(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.001 mass％超、0.3 mass％未満、
Ｎ：0.001 mass％超、0.3 mass％未満、
Si：0.1 mass％超、4.0 mass％未満、
Mn：0.1 mass％超、4.0 mass％未満、
Cr：5.0 mass％超、15.0mass％未満、
Co：0.01mass％超、1.0 mass％未満、
Al：0.04mass％未満、
Ｐ：0.04mass％未満および
Ｓ：0.03mass％未満
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【請求項２】
請求項１において、鋼が、さらに
Ｖ：1.0 mass％未満および
Ｗ：1.0 mass％未満
のうちから選んだ一種または二種を含有する組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【請求項３】
請求項１または２において、鋼が、さらに
Ni：3.0 mass％未満、
Cu：3.0 mass％未満および
Mo：3.0 mass％未満
のうちから選んだ一種または二種以上を含有する組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【請求項４】
請求項１，２または３において、鋼が、さらに
Nb：1.0 mass％未満、
Ti：1.0 mass％未満、
Ta：1.0 mass％未満、
Zr：1.0 mass％未満および
Ｂ：0.01mass％未満
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の鉄筋用Cr含有棒鋼を、鉄筋として内部に設置してなることを特徴とする鉄筋コンクリート構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼およびそれを用いた鉄筋コンクリート構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄筋用鋼としては SD345鋼や SD390鋼などが用いられてきたが、このような普通鋼鉄筋は、コンクリートが中性化した場合やコンクリート中に塩素イオンが混入した場合には、容易に腐食するため、コンクリート崩壊の危険性が指摘され、最近大きな問題となっている。
【０００３】
その対策として、次に述べるような種々の防食鉄筋が提案されている。
例えば、特開昭60−92451 号公報には、Ｓ量を0.01mass％以下に低減した上で、0.05〜3.00mass％のCrあるいはこのCrと共に0.03〜0.60mass％のCuを複合添加し、さらに必要に応じてＶ, Mo, Ｐ等を添加することによって、耐食性を向上させたコンクリート用鉄筋が提案されている。
また、特開昭62−188754号公報には、0.30〜5.00mass％のCrと0.50超〜1.50mass％のCuを複合添加すると共に、Ni, Mo, Ｖを併せて添加することによって、耐食性と曲げ加工性を向上させた鉄筋が提案されている。
さらに、特開昭62−274050号公報には、Ｓ量を0.005 mass％以下に低減した上で、0.5 超〜5.5 mass％のCrと 7.0〜20.0mass％のAlを含有させることによって、塩分に起因した鉄筋の腐食を防止した耐海水鉄筋棒鋼が提案されている。
【０００４】
しかしながら、特開昭60−92451 号公報や特開昭62−188754号公報などのように、Cr含有量が５mass％以下の場合には、塩害地域等では十分な耐食性を得ることができないという問題がある。
また、特開昭62−274050号公報のように、Al含有量が７mass％以上と高い場合には、耐食性は良いものの、コストが高いという問題がある。
【０００５】
現在、ある程度有効であるとして使用されている防食鉄筋は、エポキシ被覆鉄筋である。
しかしながら、このエポキシ被覆鉄筋も施工時に生じた庇や溶接部については現地で補修する必要があり、また曲げ加工の際に庇を生じない特殊な加工機が必要になるなど、問題が多い。海外では、実際に施工する場合の問題の多さから、エポキシ被覆鉄筋の使用を中止したという報告もある。
【０００６】
そのため、海外では、塩害地域用防食鉄筋としてステンレス鉄筋が部分的に使用されている。
しかしながら、それらは殆ど SUS 304や SUS 316といった高価なオーステナイト系ステンレス鋼であり、これらは耐食性には極めて優れているものの、高価であるため使用範囲が限定されるという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の実状に鑑み開発されたもので、上述したような鉄筋腐食に起因したコンクリート構造物の崩壊を防止できるのはいうまでもなく、エポキシ被覆鉄筋のように施工に厳しい制約がなく、しかも海外で使用されている SUS 304や SUS 316等よりもはるかに安価な鉄筋用Cr含有棒鋼を提案することを目的とする。
