エポキシ樹脂塗装鉄筋・ステンレス鉄筋

1.　は じ め に 　コンクリート構造物の耐久性を向上させる補強鋼材と して，エポキシ樹脂塗装鉄筋とステンレス鉄筋を紹介す る。いずれも，土木学会において設計，施工に関する技 術が基準化されているものであり，これら鉄筋の極めて 高い耐食性を発揮させることにより，厳しい腐食性環境 下で供用されるコンクリート構造物の耐久性の大幅な向 上が期待でき，また，社会基盤構造物の長期的な維持管 理費を大幅に低減させライフサイクルコスト（LCC）の 最小化を実現することも可能な材料である。 2.　エポキシ樹脂塗装鉄筋 　エポキシ樹脂塗装鉄筋とは，静電粉体塗装法を用いて エポキシ樹脂塗装を施した鉄筋である。塗装方法には， 静電気を利用した静電粉体塗装法や被塗物を加熱した状 態で粉体塗料の流動層に入れ粉体塗料を融着させる流動 浸せき法などがあるが，エポキシ樹脂塗装の方法として 防食性を確保でき，形状による制約の回避と多数の鉄筋 を効率よく塗装することができる静電粉体塗装法によっ たものが写真-1 に示すエポキシ樹脂塗装鉄筋である。 　我が国でエポキシ樹脂塗装鉄筋が初めて基準化された のは，1983 年に日本コンクリート工学協会（以下，JCI と略記）から出された「海洋コンクリート構造物の防食 指針（案）」であり，第 2 種防食方法（コンクリートのみ で対処する以外の防食方法）の一つとして挙げられてい る。その後，1984 年には日本道路協会の「道路橋の塩 害対策指針（案）」に取入れられ，1986 年には土木学会 の「エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いる鉄筋コンクリートの 設計施工指針（案）」，1991 年には JCI の「海洋コンクリー ト構造物の防食指針（案）改訂版」，2003 年には土木学 会の「エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いる鉄筋コンクリート の設計施工指針─改訂版─」（以下，エポキシ樹脂鉄筋 指針と略記）として基準化されている。海外では，1981 年に ASTM，1990 年に BS，1999 年に ISO が制定された。 　このように国内外で基準化が進められた中，アメリカ のフロリダ州で建設されたエポキシ樹脂塗装鉄筋を使用 した橋脚に，施工後 10 年足らずで著しい劣化が生じた ためエポキシ樹脂塗装鉄筋の使用が禁止されたこともあ る。劣化の生じた原因は，エポキシ樹脂塗装前の処理が 不十分で塗膜の密着性が悪かったこと，施工時の塗膜の はがれや長期的な屋外放置による紫外線劣化，およびコ ンクリートの品質が悪かったことなどである。しかし， 星野らは，長期間の海洋暴露実験によりエポキシ樹脂塗 装鉄筋が耐久的な材料であることを明らかにしており1）_， 我が国におけるエポキシ樹脂塗装鉄筋の品質に問題のな いことを再認識させる結果となった。 　図-1 に 1981 年から 2009 年までのエポキシ樹脂塗装 鉄筋の使用目的別総使用実績を，図-2 に構造物の種類 特集／コンクリート構造物の耐久性─新設構造物への取組み─／3．材料における取組み

エポキシ樹脂塗装鉄筋・ステンレス鉄筋

丸　屋　　　剛

＊ ＊ まるや・つよし／大成建設㈱技術センター（正会員） （安治川鉄工㈱提供） 写真-1 エポキシ樹脂塗装鉄筋の外観 85 220 2 9422 423 2 184 560（化学的侵食，凍結防止対策，その他） 塩害対策 地覆・打継ぎ筋の腐食対策 組立鉄筋 耐久性 化学的侵食 凍結防止対策 その他 合計 93 329 t （安治川鉄工㈱提供） 図-1 エポキシ樹脂塗装鉄筋の総使用実績【使用目的別】 50 619 23 906 5 715 2 2092 111 1 100 7 669 _橋梁上部 橋梁下部 桟橋 トンネル 護岸 コンクリート槽 その他 合計 93 329 t （安治川鉄工㈱提供） 図-2 エポキシ樹脂塗装鉄筋の総使用実績【構造物種別】

