土木学会インフラマネジメント技術国際展開研究助成
2021年度中間報告会 2021年11月4日 14:55~15:10
発表5~10分，質疑5~10分，合計15分前後

中央アフリカ・ザンビア国を対象とした耐候性鋼橋梁の普及促進を目指した腐食環境調査と補修工法の提案

岐阜大学工学部
社会基盤工学科防災コース
准教授 木下 幸治

耐候性鋼材について

クラック

普通 • 鉄に2%以上6%以下のCを含む
鋼材 • 塗装により腐食を防ぐことで使用
耐候 •性鋼 •材 ••消光層

Cu，Ni，Cr，Pを含む低合⾦鋼
緻密な保護性さびの形成により腐食抑制
二層構造（外層が偏光層，内層が消光層）
内層が高い環境遮断，防食性を発揮．

1960年代
耐候性鋼材の橋梁への適⽤
1980年代無塗装橋梁の提案・実現
大幅な塗装コストの削減

2

普通鋼材
偏光層

消光層
地鉄

耐候性鋼材
偏光層
消光層

1977年 New River Gorge橋

地鉄日本の耐候性鋼橋の建設状況1)31) (社)日本橋梁建設協会︓耐候性鋼橋梁実績資料集第24版，2019•••1970年代以降，数多く建設．
⻑いもので40〜50年程度の供用年数．
腐食により，鋼材の断面減少が進んでいる．疲労き裂の発⽣も報告されている．

耐候性鋼の保護性さびについて
大気腐食環境下で生成される主なさび1)4安定化に向かうさび組成変化2）

α-FeOOH
 α-FeOOH…化学的に不活性（安定）熟成さび
 γ-FeOOH
熟成さび…化学的に活性，他のさびに変化しやすい．
 β-FeOOH…化学的に活性，他のさびに変化しやすい.生成環境に塩化物が存在すると生成される．
活性さび
不活性さび
 Fe3O4
X線的…単体では腐食反応を促進しないが，βγ*非晶質さび(X-rayFeOOHやγ-FeOOHと混在すると腐食を (γ-FeOOH+β-FeOOHamorphous rust)+magnetite(Fe3O4))
促進
最終安定さび層の⻑期形成過程のモデル3）,4）

γ-FeOOH

γ-FeOOH
非晶質オキシ水酸化鉄

地鉄

地鉄

地鉄

大気腐食初期

数年後四半世紀経過後

1) 紀平ら︓耐候性鋼さび安定化評価技術の体系化，土木学会論⽂集No.745，2003.
2) 三木ら︓現代の橋梁⼯学，数理⼯学社，2004.
3) M. Yamashita et al, : Corros. Sci., 1994.
4) 山下ら : 材料と環境，1994．

γ-FeOOH
α-FeOOH (Cr 濃縮)耐候性鋼材の異常腐食と補修

耐候 •
•
性鋼
•
材 •

耐候性鋼材

Cu，Ni，Cr，Pを含む低合⾦鋼
緻密な保護性さびの形成により腐食抑制
二層構造（外層が偏光層，内層が消光層）
内層が高い環境遮断，防食性を発揮．

偏光層
消光層

耐候性鋼の異常腐食

主な補修方法とその課題

飛来塩分・凍結防止剤に含まれる塩分等により保護性のない異常腐食が発生

水異常腐食
酸素
水

活性さび酸化還元サイクル

乾湿繰り返しで活性さびが腐食を促進

除去

水
桁端部層状剥離さびの例

地鉄

主な補修方法塩分

鉄Fe2+＋8FeOOH＋2e-→3Fe3O4＋4H2O
3Fe3O4＋3/4O2＋9/2H2O→9FeOOH

5

異常腐食の除去・ブラスト処理
・水洗処理

塗装

課題
• 耐候性鋼異常さびは強固で除去が困難• 活性さび、塩分が塩分
残存

塗装
鉄
酸素

鉄

• 再腐食により塗膜が破損

わが国で培った耐候性鋼橋梁における世界最先端の維持管理上の問題点の改善案を踏まえた維持管理システムもパッケージ化して海外展開︖︖

ザンビア国におけるJICA技術プロジェクト• JICA橋梁維持管理能⼒向上プロジェクトフェーズII• このフェーズIIの事前調査である「詳細計画策定調査団」に参加を通じて，岐阜⼤学の連携模索．
• 2019年1月30日に岐阜⼤・ザンビア⼤交流協定調印

