(57)【要約】【課題】コンクリートとの接触面における耐食性に優れたコンクリート構造用鋼材を提供する。【解決手段】コンクリート構造用鋼材を、少なくともコンクリートと接する面に、Ｍｇ：２〜１０質量％、Ａｌ：４〜２０質量％、Ｓｉ：０．０１〜２質量％を含有し、残部がＺｎ及び不可避的不純物よりなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層を有し、該Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層がＡｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織の素地中にＭｇ2Ｓｉ相とＡｌ相が混在した金属組織を有し、かつ、Ａｌ相の中にＺｎ−Ｍｇ系金間化合物としてＭｇＺｎ2を含有するものとするとともに、必要に応じてさらにＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき相の下層にＮｉめっき層を設けるものとする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともコンクリートと接する面に、Ｍｇ：２〜１０質量％、Ａｌ：４〜２０質量％、Ｓｉ：０．０１〜２質量％を含有し、残部がＺｎ及び不可避的不純物よりなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層を有し、該Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層がＡｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織の素地中にＭｇ2Ｓｉ相とＡｌ相が混在した金属組織を有し、かつ、Ａｌ相の中にＺｎ−Ｍｇ系金間化合物を含有することを特徴とするコンクリート構造用鋼材。
【請求項２】
前記Ｚｎ−Ｍｇ系金属間化合物がＭｇＺｎ2である請求項１記載のコンクリート構造用鋼材。
【請求項３】
前記Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層の下層にＮｉめっき層を０．２〜２．０ｇ／ｍ2有する請求項１又は２に記載のコンクリート構造用鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐コンクリート腐食性に優れた鋼材に関する。さらに詳しくは、コンクリート中に鉄筋やガードレールとして埋め込まれたり、コンクリートの周囲を補強体として囲んだりして、長期耐久性に優れたコンクリート構造体を形成するのに適したコンクリート構造用鋼材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートは優れた構造体であり、古くから様々な構造物に使用されている。しかし、コンクリートそのものは強度的に不十分であるため、内部に鉄筋を埋め込んだ鉄筋コンクリートの形や、コンクリートの周囲をＨ型鋼のような鋼材で補強した形で使用されるのが一般的である。従って、コンクリート中の鉄筋やコンクリートの周囲を囲むＨ型鋼等の補強材の耐食性はコンクリート構造物の長期耐久性を支配する重要な因子である。
【０００３】
鉄がコンクリートに埋設されたり、接触した状態におかれた場合、通常はコンクリートのｐＨが１２．５程度の強アルカリに保持されているため、接触面で鉄は不動態化し、鉄の腐食は抑制されている。しかし、コンクリートが中性化した場合やコンクリート中に塩化物イオンが進入した場合には、鉄に腐食が起こり、鉄とコンクリートからなる構造体の破壊が起きやすくなる。
【０００４】
以上述べたような、コンクリートとの接触部での鉄の腐食の問題を解決するために、各種めっきを鉄に施す方法が提案されている。古くから検討されているのは、亜鉛めっきによる鉄筋の防食である。この亜鉛めっきにより、中性化したコンクリート中での耐食性はある程度保持されるが、亜鉛めっきでは、コンクリートの強アルカリ性条件で溶解する問題や塩化物イオンの存在化で耐食性が低下する問題がある。
【０００５】
このような問題に対して、亜鉛にアルミニウムを５質量％又は５５質量％添加した亜鉛−アルミニウム合金めっきも検討されている。しかし、亜鉛−アルミニウム合金めっきは、塩化物イオンの存在下での耐食性には優れるものの、アルミニウムが亜鉛よりもアルカリ性条件で溶解しやすいため、長期の耐久性の面では不十分である。
【０００６】
以上述べためっき以外にも様々な合金めっきが検討されてきている。
