コンクリート工学年次論文集，Vol.27，No.1，2005

報告

ニッケル被覆炭素繊維シートを用いた電気防食工法の開発
中村雅之*1・小林俊秋*２・井川一弘*３・篠田良央*３

要旨：ニッケル被覆した炭素繊維シートを陽極材に用いて新しい電気防食工法を開発した。
陽極設置の施工性を改善した外部電源方式の電気防食工法である。炭素繊維にニッケルを被覆して陽極材としての長期耐久性を確保し，高アルカリ水溶液を含ませた吸水性高分子ポリマーをバックフィル材として使用し陽極性能を維持している。塩害を模擬した鉄筋コンクリート供試体に本方式の電気防食を行ない，１年間にわたって通電し良好な結果を得て実用的な電気防食工法であることを確認した。
キーワード：電気防食，ニッケル被覆炭素繊維シート，バックフィル
1. はじめに工法である。本報告では，本工法の施工性およ電気防食工法は，新たに設置した陽極からコび防食効果を検証する目的でおこなった供試体

ンクリートを介して鋼材に微弱な電流を流して，における試験結果について報告する。

腐食反応を停止させる工法ある。コンクリート2. 本工法の特長

中の塩化物イオン量の過多に左右されない防食

2.1 炭素繊維シートを用いた電気防食工法
本工法は，陽極材にニッケル被覆炭素繊維シ工法である。
電気防食工法は，面状陽極方式，線状陽極方式，点状陽極方式の３つに分類される。電気防ートを用いた外部電源方式の電気防食工法である。陽極の構成図を図－1 に示す。

食工法の施工は，陽極の設置が主要な工種であ

陽極システムはＦＲＰ製保護カバー内にニッる。線状陽極方式・点状陽極方式では，コンクケル被覆炭素繊維シート陽極を配置し，バックリートに切削あるいは削孔して陽極材を埋め込フィルを充填している。以下に電気防食システ

み，モルタルやバックフィルで充填する，面状ムを構成する各材料について説明する。

陽極方式では，コンクリート表面に陽極材を固(1) ニッケル被覆炭素繊維シート定しモルタルで被覆する，という施工である。

陽極材として使用するのは，繊維１本１本にこの際，コンクリート表面の金属探査および短ニッケルを均一に被覆した炭素繊維シート（ベ絡処理などの入念な施工が必要となる。

スファイト MC-W3101）である。炭素繊維の優

電気防食は通電時の電気化学反応により陽極れた耐久性・経済性と，ニッケルの持つ高い導材から酸素や塩素ガスが発生する可能性がある。
ガスの発生は陽極材近傍のコンクリートや陽極材を劣化させ，その結果，抵抗が上昇し電気防食の機能が低下する場合がある。

FRPカバー

ニッケル被覆炭素繊
維シート

陽極設置にかかわる探査や短絡処理を不要とし，陽極の寿命を左右するガスの発生をなくしチタンピンた，新しい電気防食工法を開発した。ニッケル図－1 陽極の構成図

被覆炭素繊維シートを陽極材に用いた電気防食*1 オリエンタル建設㈱本社第一技術部メンテナンスチーム*2 オリエンタル建設㈱技術研究所*3 ㈱ナカボーテック

主任研究員(正会員)

主任研究員（正会員）

本店港湾・橋梁事業部ＲＣ技術部-1537-

課長(正会員)吸収性高分子電性・耐久性を兼ね備えた高性能陽極である。

樹脂（FRP）を波板状に成形したもので耐食性・炭素繊維の主原料はＰＡＮ（ポリアクリロニト

耐候性に優れている。炭素繊維シート陽極とバリル）である。表－1 にニッケル被覆炭素繊維シックフィル材をコンクリート表面に固定し，こートの特性を示す。炭素繊維の直径は 7.5μm でれを保持してバックフィルの乾燥を防止する。

あり，3000 本で１本の糸を構成する。繊維一本

写真－3 にＦＲＰ製保護カバーを示す。

毎に平均 0.25μm の厚さのニッケルを被覆している。25ｍｍ幅あたり 12.2 本の糸で平織りシートを構成し，比表面積は 70 m2/kg 程度である。

写真－1 ニッケル被覆炭素繊維シート

この大きな表面積により，陽極材として安定した電流を流すことができる。陽極材に使用する
炭素繊維シートの寸法は，幅６cm，厚さ 0.25mmである。写真－1 にニッケル被覆炭素繊維シートを示す。
炭素繊維をニッケルで被覆しているため陽極

