環境シンポジウム

コンクリート内部環境のモニタリング
物質・材料研究機構
構造材料拠点
西村俊弥

首都高速の腐食劣化

橋梁崩落
事故

米国ミネアポリス
2007

トンネル崩
落事故

老朽化橋梁の割合推移
50年以上経過した橋梁
18％

2013年

43％

2023年

67％

2033年

鉄筋の腐食によるコンクリートの劣化
コンクリート構造体では、鉄筋が腐食する。

鉄さびの体積膨張でコンクリート構造体が破壊する。

特に日本は、腐食性環境にある
１）海からの塩分(塩害）２）酸性雨（中性化）

腐食性大コンクリート構造体は、個々異なる。
１）素材、２）製造法、３）環境（１）個別の構造体の鉄筋の腐食を調べる必要（２）環境： コンクリート内部鉄筋近傍の腐食因子（塩分、pH）を把握することが重要

コンクリート内部の環境および鉄筋腐食のモニタリングが重要同時モニタリングを実施

1. 鉄筋の腐食：電気化学インピーダンス法(EIS)
2. 塩分の変化：Clセンサー
3. pHの変化 ：pHセンサー

コンクリート内部の環境因子（Cl, pH）の変化と鉄筋の腐食との関係を明確化

実際の測定状況鉄筋塩分センサーセンサー
ピットpＨ センサー

コンクリート1. コンクリートブロック ポートランドセメント(水：セメント比 = 0.6), 水: 0.3 mass% NaCl
2. 塩分センサー Ag/AgCl マイクロ電極- 0.3mm Ag wire – 500 mV 20 min 0.1 M HCl
3. pH センサー W/WOx マイクロ電極- 0.3mm W wire - 18 h 10% HNO3
4. 腐食モニタリング
0.3mHz – 20kHz, 3極式

電気化学インピーダンス法（ＥＩＳ）

キャリブレーション
200-100

150

Potential, E / mV vs SCE

電位

Potential, E / mV vs SCE

Ag / AgCl
100500-50in Saturated Ca(OH)2 at 25 oC
10-410-310-2Cl- Concentration, C / M

塩分濃度-300-400-500-600-700

at 25 oC-800

10-1100W / WOx-20012345678pH

91011121314コンクリート内部の塩分濃度変化
0.8Day 1Day 4Day 7Day 14Day 84
Day 140Day 180

Chloride concentration, C/ M

塩分濃度

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0

10203040

Distance from surface, d / mm

表面からの距離50

コンクリート内部のpH変化
1210 mm
20 mm

11pH

10920mm

810mm
70255075
100 125
Time, t / Days

150

175200塩分とpHの同時変化図
1210mm
20mm
117day 10mm

pH1072814920mm

14day
28day

84

84day
1408140day
700.2

0.40.6

Concentration of chloride, C / M
塩分濃度0.8拡散方程式から塩分の拡散定数Dcを求める
0.9

拡散方程式

C : Cl ion conc. at x (M)C0 : Cl ion conc. at surface (M)X : distance from surface (mm)t : time (sec)
Dc : diffusion coefficient (mm2/sec)
erf : error function

Chloride concentration, C / M

0.8

カーブフィッイング

0.7
0.6

8.3 x 10-3mm2/s
8.3 x 10-4mm2/s
2.0 x 10-4mm2/s
8.3 x 10-5mm2/s
9.5 x 10-5mm2/s
Experimental

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
010203040
Distance from surface, d / mm

