論文　複数の鉄筋を有する供試体の脱塩量予測に関する実験的研究

論文　複数の鉄筋を有する供試体の脱塩量予測に関する実験的研究

古賀　裕久^*1・渡辺　博志^*2・北野　勇一^*3・椎名　貴快^*4

要旨：脱塩工法による補修の適用範囲を確立するための基礎的な検討として，複数の鉄筋を 配置した供試体の脱塩実験を行い，部位による脱塩量の違いを予測する手法について検討し た。その結果，電流密度が大きい部位ほど脱塩量が大きいこと，複数の鉄筋に囲まれる部位 では，局所的に電流密度が小さくなり，脱塩後も残留する塩分によって腐食が生じるおそれ があることなどを確認した。また，脱塩後に残留した塩化物イオンの量は，当該箇所の電流 密度と関係があった。

キーワード：電気化学的脱塩工法，電位分布，塩化物イオン，補修

1. はじめに

　脱塩工法は，硬化コンクリート中に含まれる 塩化物イオンを電気泳動の原理で構造物表面に 設置した陽極電極に向かって移動させ，コンク リート外に抽出する補修工法である。鋼材腐食 の原因となる塩化物イオンをコンクリートをは つりとることなく除去できることから，塩害を 受ける構造物の補修として有効と考えられる。

　一方，脱塩工法には，かぶりよりも奥にある 部位や鉄筋が密に配置された部位など，効率的 な通電が難しいと予想される部位において，補 修効果が得られるかどうかを評価する手法が確 立されていないという問題もある。

　そこで，複数の鋼材が含まれる場合の電流の 分布に着目し，供試体の脱塩実験と電流密度分 布の解析から，部位による脱塩量の違いを予測 する手法について検討した。

2. 実験方法 2.1 供試体

　供試体の形状・寸法を図－ 1に示す。供試体 を円柱型としたのは，中央に鉄筋

1

本を入れた 場合，鉄筋表面から供試体表面までの距離が一

*1 （独）土木研究所　技術推進本部構造物マネジメント技術チーム　工修　

（正会員）

*2 （独）土木研究所　技術推進本部構造物マネジメント技術チーム　博士（工学）

　（正会員）

*3 （独）土木研究所　技術推進本部構造物マネジメント技術チーム　

（正会員）

*4 西松建設（株）

　技術研究所　工修　(正会員

)

定となり，供試体中の電流の流れが明快である ためである。また，鉄筋に囲まれた部位への脱 塩工法の適用性を検討するため，複数の鉄筋を 配置した供試体

C2，C4

を作製した。

　コンクリートの配合を表－ 1に示す。塩化物 イオンは，練混ぜ水に塩化ナトリウムを混入す ることにより導入した。なお，供試体の寸法が 小さいので，複数の鉄筋を配置した供試体

C4

などでは，粗骨材が必ずしも一様には分布して いないおそれもある。しかし，解体時に観察し

図－ 1　供試体の形状・寸法 100

100

供試体C2 40

28

供試体C4

（寸法：mm）

丸鋼φ16

塗装

塗装 供試体A～F

←打設方向

コンクリート工学年次論文集，Vol.29，No.1，2007

表－ 2　測定項目

測定項目 測定方法

塩化物イオン量 JIS A 1154に準じて行い，供試体・条 件によっては，付属書2により温水 抽出塩化物イオンも測定した。

元素の分布 電子線マイクロアナライザ（EPMA） を用いて，約80×80mmの四角形の 枠内に入った供試体断面に含まれる 元素の分布を分析した。

腐食状況 鉄筋を取りだし目視にて調査した。

自然電位 JSCE-E 601に従い行った。

図－ 2　実験期間

a

b c d

05/Mar 条

件 Dec

06/Feb

May Nov

室内保管（湿気中）

脱塩

屋外暴露（つくば市）

解体・調査

※ただし，aは無筋の供試体とした。

※条件cの試験は，供試体C，C2，C4のみ実施

た結果では，著しく粗骨材が多い／少ない部位 はなかったので，コンクリートの品質は一様で あるものとして考察を行った。

2.2 脱塩条件及び測定項目 　(1) 実験条件

　供試体種類ごとに，4体の供試体を同時に作 製した。このうち

2

体を直列に接続して脱塩工 法を適用し，1体は脱塩直後に解体して試験に 用いた（図－ 2，条件

b）

。1体は脱塩から約

9

箇月後に，解体して試験に用いた（図－ 2，条 件

c）

。供試体

2

体には脱塩を行わず，脱塩を行 った供試体との比較に用いた（図－ 2，条件

a， d）

。 　(2) 通電条件

　脱塩時の通電条件を，表－ 1に示す。通電中

表－ 1　供試体の種類・配合・通電条件等

供試体 種類

鉄筋 本数

塩化物イオ ン混入量

W/C

（％）

単位量（kg/m³） 空気量

（％）

材齢28日 圧縮強度

（N/mm²）

通電条件

C S G 電流密度(A/m²) 通電期間

A

1

0.4％

60 275 828 1036 4.5

28.5

1 8週間

B 0.8％ 29.3

C 1.2％ 24.9

D 2.4％ 23.2

E

1.2％ 24.9

0.5 F

1

4週間

C2 2

8週間

C4 4

※塩化物イオン混入量は，単位セメント量に対する重量比で示した。

※セメントは，普通ポルトランドセメントを使用した。細骨材は，川砂（表乾密度2.60g/cm³，吸水率1.25％）。粗 骨材は，砕石（硬質砂岩，最大粗骨材寸法13mm，表乾密度2.66g/cm³，吸水率0.609％）を用いた。