ごとの総使用実績を示す。また，図-3 にエポキシ樹脂塗 装鉄筋を使用した工事件数の推移を，図-4 にエポキシ 樹脂塗装鉄筋の発注量の推移を示す。2004 年以降工事 1 件当りの発注量が大きく減少したことで，図のような傾 向となっている。写真-2，写真-3 および写真-4 には塩 害対策として使用された桟橋と橋梁の施工例をそれぞれ 示した。 　エポキシ樹脂塗装鉄筋の品質はエポキシ樹脂鉄筋指 針2）_{では，表-1 に示す土木学会規準 JSCE E 102「エポ} キシ樹脂塗装鉄筋の品質規格」に適合しているものとさ れており，塗膜の外観，塗膜厚，ピンホール，耐衝撃性， 曲げ加工性，コンクリートとの付着強度，耐食性，塗膜 硬化性の各項目が規定されている。 　エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いる最大の長所である耐食 性を活用する設計に当たって，構造物の耐久性を塩化物 イオンの侵入に伴う鋼材腐食に関する照査により確認す る必要がある。コンクリート中への塩化物イオンの侵入 により鉄筋の腐食が開始する時期は，鋼材位置における 塩化物イオン濃度が鋼材の腐食発生限界塩化物イオン濃 度を超えた時点であるので，エポキシ樹脂塗装鉄筋を使 用した場合には，塗膜の塩化物イオンに対する遮へい効 果を定量化して同様の考えでその時点を計算することに している2）_{。具体的には，エポキシ樹脂塗装鉄筋の素地} 鋼材表面における塩化物イオン濃度を式（ 1 ）で計算し， 鋼材の腐食発生限界塩化物イオン濃度と安全係数を考慮 して照査する。式（ 1 ）は塗膜を塩化物イオンの移動に 関してはコンクリートのかぶりに換算する形となっている。 = × - æ + è ççç çç ö ø ÷÷÷ ÷÷ æ è ççç çç ö ø ÷÷÷ ÷÷ γ 0 1 0 1 2 . ÷÷ æ è ççç çç ö ø ÷÷÷ ÷÷÷ （ 1 ） C0：コンクリート表面における想定塩化物イオン濃度 （kg/m3_） c ：かぶりの期待値（mm） cep ：エポキシ樹脂塗膜の厚さの期待値（mm），一般に， JSCE E 102「エポキシ樹脂塗装鉄筋の品質規格」 において規定する塗膜厚の中心値（220μm） 0 20 40 60 80 100 120 2000 2002 2004 2006 2008 2010 年度 土木 建築 合計 （安治川鉄工㈱提供） 工事件数 図-3 エポキシ樹脂塗装鉄筋を使用した工事件数の推移 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 2000 2002 2004 2006 2008 2010 年度 土木 建築 合計 （安治川鉄工㈱提供） 発注量（t） 図-4 エポキシ樹脂塗装鉄筋の発注量の推移 写真-2 エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いた床版の施工例2） 写真-3 エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いた高欄の施工例2） 写真-4 エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いた橋梁セグメントの施工例2） 表-1 エポキシ樹脂塗装鉄筋の品質2） 名称 品質 外観 ・塗膜が均一でたれ，突起，異物付着の著しいものが_ないこと ピンホール ・D 19 以下　5 個/m 以下_{・D 22 以上　8 個/m 以下} 塗膜厚 ・ 220±40 μm で，かつその範囲を超える頻度が 10％_以下 耐衝撃性 ・撃芯が直接当たった部分の周囲で塗膜の破砕，割_{れ，はく離および浮きがないこと} 曲げ加工性 ・5 本曲げ加工した後，クラック発生率が 20％以下 付着強度 ・塗装鉄筋の最大付着応力度が無塗装鉄筋の 85％以上 耐食性 ・平均発錆面積率が 0.5％以下であること 硬化度 ・塗膜に傷が付かないこと

