した試験片１１から腐食生成物を除去した重量減（ｇ／ｃｍ２）を測定した。図１１に示すように、Ｎｏ．１〜３は、７日後及び１４日後、試験片１１と土壌２との界面（位置Ｐ１）のｐＨ及びバルク部（位置Ｐ２）のｐＨを測定し、Ｎｏ．４は、７日後及び１４日後、パイライト分散溶液１０（位置Ｐ１）のｐＨを測定した。図１１において、Ｎｏ．１Ａ，２Ａ，３ＡがＮｏ．１，２，３の界面の測定結果であり、Ｎｏ．１Ｂ，２Ｂ，３ＢがＮｏ．１，２，３のバルク部の測定結果である。なお、位置Ｐ２は、土壌２内において試験片１１との界面（位置Ｐ１）から側方に３０ｍｍ離れた位置である。また、Ｎｏ．４は位置Ｐ１と位置Ｐ２とでｐＨに差を生じないため、位置Ｐ２での測定を行っていない。
【００３５】
７日後の重量減は、Ｎｏ．１〜３が０．００１ｇ／ｃｍ２未満であったのに対し、Ｎｏ．４が０．００１ｇ／ｃｍ２以上であった。そして、１４日後の重量減は、Ｎｏ．１及び２が０．００１ｇ／ｃｍ２未満であったのに対し、Ｎｏ．３及び４が０．００１ｇ／ｃｍ２以上であった。
【００３６】
７日後の各ｐＨは、Ｎｏ．１〜３の各位置Ｐ１が５以上であったのに対し、Ｎｏ．４が５未満であった。そして、位置Ｐ２での各ｐＨはいずれも５未満であった。また、１４日後の各ｐＨは、Ｎｏ．１及び２の各位置Ｐ１が６以上であったのに対し、Ｎｏ．３の位置Ｐ１及びＮｏ．４が６未満であった。そして、位置Ｐ２での各ｐＨは、Ｎｏ．１が５未満であり、Ｎｏ．２及び３が６未満であった。
【００３７】
このように、Ｎｏ．１及び２は、位置Ｐ１において、１４日後の各ｐＨが初期ｐＨから中性程度に上昇した。さらに、Ｎｏ．１及び２は、７日後以降の腐食速度が小さくなった。また、Ｎｏ．１は、位置Ｐ２において１４日後も低ｐＨを維持した。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、鋼矢板や鋼管杭の施工に利用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１：鋼製材料
２：土壌
３：土粒子
４：穴
５：重錘
６：酸性土の層
７：中性土の層
８：パイライト
９：拡散経路
１０：パイライト分散溶液
１１：領域
Ｐ１：位置（界面）
Ｐ２：位置（バルク部）
Ｓ１：工程
Ｓ２：工程
Ｓ３：工程
【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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