曲げひび割れを有する鉄筋コンクリート中における鉄筋の腐食機構
コンクリート研究室 小山 和雄
指導教官 下村 匠
1.

はじめにび割れを導入した鉄筋コンクリート供試体の屋

鉄筋コンクリート部材において，かぶりコン外促進暴露試験を行い，鉄筋軸に沿った塩化物クリートが外部より侵入する腐食促進物質から濃度，鉄筋の腐食量の分布に及ぼす，コンクリ鉄筋を保護する能力は，鋼材腐食に対する部材ートの品質およびひび割れ幅の影響を実験的にの耐久性の上で重要な因子となる。

検討する。

曲げひび割れの発生を許して供用される鉄筋コンクリート部材では，かぶりコンクリートの2. 実験概要

総合的な物質透過抵抗性は，かぶり厚さ，コン2.1 供試体

クリートの品質，ひび割れ性状の所産として達供試体は図−1 に示す鉄筋コンクリートはり成される。2002 年制定土木学会コンクリート標を，水セメント比 40％，60％のコンクリートを準示方書では，ひび割れ部分以外のコンクリー用いて各 2 体ずつ，計 4 体作製した。実験に使トの塩化物イオン拡散係数，曲げひび割れ幅，用したコンクリートの配合を表−1 に示す。供間隔を複合的に考慮して，かぶりコンクリート試体 1 体につき 4 本の曲げひび割れを意図的にの塩化物イオン拡散係数を算定する方法が採用

誘導するため，打設時にステンレス板をかぶりされた

1)2)。構造物の耐久性照査の一項目として，この拡散係数を用いて算定された鋼材位置における塩化物イオン濃度が，限界値に達しないことを照査することにしている。

部に 200mm の等間隔で設置し，断面欠損を生じさせておいた。
供試体は，コンクリート打設後 2 週間湿布養生をした後，等曲げ区間を 600mm として 2 点

このように，鋼材腐食に関する照査を物質濃載荷を行い，ひび割れを導入した。ひび割れ幅度の照査に置き換えることは，鋼材腐食の程度

は，ひび割れ位置の鉄筋が降伏している箇所とが物質濃度に対して正の相関関係にあることが降伏していない箇所が，混在することを目標に前提となっているといえる。

コントロールした。結局，表−2 に示すように，一方，コンクリート中の鉄筋は，条件によっ鉄筋が降伏していないひび割れでは約 0.2mm，て様々な腐食形態をとることが知られている。

鉄筋が降伏しているひび割れでは約 1.0mm の宮里らは，マクロセル腐食機構により，曲げひひび割れ幅となった。ひび割れ幅は，ひび割れ

び割れ部分の鉄筋が局所的に腐食する場合のあを跨いで設置したコンタクトチップにより測定ることを指摘している 3)。マクロセル腐食は，した。

鉄筋軸に沿った物質濃度等の物理化学的状態の外部からの腐食促進物質が暴露面のみから侵コントラストによって誘起されるため，条件が入するように，供試体の暴露面以外にはエポキ重なると，物質遮蔽性の高い緻密なコンクリーシ樹脂による不透水性被覆を施した。

トにおいて生じやすい恐れがある。
しかし，通常考えられる条件下において，実2.2 暴露試験際にそのようなことが起こり得るのかどうか検腐食促進物質（水分，塩化物イオン，酸素）討しておく必要がある。そこで本研究では，ひが十分に供給される腐食に厳しい環境条件を再表−1水セメント比（％）
4060

水150
175

実験に使用したコンクリート配合

セメント375292

単位量 （kg/m3）
細骨材
粗骨材
798986799988

AE減水剤
1.16250.9042

AE助剤
1.12500.8750

図‑2 各供試体のひび割れ幅

400.290.28
1.69
0.37

60

4060

0.17
1.02
1.04
0.35
0.26
0.21
1.30
0.210.19

暴露期間（日）
コンクリート打設方向
曲げひび割れ鉄筋：Ｄ10

コンクリート42200200100

ひび割れ幅
（mm)

50

水セメント比
（％）

20070

ひび割れ導入区間

6565

1400
暴露面
コンタクトチップ

鉄筋：Ｄ1097
不透水性被膜

0.75
0.87
0.71

単位(mm)

