(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄筋を中性水溶液に浸漬させるステップと、
前記中性水溶液中で前記鉄筋に不動態が形成される電流値である不動態化電流を測定するステップと、
前記中性水溶液における溶存酸素の還元電流が、前記不動態化電流以下の状態を維持するように不活性ガスで前記中性水溶液の酸素の脱気を行うことにより、前記鉄筋に水素を吸収させるステップとを含んだことを特徴とする水素吸収方法。
【請求項２】
前記不活性ガスは、窒素またはアルゴンを用いることを特徴とする請求項１に記載の水素吸収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄筋の水素吸収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄筋は、特定の使用環境において水素を吸収し、延性が失われ、強度が著しく低下することがある。この現象は水素脆化（非特許文献１参照）と呼ばれている。
【０００３】
鉄筋を特定の環境において使用する際は、予め決めた水素吸収法を用いて鉄筋に水素を吸収させ、力学試験を行い、鉄筋の水素脆化に対する耐食性を評価する。水素吸収法としては、例えば、電解質溶液中において鉄筋の電位を制御することで水素を発生させる手法（以下、陰極チャージ法）がある（非特許文献２参照）。また、チオシアン酸アンモニウムや塩酸等の酸性溶液を用い、腐食溶液に浸漬させることにより、鉄筋表面において水素を発生させる手法（以下、浸漬法）もある（非特許文献３参照）。
【０００４】
鉄筋表面の状態は、鉄筋中への水素吸収量に影響を及ぼすことが知られている。例えば、鉄筋表面にNiを濃縮させる加工を施すことで鉄筋中への水素吸収量を抑え、水素脆化を抑制することができると言われている（非特許文献４参照）。このように鉄筋表面に特殊な加工が施されている場合、その機能が実環境において発現するかを適切に評価する必要があり、水素吸収法についても実環境を模擬した条件を適用することが望ましい。
【０００５】
ここで、鉄筋コンクリートでは、通常、コンクリートがアルカリ性であるため鉄筋の腐食を防止する効果がある。しかし、大気中の二酸化炭素の影響でコンクリートのpHが時間とともに低下し、pH=8前後の中性化されたコンクリート環境下で鉄筋の腐食が進行することが知られている。また、一般的な鉄筋の水素脆化に対する耐食性の評価試験では、100時間程度の試験を行うため、長期間にわたり安定した水素発生環境を維持する必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】南雲道彦、「鋼の力学的挙動に及ぼす水素の影響」、鉄と鋼、Vol.90(2004)、No.10、p766-775、2004年
【非特許文献２】小林正人、西方篤、水流徹、「高アルカリ塩化物環境下における炭素鋼の脆化割れに及ぼすひずみ速度と水素発生電流の影響」、材料と環境、59、p129-135(2010)、2010年
【非特許文献３】「２０％チオシアン酸アンモニウム溶液中でのＰＣ鋼材の水素脆化試験方法」、p1-3、社団法人腐食防食協会、JSCE  S  1201(2012)、2012年
【非特許文献４】白神哲夫、「鉄鋼材料における水素脆化」、材料と環境、60、p236-240(2011)、2011年
【非特許文献５】M.Nagumo,M.Nakamura,and  K.Takai,Hydrogen  Thermal  Desorption  Relevant  to  Delayed-Fracture  Susceptibility  of  High-Strength  Steels,  METALLURGICAL  AND  MATERIALS  TRANSACTIONS,vol.32A,Feb(2001),pp.339-347
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、中性化したコンクリート環境を模擬した環境で陰極チャージ法により鉄筋に水素を吸収させようとすると、水素発生時に水が分解され、鉄筋表面に水酸化物イオンが生成する。このため、試験時間が長くなるとコンクリート環境がアルカリ性に傾いてしまうという問題がある。
【０００８】
また、浸漬法により鉄筋に水素を吸収させる場合、鉄筋から溶解した鉄イオンと水との反応によりオキシ水酸化鉄が鉄筋の表面に生成し、時間の経過とともに不動態化する。その結果、鉄筋の溶解が阻害される。
【０００９】
例えば、浸漬法において、50mM  NaHCO3水溶液（pH＝8.5）にφ9mmの鋼棒（Fe-0.25%  Si）を浸漬させる場合を考える。この場合、空気中で鋼棒の表面に生成したnmオーダの四酸化三鉄（Fe3O4）が水溶液中で溶解し、その結果、例えば、図６に示すように浸漬直後から徐々に腐食電位が低下する。そして、電位が-700〜-800mV  vs.  SSEに維持された状態で水素が発生し、鋼棒に水素が吸収される。実際、この水溶液中に24時間浸漬させた鋼棒を厚み3mmに切断した試験片を昇温脱離分析測定したところ、図７に示すように100℃付近にピークがあり（非特許文献５参照）、鋼棒への水素の吸収を確認することができた。しかし、鋼棒の浸漬時間が長くなると、図８に示すように鋼棒の腐食電位が再び上昇し、鋼棒表面の電位が水素発生電位から外れてしまう（図８の80時間以降の電位参照）。この電位の変化は、鋼棒から溶解した鉄イオンと水との反応によりオキシ水酸化鉄が鋼棒の表面に生成し、時間の経過とともに不動態化したことで、鉄筋の溶解が阻害されたことによる。