写真－2 高分子バックフィルとしての長期耐久性が確保されている。NACE（米国腐食防食協会）の陽極耐久性試験１）を参考とした方法により陽極材の耐久性を確認している。これは，110mA/㎡の電流を 40 年間継続して通電した場合の積算電流量を，コンクリート

写真－3 ＦＲＰ製保護カバー

環境を模擬した水溶液に浸けた陽極材に通電して，耐久性を評価するものである。同等の積算

2.2 工法の特長

電流量は 8.9A/㎡の電流を 180 日間通電して得ら(1) コスト縮減

れ，陽極の電位変化量が４Ⅴ以下の場合に合格

炭素繊維シートを用いた電気防食工法は，炭である。

素系材料を陽極の基材として用いているため，(2) バックフィル

白金系の貴金属を被覆したチタン系材料を基材

バックフィルは，高アルカリ溶液をポリアクとした陽極等と比較して経済的である。

リル酸塩系高吸水ポリマー（アクペック(2) 構造物への負担軽減

HV501ER）に吸収させて成形したもので，通電既設構造物に施工する場合，コンクリートド機能に必要なイオン伝導性を維持する。高アルリルなどを使用して，コンクリート表面に陽極

カリ水溶液は 18％の水酸化ナトリウムを使用し固定用の孔を削孔してプラグを設置するだけでた。ペーハーはｐH＝14 である。水溶液と高分ある。コンクリート構造物に対して断面欠損な子の比は 20：１である。写真－2 に水酸化ナトどがなく負担が小さい。

リウム水溶液吸収させたバックフィル材を示す。

(3) 施工の省力化(3) ＦＲＰ製保護カバー

コンクリート中の鋼材が陽極と短絡した場合，1)鋼材が陰極になることが出来ず電気防食が達
ガラス繊維で強化された不飽和ポリエステル
表－1 ニッケル被覆炭素繊維の特性

ニッケル
被覆炭素繊維シート
Ni

シート
密度（本/25㎜）
たて
よこ

重さg/㎡

12.2

12.2

355

3000

0.25-

----

Ni平均
フィラ
被膜厚
メント数μｍ

繊維
直径μｍtex

引張強度
MPa

引張弾性厚Gpa

7.53602744--314-1538-

繊度

伸度

密度%g/cm3

体積抵抗率ohm. cm

215

1.2

2.7

7.5 x 10-5206308.96.0 x 10-6

成しされない，2)鋼材が陽極になり著しい腐食がを配置した。鉄筋の純かぶりは 35mm とした。

起こる，の２つの障害が発生する。コンクリー

表－1 使用材料，表－2 にコンクリートの配合をトかぶり部分にある番線・結束線・釘・形鋼な示す。塩分として，塩化物イオン濃度が 7.5 kg/m3

どが陽極と短絡すると，これらがアノードとなとなるように 12.4 kg/m3 の塩化ナトリウムを添り著しい腐食を起こす。よって陽極の設置前に，加した。
表－2 供試体使用材料

かぶりの薄い鋼材の探査や露出金属の探査，こセメント
リ コ 細骨材
ン 粗骨材
ト ク 混和剤
塩化物

普通ポルトランドセメント
岩瀬産砕砂
岩瀬産2005砕石
メラミンスルホン酸系
塩化ナトリウム ＮａＣｌ
ニッケル被覆陽 炭素繊維シート ＰＡＮ型二方向織物
極
水酸化ナトリウム水溶液
材
バックフィルポリアクリル酸系水溶性
樹脂高分子
ガラス繊維補強
ＦＲＰ製保護カバー
不飽和ポリエステル樹脂
鉛電極
照合電極
SD295A D13
鉄筋ー

