コンクリート中の物質移動と鉄筋の腐食に関する数値解析
コンクリート研究室 小林 悟志
指導教官 下村匠

丸山 久一
1. はじめにで起る複雑な化学反応のために，コンクリート中の鉄塩害によるコンクリート中の鉄筋の腐食に関して多筋の腐食は水溶液中の腐食と異なる可能性がある。そくの研究がなされ，貴重な研究成果が蓄積されている

こで，本研究では菱田の予測式に pH の影響を導入し

1）。土木学会コンクリート標準示方書［施工編］－耐た。次に水溶液中における鉄の腐食とコンクリート中久性照査型－2)では，鋼材腐食に関する定量的な照査がにおける鉄筋腐食のメカニズムの違いを考察し，コン導入され，一般的な技術として根付きつつある。

クリート中の鉄筋の腐食に適用可能な腐食モデルを定

示方書では，かぶりコンクリート中の塩化物イオン式化する。の移動を一次元移動モデルにより予測し，鋼材位置にまず，腐食反応物質である水の量的な側面についておける塩化物イオン濃度が，鋼材腐食発生限界値に達は，溶液中にある状態と同じと考えることにした。実するかどうかを照査する方法が提案されている。この際に腐食反応に使用される水は微量であること，相対方法は，簡便かつ物理的意味が明瞭であるので，示方湿度が 0 でない限りコンクリート細孔中には微視的に書の照査式に適していると考えられる。しかし，技術は常に水が存在することから，鉄筋の周辺には常に水的なバックグラウンドを固めるため，および将来よりが存在するとみなしてよいと考えたためである。

優れた照査法を開発するためには，精緻な予測手法をコンクリート中の細孔溶液は強アルカリ性となるが，整備しておく必要がある。換言すれば，簡便で実用的小数点以下まで問題にすると，正確な pH 値は明らかな照査法を持つ一方で，多少複雑であっても，条件をではない。ここでは，飽和水酸化カルシウム溶液の pH

詳細に考慮できる精度の高い予測手法の開発も続けな値（20℃，pH12.67～12.72）を参考に，コンクリートければならない。

細孔溶液の pH 値は 12.5 とした。

本研究は，かぶりコンクリート中の鋼材腐食促進物

また，ペースト上澄み液（pH 約 12.65）は，水酸化質（水分，塩化物イオン，酸素）の移動と鋼材の腐食カルシウム飽和溶液（pH 約 12.70）と pH が同程度で進行予測に関する数値計算モデルの開発に取り組んだ

あるにも関わらず，溶液中の鉄筋の腐食速度が約 1/5ものである。曲げひび割れの影響を考慮するために物となる実験結果が報告されている 4)。枝広らは，その質移動を二次元解析とし，鉄筋の軸方向に沿った腐食理由としてセメントペースト中に含まれる水酸化アル分布を計算可能としたこと，物質移動モデルはコンクカリによる不動態化の影響を指摘している 4)。本研究

リートの品質の影響を合理的に反映できる細孔構造にでは，水溶液中を想定して算定した鉄筋の腐食速度に立脚したモデルを用いたこと，電気化学的機構に注意係数 1/5 を乗じて，コンクリート中の鉄筋の腐食速度を払い腐食反応モデルを定式化したことが特徴である。 とした。
2. コンクリート中の鉄筋腐食
3)

菱田 は，電気化学的理論に基づき，一定の pH の水

3. コンクリート中の物質移動解析
3.1 水分の移動溶液中での鉄の腐食進行予測式を定式化している。しコンクリート中の水分移動は，コンクリートの細孔かし，コンクリート細孔溶液の性質やコンクリート中構造に立脚したモデルを用いて予測する 5)6)。水分の移動流束として，分子拡散による水蒸気の拡散移動流束

ここに，Co：酸素濃度(kg/m3)，Jov：気体酸素の拡散流

Jv，不飽和領域における熱力学的圧力低下の勾配を駆束(kg/m2/s)，JoL：溶存酸素の拡散流束(kg/m2/s)である。

動力とした液状水の移動流束 Jl に加えて，コンクリー

気体酸素と溶存酸素は，局所的には常にヘンリーの法

ト表面が直接液状水に接した湿潤時に，表面張力によ則に基づいた平衡状態にあるとする。
コンクリート中の酸素の移動は，定常状態を仮定しり流入する液状水の流束（吸水）Jpenた。コンクリート表面における酸素濃度は環境条件よを考慮している。

り与え，鉄筋位置では腐食反応に全て消費されるとし∂wl= − div( J v + J l + J pen )∂tた 1)。この条件のもとで得られる定常解より，鉄筋に(1)供給される酸素量を求め，腐食反応速度の計算に用いた。
3

