(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材の腐食環境を検出する腐食検出方法であって、
鉄製の部材で鋼材の外周の一部を包囲するステップと、
前記部材の外周の一部に、ひずみを検出する光ファイバセンサを巻き付けて検知部を形成するステップと、
前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化に基づいて、前記部材の腐食によるひずみを検出するステップと、を有することを特徴とする腐食検出方法。
【請求項２】
鉄製の部材の全表面に防錆処理を施したダミー部材、または、前記鉄製の部材と線膨張係数が実質的に同等でかつ鋼材より腐食しにくい部材を、ダミー部材として前記鋼材の外周に設け、ダミー部材を用いて腐食以外の要因で生じたひずみを検出し、前記検出した部材のひずみを補正するステップを更に有することを特徴とする請求項１記載の腐食検出方法。
【請求項３】
前記鉄製の部材と前記鋼材との間に間隙を設けることを特徴とする請求項１または請求項２記載の腐食検出方法。
【請求項４】
鉄筋コンクリート構造物の腐食環境を検出する腐食センサであって、
鋼材の外周を包囲する鉄製の部材と、
前記部材の表面に設けられ、ひずみを検出する光ファイバセンサと、を備えることを特徴とする腐食センサ。
【請求項５】
前記鉄製の部材は、前記鉄筋コンクリート構造物に用いられる鋼材と同じ材質、またはより腐食し易い材質であることを特徴とする請求項４記載の腐食センサ。
【請求項６】
前記光ファイバセンサは、前記鉄製の部材の表面に巻回されることを特徴とする請求項４または請求項５記載の腐食センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の腐食環境を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、腐食環境を検出する技術として、鉄等の細線が腐食することで変化する電気特性を検出する電気的腐食センサが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。また、鉄筋の腐食を検知する方法としては、コンクリート構造物中の鉄筋にひずみゲージを貼り付け、鉄筋が損傷した場合のひずみを検知している（特許文献３）。一方、光ファイバは、従来から、構造物に生ずるひずみを検出する光ファイバセンサが提案されている。例えば、特許文献４では、計測対象となる構造物に、螺旋状に整形した光ファイバセンサを取り付け、この光ファイバセンサの光伝搬特性の変化を電気光学的測定装置により測定する。これにより、構造物に大きな変位を生じても、破断せずに変位を計測することを可能としている。
【０００３】
また、特許文献５では、コンクリート構造物の内部において、スペーサ部材に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、このテープ部材に沿って巻回される光ファイバとを用いる。これにより、コンクリート部材のせん断ひび割れを検出することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−０９４５５７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１４５３３０号公報
【特許文献３】特許第４９７５４２０号明細書
【特許文献４】特開２０００−０９７６４７号公報
【特許文献５】特許第４００８６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鉄筋コンクリート構造物内の腐食を検知する方法として、従来から、自然電位法が知られているが、この方法は、コンクリート表面をはつってケーブルと内部の鉄筋と導通させて計測しなければならず、また、コンクリート表面を十分湿潤状態にしないと計測ができないといった課題が存在する。さらに、構造物の表面が樹脂系塗料やタイル仕上げなどの場合は、計測することができない。
【０００６】
従来から知られている電気的腐食センサでは、伝送損失、電磁干渉の影響などがあり、さらに常時モニタリングとした場合は、計測時に電流が流れるのでセンサ自体の腐食を促進してしまうなどの欠点がある。また、これら鉄線や鉄箔の腐食断線等による検出では、電気的特性を経時的に捕らえることはできず、腐食環境になったことを検知するのみで、その後の進行度を評価するのは困難である。
