(57)【要約】【課題】実構造物のひずみの挙動に基づいて鉄筋の腐食状況としての腐食面積率または腐食量を定量的に把握する。【解決手段】本発明の腐食推定方法は、鋼材の表面積に対する前記鋼材の腐食部分の表面積の割合を示す腐食面積率または鋼材の腐食量を推定する腐食推定方法であって、前記鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検出することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出する工程と、予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を推定する工程と、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材の表面積に対する前記鋼材の腐食部分の表面積の割合を示す腐食面積率または鋼材の腐食量を推定する腐食推定方法であって、
前記鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、
前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検出することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出する工程と、
予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を推定する工程と、を含むことを特徴とする腐食推定方法。
【請求項２】
前記光ファイバセンサの鋼材に対する周回数に応じて予め定められた指数関数を用いて、前記腐食面積率を推定することを特徴とする請求項１記載の腐食推定方法。
【請求項３】
予め定められた一次関数に基づいて、前記検出したひずみに対応する腐食量を推定することを特徴とする請求項１記載の腐食推定方法。
【請求項４】
前記光ファイバセンサが固定された前記鋼材に塩化ナトリウム水溶液を付着させる工程をさらに含み、
前記光ファイバセンサが固定された前記鋼材を、大気に曝した状態で腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の腐食推定方法。
【請求項５】
前記光ファイバセンサが固定された前記鋼材を、飽和水酸化カルシウム溶液中に浸漬させた状態で腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の腐食推定方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の腐食推定方法により得られた前記検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を用いて、コンクリート構造物の耐用年数を推定することを特徴とする推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材の腐食を推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＲＣ（Reinforced Concrete）造やＳＲＣ（Steel Reinforced Concrete）造などの構造物において、鉄筋の腐食は、コンクリートの耐久性低下だけでなく、構造物の構造性能についても悪影響を及ぼす。従来から、実構造物中の鉄筋腐食状態を把握するための手法として、腐食の発生については自然電位法が、腐食の進展については分極抵抗法が用いられてきた。しかし、いずれの手法もコンクリートを介して計測を行なうため、コンクリートの含水率や塩化物イオンなどの影響を受け、測定結果にばらつきが生じ、判断が容易ではなかった。そこで、コンクリートの影響を受けない鉄筋の腐食状態を把握する方法が望まれている。
【０００３】
従来から用いられている技術として、例えば、特許文献１および特許文献２には、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開示されている。また、特許文献３には、鉄筋の腐食を検知する方法として、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する技術が開示されている。
【０００４】
また、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センサとして用いられている。特許文献４では、計測対象となる構造物に、らせん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。
【０００５】
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らせん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。
【０００６】
また、鋼材の腐食進行状況を予測することは、構造物の耐用年数を知る上で重要である。特に、腐食量が重要であり、コンクリートの発生応力に多大な影響を及ぼす因子となる。非特許文献１では、腐食量と体積膨張率に基づいて、モデルを作成して、腐食ひび割れが発生するまでの解析を行なう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】鈴木三馨、他２名、「ひび割れ発生限界腐食量と腐食性生物の膨張率の定量化に基づく耐久・構造連成解析システムの高精度化」、コンクリート工学年次論文集、Vol.32、2010年、No.1、773-778
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
鉄筋の腐食状態を把握する定量的な指標として、腐食面積率と腐食量が用いられている。腐食面積率は、次の式で求められる。
【００１０】
（鉄筋が腐食した部分の表面積）／（鉄筋の表面積）×１００（％）
また、腐食量は、次の式で求められる。
【００１１】
（腐食前の鉄筋の質量−腐食生成物を取り除いた後の鉄筋の質量）／（腐食前の鉄筋の質量）×１００（％）
