解析および試験方法

（ 1） 解 析 方 法

1） Cl^-濃 度 の 経 時 変 化

電 気 防 食 を 適 用 し て い る コ ン ク リ ー ト 中 の Cl^-濃 度 の 一 次 元 （x 軸 方 向 ） の 濃 度 変 化 は ， (4.2.1)式 の よ う に 考 え る こ と が で き る ^6）．

CC l-：Cl^-濃 度 ，x： コ ン ク リ ー ト 表 面 か ら の 距 離 ，t： 時 間 ，z： 荷 電 数 ， D_{C l}-： 見 か け の Cl^-拡 散 係 数 ，F： フ ァ ラ デ ー 定 数 ，E： 環 境 電 位 勾 配 ， R： 気 体 定 数 ，T： 絶 対 温 度

電 気 防 食 適 用 前 の コ ン ク リ ー ト 中 の Cl^-濃 度 分 布 は ， フ ィ ッ ク の 第 2法 則 を CC l-(x，0)＝ 0，CC l-(0，t)＝C^{C l}-,0（ 一 定 ） の 条 件 下 で 得 ら れ る(4.1.2)式 に よ っ て 求 め る こ と が で き る ． 本 解 析 で は ，(4.2.2)式 を も と に 下 記 の 解 析 条 件 を 設 定 し ， 求 め ら れ る 分 布 を 初 期 条 件 と し た ．

x C RT D zFE x

D C t C

Cl

Cl



 



 













 Cl

2 Cl 2 Cl

  _ ^





 





 











D t

erf x C

t x C

Cl

i

,

_{Cl ,0}

1 2

Cl

(4.2.1)

(4.2.2)

98

【 解 析 条 件 】

CC l-(0,t)=10kg/m³（ コ ン ク リ ー ト 表 面 濃 度 ），CC l-（∞,t） ＝0kg/m³， DCl -＝3.0×10^-8cm²/s，t：20年 後

(4.2.1)式 を 差 分 方 程 式((4.2.3)式)に 変 換 し ， 下 記 の 解 析 条 件 下 で 各 位 置 に お け る Cl^-濃 度 の 経 時 変 化 を 求 め た ．

【 解 析 条 件 】

鉄 筋 位 置 ：x＝5cm，CC l-(0，t)=10kg/m³，CC l-(∞,t)=0kg/m³，DC l-=1.0×10^{- 8}cm²/s， E=-30mV/cm（x≦5cm），E=0mV/cm（x＞5cm），T＝298K

2） pH 経 時 変 化

電 気 防 食 を 適 用 す る こ と に よ る コ ン ク リ ー ト 内 部 の OH^-濃 度 の 時 間 変 化 は ， 一 次 元 で の 物 質 移 動 を 考 慮 し ，(4.2.4)式 お よ び(4.2.5)式 で 与 え る こ と と す る ．

≪ 鉄 筋 位 置 ≫

≪ 鉄 筋 位 置 以 外 ≫

CO H-： 濃 度 ，x： コ ン ク リ ー ト 表 面 か ら の 距 離 ，DO H-： 見 か け の OH^-拡 散 係 数 ， t： 時 間 ，z： 荷 電 数 ，F： フ ァ ラ デ ー 定 数 ，E： 環 境 電 位 勾 配 ，R： 気 体 定 数 ， T： 絶 対 温 度 ，i： カ ソ ー ド 電 流 密 度 ，d：pH 定 義 層 の 厚 み

       

 







 











 ^{    }

 2

Cl 1 1 Cl

Cl Cl i

, ,

2 , ,

x

t x C t x C t x t C

D t t x

C

_Cl ^{i i i}



¹

^, 

^Cl

  ^,

_Cl

  ^{, ,}

Cl

C x t

x

t x C t x C RT zFE

i i

i









 





 



^

zFd i x

C RT D zFE x

D C t

C 



 



 













 OH

2 OH OH 2 OH OH

x C RT D zFE x

D C t

C

OH

OH



 



 













 OH

2 OH 2 OH

(4.2.3)

(4.2.4)

(4.2.5)

