第 4 章 港湾コンクリート構造物に適用した電気防食システムの維持管理
4.2 鉄筋表面の環境改善効果を考慮したコンクリート中鉄筋の電気防食設計
4.2.4 試験結果および考察
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（ a）E の 影 響
（ b）DC l-の 影 響
図 -4.2.6 鉄 筋 表 面 に お け る Cl-濃 度 の 経 時 的 低 減 に 及 ぼ す 各 種 パ ラ メ ー タ の 影 響
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電 気 防 食 の 適 用 に よ り ，コ ン ク リ ー ト 内 部 の Cl-濃 度 は ，時 間 の 経 過 と と も に 低 減 す る の が 確 認 で き る ．特 に か ぶ り 厚 さ 1~3cm の 位 置 に お い て ，低 減 量 が 大 き く な る ．し か し な が ら ，Cl-濃 度 が 定 常 濃 度 に な る ま で に は 相 当 の 時 間 を 要 す る こ と が 分 か る ．ま た ，Cl-濃 度 の 低 減 に 及 ぼ す 各 種 パ ラ メ ー タ の 影 響 と し て ， 鉄 筋 位 置 （ か ぶ り 5cm） に お け る 濃 度 変 化 に 着 目 し ，DC l-と ΔE の 影 響 を 調 べ た ． 結 果 を 図-4.2.6 に 示 す ．
図 中 の▲は ，図-4.2.5 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お け る Cl-濃 度 の 経 時 変 化 で あ る が ，DC l-，ΔE と も に 大 き い 値 に な る ほ ど Cl-濃 度 の 低 減 速 度 が 速 い こ と が 分 か る ．こ の こ と か ら ，既 存 の 構 造 物 に 対 す る 対 応 と し て は と り わ け ΔEの 設 定 が 重 要 で あ る と 考 え ら れ る ．
（ 2） カ ソ ー ド 電 流 に よ る コ ン ク リ ー ト 中 の pH 経 時 変 化
Δx＝0.1cm，Δt＝60sec と し て 解 析 し た OH-濃 度 分 布 の 経 時 変 化 を pH に 変 換 し ， 図-4.2.7 に 示 し た ． 定 常 値 と し て プ ロ ッ ト し た 値 は ，Glass ら の 論 文 に 基 づ き(4.2.9)式 9）よ り 算 出 し た 値 で あ る ．
CO H-：OH-濃 度（CO H-, 0:カ ソ ー ド 表 面 ，CO H-, 1:コ ン ク リ ー ト 表 面 ），i：カ ソ ー ド 電 流 密 度 ， δ： か ぶ り 厚 さ ，ρ： コ ン ク リ ー ト 抵 抗 ，z： 荷 電 数 ，DO H-：OH-拡 散 定 数 ，
F： フ ァ ラ デ ー 定 数 ，R： 気 体 定 数 ，T： 絶 対 温 度
カ ソ ー ド 電 流 の 供 給 に 伴 う 鉄 筋 表 面(か ぶ り 5cm)の pH 変 化 は ，定 常 値 に 達 す る ま で の 時 間 が 先 述 し た Cl-濃 度 の 場 合 と 比 較 す る と そ の 速 度 が 非 常 に 速 い ． 本 解 析 条 件 下 で は ，30 日 程 度 で(4.2.9)式 よ り 得 ら れ る 定 常 pH（■） の 近 く ま で 上 昇 す る と い う 結 果 に な っ た ．
OH ,1
OH 0
,
OH C
ZFD i zFi
RT
C RT
(4.2.9)106
図 -4.2.7 カ ソ ー ド 防 食 適 用 に 伴 う pH 分 布 の 経 時 変 化
(4.2.9)式 に お い て E＝i･ρ と し ， 鉄 筋 位 置 （ か ぶ り 5cm） で の pH 経 時 変 化 に 及 ぼ す i と DO H-の 影 響 を 評 価 し た 結 果 を 図-4.2.8 に 示 す ．◆は 図-4.2.7 の 数 値 解 析 に お け る pH の 経 時 変 化 で あ る ．解 析 結 果 よ り ，DO H-が 大 き く ，i が 高 い 条 件 ほ ど pH の 上 昇 が 大 き く ，鉄 筋 表 面 の pH も 高 く な る こ と が 分 か る ．
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（ a）i の 影 響
（ b）DO H-の 影 響