【０００７】
また、腐食に伴う鋼材のひずみを計測するために、直接鋼材にひずみゲージを貼付したり、近傍に設置したりする場合、鉄筋の腐食環境を事前に検知することができない。あるいはその計測器や接着剤などが鋼材を覆ってしまうため、腐食の発生に影響を及ぼし、正確な腐食の検出ができない恐れがある。さらに、その部分に腐食が発生すると、ひずみゲージが剥がれてしまって、計測ができなくなったり、あるいは計測はできても正しい結果が得られなくなったりする場合もある。
【０００８】
一方、直接、構造物内の鉄筋に光ファイバを巻きつける手法は、構造物全体に光ファイバを配置し、構造物の損傷や変形を検知するものであり、腐食環境を検知するものでない。たとえ、腐食によるひずみを検知したとしても、鉄筋が腐食損傷してから検知することとなる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバセンサを用いて鋼材の腐食環境を早期かつ正確に検出することができる腐食検出方法および腐食センサ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】
（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の腐食検出方法は、鋼材の腐食環境を検出する腐食検出方法であって、鉄製の部材で鋼材の外周の一部を包囲するステップと、前記部材の外周の一部に、ひずみを検出する光ファイバセンサを巻き付けて検知部を形成するステップと、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化に基づいて、前記部材の腐食によるひずみを検出するステップと、を有することを特徴とする。
【００１１】
このように、鉄製の部材で鋼材の外周の一部を包囲し、部材の外周の一部に、ひずみを検出する光ファイバセンサを巻き付けて検知部を形成するので、鋼材よりも先に部材を腐食させることが可能となる。また、光ファイバセンサは細線であるため鋼材を覆ってしまうことなく、腐食の発生を阻害することはない。これにより、腐食状況の早期発見が可能となる。また、鉄製の部材で鋼材の外周の一部を包囲するので、どの方向から腐食因子が侵入してきても検知することができる。また、腐食環境を検知後も、ひずみを継続して測定することで、腐食環境の進行度も知ることができる。
【００１２】
（２）また、本発明の腐食検出方法は、鉄製の部材の全表面に防錆処理を施したダミー部材、または、前記鉄製の部材と線膨張係数が実質的に同等でかつ鋼材より腐食しにくい部材をダミー部材として前記鋼材の外周に設け、ダミー部材を用いて腐食以外の要因で生じたひずみを検出し、前記検出した部材のひずみを補正するステップを更に有することを特徴とする。
【００１３】
このように、鉄製の部材の全表面に防錆処理を施したダミー部材、または、鉄製の部材と線膨張係数が実質的に同等でかつ鋼材より腐食しにくい部材を、ダミー部材として鋼材の外周に設け、ダミー部材を用いて腐食以外の要因で生じたひずみを検出し、検出した部材のひずみを補正するので、例えば、温度ひずみなどの影響を除去することが可能となる。
【００１４】
（３）また、本発明の腐食検出方法は、前記鉄製の部材と前記鋼材との間に間隙を設けることを特徴とする。
【００１５】
このように、鉄製の部材と鋼材との間に間隙を設けるので、鋼材そのもののひずみが部材に伝わることを防止し、腐食によるひずみを正確に検出することが可能となる。
【００１６】
（４）また、本発明の腐食センサは、鉄筋コンクリート構造物の腐食環境を検出する腐食センサであって、鋼材の外周を包囲する鉄製の部材と、前記部材の表面に設けられ、ひずみを検出する光ファイバセンサと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
このように、鉄製の部材で鋼材の外周の一部を包囲し、部材の外周の一部に、ひずみを検出する光ファイバセンサを巻き付けて検知部を形成するので、鋼材よりも先に部材を腐食させることが可能となる。また、光ファイバセンサは細線であるため鋼材を覆ってしまうことなく、腐食の発生を阻害することはない。これにより、腐食状況の早期発見が可能となる。また、鉄製の部材で鋼材の外周の一部を包囲するので、どの方向から腐食因子が侵入してきても検知することができる。また、腐食環境を検知後も、ひずみを継続して測定することで、腐食環境の進行度も知ることができる。