また、本発明は、上記の鉄筋用Cr含有棒鋼を利用することにより、塩害地域において用いても崩壊するおそれのない鉄筋コンクリート構造物を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題解決のための手段】
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、多くの合金元素の影響について調査を行った。
その結果、Cr量が 5.0mass％超で、かつ少量のCoを含有する鋼が、アルカリ性となり、溶存酸素によるカソード反応も制限されるコンクリート中での耐食性に優れ、 コスト的にもSUS304やSUS316よりもはるかに安価で、 防食鉄筋材料として極めて優れていることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Ｃ：0.001 mass％超、0.3 mass％未満、
Ｎ：0.001 mass％超、0.3 mass％未満、
Si：0.1 mass％超、4.0 mass％未満、
Mn：0.1 mass％超、4.0 mass％未満、
Cr：5.0 mass％超、15.0mass％未満、
Co：0.01mass％超、1.0 mass％未満、
Al：0.04mass％未満、
Ｐ：0.04mass％未満および
Ｓ：0.03mass％未満
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【００１０】
２．上記１において、鋼が、さらに
Ｖ：1.0 mass％未満および
Ｗ：1.0 mass％未満
のうちから選んだ一種または二種を含有する組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【００１１】
３．上記１または２において、鋼が、さらに
Ni：3.0 mass％未満、
Cu：3.0 mass％未満および
Mo：3.0 mass％未満
のうちから選んだ一種または二種以上を含有する組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【００１２】
４．上記１，２または３において、鋼が、さらに
Nb：1.0 mass％未満、
Ti：1.0 mass％未満、
Ta：1.0 mass％未満、
Zr：1.0 mass％未満および
Ｂ：0.01mass％未満
のうちから選んだ少なくとも一種を含有する組成になることを特徴とする、コンクリート中での耐食性に優れた鉄筋用Cr含有棒鋼。
【００１３】
５．上記１〜４のいずれかに記載の鉄筋用Cr含有棒鋼を、鉄筋として内部に設置してなることを特徴とする鉄筋コンクリート構造物。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼材の成分組成を上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.001 mass％超、0.3 mass％未満
Ｃは、オーステナイト相および炭化物の生成元素である。オーステナイト相は、溶接部において、マルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細炭化物も強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｃ含有量が 0.001mass％以下ではオーステナイト相および炭化物の生成量が少なすぎて強度不足となり、一方 0.3mass％以上では硬くなり過ぎて靱性の劣化を招く。従って、Ｃ量は 0.001mass％超、0.3 mass％未満の範囲に限定した。
【００１５】
Ｎ：0.001 mass％超、0.3 mass％未満
Ｎも、オーステナイト相および窒化物の生成元素であり、オーステナイト相は溶接部において、マルテンサイト組織を生じて強度を向上させ、また微細窒化物も強度を向上させる。しかしながら、Ｎ含有量が 0.001mass％以下ではオーステナイト相および窒化物の生成量が少な過ぎて強度不足となり、一方 0.3mass％以上になると硬くなり過ぎて靱性の劣化を招く。従って、Ｎ量は 0.001mass％超、0.3 mass％未満の範囲に限定した。
なお、特に強度を高めたい場合には、Ｃ，Ｎをそれぞれ0.02mass％以上、より好ましくは0.03mass％以上とすることが望ましい。
【００１６】
Si：0.1 mass％超、4.0 mass％未満
Siは、脱酸剤として有用な元素であるが、含有量が 0.1mass％以下では十分な脱酸効果が得られず、一方 4.0mass％以上になると硬くなって機械的性質の劣化を招く。従って、Si量は 0.1mass％超、4.0 mass％未満の範囲に限定した。