図 -4.2.8 鉄 筋 表 面 の pH 経 時 変 化 に 及 ぼ す 各 種 パ ラ メ ー タ の 影 響
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（ 3）rc r i t値 の 検 討 結 果
図-4.2.9 は ， 試 験 片 の ア ル カ リ 環 境 下 に お け る 自 然 電 位 の 変 化 に つ い て 検 討 し た 結 果 の 一 例 で あ る ．自 然 電 位 は Ca(OH)2の 添 加 に よ り 上 昇 し ，約 20 時 間 経 過 後 に 定 常 化 し た ．こ の 電 位 の 貴 化 は ，Ca(OH)2の 添 加 に よ る pH の 増 加 に よ っ て ，試 験 片 が 腐 食 状 態 か ら 不 動 態 の 状 態 に 変 化 し た こ と を 示 し て い る ．
図 -4.2.9 Ca(OH)2添 加 前 後 に お け る 試 験 片 の 自 然 電 位 経 時 変 化
本 試 験 で は ， 自 然 電 位 が 定 常 化 し た 時 点 で AC イ ン ピ ー ダ ン ス 測 定 に よ り 評 価 し た 腐 食
抵 抗 Rc o r r（CPE を 取 り 入 れ た カ ー ブ フ ィ ッ テ ｨン グ よ り 評 価 ）を 当 該 pH 環 境 の 腐 食 速 度 に
対 応 す る パ ラ メ ー タ と 考 え rc eと の 対 応 を 調 べ た ．Rc o r rの 評 価 結 果 の 一 例 を 図-4.2.10 に 示 す ．い ず れ の 塩 化 物 イ オ ン 濃 度 に お い て も ，時 間 の 経 過 と と も に Rc or rは 増 加 す る 傾 向 を 示 し た ． こ れ は 腐 食 速 度 が 減 少 し た こ と を 示 し て お り ， 腐 食 状 態 か ら 不 動 態 の 状 態 に 変 化 し た こ と を 裏 付 け る も の で あ る ． 試 験 片 に 対 す る rceと Rc o rrの 関 係 を 図-4.2.11 に 示 す ． デ ー タ に ば ら つ き が 生 じ て い る が ，rc e＜2 で Rc o r rは 100kΩcm2以 上 を 示 し ， 腐 食 し た 鋼 材 も ア ル カ リ 環 境 を 維 持 す る こ と で ， 腐 食 速 度 を 1/10 以 下 （ 防 食 率 で 90％ 以 上 ） に 低 減 す る こ と が 可 能 で あ る こ と を 確 認 し た ．rc r it に 関 し て は ， 既 報 文 献 10）- 11）と の 対 応 も 考 慮 し ， 本 試 験 で は rcr it=1と 評 価 す る こ と に し た ．な お ，デ ー タ の ば ら つ き に つ い て は ，[Cl-]が 1000
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図 -4.2.10 Ca(OH)2添 加 前 後 に お け る 試 験 片 の AC イ ン ピ ー ダ ン ス 特 性 経 時 変 化
図 -4.2.11 試 験 片 に 対 す る rc eと Rc o r rの 関 係
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～2000ppmの 試 料 に 対 し て 顕 著 に 認 め ら れ た ． こ れ は ， 錆 試 片 作 製 時 の 錆 の 生 成 状 態 が 試 料 に よ っ て 異 な る こ と が 原 因 と 推 測 さ れ る が ，1000ppm以 上 は 腐 食 傾 向 と 捉 え る の が 安 全 側 で の 評 価 と 考 え る ．
（ 4） 鉄 筋 表 面 の 環 境 改 善 を 考 慮 し た 設 計 法 の 検 討