【００１８】
（５）また、本発明の腐食センサにおいて、前記鉄製の部材は、前記鉄筋コンクリート構造物に用いられる鋼材と同じ材質、またはより腐食し易い材質であることを特徴とする。
【００１９】
このように、鉄製の部材は、鉄筋コンクリート構造物に用いられる鋼材と同じ材質、またはより腐食し易い材質であるので、より早期に腐食環境を検知することができる。
【００２０】
（６）また、本発明の腐食センサにおいて、前記光ファイバセンサは、前記鉄製の部材の表面に巻回されることを特徴とする。
【００２１】
この構成により、鉄製の部材に生じた体積変化によるひずみを光ファイバセンサによって検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、腐食環境の早期発見が可能となる。また、腐食によるひずみを正確に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】腐食センサの作製から設置までの様子を示す図である。
【図２】本実施形態に係る腐食センサを鉄筋コンクリート構造物内に設置した様子を模式的示す図である。
【図３】本検証例に係る試験体の概略構成を示す図である。
【図４】本検証例に係る腐食センサの検出例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本実施形態に係る腐食検出方法として、コンクリート中において、部材としての鉄製のカプラの外周に光ファイバセンサを巻き付けて腐食センサを作製する場合を例示する。この腐食センサにおいて、カプラの腐食による挙動変化を捉えることによって、鋼材の腐食環境を検出する。
【００２５】
［第１の実施形態］
図１は、腐食センサの作製から設置までの様子を示す図である。図１（ａ）に示すように、鉄製カプラ１は、一般構造用の圧延鋼材を、半円筒状に成形し、蝶番部２（または留金部）を溶接することで円筒状の鉄製部材を作製することができる。また、図１（ｂ）に示すように、鉄製カプラ１において、光ファイバセンサを巻き付ける検知部以外の部分にはエポキシ系樹脂からなる防錆処理部３を形成している。このように、防錆処理部３を形成することによって、検知部以外が腐食しないようにする。なお、蝶番を用いる代わりに、接着、ワイヤーにより固定できれば良い。また、既製の円柱状の鉄製部材を鉄筋に通しても良い。また、鉄筋の外周にセラミックス等の部材を設置し、鉄シートを張付けても良い。
【００２６】
次に、図１（ｃ）に示すように、計測対象である鉄筋５に、鉄製カプラ１を固定し、光ファイバセンサ４を鉄製カプラ１の検知部に巻き付ける。その後、図１（ｄ）に示すように、光ファイバセンサ４を含む検知部を、被覆モルタル６で被覆して、腐食センサを作製する。その後、コンクリートを打設する。
【００２７】
鉄製カプラ１の材質は、早期に腐食環境を検知するために鉄筋コンクリート構造物に用いられる鋼材と同じ材質か、あるいはより腐食しやすい材質とする。
【００２８】
図２は、本実施形態に係る腐食センサを鉄筋コンクリート構造物内に設置した様子を模式的示す図である。このように、鉄筋５の外周の一部に鉄製カプラ１が設けられるため、いずれの方向から腐食因子が侵入したとしてもこの鉄製カプラ１が鉄筋５よりも先に腐食することとなる。鉄製カプラ１が腐食すると、腐食生成物の体積膨張によるひずみが生ずる。このひずみを、光ファイバセンサ４を介して、データロガー３３で検出することによって、コンクリート内部が腐食環境にあるのか否かを診断することが可能となる。ここで、すでに腐食劣化した鉄筋コンクリート構造物を補修する際には、鉄筋裏側（内部）に内在塩分が含まれているが、鉄製カプラ１を鉄筋コンクリート構造物内にそのまま設置することにより、内在塩分の影響による腐食を検知できる。
【００２９】
鋼材に腐食が生じた場合には、温度や外力などの影響以外に、何らかのひずみ挙動が生じることから、鋼材のひずみを計測すれば腐食が検知可能となる。その挙動は、環境条件やコンクリートによって異なるため、光ファイバセンサ４を鉄製カプラ１に巻き付ける際には、密着するように、好ましくは引張力が加わるように巻き付ける。これにより、膨張側・収縮側両方のひずみが計測できるようになる。