岐阜⼤学工学部附属インフラマネジメント技術研究センター
国際展開領域設置（2020年11月）

7 2020年1月21日にJICAと岐阜⼤学にて契約した「JICAザンビア・プロジェクト」の基，ザンビア国を対象にME養成講座をベースに橋梁技術者養成講座の国際展開を実⾏するために，CIAM内に国際展開領域を設置．

組織改編

・⼈材育成領域・地域実装領域
・国際展開領域

岐阜大学の強み「ME養成講座」
10年以上の実績の国際展開
・産官学が連携したプラットフォーム
・実績に基づく，「MEカリキュラム」
・最新教材の「インフラミュージアム」

ザンビア国への橋梁維持管理エキスパート養成講座の国際展開
Universityof Zambia

 ザンビア国における橋梁技術者養成講座の運営を担うザンビア⼤学「橋梁維持管理センター」設置を⽀援．
 インフラミュージアムをカスタマイズした⼤型橋梁構造モデル教材設置の⽀援
 ザンビア国における橋梁維持管理エキスパート養成講座の実装⽀援【事業のポイント】
 ザンビア⼤学が持続的に技術者養成講座を継続できる体制が整備されたか．
 ザンビア国にて持続的に実施可能な体制・講座のカスタマイズ実現できたか．

7

目的とスケジュール

8

 現在岐阜⼤学が連携しているJICAの技術プロジェクト「ザンビア国橋梁維持管理
能⼒向上プロジェクトフェーズⅡ（2018年から2022年※コロナ禍で延⻑予定）」において，腐食環境が非常に良い中央アフリカのザンビア国を対象に耐候性鋼橋梁の普及促進を目指し，ザンビア国における現幹線道路と新道路ネットワークの腐食環境調査とザンビア国における耐候性鋼橋梁の維持管理⽅法と補修工法の提示を⾏う．
環境が良い→耐候性鋼材が使える→既に実績有→その実績をわが国技術で良いさび証明・適した点検・補修方法提示→RDAに新規路線の環境調査・耐候性鋼材進める．
2019年度１．腐食環境調査
準備・実施
・Kafue橋の腐食環境調査のための外観調査，ACM設置，さびサンプル採取と組成分析
・暴露試験体の架台・試験体設置と暴露試験開始

2020年度

2021年度２．腐食環境調査継続とザンビア国の耐候性鋼橋梁の不具合調査と補修工法の検討
・暴露試験の継続と経過観察
・RDAのヒアリングを通じた耐候性鋼橋梁適用の不具合調査
・ザンビア国の耐候性鋼橋梁に適した新たな補修工法の提示と検証実験（実験室における要素試験と実橋梁を対象）

2022年度３．腐食環境調査の取りまとめとザンビア国における耐候性鋼橋の適用のための維持管理法ならびに補修法の提案

 若⼿教員・博⼠課程学⽣，道路アセットマネジメント⻑期研修員プログ
ラム研修⽣，修⼠学⽣（博⼠課程進学予備軍）の海外渡航

ザンビアの位置と腐食環境調査対象橋梁・乗り換えを入れて，出国から２４時間程度
羽田

ドバイ

T3
T2

ルサカ

T2
T4

Kafue橋：2018年5月22日（火）視察

T2
T1

9

Kafue橋 1993年完成．日本製鉄の耐候性鋼材使用25年経過．非常に健全．

Kafue橋 1993年完成．日本製鉄の耐候性鋼材使用

25年経過．非常に健全→腐食だけでなく，そのうち，疲労も要検討？

12

ザンビア国渡航延期継続中︓今後の進め方について
1. 腐食環境調査準備・実施（2021年度以降）- 外観調査，さびサンプル採取/分析，環境調査用試験片/ACMセンサ等設置．
- 渡航困難のため，計測機器等をザンビア国へ郵送し，計測開始予定（ザンビア大学了承→RDA調整中．ただし盗難に注意）
腐食速度1)

ワッペン試験片

飛来塩分2)

ドライガーゼ腐食環境3)