ここに，wl：コンクリート単位体積中の水分量(kg/m )である。各流束は移動メカニズムの考察に基づき定式

4. 実験結果と解析結果の比較化されているが，本論文では割愛する。

4.1 一面暴露試験

曲げひび割れの影響を検討するため，水分をはじめ

まず，一面暴露の実験結果と提案手法による解析結

コンクリート中の物質移動は，二次元解析により評価

果とを比較検討する。検証には，笹渕らにより行われした。

た実験結果 8)を用いる。実験に用いたコンクリートを表－1 に示す。コンクリート練混ぜ時に，3 段階の量の3.2 塩化物イオンの移動

コンクリート中の塩分は既往の多くの研究と同様に， 塩分が混入されている。供試体は，一面暴露となるよ
液状水中にイオンの形態で存在する自由塩化物とセメうに他の面をコーティングされ，塩分が飛来しない環ント硬化体に固定される塩化物に分類する。塩分の移境に 9 年間置かれた。

動流束は，液状水中における塩化物イオンの拡散移動

暴露 9 年目における鉄筋腐食量の実験結果と解析結

流束 JdifCl と，液状水の移動にともなって輸送されるバ果を，水セメント比 50%，65%のシリーズについて，

ルク移動流束 JbulkCl を考える。

図－1，図－2 にそれぞれ示す。解析モデル中の種々の∂Ctotal= − div( J bulkCl + J difCl )∂t

材料パラメータの値は，試行錯誤により決定した。た(2)

ここに，Ctotal：コンクリート単位体積中の全塩化物量
3だし，同一配合のシリーズには同じ値を用いている。

表－1 実験に使用したコンクリート 8)(kg/m )である。コンクリート中の塩化物イオン濃度と全塩化物量との関係は，丸屋 7)が実験的に導出した平衡則を用いて表現する。

水セメント比(%)(kg/m3)(kg/m3)水3.3 酸素の移動
気体酸素と液相中に存在する溶存酸素を考慮する。そ500.8565370

2.253.75

れぞれの濃度勾配による拡散移動を考える。
(3)

セメント

0.75

酸素は，コンクリート細孔中の気相部分に存在する∂C o= − div( J ov + J oL )∂t

単位量

混入塩化物量2.55
4.241852851.00

実験 8) 解析かぶり 20mm:△0.80

腐食量(kg/m 2 )

腐食量(kg/m 2 )1.00

かぶり 40mm:◆
0.60
0.400.20

実験 8) 解析かぶり 20mm:△

0.80

かぶり 40mm:◆
0.60
0.40
0.20

0.00

0.00
0.0

1.0

2.0
3.0
4.0
混入塩分量(kg/m3)

5.0

0.0

1.0

2.0
3.04.0
混入塩分量(kg/m3)

5.0

図－1 腐食量と混入塩分量の関係(W/C=50%)

図－2 腐食量と混入塩分量の関係(W/C=65%)

一面暴露試験であるので，物質移動は一次元解析に本シリーズの解析では，かぶり面と鉄筋軸方向の端面からの物質の流出入を考慮する二次元解析を行った。

より評価した。環境条件は一定とした。
実験結果では，初期混入塩分量が増えるにしたがって腐食量が大きくなっている。この実験では，腐食量境界における塩化物イオンの移動流束の評価において，飛来塩分の影響を考慮した。に及ぼす初期混入塩分量の影響が大きく，かぶり厚さ

図－4 に時間と腐食量の関係の実験結果と解析結果の影響は小さい。解析においてもこれらの傾向を表現を示す。図に示されているのは，初期混入塩分があるできている。

供試体の結果である。初期混入塩分がない場合は，94.2 塩分飛来環境下における暴露試験

年間では，実験，解析ともに腐食が生じない結果とな

次に，著者らが行った暴露試験の結果を用いて検討った。解析結果によると，塩分が混入されている供試する。供試体を図－3 に，実験に使用したコンクリー

体では暴露初期から腐食が開始し，時間の経過にした

トを表－2 に示す。最長暴露期間は 9 年間で，設置環がってほぼ線形に腐食量が増加した。実験値には，ば境は塩分が飛来する海岸から数十メートルの距離の屋らつきが見られるものの，平均値の傾向は解析結果と外である。供試体は全面を大気に曝している。供試体一致しているといえる。

は多数暴露し，実験期間中の適当な時点で，順次腐食

なお，本シリーズでは，比較のために物質移動をかぶり面からの一次元解析で評価した例も検討した。そ量を測定した。の結果，塩分を混入している供試体の場合でも，二次かぶり面

300

元解析の結果とほとんど変わらなかった。つまり，外300かぶり（25,50)

部から飛来する塩分が腐食に及ぼす影響を検討するに
表－2 実験に使用したコンクリート

220

水セメント 混入塩化物量 単位水量 単位セメント
鉄筋D10300
図－3 暴露実験供試体

単位(mm)