【００３０】
また、鉄製カプラ１に光ファイバセンサ４を巻き付ける際には、光ファイバセンサ４を、直線状に貼付したり、波状に曲折して貼付したりしても良いが、好ましくは周回するようにらせん状、またはループ状に巻き付ける。周回数は多いほど腐食部分と光ファイバが重なるので早期に検知するが、周回数が多すぎると鉄製カプラ１への腐食因子の到達を妨げることになる。周回数は、目安としてファイバ長（mm）／鋼材表面積（mm2）が０．０１〜２である。とにかく、鉄製カプラ１に生ずる腐食の変化をひずみとして検出できれば良い。なお、鉄製カプラ１に光ファイバセンサ４を巻き付ける場合には、鉄製カプラ１は、円柱状で表面が平滑なほど均一に巻き付けられ、光ファイバセンサが破損しにくいため好ましい。また、光ファイバセンサはＦＢＧセンサ等を用いることができる（FBG長は長いほど好ましい）。
【００３１】
被覆モルタル６は、例えば、厚さが１０ｍｍのモルタルで構成することができる。被覆モルタル６を備えるので、打設する前に鉄製カプラ１が錆びてしまうことを回避することが可能となる。さらに、コンクリートの打設時などの施工中に鉄製カプラ１や光ファイバセンサが損傷することがない。被覆モルタル６を構成するモルタルは、腐食因子の侵入を妨げないように、また、早期に腐食因子が鉄製カプラ１に到達するように、水セメント比を構造体コンクリートより高めにする。被覆モルタル６は、ひび割れることなく鉄製カプラ１を保護できるよう、３〜１５ｍｍの厚さが好ましい。また、分離やブリーディングが生じないように混和材を使用するのが好ましい。なお、補修部をモルタルで修復する場合、腐食センサを設置まで錆びないように保管しておけば、モルタルの修復で腐食センサが損傷することはないので、被覆部はなくても良い。
【００３２】
埋設した鉄製カプラ１のコンクリート表面からの深さと、鉄筋の深さから、鋼材に腐食因子が到達するまでの期間を拡散の理論に基づいて精度よく予測することができ、コンクリート構造物の維持管理では有用な情報となる。例えば、腐食因子が拡散によってコンクリート表面から内部へ浸透するとすれば、コンクリート表面から鉄製カプラ１までの距離をＡ、コンクリート表面から鉄筋までの距離をＢ、コンクリート構造物建設から鉄製カプラ１の光ファイバセンサ４が腐食因子を検知した時間をＴＡとすると、コンクリート構造物建設から鋼材の腐食が生じるまでの時間ＴＢは、ＴＢ＝ＴＡ・（Ｂ２／Ａ２）として予測することができ、腐食センサで検知した情報に基づいて、コンクリート構造物を劣化から守る対策を劣化が生じる前に施すことが可能となる。また、鉄製カプラ１の厚さを変えることにより、複数の異なるコンクリート表面からの深さとなるように設置することでより正確に鉄筋が腐食を生じるまでの時間を求めることができる。
【００３３】
また、ダミーカプラを用いることも好適である。すなわち、鉄製カプラの全表面に防錆処理を施したダミーカプラを、鉄製カプラ１と同様に鉄筋周囲に設ける。そして、ダミーカプラを用いて腐食以外の要因で生じたひずみを検出し、腐食センサで検出したカプラひずみを補正するようにしても良い。これにより、例えば、温度ひずみなどの影響を除去することが可能となる。ダミーカプラは、被覆モルタル６にエポキシ樹脂などで被覆し、中性化や劣化因子の侵入を防いで内部の炭素鋼の腐食を防ぐなど方法がある。または、鉄製カプラ１よりも腐食しにくく線膨張係数が実質的に同等の部材（例えば、SUS410など）を鉄筋周囲に設け、ひずみを検出する光ファイバセンサを備えるダミーカプラを用いても良い。
【００３４】
さらに、鉄製カプラ１と鉄筋５との鋼材との間に間隙を設けても良い。間隙は鉄製カプラ１と鉄筋５の間でひずみが伝達しない程度であれば良い。間隙は、隙間であっても良いが、スペーサを用いることが好ましい。スペーサは、腐食しにくい樹脂やゴムシートで構成することができる。このように、鉄製カプラ１と鉄筋５との間に間隙を設けることによって、鉄筋５そのもののひずみが鉄製カプラ１に伝わることを防止し、腐食によるひずみを正確に検出することが可能となる。
【００３５】
他の実施形態として、鉄製カプラ１の代わりに鉄筋を用いることができる。この場合、鉄筋を切削又は研磨して、防錆被膜が剥ぎ取り、表面を早期に腐食する鉄材とする。また、切削又は研磨により鉄筋の表面の凹凸をなくし、光ファイバセンサを巻き付けることで腐食によるひずみを正確に検出することが可能となる。その他の実施方法は鉄製カプラ１と同様であるので省略する。