ACMセンサ2. ザンビア国の耐候性鋼橋梁の不具合調査と補修工法検討（2020-2022年度）- 国内耐候性鋼橋梁の適用の現状，設計，維持管理，並びに耐候性鋼橋梁の不具合に関する調査のため，道路管理者であるRDAにヒアリングを実施．
- ザンビア国の耐候性鋼橋梁に適した新たな補修⼯法の提⽰，ザンビア大学と連携した検証実験．
3. 腐食環境調査取りまとめと維持管理法・補修法提案（2022年度）
1)⽟城喜章，下⾥哲弘，⽥井政⾏，淵脇秀晃，平良博孝︓亜熱帯島しょ環境の沖縄地域での海塩粒⼦飛来環境下における鋼桁橋の洗浄効果に関する研究，鋼構造論⽂集，2019．
2) 岩嵜英治，⿅⽑勇，加藤真志，中⻄克佳，丹⽻秀聡︓耐候性鋼橋梁の断⾯部位別の腐食特性とその評価に関する⼀考察，土木学会論⽂集A，2010．
3) 鈴木啓悟，吉⽥翔太，佐々木栄⼀，⽵⾕晃⼀，前⽥健児，近藤泰光︓海岸部に位置する橋梁の腐食環境モニタリングと統計的腐食因⼦分析，土木学会論⽂集A2，2016．

8

耐候性鋼さび層断面の組成分析の高度化
クラック

普通鋼材

消光層

偏光層

消光層

耐候性鋼材

•偏光層
消光層

•地鉄

地鉄

大気腐食環境下で生成される主なさび1)
 α-FeOOH…化学的に不活性（安定）熟成さび
 γ-FeOOH…化学的に活性，他のさびに変化しやすい．
 β-FeOOH…化学的に活性，他のさびに変化しやすい．生成環境に塩化物が存在すると生成される．
 Fe3O4…単体では腐食反応を促進しないが， β-FeOOH や γ-FeOOH と 混 在すると腐食を促進

二層構造（外層が偏光層，内層が消光層）
内層が高い環境
遮断，防食性を発揮．

安定化に向かうさび組成変化2）
α-FeOOH

熟成さび

活性さび

γ*(γ-FeOOH+β-FeOOH+magnetite(Fe3O4))

1) 紀平ら︓耐候性鋼さび安定化評価技術の体系化，土木学会論⽂集No.745，2003.
2) 三木ら︓現代の橋梁⼯学，数理⼯学社，2004.

不活性さび

X線的非晶質さび(X-rayamorphous rust)

耐候性鋼さび層断面の組成分析の高度化
保護性さび層の⽣成メカニズムについて，これまでに四半世紀（25年）経過した耐候性鋼材のについては示されてきているものの，そのさび層に関するデータ自体が少ない．
→数年でのアモルファス層形成後，アモルファス層が四半世紀の間に，Crが濃化したα-FeooHを主体とする保護性さび層への変化．
→Kafue橋も25年経過．25年以上経過したさび層に関する分析が必要．Kafue橋については，アフリカでの事例として，貴重なデータとして今後期待される．
ここでは，⼤気暴露期間41年の耐候性鋼のさび層断面を組成分析実施→⼭田健太郎名古屋⼤学名誉教授らが1977年から暴露試験を実施．
当時の写真

8

四半世紀経過した耐候性鋼材さび層
3)Okada et al. 1969
2) Kihira et al, 2003
4)Misawa et al. 1994

⼤気暴露期間41年(現在)の耐候性鋼溶接継⼿の活用
これまでの試験【41年】

耐候性鋼試験体【41年】○期間︓1977年〜2018年○場所︓トピー工業

Skyward surface

当時

Dense rust

The cross-sectionof the specimen
Skyward

これからの試験【＋６０年】○期間︓2018年〜2077年＋約60年⾏い，合計100年目標○暴露に用いられた架台は再利用〇場所︓施工技術総合研究所
瀧上工業

15

Groundward

さび層断面
Groundward surface
Bigger rust
Dense rust1）⼭田ら，⼤気暴露された無塗装の耐候性鋼および普通鋼溶接継⼿の疲れ強さ,⼟⽊学会論⽂報告集,1983.9
2）近藤ら，25年間⼤気暴露した耐候性鋼と普通鋼溶接継⼿の疲労強度,⼟⽊学会論⽂集,2007.73）近藤ら，10年間⼤気暴露した耐候性鋼と普通鋼溶接継⼿の疲労挙動,⼟⽊学会論⽂集,1994.4

