鋼構造物塗装設計施工指針について 鋼構造物塗装設計施工指針について
(財)鉄道総合技術
(財)鉄道総合技術 研究所 研究所 材料技術研究部
材料技術研究部 田中 田中 誠 誠
東京都主催セミナー(07年2月22日)
鉄道における低VOC塗料施工
鋼構造物寿命に影響する二大変状 疲労き裂 腐食
背景
• 適切な防食が必要
架設環境,構造物構造に適した塗装系の選定
適切な塗替え塗装時期の判定(塗膜劣化度検査)
塗膜劣化状態に応じた適切な施工
• 防食塗装技術開発の歴史
1990年代年までは防食性能向上,施工性向上,コスト低減 その後は,加えて環境負荷低減も検討対象
塗装系標準化の歴史(
塗装系標準化の歴史( 国鉄, 国鉄, JR JR ) )
19431943年:土木工事標準示方書 年:土木工事標準示方書 改正; 改正;
19811981年 年
19631963年:鋼鉄道橋製作仕様書( 年:鋼鉄道橋製作仕様書(
JRS 05000JRS 05000) ) 改正; 改正;
19671967年、 年、
19711971年、 年、
19811981年廃止 年 廃止
19641964年:鉄桁の塗装方法( 年:鉄桁の塗装方法(
JRS 05000JRS 05000) )
改正; 改正;
19671967年、 年、
19701970年、 年、
19811981年廃止 年廃止
19651965年:鉄 年:鉄 けた けた 塗装工事設計施工指針(案) 塗装工事設計施工指針(案)
改正; 改正;
19811981年、 年 、
19871987年(改称) 年(改称)
19871987年: 年: 鋼構造物塗装設計施工指針 鋼構造物塗装設計施工指針
**改正; 改正;
19931993年 年 , ,
20052005年 年
*:鉄道総研ホームページ(出版物・技術基準図書等)
一般防食塗装の
一般防食塗装の 主な歴史 主な歴史 ( ( 鋼鉄道橋) 鋼鉄道橋 )
•1874年〜明治末期?
洋式ペイント(輸入塗料,鉛丹?+固練ペイント?)
•明治末期?〜1950年頃
現場調合鉛丹さび止めペイント+現場調合赤錆ペイント
•1950年頃〜1985年
既調合鉛丹さび止めペイント+調合ペイント
1970年にエアレススプレー採用,鉛丹廃止1985年
•1963年頃〜2004年
鉛系さび止めペイント+長油性フタル酸樹脂塗料
•2005年〜
長期防錆 長期防錆 塗装の主な歴史 塗装の主な歴史 ( ( 鋼鉄道橋 鋼鉄道橋 ) )
•1963年〜1970年
腐食性環境用に塩化ビニル塗料(1970年に廃止)
•1965年〜1976年
本州四国連絡鉄道橋を想定した長期防錆型塗装系の研究
•1976年〜現在
ジンクリッチ系下塗+(変性)エポキシ樹脂+ポリウレタン樹脂
•1996年〜2004年
環境負荷低減型塗装系の研究
•2005年〜
鉛・クロムフリー化,水系塗料採用の高耐久型塗装系など
腐食環境における長期防食塗装の研究 腐食環境における長期防食塗装の研究
海岸、海上長期暴露試験 海岸、海上長期暴露試験
暴露期間 暴露場所
第1次 1959 年 4 月〜1964 年 2 月 鳴門市、淡路島 第2次 1964 年 4 月〜1970 年 4 月 鳴門市
第3次 1965 年 4 月〜1971 年 1971 年〜1982 年
高松港内いかだ
児島市海上に移動
第4次 1967 年 9 月〜1982 年 児島市 第5次 1975 年 3 月〜1985 年 3 月 児島市
吾妻川橋梁
吾妻川橋梁 塗装試験 塗装試験 ( ( 1976 1976 年全工場塗装) 年全工場塗装)
塗 装 系 概 要
13A 無機ジンクプライマ/厚膜変性エポキシ3回 14A‑1 厚無機ジンク/ミストコート/厚膜エポキシ2回/
ポリウレタン中・上