99

【 解 析 条 件 】

鉄 筋 位 置 ：x＝5cm，DO H-＝1.0×10^{- 7}cm²/s，

x=5cmの 時 ：CO H-（5,0） ＝1.0×10^-7M，x≠5cm の 時 ：CO H-（∞,t） ＝1.0×10^{- 2}M，

i＝-10mA/m²，d＝0.05cm，E＝-30mV/cm（x≦5cm），E=0mV/cm（x＞5cm），

T＝298K

上 記 の 解 析 条 件 は 以 下 の 点 を 考 慮 し て 決 定 し た ．腐 食 し て い る 鉄 筋 を 想 定 し て CO H-(x,0) は 鉄 筋 表 面 を 1.0×10^{- 7}M（pH7） と し ， そ れ 以 外 の 部 分 を 1.0×10^{- 2}M（pH12） と し た ． ま た ，DO H-は Cl^-と OH^-と の 移 動 度 ^{7 )}の 比 を 考 慮 し ，DC l-の 3倍 の 値 を 用 い た ．(4.2.4)式 ，(4.2.5) 式 を 下 記 （(4.2.6)式 ，(4.2.7)式 ） の 差 分 方 程 式 に 変 換 し ， 上 記 解 析 条 件 下 で 各 位 置 に お け る OH^-濃 度 を 算 出 し ，pH=14+logCO H-の 関 係 よ り pH に 換 算 し て 経 時 変 化 を 求 め た ．

≪ 鉄 筋 位 置 ≫

≪ 鉄 筋 位 置 以 外 ≫

（ 2）r_{c r i t}値 の 評 価 試 験

発 錆 さ せ た 試 験 片 を 数 種 類 の 異 な るCl^-濃 度 の 試 験 溶 液 中 に 浸 漬 し ，Ca(OH)2お よ びNaOH の 添 加 に よ っ て pH を 上 昇 さ せ た 時 の 腐 食 速 度 の 変 化 を AC イ ン ピ ー ダ ン ス の 周 波 数 特 性 と ， 自 然 電 位 の 経 時 変 化 に よ り 評 価 し た ． 試 験 片 の 形 状 は 図-4.2.1 に 示 す と お り で あ り ， 材 質 は SS400（JIS G 3101） で あ る ．SS400の 化 学 成 分 を 表-4.2.1 に 示 す ． 室 温 ， 大 気 開 放 下 の 海 水 を 用 い て 1～2 週 間 ，任 意 の イ ン タ ー バ ル で 乾 湿 を 繰 り 返 す こ と に よ り ，試 験 片 の 供 試 面 全 体 に 錆 を 発 生 さ せ た ． 試 験 溶 液 の pH 上 昇 は ， は じ め に Ca(OH)₂の 添 加 に よ っ て

   ,  2   ,  , 

,

_OH ^{OH i1 OH} ₂ ^{i OH i1}

OH i







 







 











 ^{    }



x

t x C t x C t x D C

t t t x C

    ^C   ^{x t}

zFd i x

t x C t x C RT

zFE , , ,

OH i OH i

1 OH i







 



 

 





 



^

       

 







 











 ^{    }

 2

1 OH i OH i

1 OH i i OH

OH

, ,

2 , ,

x

t x C t x C t x t C

D t t x C

    C   x t x

t x C t x C RT

zFE , , ,

OH i OH i

1 OH i









 





 



^

(4.2.6)

(4.2.7)

100

Ca(OH)2の 飽 和 水 溶 液 状 態 と し ， そ れ 以 上 の pH 上 昇 は NaOHの 添 加 に よ り 調 整 し た ． AC イ ン ピ ー ダ ン ス に よ る 評 価 は ，図-4.2.2 に 示 す 等 価 回 路 に よ っ て 行 っ た ．計 測 に よ っ て 得 ら れ た デ ー タ を ナ イ キ ス ト 図 に プ ロ ッ ト し ，CPE（Constant phase element）を 取 り 入 れ た 等 価 回 路 に よ っ て カ ー ブ フ ィ ッ テ ィ ン グ を 行 い ， 腐 食 抵 抗 （R_{cor r}） を 推 定 し た ． 測 定 装 置 は 図-4.2.3 に 示 す よ う に ，ポ テ ン シ ョ/ガ ル バ ノ ス タ ッ ト ，周 波 数 特 性 分 析 器（FRA），パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ ー か ら な る 計 測 系 と ， 試 験 片 （ 試 料 極 ）， 対 極 ， 照 合 電 極 （sat.KCl Ag/AgCl電 極 ，SSE）か ら な る 電 解 系 に よ っ て 構 成 さ れ て い る ．測 定 条 件 は ，振 幅：±20mV，