図−1 供試体寸法

現するために，屋外にて促進暴露試験を行った。て採取した。各供試体のコンクリート採取位置

一定時間間隔で自動噴霧する装置を用い，海水は図−2 に示す。採取した試料を粉砕し，そのと同程度の濃度 3％の食塩水を 3 時間間隔で噴中に含まれる全塩化物イオン量を測定した。コ

霧した。1 回の噴霧量は供試体表面に塩水が十ンクリート工学協会 JCI-SC5「硬化コンクリー分行き渡る量として，およそ 1 リットルとした。

ト中に含まれる全塩分の簡易分析方法」4)に準

暴露は，日中直射日光のあたる屋外で行った。

じて，試料の調整を行い，測定方法はイオン電水セメント比 40，60％の各シリーズにおいて 1極法によった。

体の供試体は 42 日間，残りの 1 体の供試体は2.4 鉄筋の腐食状況の観察と測定

97 日間暴露を行った。42 日間の平均気温は暴露期間 42 日および 97 日の供試体ともに，10.1℃，相対湿度は 72.4％，晴天日は 12 日，97

暴露試験終了後，各供試体から 2 本の鉄筋をは日間の平均気温は 7.1℃，相対湿度は 74.6％，晴つり出し，鉄筋の腐食の状況を観察した。その天日は 18 日であった。

後鉄筋をクエン酸アンモニウム溶液に浸し，錆

2.3

コンクリート中の塩化物イオン濃度の測定

暴露試験終了後，コンクリートを削岩機で破砕し，鉄筋近傍のコンクリートを鉄筋軸に沿っを取り除いて鉄筋直径を測定した。腐食による鉄筋直径の減少量により，鉄筋腐食量を定量化した。

ひび割れ位置
鉄筋：D10
コンクリート4W/C60%3

全塩化物イオン濃度（kg/m ）W/C40%
32
曲げひび割れ
1測定位置

図−2 全塩化物イオン濃度測定位置

00100

図−3200300
400500鉄筋軸方向距離（mm）

600

3. 実験結果
3.1 塩化物イオン量の分布

暴露 42 日供試体全塩化物イオン濃度分布

供試体中から採取したコンクリート粉末から測定されたコンクリート中の全塩化物イオン量を図−3，4，5 に示す。

4

図−3，4 は，ひび割れ区間における鉄筋軸方

W/C60%

3

全塩化物イオン濃度(kg/m )W/C40%

向の全塩化物イオン濃度の分布を表している。

3鉄筋軸方向距離 0，200，400，600mm 位置は供試体のひび割れ位置を示している。図−3 から，

2

ひび割れ位置で塩化物イオンが高く，ひび割れ間中央位置で低いことがわかる。また，水セメ

1ント比 40％の供試体の方が 60％に比べ，平均的に全塩化物イオン濃度が低くいことがわかる。

00

図−4100200300400
鉄筋軸方向距離(mm)500600

ひび割れ間中央部では，ほぼ同程度の値となった。図−4 においても図−3 と同様に，ひび割れ

暴露 42 日供試体全塩化物イオン濃度分布位置で塩化物イオン濃度が高く，ひび割れ間中央位置では低い傾向が示された。
図−5 は，ひび割れ幅がひび割れ位置の全塩化物イオン濃度に与える影響を検討したもので3全塩化物イオン濃度（kg/m ）43ある。暴露期間 42 日および 97 日における，水セメント比 60％の供試体では，ひび割れ幅の影

2

響が比較的明確に現れている。ひび割れ幅が大42日，W/C40%
42日，W/C60%

1

きくなるにつれて，そのひび割れ位置における全塩化物イオン濃度が増加する傾向が認められ97日，W/C40%
97日，W/C60%る。
一方，水セメント比 40％の供試体では，ひび00

図−50.5

11.5
ひび割れ幅（mm）

全塩化物イオン濃度とひび割れ幅

2

割れ位置での全塩化物イオン濃度はひび割れ間の中点よりも高くなる傾向は認められたが，ひ0.64342日，W/C60%

0.3

20.2
10.1
00600

鉄筋腐食量（mm）

0.4

W/C40%ClW/C60%Cl-

42日，W/C40%
30.5

W/C40%腐食量
W/C60%腐食量

塩化物イオン濃度(kg/m )鉄筋腐食量(mm)0.6

97日，W/C40%

0.497日，W/C60%

0.2001233
全塩化物イオン濃度（kg/m )0100 200 300 400 500
鉄筋軸方向距離（mm)