【００１７】
Mn：0.1 mass％超、4.0 mass％未満
Mnも、Ｃと同様、オーステナイト相生成元素であるが、含有量が 0.1mass％以下ではオーステナイト相の生成が不十分となるため、溶接部のマルテンサイト組織が少なくなって、強度不足となる。一方、Mn含有量が 4.0mass％以上になると鋼中に残存する介在物が多くなって耐食性が劣化する。従って、Mn量は 0.1mass％超、4.0 mass％未満の範囲に限定した。
【００１８】
Cr：5.0 mass％超、15.0mass％未満
Crは、本発明における耐食性の改善成分として重要な元素である。本発明で対象にする鉄筋として、コンクリート中において長期使用が可能となるレベルの耐食性を確保するためには、少なくとも 5.0mass％超のCrが必要である。一方、Cr量が15.0mass％以上になると、耐食性は良くなるものの、コストアップになるだけでなく、フェライト相の生成量が多くなって溶接部の靱性不足となる。従って、Cr量は5.0 mass％超、15.0mass％未満の範囲に限定した。
【００１９】
Co：0.01mass％超、1.0 mass％未満
Coは、本発明の重要な成分であり、このCo添加によってコンクリート中でのCr鋼素地の腐食速度を低減して耐食性の向上を図ることができる。
少量のCoによるこのような耐食性の向上効果は、アルカリ環境で、しかも溶存酸素によるカソード反応も制限されるコンクリート中において初めて見出されたものである。
ここに、Co含有量が0.01mass％以下では上記の効果を十分に得ることができず、一方 1.0mass％以上になると上記の効果は飽和に達し、むしろコストの上昇を招くので、Co量は0.01mass％超、1.0mass ％未満の範囲に限定した。
【００２０】
Al：0.04mass％未満
Alは、脱酸剤として有用な元素である。Siによる脱酸が不十分な場合にはAlによる脱酸が行われるが、その含有量が0.04mass％以上になると介在物が多くなって耐食性が劣化する。従って、Alは0.04mass％未満で含有させることとした。
【００２１】
Ｐ：0.04mass％未満
Ｐは、靱性等の機械的性質を劣化させるだけでなく、耐食性に対しても有害な元素であり、特にＰ含有量が0.04mass％以上になるとその悪影響が顕著になるので、Ｐ量は0.04mass％未満に制限した。
【００２２】
Ｓ：0.03mass％未満
Ｓは、Mnと結合してMnＳを形成し、初期発銹起点となる。またＳは、結晶粒界に偏析して、粒界脆化を促進する有害元素でもあるので、極力低減することが好ましい。特にＳ含有量が0.03mass％以上になるとその悪影響が顕著になるので、Ｓ量は0.03mass％未満に制限した。
【００２３】
以上、必須成分および抑制成分について説明したが、本発明では、その他にも以下に述べる各種元素を適宜含有させることができる。
Ｖ：1.0 mass％未満
Ｖを添加することにより、Cr炭窒化物の析出が少なくなって、耐食性が向上する。また、Ｖは、Cr鋼素地の耐食性の向上にも寄与する。特にコンクリート中という腐食環境では、Ｖは少量の添加でも耐食性向上に有効に寄与するという知見が得られた。しかしながら、含有量が 1.0mass％以上になると上記の効果は飽和に達し、むしろコストの上昇を招くことになる。従って、Ｖは 1.0mass％未満で含有させることとした。
【００２４】
Ｗ：1.0 mass％未満
Ｗは、Ｖと同様、Cr炭窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させるだけでなく、Cr鋼素地の耐食性の向上にも寄与する。特にコンクリート中という腐食環境では、Ｗは、Ｖと同様、少量の添加でも耐食性向上に有効に寄与するという知見が得られた。しかしながら、含有量が 1.0mass％以上にすると機械的性質の劣化を招くので、Ｗは 1.0mass％未満で含有させることとした。
【００２５】
Ni：3.0 mass％未満
Niは、Cr鋼の活性溶解を低減して耐食性を向上させる有用元素であるが、含有量が 3.0mass％以上にするとコストアップが大きくなるので、Niは 3.0mass％未満で含有させることとした。
【００２６】
Cu：3.0 mass％未満
Cuも、Cr鋼の活性溶解を低減して耐食性を向上させる作用があるが、含有量が3.0 mass％以上になると逆に耐食性が劣化する傾向にあるので、Cuは 3.0mass％未満で含有させることとした。
【００２７】
Mo：3.0 mass％未満
Moも、Cr鋼の耐食性を向上させる上で極めて有効な元素であるが、3.0 mass％以上の添加はコストアップが大きくなるため、Moは 3.0mass％未満で含有させることとした。
【００２８】