14A‑2 厚膜エポジンク/厚膜エポキシ2回/ポリウレタン中・上 14A‑3(1) 亜鉛溶射/エッチングプライマ/フェノールジンクロ/
フェノール MIO2回/塩ゴム中上
14A‑3(2) 厚無機ジンク/エッチングプライマ/フェノールジンクロ/
フェノール MIO2回/塩ゴム中上
14A‑4 厚膜無機ジンク/ミストコート/厚膜ビニル下2回/
厚膜ビニル中/ビニル樹脂上
14A‑5 厚膜無機ジンク/ミストコート/厚膜塩ゴム2回/
塩ゴム中上 吾
妻 川
14A‑6 金属前処理塗料/鉛丹2回/フタル酸中・上塗り
長期防錆型塗装系の試験施工(
長期防錆型塗装系の試験施工( 1976 1976 年) 年)
吾妻川橋梁
吾妻川橋梁 ( ( 五能線 五能線 深浦駅・広戸駅間 深浦駅・広戸駅間 ) )
↓吾妻川橋梁
日本海
2006 2006 年 年 8 8 月現在の外観例 月現在の外観例
海側
山側
鋼構造物の塗装による防食 鋼構造物の塗装による防食
•
防食塗装のガイド
「鋼構造物塗装設計施工指針」
1993年改訂
2004
年度まで
一般塗装系(耐久性
10〜
15年程度)
鉛系さび止めペイント+フタル酸樹脂塗料
長期防錆型塗装系(耐久性
30年以上期待)
ジンクリッチ系+エポキシ樹脂系+ポリウレタン樹脂系
「鋼構造物塗装設計施工指針」
「鋼構造物塗装設計施工指針」
1993 1993 年改訂後の社会情勢変化 年改訂後の社会情勢変化
環境問題がクローズアップ(法的規制が進む) 環境問題がクローズアップ(法的規制が進む)
19991999年年 PRTRPRTR法,2002法,2002年年 グリーン購入法,2005グリーン購入法,2005年年 大気汚染防止法大気汚染防止法
環境負荷低減へのニーズ増大 環境負荷低減へのニーズ増大
鉛鉛化合物,クロム化合物,クロム化合物・タール等発がん性物質の排除化合物・タール等発がん性物質の排除
有害化学物質量,有害化学物質量, 揮発性有機化合物(揮発性有機化合物(VOC)量の削減VOC)量の削減
ニーズの多様化( ニーズの多様化( LCC LCC 低減など) 低減など)
構造物の使用目的に応じた耐久性(短期,構造物の使用目的に応じた耐久性(短期,中期,中期,長期)長期)
性能規定化へのニーズ性能規定化へのニーズ
健康,環境問題 健康,環境問題
有害化学物質 有害化学物質
指定化学物質 指定化学物質
「特定化学物質の環境への排出量の把 「特定化学物質の環境への排出量の把 握等及び管理の改善の促進に関する法 握等及び管理の改善の促進に関する法 律」 律」 PRTR PRTR 法 法
400 400 種以上の化学物質 種以上の化学物質
健康,環境問題 健康,環境問題
指定化学物質の重み付け 指定化学物質の重み付け
最 最 優先物質 優先物質 (使用すべきでない) (使用すべきでない)
発ガン性物質 発ガン性物質
IARC(国際がん研究機関)
IARC(国際がん研究機関)
Group1
Group1(人に対して発がん性がある)(人に対して発がん性がある)
オゾン層破壊物質(成層圏)
オゾン層破壊物質(成層圏)
鉛化合物 鉛化合物
その他の物質(
その他の物質( 種によらず総量で現状以 種によらず総量で現状以
下 下 ) )
健康,環境問題 健康,環境問題
揮発性有機化合物( 揮発性有機化合物( VOC) VOC )
光化学オキシダント
光化学オキシダント ( ( オゾン発生 オゾン発生 ) ) ,大気酸性化 ,大気酸性化 浮遊粒子状物質
浮遊粒子状物質
「大気汚染防止法」改正で規制対象となる
「大気汚染防止法」改正で規制対象となる
(平成 (平成
1616年 年
55月 月
2626日公布) 日公布)
評価:一般には総量で評価
評価:一般には総量で評価
環境負荷低減のための「指針」
環境負荷低減のための「指針」 改訂 改訂
• 2005
年
5月改訂の目標