比(%)(kg/m3)63630.06.51(kg/m3)

量(kg/m3)

210333

は，本シリーズは不十分であり，より長い暴露期間か，2.0腐食量(kg/m 2 )より厳しい環境条件の実験が必要である。
5. 数値シミュレーションによる検討
5.1 コンクリートの品質の影響
水セメント比が低く組織が緻密なコンクリートは，物質移動抵抗性が高いため，内部鉄筋の腐食が起りに

実験 解析
かぶり 25mm:◇

1.6

かぶり 50mm:◆
1.20.80.4

くい。一方，コンクリートにひび割れが発生すると，0.0

ひび割れ内に腐食促進物質が侵入し，ひび割れ部分の0鉄筋が容易に腐食するとともに，ひび割れ面からコン246810時間[年]クリート中へ物質が侵入する。このように，コンクリ

図－4 経年変化と腐食量の関係

ートの品質とひび割れは，ともに内部鉄筋の腐食の支配要因であるので，それらの影響を把握しておくこと
0.25

鉄筋の腐食に及ぼす影響を数値実験により検討するのに有効である。
まず，コンクリートの品質が鉄筋軸方向の腐食の分布に及ぼす影響について検討した。
解析対象供試体は，腐食量(kg/m 2 )が重要である。本研究で開発した解析手法は，両者がかぶり厚さ 50mm，ひび割れ幅 0.2mm，ひび割れ間隔

0.200.150.10

W/C=70%
W/C=50%
W/C=30%0.05200mmとした。
環境条件は，温度20℃，相対湿度75%，0.00

外部から塩分が飛来する環境とした。

0水セメント比 30%，50%，70%を想定したケースを246810

ひび割れ面からの距離(cm)解析した。水セメント比に応じて，細孔構造と物質移

図－5 W/C の違いによる腐食分布の違い

9)動に関する各種材料パラメータの値を設定した 。
20 年暴露した時点における腐食状況を図－5 に示す。

0.7

横軸に鉄筋軸方向に沿ったひび割れからの距離をとっ2である。
水セメント比が高く細孔構造の粗いケースは，鉄筋に沿った腐食量の分布の傾斜が緩やかで，腐食量の平均値が高いのに対し，水セメント比が低く組織の緻密なケースは腐食量の分布の勾配が急になっている。
組織が緻密なコンクリートほど，ひび割れが鉄筋の腐食に及ぼす影響が大きい。この結果は，高品質なコンクリートほどひび割れ制御が工学的に意味を持つことを示唆している。
5.2 ひび割れ幅の影響
続いて，ひび割れ幅が鉄筋軸方向の腐食の分布に及ぼす影響について検討した。解析対象供試体はかぶり

cw=0cw=0.02
cw=0.2
cw=20.6
腐食量(kg/m )ている。左端がひび割れ面，右端がひび割れ間の中心

0.50.40.30.20.100123456

ひび割れ面からの距離(cm)

図－6 ひび割れ幅の違いによる腐食分布の違い

厚さ 30mm，ひび割れ間隔 100mm とし，温度，相対湿

供試体は合計 3 体作成した。また，ひび割れの導入度は前節と同じである。環境条件は，ひび割れ幅の影を容易にするため，あらかじめ切り欠きを設け，曲げ響が顕著に現れるよう，乾湿繰り返し環境とした。乾荷重を与えてひび割れを発生させた。発生したひび割燥日数 29.75 日，湿潤日数 0.25 日の繰返しとし，湿潤れにステンレス板を挟み込み，ひび割れが閉じるのを時には海水が接するとした。コンクリートの水セメン防止した。ひび割れの測定にはπゲージを用いた。測ト比を 50％とし，ひび割れ幅を 0，0.02，0.2，2.0mm

定したひび割れ幅を表－4 に示す。ひび割れ導入後，と設定して計算を行った。

供試体は，コンクリートかぶり面以外の 5 面を樹脂で5 年暴露した時点における腐食状況を図－6 に示す。

被覆し，かぶり面とひび割れ面からのみ物質の流出入

図－5 と同様に，横軸に鉄筋軸方向に沿ったひび割れが起るようにした。供試体はかぶり面を上向きに設置からの距離をとっている。設定したひび割れ幅（0，0.02， し，毎日 3%NaCl 溶液を散水した。
0.2，2.0mm）では，ひび割れ幅の影響は顕著に現れた。