図−6暴露 97 日鉄筋腐食量と図−7 暴露 97 日鉄筋腐食量と全塩化物イオン濃度分布

全塩化物イオン濃度

び割れ幅の影響は明確ではない。すなわち，ひ4と言える。

び割れ幅が大きな位置でも全塩化物イオン濃度

3.3 腐食メカニズムに関する考察の極端な増加は認められなかった。

図−7 によると，各水セメント比と全塩化物

本実験の範囲では，コンクリート中への塩化イオン濃度の増加に伴った腐食量の増加傾向が物イオンの侵入に及ぼす，コンクリートの品質，示されたことから，全塩化物イオン濃度と鉄筋ひび割れ幅の影響は，順当であり，直感に違わ腐食量の間に正の相関関係が示された。しかし，ぬ結果であったといえる。

図−5 で確認したように，水セメント比 40％の3.2

鉄筋腐食

暴露終了後の供試体より取り出した鉄筋は，全てのひび割れ位置に発錆が認められた。鉄筋供試体では，ひび割れ幅が大きくなっても塩化物イオン濃度の極端な増加が認められないので，腐食が進行しない。

直径の減少量で表した腐食量と，塩化物イオン以上の実験結果より，水セメント比の小さい濃度の関係を図−6，7 に示す。データは暴露期コンクリートの方が，コンクリート中の平均的間 42 日および 97 日の供試体すべてに関してのな全塩化物イオン濃度を低く抑えられること，ものであり，各点はひとつのひび割れ位置の 2

ひび割れ幅が小さい方が，ひび割れ近傍におけ本の鉄筋のデータを平均した値である。

る全塩化物イオン濃度を低く抑えられることを図−6 では，水セメント比 40%の方が 60%に確認することができた。また，図−7 よりコン比べ，全てのひび割れ位置で腐食量が少ないこ

クリート中の各位置における，全塩化物イオンとが伺える。また，ひび割れ位置において，塩濃度と鉄筋腐食量の間に正の相関が認められた。

化物イオン濃度の上昇に伴い，鉄筋腐食量が増以上より，本実験ではコンクリート構造物の曲加する傾向が認められる。

げひび割れ部で懸念されたマクロセル腐食は，図−7 では，ひび割れ位置における全塩化物イオン濃度と，鉄筋腐食量の関係を示している。
大略的には，各水セメント比とも塩化物イオン濃度の増加に伴い，鉄筋腐食量も増加する傾向にあることがわかる。すなわち，全塩化物イオン濃度と鉄筋腐食量の間に正の相関関係がある確認されなかった。

表−3

解析に入力した条件
42

暴露期間（日）9740

水セメント比ひび割れ幅（mm）
3単位水量（kg/m ）3単位セメント量（kg/m ）6040600.290.28

0.17

1.020.26

0.21

0.190.75

1.69

0.37

1.04

0.35

1.30

0.21

0.87

0.81

150

175

150

175375292

375292

ひび割れ間隔（m）

0.2

供試体養生日数（日）14

かぶり厚さ（mm）

50

pH12.5

乾燥時間（分）132

湿潤時間（分）

48

供試体

暴露面

平均気温(℃)

10.1

7.1

平均湿度(%)

72.4

74.6

塩化物イオン濃度（kg/m3）18.2

食塩水濃度（%）

3

ひび割れ
間中央面

ひび割れ面

鉄筋

図−7 計算対象領域

4.

数値解析

鉄筋軸に沿った物質の分布を計算すること

4.1

解析方法の概要ができる。

本研究室が開発し，改良を続けている，コンクリート中の腐食促進物質移動とコンクリート中の鋼材腐食に関する数値解析手法

5）

により，

本実験結果がどの程度説明可能なのか，数値シミュレーションを行った。

実験を行った供試体の実際の諸数値を用いて，コンクリート中の物質移動と鉄筋の腐食量を計算した。入力した条件を表−3 に示す。解析対
象領域を図−7 に示す。
4.2 解析結果

本法では，鉄筋の腐食速度は，その位置の塩暴露 42 日目における，コンクリート中の鉄筋化物イオン濃度，酸素供給量をもとに，ミクロ軸に沿った全塩化物イオン濃度の計算結果を図