しかしながら、上記の腐食面積率も腐食量も、鉄筋を取り出して腐食面積を測定し、または腐食生成物を取り除いてから鉄筋の質量を測定する必要があるため、連続的な計測や連続的な腐食状態の把握は困難である。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、実構造物のひずみの挙動に基づいて鉄筋の腐食状況としての腐食面積率または腐食量を定量的に把握することができる腐食推定方法および推定方法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】
【００１３】
（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、本発明の腐食推定方法は、鋼材の表面積に対する前記鋼材の腐食部分の表面積の割合を示す腐食面積率または鋼材の腐食量を推定する腐食推定方法であって、前記鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検出することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出する工程と、予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を推定する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
このように、予め定められた関数に基づいて、検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を推定するので、ひずみが検出することによって腐食面積率または腐食量を求めることが可能となる。これにより、鋼材の腐食状況として腐食面積率または腐食量を定量的に把握することが可能となる。
【００１５】
（２）また、本発明の腐食推定方法は、前記光ファイバセンサの鋼材に対する周回数に応じて予め定められた指数関数を用いて、前記腐食面積率を推定することを特徴とする。
【００１６】
この構成により、周回数に応じて鋼材のひずみに対する腐食面積率を推定することが可能となる。これにより、鋼材の腐食状況として腐食面積率を定量的に把握することが可能となる。
【００１７】
（３）また、本発明の腐食推定方法は、予め定められた一次関数に基づいて、前記検出したひずみに対応する腐食量を推定することを特徴とする。
【００１８】
この構成により、ひずみを検出することにより腐食量を求めることが可能となる。これにより、鋼材の腐食状況として腐食量を定量的に把握することが可能となる。
【００１９】
（４）また、本発明の腐食推定方法は、前記光ファイバセンサが固定された前記鋼材に塩化ナトリウム水溶液を付着させる工程をさらに含み、前記光ファイバセンサが固定された前記鋼材を、大気に曝した状態で腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出することを特徴とする。
【００２０】
この構成により、無拘束の環境下において腐食面積率または腐食量を推定することが可能となる。すなわち、腐食面積率または腐食量は、拘束下と無拘束下では異なるため、無拘束下においては、鋼材をコンクリート中ではなく、大気に曝した状態で、無拘束下における腐食面積率または腐食量を推定することが可能となる。
【００２１】
（５）また、本発明の腐食推定方法は、前記光ファイバセンサが固定された前記鋼材を、飽和水酸化カルシウム溶液中に浸漬させた状態で腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出することを特徴とする。
【００２２】
この構成により、無拘束のコンクリートと同じ環境下において腐食面積率または腐食量を推定することが可能となる。すなわち、腐食面積率または腐食量は、拘束下と無拘束下では異なるため、無拘束下においては、鋼材をコンクリート中ではなく、コンクリート中の環境を再現できるように、例えば、飽和水酸化カルシウム溶液に浸漬させることで、無拘束下における腐食面積率または腐食量を推定することが可能となる。なお、飽和水酸化カルシウム溶液中に塩を混入させることによって、塩害環境における腐食面積率または腐食量率を推定することも可能である。なお、浸漬とは溶液の噴霧も含む。
【００２３】
（６）また、本発明の推定方法は、上記（１）から（５）のいずれかに記載の測定方法により得られた前記検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を用いて、コンクリート構造物の耐用年数を推定することを特徴とする。
【００２４】
この構成により、ここで得られた腐食面積率または腐食量を用いて鉄筋コンクリートモデルを作成してＦＥＭ等の解析を行なうことができる。その結果、腐食によってコンクリートに発生する応力やひび割れ発生時期は推定でき、耐用年数の推定を高い精度で行なうことが可能となり、構造物の適切な維持管理を行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、予め定められた指数関数に基づいて、検出したひずみに対応する腐食面積率を推定するので、ひずみが検出できれば腐食面積率を求めることが可能となる。また、予め定められた一次関数に基づいて、検出したひずみに対応する腐食量を推定するので、ひずみが検出できれば腐食量を求めることが可能となる。これにより、鋼材の腐食状況として腐食面積率または腐食量を定量的に把握することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態に係る腐食センサの概略構成を示す図である。
【図２】みがき棒鋼に対する光ファイバセンサの巻き方を示す図である。
【図３】計測開始後の経過時間と、光ファイバセンサで検出したみがき棒鋼のひずみとの関係を示す図である。
【図４】腐食面積率とひずみとの関係を示す図である。
【図５】みがき棒鋼の腐食量とひずみとの関係を示す図である。
【図６】試験体１−２における経過時間とひずみとの関係を、鉄筋の半径方向のひずみに換算した結果を示す図である。