6.2 実験結果

ひび割れ近傍では，ひび割れ幅の大きい方が腐食量が約１ヶ月間供試体を暴露した後，コンクリートを解体し，取り出した鉄筋の腐食状況を観察した。水セメ大きくなる。

ント比 30%での腐食状況を図－8 に，水セメント比 70%
6. 検証実験での腐食状況を図－9 に示す。水セメント比が低い，

6.1 実験概要

組織が緻密なコンクリート中の鉄筋にはほとんど発錆

曲げひび割れが発生した鉄筋コンクリートの鉄筋腐はみられなかった。しかし，水セメント比が高いコン食性状を観察する実験を行い，ひび割れ幅，コンクリクリート中の鉄筋には，ひび割れ付近で著しい発錆がートの品質が鉄筋腐食に及ぼす影響について検討した。 観察された。これは，数値シミュレーションで得られ水セメント比の異なる２種類の供試体にひび割れを導た結果と，傾向が一致する。ひび割れ幅が異なるケー入し，塩水を散布することにより，内部の鉄筋を腐食スについては，明確な傾向を確認することはできなかさせた。実験に用いた供試体を図－7 に，コンクリーった。これは，試験期間中に，導入したひび割れが，トの配合を表－3 に示す。

挟み込んだステンレス板の変形等により閉じてしまっ
100

単位：mm
単位：

200400

600
1400

400

被覆たためと考えられる。
表－4 導入したひび割れ幅
ひび割れ幅(mm)
ひび割れ番号 12345
供試体No.1 0.2233 0.2032 0.2106 0.2508 0.1335
供試体No.2 0.2157 1.2941 0.6353 0.1207 0.2417
供試体No.3 0.1717 0.1496 0.1883 0.065 0.0555

図－7 実験供試体
表－3 コンクリートの配合

供試体No.１
粗骨材のs/a
W/C
最大寸法（mm） （%） （%）
203045
供試体 No.2 ， No.3
粗骨材のW/Cs/a
最大寸法（mm） （%） （%）
207045

圧縮強度σ28
AE減水剤 AE助剤 (N/mm2)
1.80
1.80
67.8

単位量（kg/m3）
W180

C600

S683

G851

圧縮強度σ28G
AE減水剤 AE助剤 (N/mm2)
1011
0.77
0.77
27.1

単位量（kg/m3）
W
180

C257

S812

図－8 腐食状況（W/C30%,ひび割れ幅 0.223mm）

6 まとめ

図－9 腐食状況（W/C30%,ひび割れ幅 0.242mm）

4) 枝広英俊，依田彰彦：促進試験と屋外自然暴露によ

本研究の内容をまとめると以下のようになる。

るコンクリート中の各種鉄筋の腐食性状，コンクリ（1） コンクリート中の物質移動モデルと腐食モデ

ート工学年次論文報告集，Vol.14，No1，pp757-762，
1992.

ルを組み合わせて，コンクリート中の鉄筋腐食を数値計算により予測する手法を構築した。 5)

T.Shimomura and K.Maruyama: Service Life

（2） 暴露実験の結果と比較した結果，提案手法は初Prediction of Concrete Structures Subjected to Chloride

期混入塩分がある供試体の腐食量を予測する

Attack by Numerical Simulation, Life Prediction and Aging

ことができることを確認した。しかし用いたManagement of Concrete Structures - Edited by D.Naus,

実験データでは，飛来塩分による腐食の予測

RILEM Proceedings PRO 16, pp.25-34, Oct. 2000.

精度を検証することはできなかった。

6) 桜井哲哉，桑名淳一，五角亘，下村匠：曲げひび割（3） 提案手法を用いて，鉄筋の軸方向に沿った腐食れを有するかぶりコンクリート中の乾湿繰り返し水分布に及ぼすコンクリートの品質と曲げひび分移動現象の解析，
土木学会第 56 回年次学術講演会

割れ幅の影響を解析した結果，妥当と判断で

概要集，V-284，2001.10.

きる解析結果を得ることができた。

7) 丸屋 剛：コンクリート中の塩化物イオンの移動に（4） ひび割れ幅とコンクリートの品質が鉄筋の腐関する解析手法の構築，東京大学学位論文，1995.9.

食性状に及ぼす影響を，実験により検証した

8) 笹渕優樹，舛田佳寛，中村成春：塩化物を含んだコ結果，コンクリートの品質に関して，定性的ンクリート中の鉄筋腐食速度に関する暴露試験，コな傾向が解析結果と一致することを確認した。

ンクリート工学年次論文報告集，Vol.20，No.1，

また，ひび割れ幅に関しては，これを継続的pp.317-322，1998.に保持，測定できる手法が必要である。

9) 下村 匠，福留和人，前川宏一：微視的機構モデル
によるコンクリートの乾燥収縮挙動の解析，土木学

参考文献
1) 日本コンクリート工学協会：コンクリート構造物の補修工法研究委員会報告書(Ⅲ)，1996.10.
2) 土木学会：平成 11 年版コンクリート標準示方書[施工編]－耐久性照査型－，2001.1.
3) 菱田 亮：コンクリート中の鉄筋の腐食に関するモデル化，長岡技術科学大学修士論文，2000.2

会論文集，No.514/V-47，pp.41-53，1995.5.