図-4.2.12 に 本 設 計 法 の フ ロ ー チ ャ ー ト を 示 す ．本 設 計 に 必 要 な パ ラ メ ー タ は ，コ ン ク リ ー ト か ぶ り ， コ ン ク リ ー ト 抵 抗 率 ， コ ン ク リ ー ト 表 面 Cl-濃 度 ， 構 造 物 の 経 過 年 数 ，Cl-お よ び OH- 拡 散 定 数 の 6 項 目 で あ る ．Cl-濃 度 と OH-濃 度 の 初 期 条 件 は ，Cl-濃 度 の 場 合 ，Fick の 第 2 法 則 の 解 析 解 で あ る(4.2.2)式 よ り 求 め た ．一 方 ，OH-濃 度 は ，鉄 筋 表 面 を 1.0×10- 7 M と し ，そ れ 以 外 の 部 分 を 1.0×10- 2M， と し た ．電 気 防 食 系 は ， 2枚 の 平 板 電 極 が 対 向 す る モ デ ル と し て 扱 い ，鉄 筋 以 深 の 電 場 に つ い て は 無 視 し た ．通 電 に 伴 う Cl-お よ び OH-濃 度 分 布 の 経 時 変 化 は ，そ れ ぞ れ(4.2.1)式 ，(4.2.4)式 ，(4.2.5)式 の 微 分 方 程 式 を 差 分 方 程 式 に 変 換 し て 求 め た 12）．
図 -4.2.12 設 計 フ ロ ー チ ャ ー ト 鉄 筋 位 置
鉄 筋 位 置 以 外
x C RT D zFE x
D C t C
Cl
Cl Cl2 2 Cl Cl
D t
erf x C
t x C
Cl 0
, Cl
Cl ( , ) 1 2
(4.2.4)
(4.2.5) (4.2.2)
(4.2.1)
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
2 OH OH 2 OH OH
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rce の 経 時 変 化 の 算 出 は ，(4.2.2)式 ，(4.2.6)式 ，(4.2.7)式 よ り 求 め ら れ る 各 位 置 の Cl-お よ び OH-濃 度 の 経 時 変 化 よ り ， 鉄 筋 位 置 に お け る 各 濃 度 を ピ ッ ク ア ッ プ し ， 同 時 期 に お け る [Cl-]/[OH-]の 計 算 を 時 系 列 で 実 施 し rc e の 経 時 変 化 と し た ． そ の 際 ，Cl-濃 度 と し て 通 常 用 い ら れ る kg/m3 単 位 は モ ル 濃 度 へ の 換 算 が 必 要 で あ る が ， 本 設 計 で は ，NaCl を 添 加 し た Ca(OH)2飽 和 水 溶 液 環 境 で 孔 食 電 位 が 出 現 す る[Cl-]=2000ppmを コ ン ク リ ー ト 中 鉄 筋 の 腐 食 発 生 限 界 濃 度 で あ る 1.2kg/m3に 相 当 す る と し た 1 3）．rc e ≦ rc r itと な る 期 間 taを 評 価 し ，カ ソ ー ド 防 食 基 準 の 未 達 許 容 可 能 期 間 内 で あ れ ば 当 該 電 流 密 度 で 通 電 す る こ と と し ， 見 直 し が 必 要 で あ れ ば 通 電 電 流 密 度 を 再 入 力 し taの 再 評 価 を 試 み る と い う フ ロ ー で あ る ．
表-4.2.3 に 示 す 条 件 下 で 実 施 し た 設 計 結 果 の 一 例 を 図-4.2.13 に 示 す ．1年 以 内 で 鉄 筋 近 傍 の 環 境 を rce ≦1に 改 善 す る と い う 条 件 で あ れ ば ，2mA/m2と い う 非 常 に 小 さ い 電 流 密 度 で 通 電 す れ ば よ い こ と に な る ．
表 -4.2.3 解 析 条 件
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図 -4.2.13 各 種 通 電 条 件 に お け る rc eの 経 時 変 化
コ ン ク リ ー ト 中 に お い て 高 電 流 密 度 で の 通 電 は 困 難 で あ る が ， 物 質 の 拡 散 速 度 が 遅 い の で ， 小 さ い 電 流 密 度 で 生 成 し た 鉄 筋 表 面 の OH-は 蓄 積 し や す い と い う 特 性 を 持 っ て い る ． 本 設 計 法 に 基 づ く 小 さ い 電 流 密 度 で の 通 電 は ， 鉄 筋 と コ ン ク リ ー ト 界 面 の 付 着 に 悪 影 響 を 及 ぼ す こ と な く 鉄 筋 の 腐 食 速 度 を 低 減 し ， 鉄 筋 の 不 動 態 化 後 は 断 続 通 電 で の 防 食 も 可 能 と 考 え ら れ る こ と か ら ， 省 エ ネ ル ギ ー 効 果 の 高 い 防 食 法 と な る 可 能 性 が あ る ．
（ 5） 新 設 計 法 の 検 証 試 験