【００１０】
なお、上記の反応は、以下の反応式で表される。
【００１１】
（１）鉄の溶解と水素の発生
【数１】
0006350917.tif 000002
【００１２】
（２）鉄筋（鋼棒）の表面へのオキシ水酸化鉄被膜の形成
【数２】
0006350917.tif 000003
【００１３】
つまり、従来技術はいずれも、鉄筋コンクリートに用いられる鉄筋について、長時間にわたり実環境を模擬した状態を維持しながら水素吸収を行うことができないという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、鉄筋コンクリートに用いられる鉄筋について、長時間にわたり実環境を模擬した状態を維持しながら水素吸収を行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記した課題を解決するため、本発明は、鉄筋を中性水溶液に浸漬させるステップと、前記中性水溶液中で前記鉄筋に不動態が形成される電流値である不動態化電流を測定するステップと、前記中性水溶液における溶存酸素の還元電流が、前記不動態化電流以下の状態を維持するように不活性ガスで前記中性水溶液の酸素の脱気を行うことにより、前記鉄筋に水素を吸収させるステップとを含んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、鉄筋コンクリートに用いられる鉄筋について、長時間にわたり実環境を模擬した状態を維持しながら水素吸収を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、鉄筋の評価試験方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図２】図２は、本実施形態の水素吸収方法が用いられる評価試験装置の一例を示す図である。
【図３】図３は、図２の容器の具体例を示す図である。
【図４】図４は、50mM  NaHCO3水溶液に浸漬させた鋼棒の-1000mV  vs.  SSEからのアノード分極曲線を示すグラフである。
【図５】図５は、本実施形態の水素吸収方法により水素吸収をさせた鋼棒の腐食電位の変化を示すグラフである。
【図６】図６は、50mM  NaHCO3水溶液に浸漬させた鋼材の腐食電位の変化を示すグラフである。
【図７】図７は、50mM  NaHCO3水溶液に浸漬させた鋼材の昇温脱離分析測定の結果を示すグラフである。
【図８】図８は、50mM  NaHCO3水溶液に浸漬させた鋼材の腐食電位の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
【００１９】
（概要）
本実施形態の水素吸収方法の概要を説明する。本実施形態の水素吸収方法は、鉄筋（鋼材）に水素を吸収させるために用いる中性水溶液の溶存酸素濃度を、不活性ガスを用い低下させる。これにより、鉄筋の活性溶解（酸化反応）と溶存酸素の還元反応がつり合うまで腐食電位が低下し、鉄筋の表面に不動態が形成されることなく水素の生成反応が起こるようになる。その結果、電気化学的に制御することなく、中性環境において安定的に鉄筋に水素を吸収させることができる。なお、以下の説明において中性水溶液は、pH=8前後の中性化されたコンクリート環境を模擬する水溶液であり、例えば、pH=8.5程度（弱アルカリ性）の50mM  NaHCO3水溶液を用いるものとする。
【００２０】
（実施形態）
図１を用いて、本実施形態の水素吸収方法を用いた鉄筋の評価試験を説明する。この評価試験は、例えば、図２に示す評価試験装置を用いる。この評価試験装置は、試験片（鉄筋）２を浸漬するための容器１と、試験片２と、試験片２に力学的な負荷を加えるためのおもり３と、酸素濃度計測器５とを備える。
【００２１】
容器１の中の溶液は、例えば、50mM  NaHCO3水溶液（pH=8.5）である。容器１は、溶液内に窒素等の不活性ガスを吹き込むバブラー４を備える。バブラー４により溶液内に不活性ガスが吹き込まれることにより、溶液内の酸素が脱気される。なお、この容器１は、溶液が大気に接しないように、例えば、図３に示すように蓋６で密閉した状態で用いることが好ましい。この場合、溶液の水上に出てきた不活性ガスを逃し、外気の逆流を防止するため、容器１に逆流防止装置７を設置する。試験片２は、鉄筋コンクリートに用いられる鉄筋であり、例えば、φ9mmの鋼棒（Fe-0.25%  Si）を用いる。酸素濃度計測器５は、容器１内の溶液の酸素濃度を計測する装置である。
【００２２】
まず、試験者は、試験片（鉄筋）２を評価試験装置の容器１の溶液に浸漬させ、試験片２の溶液中での不動態化電流を測定する（図１のＳ１）。つまり、試験者は、試験片２を容器１の溶液に浸漬させ、試験片２の表面に不動態が形成される電流値を計測する。ここでの不動態化電流の測定は、予め決めた手段を用いればよいが、例えば、-1000mV  vs.  SSEに5分間定電位分極した後、0.2mV/sの走査速度でアノード分極することにより測定する。