れらを電気的に絶縁する処置や露出金属の除去などの短絡処理が必要となる。本方式では，バックフィルが陽極を包囲するので露出金属に接触する事がなく短絡処理が不要となる。
(4) 死荷重の増加を低減
陽極をバックフィル材とともに FRP 製保護カバー内に収め，コンクリート表面に設置するために，モルタル被覆などに比べて死荷重の増加を抑えることができる。同じ線状陽極方式のチタンリボンメッシュ陽極方式に比べると，若干の重量増となるが，面状陽極のチタンメッシュ

表－3 コンクリートの配合陽極方式に比べると大幅な重量減となる。チタ

Ｗ/Ｃ ｓ/ａ（％） （％）
6545

ンメッシュの場合 10～20mm のモルタルで被覆するため重量増が 20～50kg/㎡となる。本方式のＷ
180

単位量（kg/m3）
ＣＳ
Ｇ 混和剤 ＮａＣｌ
277 860 1067
5.012.4

場合，FRP 製保護カバー・ニッケル被覆炭素繊(2)養生履歴

維シート・バックフィルの重量の合計が 2.2kg/m，打設後，100 日間自然養生とした。その後，塩配置間隔を 300mm とすれば 7.3kg/㎡となり，被水噴霧（模擬海水：塩化ナトリウム３％水溶液）覆モルタルの場合の 1／２～１／６程度となる。

４日間・乾燥３日間を１サイクルとする乾湿繰

従って構造物に大幅な負担をかけない。

返し養生を 82 サイクルおこなった。その後通電(5) ガス発生の回避まで，約 73 週自然暴露とした。

電気防食では，陽極反応で発生するガスが陽極の劣化を促進する。炭素繊維に(3)供試体劣化状況

試 験 体 ： R C- 1 、 RC ｰ 2

被覆したニッケルは，酸素の発生

平面図4,4002,200

電位が低いために，酸素ガスを発Ａ

照 合 電 極 （ Ag/AgCl)

322400測定端 子

二酸化炭素も発生しない。

77.545.578

生させることがなく，塩素ガスや2,200

Ａ150

Ａ－Ａ断面図2,0002,250
プルボック スプ ル ボ ッ ク ス (PVC

硬 質 ﾋﾞﾆﾙ電 線 管 （ VE36 )150*150*150)

電線管

測定端 子

350

350

直流電 源装 置

700
350

100

リートの配合56(1)供試体の形状およびコンク

150

700

3.1 供試体

CV5.5sq-2c

2,250

側面図

一 重 波 付 PF管 (PF36 )350

3. 供試体試験

2,000

2,200示す。軸方向鉄筋として 8-D25，

照 合 電 極 （ Ag/AgCl)

照 合 電 極 （ Ag/AgCl )測定 端 子供試体の形状寸法を図－2 に照 合 電 極 （ Pb M-5型 )RC-1だ け

2,2004,400

図－2 供試体図

スターラップとして D13ctc100-1539-400

3.2 本工法の施工手順

ひび割れからは錆汁が見られた。土木学会コン図－4 に供試体の概要を示す。

クリート標準示方書維持管理編の定義では，塩400mm

ﾊﾞ ｯ ｸﾌｨ ﾙ

害劣化のグレーディングとして，加速期に相当

ﾆｯ ｹﾙ被 覆 炭 素 繊 維 ｼｰﾄ
ﾁﾀ ﾝﾋ ﾟ ﾝ－(4)自然電位の測定

電 源＋210mm

700mmした。

280mm

試験体の自然電位の分布を図－3 に示す。測定は日本防食工業社製電位センサーPE-01 型回転式鉛照合電極を使用しておこなった。測定結果

200mm

は，－488 から－722mV vsCSE の範囲であった。

200mm

210mm

供試体表面に，腐食ひび割れが多数発生し，FRPｶﾊﾞ ｰ「90％以表－4 に示す ASTM の判定基準２）から，

図－4 供試体の概要

上の確率で腐食あり」と判定した。

側面S7S5S6S4S3S212456-750--700-600--55037891011-700--650-550--500

1214151617-650--600-500--450

13(1) 陽極設置前処理工

S8

側面 上面

mV vsCSE

S118

劣化部のコンクリートのはつり・表面処理を行なう。次に，コンクリート中の鋼材が電気的に一体化していることを確認する。コンクリー
ト中の鋼材に一定間隔で通電点や照合電極を設置し，断面欠損部の断面修復を行なう。
(2) バックフィル充填工