例えば、特許文献１では、Ｎｉを主原料とした各種Ｎｉ合金めっき鋼材が耐塩性鉄筋コンクリート用鋼材として提案されている。このＮｉ合金めっき鋼材は幅広いｐＨ領域で鉄筋よりコンクリート中での耐食性に優れている。しかし、Ｎｉは鉄より電位的に貴な金属であるため、鉄に対する犠牲防食能力を持っていない。従って、何らかの原因でＮｉ合金めっきにキズが入り、下地の鉄が露出した場合には鉄の腐食が促進されるという問題がある。
【０００７】
特許文献２では、フラックスを工夫した鉛めっき鋼材がコンクリート構造用鋼材として提案されている。この鉛めっき処理によりコンクリート構造用鋼材の耐食性は向上する。しかし、先に述べたＮｉ合金めっき鋼材の場合と同じく、鉛が鉄より電位的に貴な金属であるため、鉄に対する犠牲防食能力を持っていない。従って、何らかの原因で鉛めっきにキズが入り、下地の鉄が露出した場合には鉄の腐食が促進されるという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−１５３２８７号公報
【特許文献２】特開平５−７８８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現在までに様々な防食方法が検討されてきているが、コンクリート中又はコンクリートと接触する環境で、十分な長期耐食性を有する鋼材は未だ提案されていない。本発明は、以上述べた欠点を解決し、幅広いｐＨ範囲で安定で、鉄に対する犠牲防食能力を有し、塩化物イオンに対しても優れた耐食性を有するコンクリート用鋼材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記の課題を解決し、優れた耐食性を有するコンクリート構造用鋼材を開発するために、様々なめっきとコンクリートとの接触腐食試験を行った。特に種々のｐＨの塩化物イオンを含む水溶液に対するめっきの耐食性と腐食挙動を詳細に検討した。
その結果、亜鉛を主成分とする亜鉛系合金めっきを使用して下地の鉄に対する犠牲防食能力を担保し、添加剤として従来からのＡｌのほかにさらにＭｇとＳｉを加えることにより、幅広いｐＨ領域で、塩化物イオンの存在環境下でも、耐食性に優れるコンクリート構造用鋼材を開発し、本発明を完成させた。
【００１１】
そのような本発明の趣旨とするところは以下のとおりである。
（１）少なくともコンクリートと接する面に、Ｍｇ：２〜１０質量％、Ａｌ：４〜２０質量％、Ｓｉ：０．０１〜２質量％を含有し、残部がＺｎ及び不可避的不純物よりなるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層を有し、該Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層がＡｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織の素地中にＭｇ2Ｓｉ相とＡｌ相が混在した金属組織を有し、かつ、Ａｌ相の中にＺｎ−Ｍｇ系金間化合物を含有することを特徴とするコンクリート構造用鋼材。
（２）前記Ｚｎ−Ｍｇ系金属間化合物がＭｇＺｎ2である（１）記載のコンクリート構造用鋼材。
（３）前記Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層の下層にＮｉめっき層を０．２〜２．０ｇ／ｍ2有する（１）又は（２）に記載のコンクリート構造用鋼材。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のコンクリート構造用鋼材は、コンクリート中又はコンクリートと接触する環境で十分な長期耐久性を有するものであり、コンクリート中の鉄筋やコンクリートの周囲を補強体として囲んだりする用途に好適なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
従来のＺｎ−Ａｌ合金めっき層を形成した鋼材では、コンクリートの腐食環境、すなわち、ｐＨが高く塩化物イオンが存在する腐食環境において、めっきの腐食生成物としてコンクリートとめっきの界面に、塩基性塩化亜鉛、塩基性塩化亜鉛アルミニウム、塩基性炭酸亜鉛アルミニウム等が形成される。
【００１４】
これらの腐食生成物は保護性の高い腐食生成物であり、めっき層のさらなる腐食を抑制する効果を有するが、コンクリートの高アルカリ条件では、容易に溶解して安定に存在することができず、かつ、コンクリートとの密着性が低くコンクリートと腐食生成物の間に隙間を生じ、腐食因子の進入を許すという問題があるため、Ｚｎ−Ａｌ合金めっきでは、これらの腐食生成物を十分に利用することができず、コンクリート鋼材としては、前述のように十分なものではなかった。
【００１５】
本発明者は、これらの腐食生成物を長期間安定に保持することができれば、コンクリート構造物を長期間にわたり安定に保持することができると考えた。