Nb：1.0 mass％、Ti：1.0 mass％未満、Ta：1.0 mass％未満、Zr：1.0 mass％未満
Nb, Ti，TaおよびZrはいずれも、Cr炭窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させる働きがある。しかしながら、いずれも 1.0mass％以上では機械的性質を劣化させるので、これらの元素は単独添加、複合添加いずれの場合にも 1.0mass％未満で含有させるものとした。
【００２９】
Ｂ：0.01mass％未満
Ｂは、Ｎと結合することにより、Cr窒化物の析出を少なくして耐食性を向上させる作用がある。しかしながら、含有量が0.01mass％以上だと、鋼材製造時の熱間加工性が劣化するので、Ｂは0.01mass％未満で含有させるものとした。
【００３０】
なお、本発明鋼の製造に際しては、特別な制限はなく、常法に従って製造すれば良い。
参考のため、代表的な製造条件を以下に示す。
(1) 精錬工程
高炉溶銑を転炉にてCrを添加しつつ脱炭したもの、またはスクラップ等のFe，Cr原料を電気炉にて溶解した溶鋼を、ＶＯＤ等により脱炭、成分調整したものを、連続鋳造にてブルームとするか、または造塊によりインゴットを製造する。
(2) 熱間圧延工程
ブルームまたはインゴットを、1100〜1200℃に加熱したのち、熱間圧延または熱間鍛造により50mm角程度のビレットとする。このビレットを、再び1100℃程度に加熱したのち、線棒圧延機により15mmφ程度の棒鋼とする。
(3) 仕上工程
熱間圧延により製造した棒鋼は、そのまま使用することが可能であるが、必要に応じて適当な熱処理により強度を調整する。
また、より耐食性を向上させる場合には、熱間圧延後、場合によっては熱処理後の棒鋼に、ショットブラスト、さらには硝酸＋ふっ酸等による脱スケール処理を施す。
【００３１】
また、本発明の鉄筋コンクリート構造物は、上記した本発明鋼を鉄筋として用いれば良い。
この時の施工方法には特に制限はなく、常法に従い、例えば本発明鋼を鉄筋として配置すると共に、周囲に型枠を設営して、この型枠の内部にコンクリートを打設すれば良い。
【００３２】
【実施例】
表１〜表４に示す成分組成になる鋼塊50kgを真空溶解した。ついで、鋼塊の表面５mmを研削したのち、1200℃，１ｈの焼鈍を施し、熱間鍛造により50mm角のビレットとした。このビレットに1100℃，１ｈの焼鈍を施したのち、線棒圧延機により15mmφの棒鋼とした。ついで、この棒鋼に、ショットブラストと３％ふっ酸−12％硝酸の混合酸による脱スケール処理を施した。
なお、本実験では、熱間でのスケールを除去するためにショット−酸洗処理を行ったが、コンクリート中での腐食環境が弱い場合には、ショットのみまたは脱スケールなしでもよい。さらに、熱間鍛造−圧延により棒鋼を製造した後に、強度を調整するための熱処理を施してもよい。
このようにして製造したステンレス鉄筋と市販の SD390，SUS304, SUS316鉄筋を用いて、以下に示す条件で鉄筋コンクリートを作成した。
【００３３】
・鉄筋コンクリート製造条件
１．石骨材  約1200 kg/m3
２．砂骨材  約800 kg/m3
３．ポルトランドセメント  300 kg/m3
４．水  200 kg/m3
５．塩化物イオン添加量  0.6 kg/m3
の組成のコンクリートを用いて、表面から30mm位置に供試用の鉄筋を埋め込み、30日間の養生を行って、鉄筋コンクリート試験体を作製した。
この鉄筋コンクリート試験体に、海水を毎日６時間噴霧したのち、海岸で暴露する試験を１年間行った後に、コンクリートに生じた割れの程度と、取り出した鉄筋に生じた腐食面積率を測定することによって耐食性を評価した。
得られた結果を表５，表６に示す。
【００３４】
【表１】
0004465883.tif 000002
【００３５】
【表２】
0004465883.tif 000003
【００３６】
【表３】
0004465883.tif 000004
【００３７】
【表４】
0004465883.tif 000005
【００３８】
【表５】
0004465883.tif 000006
【００３９】
【表６】
0004465883.tif 000007
【００４０】
表５，表６に示したように、本発明に従うCr含有棒鋼を鉄筋として用いた場合、コンクリートに割れは生じず、また鉄筋の腐食も殆どが１％以下と良好であった。
【００４１】
【発明の効果】
かくして、本発明によれば、 SUS 304や SUS 316といった高価なステンレス鋼を用いなくても、コンクリート中における耐食性が従来の普通鋼鉄筋よりも遥かに優れた鉄筋用Cr含有棒鋼を得ることができる。
また、本発明の鉄筋コンクリート構造物によれば、塩化物イオンが存在する環境においても、割れが生じず、崩壊のおそれがない。