Depd ：エポキシ樹脂塗膜内での塩化物イオンに対する拡散 係数の設計用値（cm2_{/年），一般に，2.0×10}－6_cm2_/年 t ： 塩化物イオンの侵入に対する耐用年数（年），一 般に，式（ 1 ）で評価する鋼材位置における塩化 物イオン濃度に対しては，耐用年数 100 年を上限 γcl ： 鋼材位置における塩化物イオン濃度の設計値 Cd のばらつきを考慮した安全係数，一般に 1.3 とし てよい。ただし，高流動コンクリートを用いる場 合には，1.1 Dd ： 塩化物イオンに対するコンクリートの設計拡散係数 （cm2_/年） 　ここで，エポキシ樹脂塗膜内における塩化物イオンの 見掛けの拡散係数の設計用値 2.0×10－6_cm2_{/年は，エポ} キシ樹脂は紫外線により劣化すること，品質規格で 1 m あたり 5 個までのピンホールを許容していること，有害 な損傷が確実にすべて補修されることを完全には保証で きないことなどから決められた値であり，全く欠陥のな いエポキシ樹脂内であればさらに小さな値と考えられ る。なお，図-5 に無塗装鉄筋とエポキシ樹脂塗装鉄筋を 用いた場合の素地鋼材表面における塩化物イオン濃度の 試算例（飛沫帯である C0＝13.0 kg/m3において，高炉 セメント B 種を用い，水セメント比を 45％とした場合） をかぶりごとに示す。エポキシ樹脂塗膜がいかに塩分浸 透抵抗性を有しているかがよくわかる。 　エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いた設計上の最大の注意点 は，無塗装の異形鉄筋と比較してコンクリートとの付着 特性が異なることである。すなわち，エポキシ樹脂塗装 鉄筋の付着強度の特性値 fbokを，式（ 2 ）に示すように圧 縮強度の特性値 f'ck（設計基準強度）に基づいて無塗装異 形鉄筋に対して求められた値の 85％とすることである。 　　　fbok=0.23f'ck2/3（fbok≦3.5 N/mm2） （ 2 ） 　付着強度が小さくなることは，曲げひび割れ幅の算定 でも考慮する必要がある。静的曲げ載荷試験における無 塗装鉄筋を用いた場合との比較によれば，最大ひび割れ 幅の増加は 10％程度であることから，式（ 3 ）に示すよ うに鋼材の表面形状がひび割れ幅に及ぼす影響を表す係 数 k1を 1.1 として曲げひび割れ幅 w を算定する。 =1 1. 1 2 3

{

4 +0.7

(

-ϕ σ

)

}

_[

/ +ε′

_]

（ 3 ） k1 ： 鋼材の表面形状がひび割れ幅に及ぼす影響を表す 係数で 1.1（無塗装鉄筋では 1.1，普通丸鋼およ び PC 鋼材では 1.3） k2 ： コンクリートの品質がひび割れに及ぼす影響を表 す係数 k3 ：引張鋼材の段数の影響を表す係数 　このように，エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いた場合，無 塗装鉄筋よりひび割れ幅は 10％増加するので，鉄筋応 力度が同一の場合を想定すると，無塗装鉄筋を用いたも のはひび割れ幅の限界値を満足し，エポキシ樹脂塗装鉄 筋を用いたものがひび割れ幅の限界値を超える場合があ る。しかし，エポキシ樹脂塗装鉄筋の耐食性を考慮して， ひび割れ幅の限界値も無塗装鉄筋を用いた値より 10％ 割り増してよいので限界値を満足することとなる。 3.　ステンレス鉄筋 　ステンレス鉄筋とは，2008 年 3 月制定の JIS G 4322 「鉄筋コンクリート用ステンレス異形棒鋼」に規定され た異形棒鋼で，普通鉄筋と同様の形状を有するようにス テンレス鋼（クロムを 10.5％以上かつ鉄を 50％以上含 有している鉄鋼材料）から熱間圧延によって製造された ものである。表-2 に示すように，鋼材の化学成分から 表-2 ステンレス鉄筋の種類と強度3） 種類の記号 定　義 強度区分 降伏強度_MPa 引張強度_MPa 相当鋼種 SUS 304-SD JIS G 4322 に規定された規格を満足する_{オーステナイト系のステンレス鉄筋} 295 A 295 440 SUS 304（オーステナイト系） SUS 304 N 2（オーステナイト系） 295 B 295 440 345 345 490 390 390 560 SUS 316-SD JIS G 4322 に規定された規格を満足する_{オーステナイト系のステンレス鉄筋} 295 A 295 440 SUS 316（オーステナイト系） SUS 316 N（オーステナイト系） 295 B 295 440 345 345 490 390 390 560 SUS 410-SD JIS G 4322 に規定された規格を満足するフェライト系またはマルテンサイト系の ステンレス鉄筋 295 A 295 440 SUS 410 L（フェライト系） SUS 410（マルテンサイト系） 295 B 295 440 345 345 490 390 390 560 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 20 40 60 80 100 120 年数 鉄 筋 位 置 に お け る 塩 化 物 イ オ ン 濃 度 （ kg /m 3） 50 mm 60 mm 70 mm 80 mm エポキシ鉄筋 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 20 40 60 80 100 120 年数 鉄 筋 位 置 に お け る 塩 化 物 イ オ ン 濃 度 （ kg /m 3） 160 mm 170 mm 180 mm 190 mm 無塗装鉄筋 図-5 素地鋼材表面における塩化物イオン濃度の試算例3）