図－3 自然電位の分布

表－4 ASTM の判定基準

FRP 製保護カバーに，陽極を設置して陽極の2)

自然電位 Ｅ （mV vs CSE）

腐食の確率

Ｅ＞-200-200≧Ｅ＞-350-350≧Ｅ90％以上の確率で腐食無し
不確定
90％以上の確率で腐食あり周囲にバックフィルを充てんする。
(3) 絶縁用チューブ挿入
コンクリート表面に陽極固定用の孔を削孔し，削孔した孔に固定用絶縁用チューブを挿入する。
(4) 陽極設置工表－5 CEB の腐食速度の判定基準 3)
分極抵抗 Ｒｃｒ（ｋΩｃ㎡）
130～260より大52以上130以下
26以上52以下
26未満

腐食速度の判定

陽極とバックフィルを充てんした FRP 製保護

不動態状態（腐食なし）
低から中程度の腐食速度
中から高程度の腐食速度
激しい・高い腐食速度

カバーをコンクリート表面にセットし，削孔した孔にチタンピンを挿入して固定する。
(5) 各陽極間の導通確保(5) 分極抵抗の測定

チタン製プレート 2 枚により端部の陽極を挟分極抵抗の測定は，照合電極と２つの対極をみ込んで圧着して陽極に電流を分配する通電点組み合わせた２重対極センサーを用いて，高低を設置し，プルボックス内に収納する。

２周波の交流インピーダンス値から分極抵抗を(6) 目地および端部処理求める方式とした。分極抵抗の測定結果は，43FRP 製保護カバーの目地部と端部にシーリンｋΩc ㎡という数値であった。表－5 に，ＣＥＢグﾞ材を用いて防水処理を行なう。の腐食速度の判定基準を示す。分極抵抗と腐食(7) 防食回路形成工

速度の関係から「中から高程度の腐食速度」とビニル製のボックスや樹脂製配管材を使用し判定された。なお測定器は四国総合研究所社製て配線・配管を行なう。写真－4 に電気防食シスの SRI-CMⅡを用いた。

テムを設置した供試体の全景を示す。電気防食システムに異常がないことを確認し，通電試験-1540-

式の 5～7 割であることが確認できた。表－6 にをおこない必要な防食電流量を決定する。

歩掛りの比較表を示す。
表－6 施工歩掛の比較表

Ni/CFS

陽極設置工歩掛 （陽極設置面積10㎡当り）
ニッケル被覆チタンリボンチタン
炭素繊維
メッシュ方式
メッシュ方式
シート方式
通電点FRPカバー
FRP
カバー

作業人員

写真－4 供試体全景10.7 人

18～26人15～20人4.2 防食効果確認試験結果(1) 鉄筋電位の推移

3.3 通電試験(1)分極試験（E‐logⅠ試験）

鋼材電位の推移を図－6 に示す。各電位とも急分極量試験は土木学会電気化学的防食工法の激な変化がなく電気防食システムとして概ね安設計施工マニュアルに示す防食基準を満たす防定しているといえる。OFF 電位は通電停止４時

食電流量を決定するためにおこなう。防食基準間後の値である。これを見ると通電初期には鋼材の電位をマイナス方向へ 100ｍＶ以上変-617mVvsCSE 程度であったものが-517mVvsCSE化させることを基本とする。分極量試験では，に 100mV ほど貴側へ推移している。表－4 に示設置した陽極から鋼材へ向けてさまざまな電流す ASTM の判定基準では，「90％の確立で腐食なを流し，これを小から大へ変化させて，電流とし」の範囲には入っていないものの防食環境へ

鋼材電位の関係から，防食基準を満たす防食電変化しつつことがわかる。変化量が少ない理由流を決定する。通電は各 10 分間である。図－5は試験体の腐食環境が厳しい状態であったものに分極試験結果を示す。分極試験結果より防食と考えられ，今後通電期間が長くなるにしたが電流密度は 10mA/㎡と決定した。電気防食対象って OFF 電位が貴側へ変化していくと思われる。