【００２３】
次に、試験者は、試験片２を浸漬させた溶液中における溶存酸素の還元電流が、Ｓ１で測定した不動態化電流以下の状態を維持するように、不活性ガスで溶液の酸素の脱気を行いながら試験片２に水素を吸収させる（Ｓ２）。
【００２４】
つまり、試験者は、酸素濃度計測器５により溶液中の酸素濃度を計測しながら、溶液中の酸素濃度が所定値以下となるように、不活性ガスで溶液内の酸素の脱気を行う。なお、ここで、溶液内の溶存酸素量［O2］と酸素の還元電流との関係は以下の式（３）により表される。
【００２５】
【数３】
0006350917.tif 000004
【００２６】
上記の式（３）におけるｎは電子の反応数（例えば、4）、Fはファラデー定数、DO2は酸素の拡散係数（例えば、2×10-5cm2s-1）、δは定常拡散層の厚み（例えば、10-2cm）である。例えば、酸素の還元電流idを0.4Am-2とすると式（３）により、溶存酸素量[O2]は2×10-7mol・cm-3と求めることができる。
【００２７】
試験者は、例えば、Ｓ１で得られた不動態化電流に相当する溶存酸素量を、式（３）により求め、この溶存酸素量と溶液の体積から溶存酸素濃度を求める。そして、試験者は、溶液中の溶存酸素濃度が当該溶存酸素濃度以下となるように、不活性ガスで溶液内の酸素の脱気を行う。
【００２８】
その後、試験者は、おもり３により試験片２に力学的な負荷を加えて破断試験を行う（Ｓ３）。これにより、鉄筋コンクリートに用いられる鉄筋の水素脆化に対する耐食性を評価することができる。なお、この試験片２の破断試験は、試験片２への水素吸収をした後で行ってもよいし、水素吸収をしながら行ってもよい。
【００２９】
このように、中性水溶液に試験片２を浸漬させ水素を吸収させる際に、中性水溶液に溶存酸素の還元電流が不動態化電流以下の状態を維持するように、不活性ガスで溶液の脱気を行いながら、試験片２に水素を吸収させる。その結果、試験片２の表面に不動態が形成されることなく水素の生成反応が起こるようになる。これにより、試験期間中（例えば、100時間）、安定した実環境を模擬した状態を維持しながら試験片２への水素吸収を行うことができる。よって、様々な鉄筋の実環境下での水素脆化特性の評価を簡易に行うことが可能となり、効率的に鉄筋の開発を行うことができる。
【００３０】
（その他の実施形態）
なお、本発明は以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、鉄筋を浸漬させる中性水溶液を脱気するガスは、水溶液のpHを変動させたり、鉄筋を腐食させたりする成分を含まないガスであれば、窒素以外のガス、例えば、アルゴン等を用いてもよい。
【００３１】
（実験結果）
なお、上記の水素吸収方法の効果を確認するため、以下の実験を行った。本実験では、50mM  NaHCO3水溶液（pH=8.5）にφ9mmの鋼棒（Fe-0.25%  Si）を浸漬させ、不活性ガスにより水溶液の酸素を脱気しながら、鋼棒の腐食電位の変化を計測した。
【００３２】
なお、不動態化電流は、-1000mV  vs.  SSEに5分間定電位分極した後、0.2mV/sの走査速度でアノード分極することにより測定した。図４に測定結果を示す。図４に示す測定結果において、不動態化電流は、-500〜-400mV  vs.  SSEにかけて低下したときの電流（約0.80〜0.43Am-2）であることが確認できた。
【００３３】
図５に、本実施形態の水素吸収方法により水素吸収をさせた鋼棒の腐食電位の変化を示す。図５に示すように、実験開始直後から腐食電位が徐々に低下し、実験開始から約15分程度で水素が発生する電位（約-700mV）に達することが確認できた。その後も、不活性ガスにより50mM  NaHCO3水溶液の脱気を継続し、溶存酸素の還元電流を上記の不動態化電流より低い値（0.4Am-2以下）を維持するようにしたところ、鋼棒の腐食電位は水素が発生する電位（約-700mV以下）を維持することが確認できた。なお、図５においては、実験開始から2時間までの腐食電位の変化しか記載していないが、実験開始から100時間以上経過しても鋼棒の腐食電位は、水素が発生する電位（約-700mV以下）を維持することが確認できた。
【００３４】
以上の実験結果から、本実施形態の水素吸収方法によれば、鉄筋の試験期間中（例えば、100時間）、安定した実環境を模擬した状態を維持しながら鉄筋への水素吸収を行うことができることが確認できた。
【符号の説明】
【００３５】
１      容器
２      試験片
３      おもり
４      バブラー
５      酸素濃度計測器
６      蓋
７      逆流防止装置
【図１】
0006350917.tif 000005
【図２】
0006350917.tif 000006
【図３】
0006350917.tif 000007
【図４】
0006350917.tif 000008
【図５】
0006350917.tif 000009
【図６】
0006350917.tif 000010
【図７】
0006350917.tif 000011
【図８】
0006350917.tif 000012