Dc ： 9.5×10-5 mm2/s

塩分の内部侵行を推定可能50

電気化学インピーダンス法（ＥＩＳ）
による腐食モニタリング
鉄筋の腐食の等価回路

Z CPE

R sol

W
R ct

Rsol:コンクリート内部の溶液抵抗、
ZCPE:腐食容量、(W:拡散抵抗)、
Rct:腐食抵抗

腐食状況を電気回路として解析

電気化学インピーダンス法（ＥＩＳ）
による腐食モニタリング結果
Phase angle, θ / degree

位相角度0-20-40-60

1D
14 D
28 D
84 D
140D

20 mm

Impedance, Z / Ωcm2インピーダンス

Ｒｃｔ 腐食抵抗104

10R sol 溶液抵抗

3102
10-4

10-310-2

10-1 100
101102Frequency, f / Hz

周波数103104105

腐食抵抗（Ｒｃｔ）の変化
1210mm
20mm

環境変化
Z(10mm)
Z(20mm)高い

117day10pH

Impedance, Z / Ohm cm2

インピーダンス

105

794

10281414day
28day

8484day1408140day

下がる
7腐食の進行

31028day
0.2M-Cl, pH=9.4
1020204060020mm

0.20.40.60.8

Concentration of chloride, C / M

10mm

80100120140160Time, t / Days

鉄筋の腐食は、コンクリート内部の腐食因子(Cl, pH）で支配されている。
内部の腐食因子が敷居値(0.2M-Cl, pH=9.4) を超えると急激な腐食が開始する。

鉄筋の腐食は、環境の腐食因子をモニタリングすることで把握できる

(現場測定1) 橋梁内部の現場塩分測定
試験面

現場の壁面にて短時間で測定可能

正面から測定孔
センサー
ドリルで孔を空ける
孔底部の測定を行う
10
側面①

塩分濃度 / M

試験面①
試験面②

10.10.01

試験面（正面）と側面測定結果が概ね一致0123

表面からの距離 / cm

壁面内部の塩分測定可能ドリルで孔を開けながら内部の塩分量を測定

45

(現場測定2) 現場連続モニタリング
予防保全（事前の検知）
融雪塩散布橋梁

構造体内部の塩分分布
234
220
day
101
108
115
122
137
144
150
164
178
192
206
14 day
21
28
35
42
49
53
59
63
66
73
80
87
95
1

塩水
2

3

4

（単位：Ｍ）

5

6

0.052480.288400.501190.363080.08318
0.027540.03311
0.066070.165960.13804
0.524810.18197
0.23988
0.69183
0.13804
0.15849
0.69183
0.05495
0.06026
0.13183
0.02399
0.02291
0.03802
0.007240.00955
0.012020.01047
0.02291
0.04169
0.027540.02399
0.031620.03467
0.04571
0.052480.050120.066070.15136
0.11482
0.12589
0.34674
0.229090.120230.10000
0.151360.12589
0.144540.41687
0.208930.524810.31623
0.288400.050120.063100.06026
0.04571
0.08318
0.21878
0.13183
0.15136
0.41687
0.288400.208930.013800.014450.01995
0.027540.066070.04365
0.10000
0.063100.003160.004170.00457
0.02188
0.013800.015140.015850.02884
0.003160.00550
0.015140.014450.02630
0.039810.06026
0.063100.10965
0.13804
0.13183
0.025120.04169
0.072440.07586
0.00437
0.00550
0.02884
0.02630
0.00263
0.00251
0.009120.007240.00009
0.000130.000420.000360.00033
0.000240.00072
0.00087
0.004570.001660.00191
0.007240.003020.00479
0.00398
0.000200.000180.00151
0.004570.001150.000100.00033
0.000500.000400.000100.000140.000250.000260.000460.00020 0.79433
0.00020 1.20226
0.00040 1.09648
0.00013 0.12589
0.00012 0.03981
0.000170.057540.60256
0.912010.870960.03467
0.069180.015850.04169
0.057540.072440.033110.014450.018200.00871
0.052480.04365
0.02630
0.07586
0.03467
0.03802
0.109650.039810.04169
0.109650.027540.01905
0.05495
0.010470.017380.06026
0.00209
0.00288
0.003160.003310.00955
0.012020.013180.01995
0.021880.00603
0.00575
0.011480.010960.01995
0.03467
0.030200.031620.06026
0.03311
0.036310.00794
0.009120.012590.014450.02630
0.07943
0.031620.10471
0.066070.043650.01000
0.010960.01905
0.01660
0.015140.050120.038020.091200.063100.00380
0.00525
0.00871
0.00794
0.01660
0.030200.03467
0.023990.02089
0.002190.00251
0.002400.009120.00759
0.00871
0.008320.01000
0.00692
0.00550
0.002630.00479
0.013800.015140.003160.00661
0.018200.02399
0.00398
0.007240.01738
0.02188
0.00209
0.002880.010960.01318
0.00209
0.00200
0.004170.004370.00008
0.00009
0.000200.000480.000300.000100.00009
0.000150.000260.000300.00006
0.00009
0.000140.000260.00032
0.000070.00008
0.000170.000260.000130.00006 0.06918
0.00008
0.000150.000210.000170.000070.000100.000170.000220.00033
0.00010 0.06918
0.00008 0.16596
0.00009 0.06026
0.00008
0.02630
0.08710 0.11482
0.13183
0.125890.043650.018200.07244