そこで種々検討した結果、めっき合金にさらにＭｇとＳｉを添加し、めっき層中にＭｇ2Ｓｉ相とＺｎ−Ｍｇ系金属間化合物が存在するようにすると、塩基性塩化亜鉛、塩基性塩化亜鉛アルミニウム、塩基性炭酸亜鉛アルミニウムが長期間にわたり安定に保持され、なおかつコンクリートとの密着性にも優れることを新たに見出した。
【００１６】
すなわち、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層中にはＡｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織が存在するが、その三元共晶組織中のＭｇ2Ｓｉ相とＡｌ相中のＺｎ−Ｍｇ系金属間化合物とが耐食性の向上に寄与しており、特に、コンクリートとの密着性に優れるものとすることにより、コンクリートとめっき腐食生成物の界面からの腐食因子（高ｐＨの水分、塩化物イオン）の進入を抑制し、耐食性の向上に大きく寄与することを見出したものである。
【００１７】
以下本発明について順次説明する。
本発明のめっきを施す鋼材としては、Ａｌキルド鋼、ＴｉやＮｂ等を添加した極低炭素鋼、及びこれらにＰ、Ｓｉ、Ｍｎ等の強化元素を添加した高強度鋼、従来からコンクリート中に鉄筋やＨ型鋼等として埋設されてきた裸鋼材等が適用できる。
【００１８】
本発明のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっきは、Ｍｇ：２〜１０質量％、Ａｌ：４〜２０質量％、Ｓｉ：０．０１〜２質量％を満たすものである。
【００１９】
Ｍｇの含有量を限定した理由は、Ｍｇが２質量％未満ではＡｌ相中にＺｎ−Ｍｇ系金属間化合物を析出させることができず、耐食性を向上させる効果が不十分であるからであり、１０質量％超ではめっき層が脆くなって密着性が低下して加工部耐食性が低下するためと、簡便な溶融めっき法で作製する場合にドロスの発生量が多くなり、操業性の面で問題があるためである。より好ましくは２〜５質量％である。
【００２０】
Ａｌの含有量を限定した理由は、Ａｌが４質量％未満では初晶としてＡｌ相が析出しないため、Ｚｎ−Ｍｇ系金属間化合物を析出することができず、耐食性を向上させる効果が不十分であるからであり、２０質量％超ではアルカリ条件で耐食性を向上させる効果が認められなくなるばかりか、耐食性に劣るようになるからである。より好ましくは４〜１５質量％である。
【００２１】
Ｓｉの含有量を限定した理由は、Ｓｉが０．０１質量％未満ではめっき中のＡｌと鋼板中のＦｅが反応しめっき層が脆くなって密着性が低下し、厳しい加工時にめっき剥離を起こすからであり、２質量％超では密着性を向上させる効果が飽和すると同時に、２質量％を超えてめっき浴中に溶解させるためには浴温をかなり高くする必要があり、工業的に成り立たないからである。より好ましくは０．０１〜０．５質量％である。
【００２２】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっきの付着量については、一般的には、使用される部分の要求寿命に基づいて適宜設定される。従って、付着量の制約は特に設けないが、耐食性の観点から１０ｇ／ｍ2以上が好ましく、経済性の観点から１０００ｇ／ｍ2以下が好ましい。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっきは、一般的な溶融亜鉛めっき法や蒸着めっき法により作製することが可能である。
【００２３】
本発明のコンクリートと接するＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層は、Ａｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織の素地中にＭｇ2Ｓｉ相とＡｌ相が混在した金属組織を有し、かつ、Ａｌ相の中にＺｎ−Ｍｇ系金間化合物を含有することを特徴とする。
【００２４】
上記のような組成範囲のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層では、Ａｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織の素地中にＺｎ相、Ａｌ相、ＭｇＺｎ2相、Ｍｇ2Ｓｉ相の１つ以上を含む金属組織ができる。Ａｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織の素地中にＭｇ2Ｓｉ相が混在するとコンクリートとの接触面での耐食性が向上する。これは先に述べたように、Ｍｇ2Ｓｉが、アルカリ性の腐食環境において保護性の高い腐食生成物、塩基性塩化亜鉛、塩基性塩化亜鉛アルミニウム、塩基性炭酸亜鉛アルミニウム等を安定に保持し、これら保護性の高い腐食生成物が腐食の進行を抑制するためと、腐食生成物とコンクリートとの密着力を強固なものとして、コンクリートと腐食生成物の界面からの腐食因子の進入を抑制するためと考えられる。