セル腐食を仮定した電気化学モデルにより算定−8 にしめす。ひび割れ位置において全塩化物している。物質移動解析法における特徴は以下

イオン濃度が高く，ひび割れ間中央部では，低である。

い傾向を示した。水セメント比が高いコンクリ(1) コンクリートの品質の違いは，細孔組織構ートの方が，全塩化物イオン濃度が高くなった。

造の緻密さの違いとして考慮される。

これは，実験結果の傾向と一致している。全塩(2) コンクリート中の水分と塩化物イオンの移化物イオン濃度に与えるひび割れ幅の影響の定動を計算する。腐食速度の算定では酸素の移動も考慮する。

性的傾向も，表現できている。
水セメント比 60%において，実験結果ではひ(3) 大気中における乾燥，境界が液状水に接しび割れ位置で，3kg/m3 弱の塩化物イオン濃度でたときの吸水が考慮可能であり，これらのあったのに対し，計算結果では，約 5kg/m3 であ組み合わせにより乾湿繰返し条件下におけった。

る水分移動を表現することができる。

暴露 97 日目における，鉄筋腐食量の計算結果(4) コンクリート中の二次元物質解析を行うこを図−9 に示す。計算結果において，ひび割れとにより，曲げひび割れの影響を考慮して，幅が小さい方が，鉄筋腐食量が小さいことが表0.6

計算値，W/C40%

計算値，W/C40%
計算値，W/C60%

0.4
0.30.032

鉄筋腐食量(mm)2

実験値，W/C60%

鉄筋腐食量(kg/m )0.5

実験値，W/C40%
実験値，W/C60%

40.04
実験値，W/C40%

計算値，W/C60%

3全塩化物イオン濃度(kg/m )60.02

0.20.010.1000

図−8100200300
400
鉄筋軸方向距離(mm)50000600

100 200 300 400 500 600
鉄筋軸方向距離(mm)

図−9 鉄筋腐食量の計算結果

全塩化物イオン濃度の計算結果現されている。また，
水セメント比が低い方が，とより，本実験ケースにおいてマクロセル

鉄筋腐食量が小さく，これらは，実験結果と同腐食の影響は現れなかったことが認められ様の結果を示している。

た。
(5) コンクリート中の二次元物質移動と，ミクロ

5.

まとめ

セル腐食を考慮した解析手法で，本研究で本研究の内容をまとめると以下のようになる。

行った実験結果がシミュレーションできた。

(1) 鉄筋コンクリート供試体の暴露試験を行い，コンクリート中の塩化物イオン濃度と鉄筋参考文献

腐食の分布に及ぼす，曲げひび割れ幅およ1)びコンクリートの品質の影響を定量化することができた。
(2) 水セメント比 40%のコンクリートは 60%のコンクリートよりも，ひび割れ位置および土木学会：2002 年制定コンクリート標準示
方書［構造性能照査編］，2002.3

2)

土木学会：2002 年版コンクリート標準示方書 改訂資料，コンクリートライブラリー
108，pp.32-39, 2002.3

ひび割れ以外の位置においても，塩化物イ3) 宮里心一，大即信明，木村勇人，水流徹：オンの侵入を抑制することが確認できた。

モルタルの欠陥部に生じる塩害あるいは中(3) コンクリート中のひび割れ位置における塩性化による鉄筋腐食の形態と速度，土木学

化物イオン濃度は，ひび割れ以外の位置よ

会論文集，No.690/V-53，83-93，2001.11

りも高くなることが実験的に確かめられた。

4) 日本コンクリート工学協会：コンクリート

ただし，ひび割れ幅が大きいひび割れ位置

構造物の腐食・防食に関する試験方法ならほど塩化物イオン濃度が高くなる傾向は，

びに基準（案），1987.4

水セメント比 60%のコンクリートでは認め

5) 小林悟志，下村匠：コンクリート中の物られたが，40%のコンクリートでは認めら

質移動と鉄筋の腐食に関する数値解析，コれなかった。

ンクリート工学年次論文集，Vol.24, No.1,(4) コンクリート中の鉄筋位置における塩化物イオン濃度とその位置の鉄筋の腐食量との間に明確な相関関係が認められた。このこ

pp.831-836, 2002.6