15％ＮａＣｌ

0.02630
0.05495
0.01318
0.036310.01000
0.00832
0.00363
0.043650.05495
0.00363
0.04169
0.10000
0.01660
0.01047
0.02884
0.01380
0.01259
0.05495
0.00832
0.006030.010470.005250.010960.001320.001260.00115
0.00229
0.00603
0.00380
0.00347
0.00871
0.012590.001320.00120
0.001100.002290.00398
0.00263
0.003160.009120.017380.001740.001450.00191
0.00347
0.00692
0.00550
0.007240.013800.009120.001510.00158
0.003800.008200.009120.014450.00955
0.001450.00105
0.00095
0.002400.00380
0.00398
0.00955
0.006920.001660.001200.00105
0.001910.00501
0.002400.00251
0.00794
0.002190.00603
0.00200
0.001910.001510.001820.001820.00158
0.001450.001510.00158
0.002400.002190.00209
0.001740.00191
0.002750.001910.001320.001260.00151
0.00200
0.001380.00008 0.06918
0.000130.000420.00032
0.000070.000140.000130.00055
0.000300.00008
0.000120.000240.000280.00007 0.01905
0.000120.000210.00032
0.00008 0.00759
0.000130.000210.000230.00008
0.000100.000120.000220.000300.00008 0.01585
0.00007 0.02512
0.000070.050120.144540.014450.04169
0.011480.00575
0.057540.00457
0.004790.00661
0.00479
0.00871
0.00275
0.00263
0.23988
0.00209
0.003020.003160.00288
0.003160.00191
0.003310.002750.00158
0.001380.001100.001320.00174
0.00759
0.003800.001450.001260.00151
0.002630.001320.00174
0.006310.006610.004170.001380.00100
0.00132
0.002400.001820.00174
0.006610.004170.00100
0.001200.00132
0.002190.001510.00174
0.007240.003470.00100
0.000910.00126
0.002400.001450.00138
0.00575
0.003310.003800.001320.001260.00105
0.00151
0.002400.001450.00174
0.007240.006310.00437
0.002190.001660.001200.00100
0.002290.001200.00200
0.00158
0.001100.00200
0.00158
0.001100.001820.001510.00115
0.00200
0.00158
0.001100.001150.000070.000130.000210.000300.00008
0.000140.000220.000380.00008
0.000130.000230.00032
0.000070.000110.000210.000280.00008
0.000130.000220.00032
0.00008
0.000120.000220.000350.00008
0.000070.000070.000070.00661 0.05012
0.05754 0.02089
0.01995 0.00603
0.01000 0.00724
0.01096 0.00832
0.00603
0.114820.01905
0.01380
0.00759

塩分連続モニタリング可能

センサー

コンクリート・センサーの長期耐久性確認
・構造体の塩分分布解析可能

高架橋PC桁上部での実暴露試験
1 – 3 : 桁端部 (凍結防止剤)
4-6 ：桁端部から5m (飛来塩分)

海側

142

536

山側

測定内容
（１）コンクリート内部塩分量
その場測定
１）1～6、
２）深さ： 1, 2, 3, 4 cm
（２）塩分長期モニタリング
１）1、4、
２）深さ：2, 3, 4 cm

電気化学センサーの特徴
・感度が高い（塩分： 飽和～0.001Ｍ）
・サイズが小さい（0.3mmφ線、3mmφ球）⇒コンクリートの損傷微少