【００２５】
同様にＡｌ相の中にＺｎ−Ｍｇ系金間化合物を含有させるとコンクリートとの接触面での耐食性が向上する。これもまた、Ａｌ相中のＺｎ−Ｍｇ系金属間化合物が、アルカリ性の高い腐食環境において保護性の高い腐食生成物、塩基性塩化亜鉛、塩基性塩化亜鉛アルミニウム、塩基性炭酸亜鉛アルミニウム等を安定に保持し、これらの保護性の高い腐食生成物が腐食の進行を抑制するためと、腐食生成物とコンクリートとの密着力を強固なものとして、コンクリートと腐食生成物の界面からの腐食因子の進入を抑制するためと考えられる。
【００２６】
Ａｌ相中にはＺｎ−Ｍｇ系金属間化合物としてＭｇＺｎ2が形成される。この金属間化合物ができると、保護性の高い腐食生成物がより安定に形成され、コンクリートと腐食生成物の密着性も高まる。
【００２７】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層の下層に、プレめっき層としてＮｉめっき層を設けることは下地鋼材との密着性を向上させ、さらに加工部耐食性を向上させるため好ましい。このＮｉプレめっき層は０．２〜２．０ｇ／ｍ2以下が好ましい。０．２ｇ／ｍ2未満ではＮｉめっきの効果が現れず、２．０ｇ／ｍ2を超えるとＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層の密着性の向上効果がみられないばかりか、厳しい加工時にめっき剥離を生じる可能性が高くなる。Ｎｉめっき層を施すことにより密着性が向上する理由は、めっき層と地鉄界面に生成したＮｉ−Ａｌ−Ｆｅ−Ｚｎ化合物層がバインダー効果を示すためと推定される。
【００２８】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００２９】
めっき鋼材として、Ｍｇ量とＡｌ量とＳｉ量を変化させたＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき鋼板を作製した。板厚０．８ｍｍの冷延鋼板を用意し、この冷延鋼板を浴温が４００〜６５０℃で、浴中の添加元素量を変化させためっき浴で３秒間めっきを行い、Ｎ2ワイピングでめっき付着量を片面６０ｇ／ｍ2に調整し、冷却速度１０℃／ｓ以下で冷却した。下層にＮｉプレめっきを施した試料も用意した。めっき鋼板の切断端面は塗装を施してシールした。めっき鋼板の詳細を表１に示す。なお、めっき層の残部はＺｎ及び不可避的不純物である。また、Ｍｇ2Ｓｉ相やＡｌ相中のＺｎ−Ｍｇ系金属間化合物は、作製しためっきサンプルを研磨後、ＳＥＭとＥＤＸを使用して解析し、元素と組成を求め定性分析することにより、存在の有無を確認した。
【００３０】
コンクリートはポルトランドセメント（プレユーロックス、小野田セメント（株）製）を用いた。腐食試験用のコンクリートとしては、ポルトランドセメントにＣａＣｌ2を１０ｋｇ／ｍ3の割合で添加して塩化物イオンを含有させて調整した。このようにして作製した腐食試験用コンクリートにめっき鋼板を埋め込み腐食試験を行った。
【００３１】
腐食試験用のめっき鋼板としては、幅５０ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの平板と、該めっき鋼板を９０°折り曲げ加工した曲げ加工板の２種類を用い、これらを直径７０ｍｍ×高さ８０ｍｍのコンクリートの円柱に突き刺した状態で硬化させたものを腐食試験体とした。
【００３２】
腐食試験としては屋外暴露試験を実施した。すなわち、千葉県富津市において屋外暴露試験を１年間実施した後、試験体を破壊し、コンクリート中のめっきの腐食状況を平板では平面部に着目し、曲げ加工板では加工部に着目し、目視で評価した。
【００３３】
目視の評価は、腐食無し：５点、白錆３０％以下で赤錆無し：４点、白錆３０％超で赤錆無し：３点、赤錆１〜５％以下：２点、赤錆５％超：１点で表し、３点以上を合格とした。
【００３４】
【表１】
2008075100.tif 000002
【００３５】
耐食性の評価結果を表１に示す。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき鋼板のめっき組成が本発明の範囲にあり、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層がＡｌ／Ｚｎ／ＭｇＺｎ2の三元共晶組織の素地中にＭｇ2Ｓｉ相とＡｌ相が混在した金属組織を有し、かつ、Ａｌ相の中にＺｎ−Ｍｇ系金間化合物を含有し、Ｚｎ−Ｍｇ系金属間化合物がＭｇＺｎ2であるものが、平板と加工板のいずれにおいても優れた耐食性を示した。また、適正量のＮｉプレめっきは加工部の耐食性を向上させる効果があった。