【図７】試験体１−２における経過時間とひずみとの関係を、鉄筋の半径方向の変位に換算した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明者らは、腐食による鋼材のひずみと腐食面積率および腐食量との関係に着目し、鋼材に光ファイバセンサを固定し、腐食環境下において光ファイバセンサから得られる鋼材のひずみと腐食面積率との関係、および腐食環境下において光ファイバセンサから得られる鋼材のひずみと腐食量との関係を定式化することによって、実構造物内の鉄筋を対象として、光ファイバセンサにより得られるひずみから、鉄筋の腐食状態を把握することができることを見出し、本発明に至った。
【００２８】
すなわち、本発明の腐食推定方法は、鋼材の表面積に対する前記鋼材の腐食部分の表面積の割合を示す腐食面積率または鋼材の腐食量を推定する腐食推定方法であって、前記鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検出することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出する工程と、予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を推定する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２９】
これにより、本発明者らは、鋼材の腐食状況として腐食面積率または腐食量を定量的に把握することを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態に係る腐食センサの概略構成を示す図である。この腐食センサ１１は、鉄製の棒材としてのみがき棒鋼１２と、みがき棒鋼１２の表面に巻回され、ひずみを検出する検知部１３を有する光ファイバセンサ１４と、を備えている。これにより、長距離伝送が可能な光信号を用いることができ、多点計測を行なうことが可能となる。また、腐食センサ１１は、みがき棒鋼１２と光ファイバセンサ１４を被覆する被覆部１５を備えていても良い。被覆部１５は、例えば、かぶりが１０ｍｍのモルタルで構成することができる。被覆部１５を備えるので、鉄筋コンクリート構造物内に設置する前にみがき棒鋼１２が錆びてしまうことを回避することが可能となる。なお、図１は腐食センサ１１を一例として示すものであり、みがき棒鋼１２に対する光ファイバセンサ１４の巻回数を特定するものではない。すなわち、本実施形態においては、みがき棒鋼１２に対する光ファイバセンサ１４の巻回数は数通りを想定している。また、後述する実施例では、被覆部１５を設けていない例を示す。
【００３１】
鋼材が腐食すると腐食生成物が生じ、体積膨張が生じる。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１４をみがき棒鋼１２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。
【００３２】
また、みがき棒鋼１２に光ファイバセンサ１４を巻き付ける際には、光ファイバセンサ１４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みがき棒鋼１２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）／棒鋼表面積（ｍｍ2）が０．０１〜２である。いずれにしても、みがき棒鋼１２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、みがき棒鋼１２に光ファイバセンサ１４を巻き付ける場合には、みがき棒鋼１２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、検知部１３はＦＢＧセンサ等を用いることができ、検知部１３が長いほど、あるいは多いほど好ましい。
【００３３】
被覆部１５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、早期に腐食因子がみがき棒鋼１２に到達するように、水セメント比を構造体コンクリートと同等か高めにする。被覆部１５は、ひび割れることなくみがき棒鋼１２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。
【００３４】
腐食センサ１１をコンクリート内に設置して、腐食を検出する場合、ダミーセンサを併せて用いることが望ましい。ダミーセンサは、腐食センサ１１の全表面に防錆処理を施したダミーセンサを用いても良いし、または、みがき棒鋼１２と線膨張係数が実質的に同等でかつ鉄筋より腐食しにくい第２の棒材と、第２の棒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ダミーセンサを用いても良い。
【００３５】
そして、腐食センサ１１およびダミーセンサを同環境に設置し、ダミーセンサによって腐食以外の要因で生じたひずみを検出し、ダミーセンサで検出したひずみを用いて、腐食センサ１１によって検出したひずみを補正しても良い。これにより、例えば、温度ひずみなどの腐食以外の要因で生じたひずみの影響を除去することが可能となる。
【００３６】
すなわち、コンクリートには、温度・湿度やコンクリートの収縮、外力によって様々なひずみが生じる。従って、少なくとも腐食センサ１１よりも腐食しにくいダミーセンサを使用し、そのひずみ挙動と比較して腐食を判定する。ダミーセンサは、被覆モルタル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方法がある。または、炭素鋼と線膨張係数が同等のステンレス（例えば、SUS410など）を使用する。
【００３７】
[実施例]
次に、実施例について説明する。図２は、みがき棒鋼に対する光ファイバセンサの巻き方を示す図である。みがき棒鋼４１に対する光ファイバケーブル４２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、端部を接着剤で固定する。
【００３８】