さび層断面の組成分析
ラマン分光光度計によるマッピング分析

10モデルスペクトル

⼤気暴露期間41年の耐候性鋼のさび層断面を2.5μmごとに約7万点測定（2日半）．
各点で得られた波形と，波形が特徴的なα，γ-FeOOHのモデルスペクトルとを比較し，各組成の存在箇所を判定
SEM像

Skywardsurface

エポキシ樹脂

地鉄
マッピ
ング像

地鉄

エポキシ樹脂γ-FeOOH

α-FeOOH

α-FeOOHが内層側，γ-FeOOHが外層側に分布

Skywardsurface200μm

さび組成と元素分布の比較

地鉄付近さび層クラック無の緻密層．α-FeOOH層にCrの濃化が確認．地鉄付近にCl無．
α-FeOOHが内層側，γ-FeOOHが外層側に分布→四半世紀の結果と一致※日本鋼構造協会・テクニカルレポートの一部として掲載済．その後，論⽂投稿中．

17耐候性鋼材の補修工法の検討：さびの安定化特性を利用
さび安定化イメージ図
Cl-Cl-

活性さび
β-FeOOH
γ-FeOOH
Fe3O4

不活性さび
X線的非晶質さび
熟成さび
α-FeOOH

異常腐食さびの生成36サイクル

環境遮断材

クラック

地鉄

18Cl-

Cl-

地鉄

地鉄

①層状剥離さび除去②環境遮断材①さびの不活性化
腐食速度の低下②保護性さびの再⽣

浮きさびの除去

環境遮断材貼付け

ワイヤーブラシ

試験再開

1819

試験方法
・普通鋼

・耐候性鋼

C(%)

Si(%)

Mn(%) P(%)

普通鋼

0.17

0.33

1.430.015 0.005

JIS-SMA

0.11

0.180.660.011 0.004

0.32

0.48

0.13

01%ニッケル
高耐候性鋼

0.10.20.920.013 0.001

0.77

0.06

1.20.02

3%ニッケル
高耐候性鋼

0.06

0.20.50.013 0.001

0.380.06

3.010.0150mm

試験体

化学成分

JIS-SMA 50mm
1%ニッケル高耐候性鋼
3%ニッケル高耐候性鋼

乾湿繰り返し腐食促進試験
塩水
浸漬
25℃
10分

乾燥

湿潤

乾燥

50％
50℃
2時間

90％
50℃
16.8時間

50％
50℃
5時間

1サイクル（24時間）

S(%) Cu(%) Cr(%) Ni(%) Mo(%)

塩水浸漬
質量濃度
3％NaCl水溶液
最も腐食しやすい濃度
 伝導率
 溶存酸素濃度

温度⼀定
乾湿繰り
返し

③変成シリコ-ン系接着剤塗布④環境遮断シート貼付①異常腐食さび⽣成②浮さび除去36サイクル実施

ワイヤーブラシ

曝露

恒温恒湿槽

乾湿繰り返し腐食促進試験継続

さび層断⾯の組成・元素分布分析方法
さび層断面観察用試験体の製作①切断

20②エポキシ樹脂に埋め込み研磨

元素分布︓電⼦線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）
加速電圧︓15kV
サンプリング時間︓10.0ms
検出信号︓反射電⼦，Fe，O，P，Ni，Cr，Cu，Cl＊322サイクルは、構造分析にのみ焦点を当てて断⾯観察を⾏ったため、検出信号を反射電⼦, Fe, O, Clのみ検出した.

組成分布︓ラマン分光光度計によるマッピング分析
さび層断⾯を2.5μmごとに測定する．各点で得られた波形とモデルスペクト
ルとを比較することによって，各組成の存在箇所を判定する．
波形取得 各ピクセル毎に組成を判定 組成分布図の作成

モデルスペクトル
α-FeOOH
β-FeOOH
γ-FeOOH
Amorphous
FeOOH
Fe3O4Met
alResin質量増加量21
環境遮断シート貼付無し

