実環境下におけるコンクリート部材への塩分侵入に関する実験的研究

１.はじめにコンクリート研究室

鈴木幸憲

指導教官

下村匠

鉄筋配置Ａ

ひび割れが関係する劣化形態として，鋼材

暴露方向1000.2

腐食促進物質（水分，塩化物イオン，酸素）の侵入による鉄筋腐食メカニズムがある．こ100D10300

れは，コンクリート細孔組織，ひび割れ部か400

模擬ひび割れらの Cl の侵入により，コンクリート構造物‐内の鉄筋表面に形成されている不動態被膜鉄筋配置Ｂが破壊され，鉄筋腐食が進行する現象のこと

100

暴露方向である．本研究では，鉄筋配置の異なる模擬
曲げひび割れコンクリート供試体への長期暴露が及ぼす影響について検証をした．

0.2

100300100400２.屋外促進暴露実験
2.1 実験供試体

図１

表１に示方配合を，図１に屋外促進暴露実
験に用いた鉄筋配置の異なる模擬ひび割れ

D10

模擬ひび割れ供試体図

2.2 屋外促進暴露実験概要
鉄筋腐食に対する設定環境を，腐食性環境を有するコンクリート供試体を示す．模擬ひ 下としコンクリート供試体長期暴露実験をび割れとして，100×100mm に加工したろ 実施した．図 2 に，暴露実験状況を，表 2 に紙（B5 種，厚さ 0.2ｍｍ，φ150ｍｍ）を供 暴露実験時の概要を示す．この実験は小山
試体内 2 箇所設置した．また，Cl‐の侵入を （2002）が，暴露期間の長期化が及ぼす影響暴露方向一面に限定するため，側面及び底面 を検証する目的で継続して実施していた．にエポキシ樹脂によるシールを施した．
表 1 示方配合

W/C=40%単位量（kg/ｍ３）

Ｇmax
(mm)

WCSG

20150375798986

W/C=60%単位量（kg/ｍ３）

Ｇmax(mm)WCSG20175

292799988

図２暴露実験状況表 2 暴露実験概要

腐食性環境

噴霧回数

8 回／１日NaCl 濃度３%暴露期間281 日

平均気温15.6℃

平均相対湿度66.1%

鉄筋軸方向かぶり方向設定環境①⑥⑪②⑦⑫③⑧⑬④⑨⑭⑤⑩⑮ろ紙

図３2.3 塩化物イオン濃度測定

試料採取位置図

暴露方向

暴露実験実施後，鉄筋軸方向に圧縮試験機を用いて割裂を行い，図 3 に示すように，鉄⑪筋軸方向に 5 箇所，かぶり方向に 3 箇所合計

ート工学協会案『JCI-SC5 硬化コンクリート中に含まれる全塩分の簡易分析方法』〔2.1〕を準用して試料の調整を行い，同協会基準案『JCI-SC6 塩化物イオン選択電極法による⑭⑮

長期(281日）
短期（42日）塩化物イオン濃度（kg/ｍ ３）

塩化物イオン濃度分析では，日本コンクリ⑬2015 箇所の所定位置からコンクリート試料採取をし，粗骨材などを取り除き粉砕した．

⑫15105フレッシュコンクリート中の塩化物イオン含有量試験方法』を準用して塩化物イオン濃0度測定を行った．

100200300
鉄筋軸方向距離（ｍｍ）

2.4 実験結果

図 4 鉄筋近傍における Cl－濃度分布①短期暴露実験との比較

0400

図４より，短期，長期共に鉄筋近傍での本研究室で行われた短期暴露実験（42 日） Cl‐濃度分布が同じ傾向を示し，特に長期暴と長期暴露実験（281 日）の Cl‐濃度の比較 露に置いては，ひび割れ位置において著しいを行った．長期暴露実験と同一の設定環境， Cl‐の侵入がみられた．Cl‐濃度分布より，水セメント比（40%，60%）で行った短期暴 短期暴露，長期暴露共にひび割れ位置での露の Cl‐濃度の測定を，小山〔2.3〕が行っ Cl‐濃度が高いことが読み取れる．この傾向ており，鉄筋近傍における短期暴露と長期暴 は，鋼材腐食促進物質（Ｈ2Ｏ，Cl‐など）が露実験の Cl‐濃度分布の比較から，長期暴露ひび割れを侵入経路として侵入するというが及ぼす影響について検討した．図 4 に，短 既往の研究を検証している．
期暴露と長期暴露の鉄筋近傍における Cl ‐濃度分布を示す．