鉛化合物・クロム化合物・タールフリー化 有害化学物質量削減,低
VOC化
耐久性別の区分(短期,中期,長期)
•
改正時の基本方針 耐久性の確保
ライフサイクルコストで従来塗装系とほぼ同等
環境負荷低減対策の検討
環境負荷低減対策の検討
((1996年〜)1996年〜)•
塗装系の鉛・クロム・タールフリー化 添加剤:性能を落とさず代替可能
着色顔料:黄色,オレンジ,緑等
⇒コスト増 ⇒色選択に注意
防錆顔料:防食性能が維持できない場合は,
ライフサイクルで
VOC増,コスト増
試験片外観( 6 サイクル終了後)
シアナミド鉛さび止めペイント2回
フタル酸樹脂塗料2回(現行B塗装系)
シアナミド亜鉛さび止めペイント2回 フタル酸樹脂塗料2回
リン酸亜鉛さび止めペイント2回 亜リン酸亜鉛さび止めペイント2回
環境負荷低減対策の検討
環境負荷低減対策の検討
((1996年〜)1996年〜)•
有害化学物質削減, VOC 削減対策の可否
無溶剤化:有害物質増となり採用不可 ハイソリッド化(低溶剤化):
エポキシ系塗料は有害物質増で採用不可 ポリウレタン樹脂系塗料のみ有望
弱溶剤化:防食性能確保で有望(
MIR評価で)
ただし
VOC総量評価では削減効果疑問
水系化:エマルジョン系は性能低下で採用不可
凝集力 乾燥
エマルジョン型 界面活性剤
高分子粒子
化学的結合 乾燥
硬化剤添加 ディスパージョン型
高分子粒子に 親水基が結合 高分子粒子に
界面活性剤が吸着
水系化
オゾン発生
オゾン発生 機構例 機構例
RH+OH・→R・+H2O
R・+O2 →RO2 RH:有機化合物(VOC)
RO2+NO→NO2+RO OH・:ヒドロキシラジカル
NO2+hν→O+NO R・ :有機ラジカル
O+O2 →O3 hν:光量子
VOC 評価法
総量評価
化学種を問わず,含有量で評価
MIR(Maximum Incremental Reactivity) 米国W.P.L.Carter提唱
VOC種別のオゾン発生量の実験結果から評価
POCP(Photochemical Ozone Creation Potentials) 英国R.G.Derwentoら提唱
光化学反応機構の反応定数などからオゾン発生量を計算
溶剤名 MIR 値 有害性 m-キシレン 10.61
O-キシレン 7.49 p-キシレン 4.25
トルエン 3.97
メチルセロソルブ 2.98
PRTR 法 指定 物質 ミネラルスピリット* 0.78〜1.27 指定外
*:混合物の組成で異なる
有機溶剤の MIR 値の例
総量評価とMIR評価
低溶剤化による 溶剤量削減
総 量 評 価:
300g/L→
150g
/Lとなり
50%削減と評価
不揮発性 成分
VOC対策塗料1L(リットル)
不揮発性 成分 溶剤300g
塗料1L(リットル)
ミネラルスピリット 溶剤150g 混合キシレン
MIR値評価:
234g/L→
1,065g
/Lとなり
350%増と評価
塗装系 特徴 B
7一般環境用,汎用
鉛系さび止めペイント+長油性フタル酸 期待耐久性 15 年程度(鉛・クロム使用)
G
7一般環境用,長期耐久型
厚膜型変性エポ(+ポリウレタン)
期待耐久性 30 年程度(キシレン・トルエン使用)
J
7腐食環境用,長期耐久型
エポジンク+厚膜型エポキシ+ポリウレタン
期待耐久性 35 年以上(キシレン・トルエン使用)
現状分析(対象塗装系)
現状分析(対象塗装系)
JR採用 JR採用 の塗装系割合 の塗装系割合
平成12年度
塗装系B 7
エポキシ樹脂系 E7,G 7 ,T7
塗装系J
7削減率評価のための塗装系の耐久性予測 削減率評価のための塗装系の耐久性予測
JR JR における塗替え における塗替え 塗装実績 塗装実績
0 25 50 75 100 125