SUS 304-SD，SUS 316-SD，SUS 410-SD の 3 種類が規 定されており，SUS 304-SD の鋼種には，SUS 304 およ び窒素を添加した SUS 304 N 2 が，SUS 316-SD の鋼種 には SUS 316 および窒素を添加した SUS 316 N がある。 SUS 410-SD の鋼種には，SUS 410 および炭素含有量の 少ない SUS 410 L がある。また，2008 年 8 月に土木学 会で「ステンレス鉄筋を用いるコンクリート構造物の設 計施工指針（案）」が制定されており，今後実用に向け て実績を増やしていく段階にある。写真-5 はステンレ ス鉄筋の外観を示したものである。製造工程において， 酸化スケールおよび Cr 欠乏層の除去などのため酸洗処 理を行うが，この処理により写真に示すような銀色を示 す。海外においては，コンクリート構造物におけるステ ンレス鉄筋も LCC の優位性が認識され規格の整備が進 み，海岸・海洋構造物等において多くの施工例がある。 写真-6～写真-8 には国内の施工事例を示した。 　ステンレス鉄筋を用いる最大の長所である耐食性を活 用する設計に当たって，構造物の耐久性を塩化物イオン の侵入に伴う鋼材腐食に関する照査により確認する必要 がある。具体的には，ステンレス鉄筋の鋼材表面におけ る塩化物イオン濃度を式（ 4 ）で計算し，鋼材の腐食発 生限界塩化物イオン濃度と安全係数を考慮して照査す る。ここで，腐食発生限界塩化物イオン濃度 Climの推奨 値についてはステンレス鉄筋の種類ごとに表-3 に示す ように定められている。注意すべき点は，ステンレス鉄 筋の腐食限界塩化物イオン濃度は pH の影響を受けるこ とであり，中性化の影響がステンレス鉄筋に及ぶ場合に はこの値をそのまま用いることは危険である。表-3 に 示されている値は鋼材周辺が中性化していないときの値 である。 = × - × × æ è çççç öø÷÷÷÷÷ æ è çççç ö_ø÷÷÷_÷÷ γ 0 1 0 1 2 . （ 4 ） 　また，ステンレス鉄筋は普通鉄筋に比べて耐食性がき わめて高く，ひび割れから塩分等の腐食促進物質が侵入 しても簡単には腐食しないため，鋼材腐食を抑制する観 点からは，普通鉄筋のようにコンクリートのひび割れ幅 を小さく抑える必要はない。しかしながら，ひび割れ幅 が過大となることにより海水がコンクリート内部の鉄筋 に直接触れるような場合では，ステンレス鉄筋に腐食が 生じる可能性が大きくなる。以上から，鋼材腐食に対す るひび割れ幅の限界値は表-4 のように定められている。 なお，一般に異種金属が接触することにより腐食が進行 するものとされているが，普通鉄筋の腐食発生限界塩化 物イオン濃度といわれる 1.2 kg/m3_{の塩化物イオンを混} 入したコンクリート中で，ステンレス鉄筋と普通鉄筋を 接触させ，オートクレーブ等によって促進試験を行った 試験結果3）_{によると，普通鉄筋とステンレス鉄筋が接触} したことによる普通鉄筋に対するステンレス鉄筋の腐食 促進の影響は見られなかった。したがって，ステンレス （新日鐵住金ステンレス㈱提供） 写真-5 ステンレス鉄筋の外観 （新日鐵住金ステンレス㈱提供） 写真-6 ステンレス鉄筋を用いた海洋構造物の施工例 （新日鐵住金ステンレス㈱提供） 写真-7 ステンレス鉄筋を用いた海岸構造物の施工例 （新日鐵住金ステンレス㈱提供） 写真-8 ステンレス鉄筋を用いたコンクリート槽の施工例 表-3  ステンレス鉄筋の腐食発生限界塩化物イオン濃度 の 推奨値3） ステンレス鉄筋 の種類 腐食発生限界塩化物イオン濃度の推奨値kg/m3 SUS 304-SD 15 SUS 316-SD 24 SUS 410-SD 9 表-4  ステンレス鉄筋を用いた部材の鋼材腐食に対するひび割れ 幅の限界値3） ステンレス鉄筋 の種類 ひび割れ幅の限界値（c はかぶり mm） SUS 304-SD 0.5 mm SUS 316-SD 0.5 mm SUS 410-SD 0.005 c あるいは 0.5 mm のいずれか小さい値