普通鋼材
JIS-SMA
1％ニッケル高耐候性鋼
3％ニッケル高耐候性鋼

シートの破損

36サイクル
環境遮断シート貼付

破損箇所

10.0g

31サイクル①
環境遮断シート貼り付け前全鋼種1試験体ずつ分析

0〜36(貼付け前)
36〜89(貼付け後安定化前）89〜125(安定化後破損の影響前）
125〜346(破損の影響後）環境遮断シート貼付

19.6g

サイクル区間平均腐食速度（ｇ/サイクル）

0.088
0.047
-0.0050.023

332サイクル③
特に重量増加量の差が大きい1％Ni系耐侯性
鋼材の2試験体を分析

111サイクル②

環境遮断シート貼付、質量増加安
定後全鋼種1試験体ずつ分析31サイクル経過時異常腐食さび分析結果
Cl

JIS‐SMA

亀甲状のひび割れ

Steel
地鉄界面に A沿ったクラック

汚れ

汚れ

亀甲状のひび割れ

汚れ

1000μm

縦断方向のクラック

腐食速度

Fe3O4

地鉄界面に濃縮

α-FeOOH

濃化箇所

β-FeOOH

3％Ni高耐候性鋼材

汚れ

ClNi

層状に濃縮

クラック付近に濃縮

地鉄界面に沿ったクラック

汚れ

地鉄Cr

組成分布1352 μm

縦断方向のクラック

22

地鉄界面
クラック厚さ ・地鉄界面に腐食の進⾏を助⻑する水膜を形成するクラック
・Cl地鉄界面に濃縮

I II

10nm １μm

IIIIV1mm

水膜厚さ (Tomashov,1966)

・耐候性鋼材においてCr，Niが中層部でわずかに濃化

111サイクル分析結果（環境遮断シート塗布、腐食安定後）
組成分布

低密度さび層

Fe3O4

緻密なさび

地鉄

3％Ni高耐候性鋼材

クラック

Cl濃化

ＳＥＭ
Cl濃化

Cl

クラック

β-FeOOH

Ni

層状に濃縮

緻密なさび

Cl濃化

Fe3O4

地鉄500μm

ClCrα-FeOOH

Fe3O4 α-FeOOH

Cl

組成分布

低密度さび層普通鋼材

JIS-SMA
500μm

23

層状に濃縮

クラック箇所 β-FeOOH• JISや普通鋼で地鉄界⾯に緻密なさび層がみられ、Cl の濃化が⾒られなかった．
• さび層の中・上層部にα-FeOOH，下層部 にFe3O4 が分布．β-FeOOHはCl濃縮部，クラック部でのみわずかに⾒られた．
• ・Ni,Crが層状に地鉄界⾯に濃縮

24322サイクル 1％Ni系高耐侯性鋼材分析結果
重量増加量 10.0g

破損部

空洞

重量増加量 19.6g
破損部

測定箇所

測定箇所

組成像
500μm
175μm

薄いさび層

緻密なさび層

500μm

組成像

地鉄

緻密なさび層

地鉄

クラック

ClClCl濃化

•••

地鉄

地鉄
Clわずかに濃化遮断されてた試験体では、中層部が脆弱化していた
地鉄界面で緻密なさび層が⾒られた.
環境遮断シートの破損によりClが侵入し,緻密なさびの薄いところから地鉄に侵入していた.

今後の研究活動予定︓本日の中間報告

251. 腐食環境調査準備・実施（2021年度）- 外観調査，さびサンプル採取/分析，環境調査用試験片/ACMセンサ等設置．
- 渡航困難のため，計測機器等をザンビア国へ郵送または持参し，計測開始予定（ザンビア大学は了承→RDA調整中．ただし盗難に注意）- 耐候性鋼橋梁腐食環境の調査に向けたさび組成分析⼿法の高度化
日本と環境が大きく異なるザンビア国に建設された耐候性鋼橋（Kafue橋）の腐食状況調査，並びに耐候性鋼暴露試験に向けて，まず耐候性鋼材の腐食状況をより詳細に明らかにするために，耐候性鋼上に生成したさび層の組成分布を観察する方法を発展させた．
2. ザンビア国の耐候性鋼橋梁の不具合調査と補修工法検討（2020-2022年度）- 国内耐候性鋼橋梁の適用の現状，設計，維持管理，並びに耐候性鋼橋梁の不具合に関する調査のため，道路管理者であるRDAにヒアリングを実施．
- ザンビア国の耐候性鋼橋梁に適した新たな補修⼯法の提⽰（補修工法の検討）
従来わが国では耐候性鋼橋の異常腐食の補修⼯法として，主に塗装が⾏われているが，塗装を用いずに異常腐食部の環境を変化させることで，耐候性鋼材の緻密なさびを再生成させる新たな補修⼯法の検討を⾏った．
3. 腐食環境調査取りまとめと維持管理法・補修法提案（2022年度）（残りの期間は，試験継続と遠隔で進めたいと考えている）