面積が 6.84 ㎡であるので，電気防食システムの(2) 復極量試験結果防食電流として 6.9mA の一定値に決定した。

復極量の推移を図－7 に示す。復極量はインス

鋼材電位（mV vsCSE）-600

タント OFF 電位と４時間後の OFF 電位の差であ-617-640-680-720る。分極試験により決定した電流を一定電流と防食基準100mVし試験体に与え，適時復極量を測定した。通電
初期において 100mV を下回っていたが，通電 100-715

選定電流密度
10mA/㎡-760-800
00.01

日を越えてからは 100mV を超えて上昇し，防食基準である 100ｍV 以上を続けており，防食効果0.11
電流密度（mA/㎡）

10100が確認できている。
(3) 分極電位の推移

図－5 分極試験結果【E‐logⅠ試験】

分極電位の推移は，防食電流量を決定した分
4. 試験結果

極試験を，通電２ヶ月，通電 18 ヶ月についても4.1 施工性おこない，プロットしたものである。結果を図

本工法の施工性を従来工法と比較すると，1)－8 に示す。電流密度 1mA/㎡までの分極曲線のコンクリート表面処理が簡易であり，2)短絡防止

傾きは通電前に比べて大きくなっている。少な処理が不要で，3)陽極の設置作業が迅速にできる， い電流密度で分極量が大きくなることがわかる。
ことから本工法の施工に要する労力はチタンリ
ボン陽極方式の 4～6 割，チタンメッシュ陽極方-1541--400

OFF電位

ｲﾝｽﾀﾝﾄOFF電位

ON電位

気温-500-600-700ことを表している。すなわち 18 ヶ月間の通電に30

よって，全体的に鋼材の電位が貴側へ移動して20-8000100200300
通電材齢（日）400500(4) 分極抵抗の推移
通電前と通電 18 ヶ月の分極抵抗値の推移を図－9 に示す。分極抵抗の値は通電停止 24 時間後復極量
温 度復極量（mV）20040に計測した。通電前の分極抵抗値 43kΩc ㎡が 1830ヶ月後に 135kΩc ㎡に推移している。
「中から高150
20100

温度（℃）

250状態（腐食なし）」と判定される状態となった。

0100200300
通電材齢（日）400500(5) 通電電圧の推移

0

陽極システムの通電電圧の動きと外気温を図－10 に示す。1.0V から 1.5 の間で推移し，概ね

図－7 復極量の推移安定している。外気温が低い期間に電圧が上昇電位（mV vs CSE）

-300-400-500-600-700-800-900-100000.01

し外気温が上昇すると電圧が下降する関係が見られる。
通電前
通電後２ヶ月
通電後１８ヶ月
0.1

5. まとめ

1
電流密度（mA/㎡）

10

本試験の範囲内において，以下の結論が得ら100れた。

図－8 分極電位の推移（１）本方式による陽極システムは，コンクリ200
分極抵抗値（kΩ）

程度の腐食速度」と判定された状態が「不動態1050ート躯体に切削・削孔・吹付け等で金属製陽極分極抵抗を埋め込む一般的な電気防食工法に比べ，作業100工程が簡略で作業の省力化が可能である。
（２）塩害を模擬した供試体に通電し，本方式による陽極システムによって電気防食に必要は00

通電材齢(日)513

電流が鋼材に供給されること確認した。

図－9 分極抵抗値の推移

参考文献

2.0401) NACE Standard TM0294-94 Item No.21225

1.5302) ASTM V876-87 ： Half-Cell Potentials of

1.020
電圧
温度

0.50.00100200300
通電材齢(日)

400

温度（℃）

電圧（Ｖ）

こと示している。

0

図－6 鋼材電位の推移

0おり，鉄筋の腐食抑制され防食効果が得られた

10-900-1000

40

気温（℃）

鋼材の復極量（mV vsCSE）

これは鉄筋腐食の電気化学反応が起こりにくい

Uncoated Reinforcing Steel Concrete，1980
3) CEB Working Party V/4.1: Strategies For

10

Testing and Assessment of Concrete Structures

0Affected500byReinforcement

Corrosion(draft),BBRI-CSTC-WETCB,Dec.1997

図－10 通電電圧の推移-1542-