鉄筋と普通鉄筋が接触する場合においては，その位置に おける普通鉄筋の耐久性照査を示方書［設計編］に基づ いて行い，これを満足していれば，両者を接触させても耐 久性上大きな問題にならないと考えてよいとされている。 　ステンレス鉄筋の応力-ひずみ曲線は鋼種や強度特性 などによって異なり，一般には明確な降伏点を示さずに 塑性化する材料の特性を有している。ステンレス鉄筋が 塑性化を示す応力度は，通常の場合，降伏強度の 80％ 程度以上である。ステンレス鉄筋の引張試験から得られ た結果によると，SUS 410-SD 295 は，弾性範囲を超え るとひずみ硬化を生じて応力を増加させる挙動が顕著で あることから，図-6 に示すように（a）の増分型バイリ ニアモデルの応力-ひずみ曲線とされている。SUS 410-SD 295 以外は，普通鉄筋に近い降伏棚を有するような 挙動に近似できることから，（b）のバイリニアモデルの 応力-ひずみ曲線を一般に用いてよい。 4.　ま と め 　本稿ではエポキシ樹脂塗装鉄筋とステンレス鉄筋を用 いたコンクリート構造物の相互の性能比較は行わなかっ た。それぞれが長所，短所を有しており，それらの比較 検討やライフサイクルコスト評価に基づき適材適所に適 用した耐久的な構造物を設計・構築することは，技術者 の技量に委ねられている。 参考文献 1） 星野富夫・魚本健人・小林一輔：15 年間の海洋暴露実験を行った エポキシ樹脂塗装鉄筋コンクリート梁の耐久性と防食効果，土木 学会論文集，No.592/V-39，pp.107～120，1998. 5 2） 土木学会：エポキシ樹脂塗装鉄筋を用いる鉄筋コンクリートの設 計施工指針［改訂版］，コンクリートライブラリー，No.112，2003. 11 3） 土木学会：ステンレス鉄筋を用いるコンクリート構造物の設計施 工指針（案），コンクリートライブラリー，No.130，2008. 9 0 ＝ ・ ＝ ＋ ・( − ) ＝ σ σ σ σ σ ε ε _εε σ＝ ・_εε ε 0 (b) バイリニアモデル   (SUS 410-SD 295 以外) (a) 増分型バイリニアモデル   (SUS 410-SD 295) 図-6 ステンレス鉄筋のモデル化された応力-ひずみ曲線3）