電 気 防 食 適 用 下 に お け る コ ン ク リ ー ト 中 鉄 筋 の 復 極 量 の 経 時 変 化 を 図-4.2.14 に 示 す ．い ず れ の 試 験 体 も 通 電 初 期 の 復 極 量 は ，電 気 防 食 基 準 で あ る 100mV に 到 達 し な か っ た ．こ の 原 因 は ， 通 電 前 の 鉄 筋 の 自 然 電 位 が-500mV vs.SSE 前 後 を 示 し て い た こ と か ら ， 鉄 筋 腐 食 が 著 し く 進 行 し 表 面 の pH も 低 下 （ 中 性 化 ） し て い た こ と に よ り 錆 の 還 元 に 多 く の 防 食 電 流 が 消 費 さ れ た た め と 考 え ら れ る ． し か し な が ら ， 時 間 の 経 過 と と も に い ず れ の 試 験 体 の 復 極 量 も 増 加 し て い く の が 確 認 さ れ た ．復 極 量 の 増 加 速 度 は 30mA/m2で 通 電 し て い た 試 験 体 の ほ う が 速 く ， 電 気 防 食 基 準 を 約 16 日 で 満 足 し た ． 一 方 ，10mA/m2 で 通 電 し て い た 試 験 体 は 非 常 に 緩 や か に 増 加 し ，100mV に 到 達 す る ま で に 約 90日 を 要 し た ．
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通 電 オ フ 24 時 間 後 の コ ン ク リ ー ト 中 鉄 筋 の 自 然 電 位 の 経 時 変 化 を 図-4.2.15 に 示 す ． 30mA/m2で 通 電 し た 試 験 体 は ， 時 間 の 経 過 と と も に 電 位 が 貴 化 す る 傾 向 が 見 ら れ た ． こ れ は 電 気 防 食 に よ っ て 鉄 筋 近 傍 の pH が 上 昇 し ， 鉄 筋 表 面 が 再 不 働 態 化 す る こ と に よ っ て 生 じ た 現 象 で あ り ， 電 気 防 食 に よ る 環 境 改 善 効 果 を 裏 付 け る デ ー タ で あ る ．10mA/m2で 通 電 し た 試 験 体 は ，通 電 初 期 は 目 立 っ た 電 位 の 貴 化 は 認 め ら れ な か っ た が ，50日 頃 か ら 電 位 の 貴 化 が 認 め ら れ る よ う に な っ た ． ま た ， 復 極 量 は 自 然 電 位 の 貴 化 と と も に 増 加 す る 傾 向 を 示 し て い る こ と か ら ， 所 定 の 復 極 量 が 得 ら れ な い 場 合 で も ， 経 時 的 な 自 然 電 位 の 貴 化 が 認 め ら れ れ ば ， い ず れ は 電 気 防 食 基 準 を 満 足 す る も の と 考 え ら れ る ．
表-4.2.4 の 条 件 下 で 解 析 し た 電 流 密 度 と ta(rc e<1) に 達 す る ま で に か か っ た 日 数 の 関 係 を 図-4.2.16 に 示 す ．い ず れ の 試 験 体 に お い て も ，解 析 結 果 よ り も 実 測 値 の taの ほ う が や や 大 き い 傾 向 を 示 す も の の ， 概 ね 整 合 し て い る と い え る ． 今 後 は ， 試 験 体 の 数 量 を 増 や し て 検 証 試 験 を 実 施 し ， デ ー タ の ば ら つ き 等 の 確 認 が 必 要 で あ る ．
本 設 計 手 法 は ， 鉄 筋 腐 食 が 生 じ て い る コ ン ク リ ー ト 試 験 体 に 対 し て 有 用 で あ る と 考 え ら れ る ． 実 構 造 物 に 適 用 す る 場 合 に は ， 電 流 分 布 の 不 均 一 な ど が 問 題 と な る こ と が 予 想 さ れ る ． 実 用 化 の た め に は ， 更 な る デ ー タ の 蓄 積 が 必 要 で あ る ．
図 -4.2.14 通 電 オ フ 24 時 間 後 の カ ソ ー ド 復 極 量 の 経 時 変 化 (検 証 試 験 )
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図 -4.2.15 通 電 オ フ 24 時 間 後 の 鉄 筋 自 然 電 位 の 経 時 変 化 (検 証 試 験 )
表 -4.2.4 解 析 条 件
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図 -4.2.16 試 験 デ ー タ と 解 析 結 果 の 比 較