また，短期と長期の比較から，鋼材腐食促進物質である Cl‐の侵入は，暴露期間（時間）の長さに依存すると考えられる．

②鉄筋配置Ａ，Ｂの比較

実験の環境条件，供試体条件を用いた数値解鉄筋配置の違いが及ぼす影響を検討する

析シミュレーションを行った．また，短期暴ため，鉄筋配置Ａ，Ｂの鉄筋近傍での Cl 濃 露（42 日）についても数値解析を行った．
‐度分布を比較した．

表 3 解析条件

暴露方向

W/C40% W/C60%

鉄筋配置Ａ⑫鉄筋配置Ｂ⑪⑬⑭

塩化物イオン濃度（kg/ｍ３）

50⑮

鉄筋配置Ａ
鉄筋配置Ｂ

4030201000100
200300鉄筋軸方向距離（mm）400

図 5 鉄筋配置が違う Cl 濃度分布（W/C40%）－水W（kg/m３）

150175セメント C （kg/m３）

375

292

かぶり厚ｄ （mm）

50

pH

12.5

ひび割れ幅 （mm）

0.20

平均気温（℃）

15.6

平均湿度（%）

66.1

大気中 O2 濃度（kg/m３）0.286

Cl‐濃度（kg/m３）

18.2

解析期間

（day）

281

3.2 解析条件
表 3 に数値解析に用いた長期暴露実験の鉄筋配置の違いが及ぼす影響について本 環境条件，供試体条件を示す．
実験で確認することができた．鉄筋配置Ａは，

3.3 解析結果

暴露面一方向からの Cl の侵入が考えられ，① 数値解析による短期，長期の比較

鉄筋配置Ｂでは，Ａに比べ供試体端部（鉄筋図 6 に，数値解析による短期暴露と長期暴‐軸方向 0ｍｍ位置）での Cl 濃度が著しく高 露の比較を示す．
‐いことから，暴露方向からの Cl‐の侵入，外⑪に突出した鉄筋に沿った Cl の侵入が考え‐られる．一方，供試体中央（鉄筋配置Ｂ鉄筋に沿った Cl‐の侵入が無いために，Cl‐濃度が低くなっていることが読み取れる．
この結果より，藤田（2002）の研究で示唆された鉄筋に沿った Cl‐の移動を，暴露実験によって確認することができたといえる．
3.RC 中の物質移動に関する数値解析
3.1 はじめに
本研究室において，小林〔2.5〕によって開発された数値解析プログラムで，長期暴露

塩化物イオン濃度（kg/ｍ３）

軸方向 200ｍｍ位置）では，ひび割れや鉄筋

20⑫⑬⑭⑮W/C60%（短期）
W/C60%（長期）1510500100200300
鉄筋軸方向距離（mm）400

図 6 短期暴露と長期暴露の比較（W/C60%）

図 6 に示すように，長期暴露と数値解析の 加が表現されなかったために，実験結果と解Cl‐濃度の分布は同じような傾向を示した． 析結果の２つの結果に大きな Cl ‐の差が生ひび割れ位置での Cl‐濃度が高く，供試体端 じてしまったと考えられる．このことは，部，中央部では，コンクリートの物質透過抵 W/C60%の暴露結果と数値解析結果の比較抗性により Cl‐濃度が抑止されている．しか にも同様なことがいえた．
し，数値解析ではひび割れ位置での累計的な 4.コンクリート細孔組織中の液状水移動とCl‐濃度の差は，あまり見られなくひび割れ 水蒸気移動に関する実験
位置周辺の Cl‐増加が確認される程度に止 4.1 はじめにまった．この傾向は，W/C40%にも同様にひ水分移動解析手法に用いられるコンクリ

び割れ位置での累計的な Cl 濃度はみられ ート中の水分移動は，理論的に 2 つの水分移‐なかった．この原因としては，数値解析プロ 動（液状水移動，水蒸気移動）共に生じるとグラムの環境条件の部分で，暴露実験の環境 して仮定され，定式化されている．しかし，作用のモデル化が実環境と異なるためと考全てがコンクリート中の水分移動について，えられる．

実験により検証されているわけではない．そ②長期暴露結果と数値解析（長期）の比較

こで，コンクリート中の水分移動と考えられ

図 7 に，長期暴露の実験結果，数値解析結 ている液状水移動と水蒸気移動について実果の比較を示す．

験的検証を目的に実験を行った．
暴露方向⑪⑫⑭4.2.1 実験供試体

⑮

解析結果

20
塩化物イオン濃度（kg/ｍ ３）⑬4.2 細骨材による基礎実験参考とした土壌分野での実験〔2.6〕の概要を把握するために，細骨材による予備実験

実験結果を実施した．表 4 に，示方配合を示す．

15表４示方配合

単位量（kg/m３）
105W

SNaCl0.97

40000.03

液状水の移動について検証するため，呼び寸法 0.25mm のふるいで細骨材をふるい，海00100
200300鉄筋軸方向距離（mm）

400

水と同程度の３％NaCl 溶液とをモルタルミキサーで攪拌し，湿潤状態の試料を有底円柱

図 7 実験値と解析値との比較（W/C40%）

実験結果と解析結果共に，ひび割れ位置での著しい Cl‐の侵入がみられる Cl‐濃度分布の傾向を示した．
しかし，数値解析では，暴露実験のような環境作用による累計的な Cl ‐ の侵入による増（φ100×200ｍｍ）内に 3 層 25 回で突き固めを行い，供試体合計 2 本を作製した．
4.2.2 基礎実験概要
供試体作製後，供試体Ａを乾燥炉（設定温度 100℃）内へ，供試体Ｂを比較検証のために気中乾燥として，24 時間の液状水移動実験を行なった．24 時間後，供試体内での水 4.3 モルタル供試体による水分移動実験
分移動分布を知るため，供試体より垂直方向

4.3.1 実験供試体に６箇所（0，10，30，50，100，200mm 位

コンクリート中の水分移動についてモル‐置）の試料を採取し，Cl 濃度測定をした．
4.2.