【００３６】
［検証例］
次に、鉄材の膨張により光ファイバセンサが腐食によるひずみを検知するかどうかを検証した。ここでは、試験的に塩水中でモルタルを被覆したみがき棒鋼が腐食を検知した場合を例にとって説明する。本検証例では、腐食センサの概要を以下のようにした。みがき棒鋼は、ＪＩＳＧ３１０８ ＳＧＤ３Ｍを使用した。
【表１】
0006649142.tif 000002
【００３７】
また、ダミーセンサによるひずみ挙動の差異で腐食検知を行なうのが好ましく、被覆モルタルの体積変化や含水率の影響がひずみに表れることが予想されるため、試験体の仕様に応じて、ダミーの試験体を作製した。
【００３８】
みがき棒鋼に対する光ファイバの巻き方は、一定の張力下、例えば、巻き付け時に多少の引張ひずみが出ていることを確認した上で、巻き付け作業を行ない、端部をＣＮ（東京測器製）で固定する。
【００３９】
光ファイバセンサ（FBGセンサ）は、以下の仕様のものを用いた。
【００４０】
【表２】
0006649142.tif 000003
【００４１】
次に、被覆モルタルについて説明する。モルタルの使用材料は、次の表に示す通りである。
【００４２】
【表３】
0006649142.tif 000004
次に、モルタルの配合は、次の表に示す通りである。
【００４３】
【表４】
0006649142.tif 000005
なお、上記の表中、「Ｂ」とは、「Ｃ」と「Ｌ」とを混合したものである。
【００４４】
［モルタルの練混ぜ方法］
試験体に用いるモルタルは、“株式会社丸東製作所社製のモルタルミキサ（2L練）”を用いて練混ぜを行なった。練混ぜ手順は、以下の通りである。なお、モルタルの練混ぜは、２０±２℃、湿度５０％以上の恒温恒湿室にて行なった。
【００４５】
塩ビ製型枠（内径φ40 mm×高さ50mm）にモルタルを打込み、その中に光ファイバを巻いた棒鋼を中央部に入れ、その後、同じ恒温恒湿室で３時間養生後、２０℃湿度９５％以上で７日間養生し、脱型した。
【００４６】
図３は、本検証例に係る試験体の概略構成を示す図である。図３に示すように、試験体４０は、棒鋼に対して、上下方向のかぶりが２０ｍｍであり、左右方向のかぶりが１０ｍｍである。次の表は、試験体４０の概要を示す。
【００４７】
試験体４０を腐食環境下（温度４０℃下で、ＮａＣｌ：１０％水溶液に浸漬１日、湿度６０％乾燥３日、再度ＮａＣｌ：１０％水溶液に浸漬１日、以降は湿度６０％乾燥）におき、計測機器（株式会社渡辺製作所製）により波長の変化を計測した。ＮａＣｌ：１０％水溶液の浸漬は、光ファイバ引き出し部からＮａＣｌ水溶液の侵入がないように、試験体の下端から３０ｍｍの部分までを浸漬させた。また、ダミー試験体は、ここでは実験上腐食しない棒鋼を用いずに腐食センサと同じ試験体を用いており、ＮａＣｌ水溶液を用いる代わりに腐食することのない純水に浸漬した。
【００４８】
以下の式により、波長からひずみに変換し、腐食によるひずみの変化を確認した。
【００４９】
【数１】
0006649142.tif 000006
ここで、ε：ひずみ（μ）、λ：測定時の波長（ｎｍ）、λ*：初期波長（ｎｍ）である。
【００５０】
図４は、腐食環境下における経過時間とひずみとの関係を示すグラフである。本検証例では、１日と４日に塩水や水に浸漬したため、温度変化やモルタルの吸水などで一時的にひずみが変化したが、ダミー試験体も同じ様に変化したため、腐食によるものではない。１６日に試験体とダミー試験体のひずみ量が乖離した。そこで、試験体の被覆モルタルを除去したところ、棒鋼が腐食していることが確認された。
【００５１】
本検証例から、鉄製の部材に巻き付けたひずみを検出する光ファイバセンサは、鉄製の部材が腐食することで生じるひずみを検知することが証明された。したがって、本発明の腐食センサも同様に鉄製の部材が腐食することで生じるひずみを検知できることがわかる。
【符号の説明】
【００５２】
１  鉄製カプラ
２  蝶番部
３  防錆処理部
４  光ファイバセンサ
５  鉄筋
６  被覆モルタル
３３  データロガー
４０  試験体
【図１】
0006649142.tif 000007
【図２】
0006649142.tif 000008
【図３】
0006649142.tif 000009
【図４】
0006649142.tif 000010