本実施例では、みがき棒鋼４１（JIS G3108, φ20×h50mm）の軸高さ方向の中央区間２５ｍｍに、ＦＢＧセンサ部が中央に位置するように光ファイバケーブル４２（φ150μm）をらせん状に巻き付け、光ファイバケーブル４２の両端をみがき棒鋼４１に接着により固定した。光ファイバケーブル４２の周回数を１、２、３回の３水準として、各３体の試験体を作製し、みがき棒鋼４１の上および下端部面以外の側面に対して、１０％のＮａＣｌ水溶液をしみこませた脱脂綿で塩水を付着させ、３０℃９０％Ｒ．Ｈ．の恒温恒湿槽に入れ、腐食によるみがき棒鋼のひずみを測定した。
【００３９】
光ファイバセンサ（FBGセンサ）は、例えば、以下の表に示す仕様のものを用いた。
【表１】
2017223503.tif 000003
【００４０】
光ファイバセンサにおいて、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。
【数１】
2017223503.tif 000004
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。
【００４１】
[腐食試験]
測定開始からの経過日数が、０．７日、３日、７日、１０日、１４日で試験体の腐食状態を写真撮影し、腐食面積率を算出した。腐食面積率は、鋼材の表面積に対する鋼材の腐食部分の表面積の割合を示す。計測は、光ファイバセンサの波長が許容値を超えた時点または１４日目にいずれか早い方で終了とし、みがき棒鋼４１に設置した光ファイバケーブル４２を除去した後、１０％のクエン酸水素二アンモニウム水溶液（60℃）に浸漬して除錆し、腐食量を測定した。
【００４２】
図３は、計測開始後の経過時間と、光ファイバセンサで検出したみがき棒鋼のひずみとの関係を示す図である。図３に示す凡例では、（光ファイバの周回数）−（Ｎｏ）を示し、例えば、「１−１」は、光ファイバの周回数が１であり、Ｎｏ．１の試験体であることを示している。図３に示すように、時間の経過と共に腐食による体積膨張ひずみが計測されていることが分かる。
【００４３】
[腐食面積率とひずみとの関係]
次に、腐食状態を把握する目安となる腐食面積率とひずみとの関係について検討するために、１４日目までひずみが計測できた各１体について腐食面積率を算出し、ひずみとの関係を図４に示した。計測開始から０．７日の腐食面積率は、いずれも約２０％程度と腐食が進展しているが、ひずみは大きくても数十μ程度であり、大きな値ではない。光ファイバケーブルの周回数が３の試験体３−２に着目すると、他の試験体よりも腐食面積率が小さくてもひずみが増大する傾向があり、３０％程度を超えると指数関数的に増大した。光ファイバケーブルの周回数が多いほど鋼材表面との接触長が長くなり、腐食部分に接触する確率が高くなって、腐食を早く検知できるが、周回数が多すぎると鋼材への外来腐食因子の到達を妨げることが予想される。
【００４４】
図４に示すように、試験体１−２についての測定結果から、「ｙ＝１１．５４６ｅ0.0657x、Ｒ2＝０．９９５」（Ｒ2は寄与率）という指数関数が得られた。また、試験体２−２についての測定結果から、「ｙ＝２．０３１４ｅ0.0794x、Ｒ2＝０．９５３７」という指数関数が得られた。また、試験体３−２についての測定結果から、「ｙ＝０．２２０９ｅ0.1616x、Ｒ2＝０．８７７」という指数関数が得られた。この結果から明らかなように、各試験体における光ファイバセンサから得られたみがき棒鋼のひずみと腐食面積率との関係を定式化することができた。
【００４５】
[腐食量とひずみとの関係]
図５は、みがき棒鋼の腐食量とひずみとの関係を示す図である。図５から明らかなように、光ファイバケーブルの周回数にかかわらず、腐食量とひずみは概ね正の相関が認められ、腐食がかなり進行している状態では、腐食量の増加に伴って体積膨張ひずみも大きなものとなっていることが分かり、ひずみより腐食量が推定できることが分かった。図５に示すように、周回数が１〜３のそれぞれについて腐食量とひずみとの関係から、「ｙ＝８９１．７ｘ、Ｒ2＝０．４１０３」という一次関数が得られた。この結果から明らかなように、各試験体における光ファイバセンサから得られたみがき棒鋼のひずみと腐食量との関係を定式化することができた。
【００４６】
上述した試験を様々は環境下で実施することによって、みがき棒鋼のひずみ量から鉄筋の腐食面積率や腐食量の推定が可能となる。
【００４７】
[腐食状態における鉄筋のモデル化]
図６は、図３に示した試験体１−２における経過時間とひずみとの関係を、鉄筋の半径方向のひずみに換算した結果を示す図である。図７は、図３に示した試験体１−２における経過時間とひずみとの関係を、鉄筋の半径方向の変位に換算した結果を示す図である。これらにより、腐食状態における鉄筋のモデル化が可能となる。
【００４８】
なお、上述した試験を、コンクリートの強アルカリ環境下で再現するため、飽和水酸化カルシウム溶液中に、光ファイバセンサを巻き付けた鉄筋を浸漬し、さらに腐食生成物が水中に拡散しないように、弾性係数の小さい繊維やスポンジ等で鉄筋を覆い、無拘束下に近い条件で、コンクリートと同じ環境でひずみを測定することも可能である。なお、飽和水酸化カルシウム溶液に塩を混入させることによって、塩害環境下における測定も行なうことが可能である。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、予め定められた関数に基づいて、検出したひずみに対応する腐食面積率または腐食量を推定するので、ひずみが検出することによって腐食面積率または腐食量を求めることが可能となる。これにより、鋼材の腐食状況として腐食面積率または腐食量を定量的に把握することが可能となる。
【符号の説明】
【００５０】
１１  腐食センサ
１２  みがき棒鋼
１３  検知部
１４  光ファイバセンサ
１５  被覆部
４１  みがき棒鋼
４２  光ファイバケーブル
【図１】
2017223503.tif 000005
【図２】
2017223503.tif 000006
【図３】
2017223503.tif 000007
【図４】
2017223503.tif 000008
【図５】
2017223503.tif 000009
【図６】
2017223503.tif 000010
【図７】
2017223503.tif 000011