塗装面積比(%)の累積値 塗替え対象面積:約1,600万㎡
5 10 15 20
塗替え時の旧塗装系はB7であり,
この結果は,塗装系B7の平均寿命と言える。
塗装系 有害化学物質量 g/(㎡・y)
VOC 量(MIR) g/(㎡・y)
塗装コスト 円/(㎡・y) B7 2.2 13 390 G7 6.9 50 220 J7 4.5 32 190 耐久性をB7:15年,G7:30年,J7:35年として計算した。
塗装系別 塗装系別 の の 現状分析と削減目標 現状分析と削減目標
削減目標は,現状で最も低い塗装系の値とした。
試作 塗料構成 有害物 VOC 1 弱溶剤型エポ+弱溶剤型ウレタン 1.9 12.5 2 弱溶剤型エポ+
水系エポ+水系上塗 1.7 3.4 3 溶剤型エポ+
水系エポ+水系上塗 2.0 8.5 4 溶剤型エポジンク+溶剤型エポ+
水系エポ+水系上塗 2.0 7.0 目 標 2.2 以下 13 以下
環境負荷低減型塗装仕様 環境負荷低減型塗装仕様
試作仕様の設計値(耐久性
試作仕様の設計値(耐久性 30 30 年 年 で試算 で試算 ) )
単位:g/(㎡・y),VOCはMIR値
耐久性が塗装系G7と同等以上なら
0 10 20 30
0 1 2 3 4 5 6 7
塗膜変状 ふくれ,さび
試験サイクル数
⇒劣化大 塗膜変状面積(%) ○:従来 B7△:従来
G7
●:弱溶剤系
■:弱溶剤+水系
▲:溶剤+水系
□:ジンク+水系
試作品の促進劣化試験結果 試作品の促進劣化試験結果
弱溶剤系は耐久性が低く,VOC削減目標は達成できるが,
塗装直後の降雨影響試験 塗装直後の降雨影響試験
30
分後
り 塗 料
60
分後
120分後
上 塗 り 塗 料
A
A:2002年11月中旬 都市環境,河川上 B:2004年9月中旬
都市環境,河川上 C:2004年11月下旬
試験施工橋梁の外観 試験施工橋梁の外観
C B
開発した環境負荷低減型塗装系 開発した環境負荷低減型塗装系
水系上塗り塗料(ポリウレタン樹脂系,変性アクリル 水系上塗り塗料(ポリウレタン樹脂系,変性アクリル 樹脂系:樹脂系:120g/m120g/m22))
4層(全面)4層(全面)
水系エポキシ樹脂塗料(
水系エポキシ樹脂塗料(220g/m220g/m22)) 3層(全面)3層(全面)
厚膜型変性エポキシ樹脂系塗料(溶剤系
厚膜型変性エポキシ樹脂系塗料(溶剤系200g/m200g/m22)) 22層(補修)層(補修)
厚膜型エポキシ樹脂ジ 厚膜型エポキシ樹脂ジ
ンクリッチペイント ンクリッチペイント
(溶剤系(溶剤系500g/m500g/m22)) 厚膜型変性エポキシ樹脂
厚膜型変性エポキシ樹脂 系塗料系塗料
(溶剤系(溶剤系200g/m200g/m22)) 11層(補修)層(補修)
塗装系塗装系ECO2ECO2 塗装系塗装系ECO1ECO1
工程工程
塗装系 塗装系 ECO ECO の環境負荷低減程度 の環境負荷低減程度
8.58.5 1.41.4
2.02.0 ECO1ECO1
VOCVOC
量 量 有害化学 有害化学
物質量 物質量
7.07.0 1.21.2
2.02.0 ECO2ECO2
5050 8.38.3
6.96.9
従来 従来
G7G71313 6.06.0
2.22.2
従来 従来
B7B7MIR値MIR
値 総量 総量
塗装系 塗装系
有害化学物質:B7の約10%,G7の約70%削減 VOC量:総量でB7の約75%,G7の約85%削減
MIR値でB7の約40%,G7の約80%削減
単位は g/㎡/年,すなわち,耐久性を塗装系B7で15年,その他の塗装系を 30年と仮定したライフサイクルでの評価(単位年,単位塗装面積当り)
2005 2005 年「塗装指針」改訂での 年「塗装指針」改訂での 主な変更点 主な変更点