実験結果

タル供試体を用いて実験を行った．表 5 に，
示方配合を示す．

図 8 に，基礎実験で行った水分移動による

表５Cl 濃度分布を示す．
‐

0.0
0単位量（kg/m３）Cl-濃度（ｋｇ/ｍ３）
0.3
0.60.9

W

CS

Sp

NaCl

320

1000

950

106.06

モルタル供試体には，初期含有 Cl‐ 濃度1030

表面からの距離（ｍｍ）

示方配合1％となるように，NaCl を 6.06（kg/ｍ３）50を与えモルタルミキサーで攪拌し，モルタル供試体成型型枠（40×40×160mm）で合計６本のモルタル供試体を作製した．

1004.3.2 水分移動実験概要
養生後，モルタル供試体２本ごとに，食品
150

包装用ラップフィルムで 3 種類の異なるシ
B：室内乾燥
A：炉乾燥200
図 8 水分移動による Cl－濃度分布

図 8 は，細骨材試料による 24 時間経過後ールを施した．シール後，モルタル供試体を垂直方向に設置し，乾燥炉（設定温度 40℃）内で水分移動実験を行った．図 9 に，モルタル供試体に施した 3 種のシール状況を示す．の Cl‐濃度分布を示したものである．炉に入れて乾燥を促進することで，短時間で水分移動の大略の傾向を把握することができる．液状水中に存在する Cl‐は，供試体内で液状水移動があるとこれに伴って移動をする．また，
Cl‐は液状水移動でしか移動することが無い

全面シール／ 一面乾燥ため，蒸発（気化）により水蒸気移動に移行した位置では，Cl‐がとり残される．図 8 によると，乾燥面である上面近傍では，Cl‐濃度が高くなっており，その高さ位置まで供試体内では，液状水移動が行われていたといえる．また，上面近傍以外の位置で測定されたCl‐は，水蒸気移動によって拡散分布していると考えられる．

／全面乾燥

図 9 シール状況

実験終了後，供試体より垂直方向に 5 箇所（0，10，20，80，160ｍｍ位置），試料採取を行い，2.3 に示した同様の方法で Cl‐濃度測定を行った．
4.3.

実験結果

図 10 に，モルタルによる水分移動実験で行った，水分移動による Cl－濃度分布を示す．

0で確認した．藤田（2002）により示唆さCl-濃度（kg/ｍ３）
0.1
0.2
0.3

0.4

露で確認することができた．

0測定高さ（mm）

れた鉄筋に沿った Cl‐の移動を，今回暴1020・ 数値解析において Cl‐の侵入を定性的に40り定量的に表現するために環境作用のモ表現することができた．しかし，解析よデル化の検討が必要と考えられる．
・ コンクリート中の水分移動をモルタル供80
一面乾燥
全面乾燥
全面シール120

試体による水分移動実験で検証することができた．今後は，コンクリート供試体による水分移動実験による検証が必要といえる．
参考文献

160

〔2.1〕日本コンクリート工学協会基準案：
図 10 水分移動による Cl 濃度分布－

全面乾燥供試体の Cl 濃度分布は，全体的‐『JCI-SC5 硬化コンクリート中に含まれる全塩分の簡易分析方法』にほぼ平坦となった．供試体内からの水分の 〔2.2〕日本コンクリート工学協会基準案：逸散が等方的に生じるからである．一面乾燥『JCI-SC6 塩化物イオン選択電極法によも同様に，「乾燥」による水分移動現象が生るフレッシュコンクリート中の塩化物イじたと考えられるが，モルタル供試体の内部オン含有量試験方法』と外部の結ぶ面が一面に限定されているた〔2.3〕小山和雄：曲げひび割れを有する鉄め，内部の液状水は予備実験で見られたよう

筋コンクリート中における鉄筋の腐食機に乾燥面に向かって生じ，乾燥面近くで水蒸構，長岡技術科学大学修士論文，2002.2

気に気化するため，その付近に Cl が取り残 〔2.4〕藤田徹：かぶりコンクリートの初期‐された．全面シールは，液状水の移動がない欠陥が鋼材腐食促進物質の侵入に及ぼすので直線的分布を予想していたが，今回の実影響，長岡技術科学大学卒業論文，2002.3

験ではあまり想定していた傾向とはいえな〔2.5〕小林悟史：コンクリート中の物質移い結果となった．

動と鉄筋の腐食に関する数値解析，長岡技5.まとめ術科学大学修士論文，2002.2

以下に，本研究の結果を示す．
・ 暴露実験における Cl 濃度分布を確認し‐た．暴露期間の継続によりひび割れ位置での累計的な Cl‐の侵入増加が確認できた．
・ 鉄筋に沿った Cl‐の侵入移動を暴露実験〔2.6〕八幡敏雄：土壌の物理，東京大学出版会，1975