測 定 周 波 数 ：10mHz～10kHzで あ る ．

表 -4.2.1 r_{c r i t}値 の 評 価 試 験 に 用 い た 試 験 片 の 化 学 成 分 (mass%)

図 -4.2.1 r_{c r i t}値 の 評 価 試 験 に 用 い た 試 験 片 の 形 状

図 -4.2.2 AC イ ン ピ ー ダ ン ス 解 析 に 用 い た 等 価 回 路

101

図 -4.2.3 AC イ ン ピ ー ダ ン ス 測 定 装 置

（ 3） 新 設 計 法 の 検 証 試 験

新 設 計 法 の 妥 当 性 を 確 認 す る た め ， コ ン ク リ ー ト 試 験 体 に よ る 電 気 防 食 試 験 を 実 施 し た ． コ ン ク リ ー ト の 配 合 を 表-4.2.2 に 示 す ． コ ン ク リ ー ト 試 験 体 の セ メ ン ト に は 普 通 ポ ル ト ラ ン ド セ メ ン ト を 使 用 し ，細 骨 材 に は 川 砂 ，粗 骨 材 に は 川 砂 利 を 用 い た ．水 セ メ ン ト 比 は 0.50， 目 標 ス ラ ン プ は 10±2.5cm， 目 標 空 気 量 は 4±1%と し た ． ま た ， 鉄 筋 の 腐 食 を 促 進 す る た め ，10kg/m³の NaCl を 練 り 混 ぜ 水 に 添 加 し た ． コ ン ク リ ー ト 試 験 体 の 形 状 は 図-4.2.4 に 示 す よ う に 幅 ×高 さ ×長 さ ＝100mm×100mm×200mmで あ り ，上 面 か ら 30mmの 位 置 に φ13mm の 鉄 筋 を 設 置 し ， 上 面 を 除 く 周 囲 5 面 を エ ポ キ シ 樹 脂 で 被 覆 し た ． コ ン ク リ ー ト 打 設 後 ， 30 日 間 の 湿 潤 養 生 を 行 い ，（ 独 ） 港 湾 空 港 技 術 研 究 所 の 暴 露 試 験 場 （1 日 に つ き 3 時 間 ×2 回 海 水 を 噴 霧 ） に 1 年 間 暴 露 し た ． 暴 露 終 了 後 ， 試 験 体 の 上 面 か ら 10mmの 位 置 に 通 電 す る た め の リ ボ ン メ ッ シ ュ 電 極 を 設 置 し ， 試 験 体 底 面 の 樹 脂 を 剥 が し た 後 ，30mm の 高 さ に 水 道 水 を 張 っ た 試 験 水 槽 に 試 験 体 を 設 置 し た ．

コ ン ク リ ー ト 試 験 体 は 2 体 作 製 し ， ガ ル バ ノ ス タ ッ ト を 用 い て そ れ ぞ れ 10mA/m² と 30mA/m²の 定 電 流 カ ソ ー ド 通 電 を 行 っ た ． 通 電 前 に は コ ン ク リ ー ト 抵 抗 と 鉄 筋 の 自 然 電 位 を 測 定 し ， 通 電 中 に は 復 極 量 測 定 （24h） を 定 期 的 に 実 施 し た ．

102

表 -4.2.2 コ ン ク リ ー ト の 配 合

図 -4.2.4 検 証 試 験 に 用 い た コ ン ク リ ー ト 試 験 体 の 形 状

103

ドキュメント内 港湾施設に適用した電気防食システムの維持管理に 関する研究 (ページ 102-108)