鉛化合物・クロム化合物・タールフリー化 鉛化合物・クロム化合物・タールフリー化
既存塗装系集約(同一用途 既存塗装系集約(同一用途
,,同等性能塗装系) 同等性能塗装系)
短期・中期耐久塗装系新設 短期・中期耐久塗装系新設
環境負荷低減型塗替え塗装系新設 環境負荷低減型塗替え塗装系新設
性能規定の考え方導入 性能規定の考え方導入
劣化亜鉛面,劣化耐候性面用塗装系新設 劣化亜鉛面,劣化耐候性面用塗装系新設
廃止 廃止 塗装系その 塗装系その 1 1
鉛・クロム化合物必須の塗装系 鉛・クロム化合物必須の塗装系
塗装系 塗装系
BB→ → 塗装系 塗装系
BSUBSU(短期耐久) (短期耐久)
→塗装系 → 塗装系
BMUBMU(中期耐久) (中期耐久)
塗装系 塗装系
DD→塗装系 → 塗装系
LL(新設時) (新設時)
塗装系 塗装系
KK→ → 塗装系 塗装系
LL又は塗装系 又は塗装系
JJ廃止 廃止 塗装系その 塗装系その 2 2
タール成分必須の塗装系 タール成分必須の塗装系
塗装系 塗装系
EE, ,
MM→ → 塗装系 塗装系
L(L(新設) 新設)
→ → 塗装系 塗装系
G,G,
T,T,
L6,L6,
ECO1(塗替)ECO1(塗替)
塗装系 塗装系
EEEE, ,
MNMN→ → 塗装系 塗装系
LNLN(新設時) (新設時)
(箱桁内面用)(箱桁内面用)
塗装系 塗装系
FF, ,
FFFF→ → 塗装系 塗装系
WWWW(新設) (新設)
→塗装系 → 塗装系
W(W(塗替) 塗替)
新規塗装系その1 新規塗装系その1
塗装系 塗装系
BSUBSU(短期耐久性:新設時) (短期耐久性:新設時)
鉛・クロムフリーさび止めペイント鉛・クロムフリーさび止めペイント 55年程度の短期使用工事桁年程度の短期使用工事桁
塗装系 塗装系
BMUBMU(中期耐久性) (中期耐久性)
塗装系塗装系BMU1BMU1→→(新設時,塗替時)(新設時,塗替時)
塗装系塗装系BMU2BMU2→→(塗替時)(塗替時)
1010年程度の中期使用工事桁,定期塗替え桁年程度の中期使用工事桁,定期塗替え桁
新規塗装系
新規塗装系 その2 その2
塗装系 塗装系 ECO(塗替時) ECO (塗替時)
環境負荷低減を目的に, 環境負荷低減を目的に,
水系の中塗り,上塗り塗料 水系の中塗り,上塗り塗料
塗装系2種(下塗りの違い) 塗装系2種(下塗りの違い)
ECO1(一般環境用)ECO1
(一般環境用)
ECO2(腐食環境用)ECO2
(腐食環境用)
塗装系 塗装系 ECO ECO
実施工における課題 実施工における課題
はけ塗り性 はけ塗り性 ローラ塗り性 ローラ塗り性 作業性 作業性
温度( 温度(
55〜 〜
30℃30℃ ),湿度(〜 ),湿度(〜
85%)85%)
塗装後の結露
塗装後の結露 ・ ・ 降雨 降雨 施工環境 施工環境
入手原料の違い 入手原料の違い
添加剤種 添加剤種 ・ ・ 量の違い 量の違い 製造会社の技術
製造会社の技術
(複数会社供給)
(複数会社供給)
課題 課題
項目 項目
塗装条件 塗装条件 に に 適合 適合 する月別 する月別 日 日 数 数
昼間作業 昼間作業 (気温 (気温
1010℃以上,相対湿度 ℃ 以上,相対湿度
8585%以下) %以下)
0 5 10 15 20 25 30
日数
●:東京気象台
■:秩父気象観測所
▲:札幌気象台
2002年雨天をのぞく
塗装条件 塗装条件 に に 適合 適合 する月別 する月別 日 日 数 数
夜間作業 夜間作業 (気温 (気温
1010℃以上,相対湿度 ℃ 以上,相対湿度
8585%以下) %以下)
0 5 10 15 20 25 30
1月 3月 5月 7月 9月 11月
日数
●:東京気象台
■:秩父気象観測所
▲:札幌気象台
2002年雨天をのぞく