※電流密度は，コンクリート表面積あたりの値とした。

は電流量が一定となるように制御した。陽極材 として供試体の側面にチタンメッシュを配置し，

電解質溶液は，ホウ酸リチウム水溶液（Li3BO3： 濃度

0.2mol/l）を用いた。

　(3) 測定項目

　表－ 2に示す項目について試験した。

　塩化物イオン量を測定する試料は図－ 3の位 置で採取した。EPMA分析は，供試体を底面か ら

30mm

の位置で切断した断面で行った。

3. 電流密度分布の解析 3.1 解析方法

　解析では，供試体中のコンクリートの品質は 均一で，かつ，通電中に変化しないと仮定した。

このとき，通電中のコンクリート内の電位分布

は式

(1)

を満たす。

　　　ただし，V：任意の点における電位

　そこで，供試体の断面を

2mm

間隔の正方形 格子で近似し，式

(1)

を満たすような各格子点 の電位を差分法で求めた¹⁾。このとき，コンク リートの比抵抗を，配合の種類にかかわらず

132

Ω・mと仮定し，供試体表面と電解質溶液 の境界を通過する電流密度が，通電条件（表－

1）と合致するようにした。このように求めた電 位分布から，電流密度分布を算出した。

3.2 解析結果

　解析結果を表－ 3，図－ 4に示す。複数の鉄 筋を配置した場合は，かぶりが小さい方向に電 流が流れる傾向が見られる。また，鉄筋に囲ま れた部位では電位差が生じにくく，電流密度が 小さい。このような傾向は既往の研究報告と合 致している²⁾。

4. 脱塩実験結果と考察

4.1 脱塩による塩化物イオンの移動 　(1) 全塩化物イオン量の測定結果

　電位差滴定法による全塩化物イオン量の測定 結果を図－ 5に示す。

　まず，供試体

C

の全塩化物イオン量測定結果

（図－ 5）に着目すると，鉄筋に近い部位ほど，

全塩化物イオン量が少なく，脱塩量が大きい傾 向が見られた。脱塩直後（条件

b）と，屋外暴

露後（条件

c）を比較するとほぼ同様な値が得

られており，約

9

箇月間の暴露では，塩化物イ オンの再拡散の影響は大きくなかった。

　次に，鉄筋を

2

本配置した供試体

C2（条件 c）

の全塩化物イオン量測定結果（図－ 5）に着目 すると，鉄筋のかぶりが小さい部位（測定位置 サやシ）で，比較的脱塩量が大きく，それ以外 の部位では脱塩量が小さかった。また，鉄筋を

4

本配置した供試体

C4（条件 c）では，鉄筋に

鉄筋 1 本の場合 鉄筋 2 本の場合

鉄筋 4 本の場合

0　　　　　　　　3A/m² 図－ 4　供試体中の電流密度分布 供試体 A B C D E F C2 C4

解析値 12.7 6.4 12.7 6.9 5.1

実測値 の範囲

6

｜ 10

9

｜ 14.5

5

｜ 13

8

｜ 14.5

3

｜ 5.5

4.5

｜ 13

2

｜ 3

2.5

｜ 4 表－ 3　鉄筋と陽極材の電位差（V）

※実測値は，通電期間中に約１週間間隔で測定した値 の範囲を示した。

図－ 3　塩化物イオン量測定試料採取位置

※着色部が試料の採取位 置である。

※ サ ～ ス， ナ の 位 置 は，

条 件c，dの 供 試 体 の み測定した。

※EPMA分 析 を 行 っ た 供試体では，上面から 70mmまでを試料とし た。

（寸法：mm）

ア イ ウ エ

ケ ク キ カ サ

シ ス

テ ツ チ タ

ナ 40

12 12141510 1512 1216 供試体A～ F

供試体C2

供試体C4

EPMA分析面

30

(1)

2 0

2 2 2 2 2

w w w w w w

z V y

V x

V

囲まれた部位で脱塩量が小さかった。

　全塩化物イオン量の測定結果を，EPMA分析 を用いてコンクリート中の塩素の分布を分析し た結果（図－ 6）と比較すると，脱塩後の塩化 物イオン量が比較的大きい／小さい部位は，よ く合致していた。

　なお，製作時に混入した塩化物イオン量が異 なる供試体

A

～

D

を比較すると，脱塩前には 塩化物イオン量に大きな差があったが，脱塩後 は，その差が縮小していた。すなわち，通電条 件が一定でも，脱塩された塩化物イオン量には 大きな違いがあった。

図－ 6　脱塩を行った供試体中の塩素の分布（条件 c）

↑多い

↓少ない 　　　　 供試体C（鉄筋１本）　　　　供試体C2（鉄筋2本）　　　　供試体C4（鉄筋4本）

図－ 5　全塩化物イオン量測定結果

　(2) 解析結果と実験結果の比較

　EPMA分析の結果で脱塩によって塩素が特に 少なくなった部位（図－ 6）は，解析の結果で 通電中の電流密度が大きい部位と比較的よく一 致している。そこで，解析結果から塩化物イオ ン量の測定位置における電流密度の平均を算出 し，脱塩後の供試体に残る全塩化物イオン量（以 下，残留塩化物イオン量）と比較した（図－ 7）。 　 図 － 7で， 鉄 筋 の 本 数 が 異 な る 供 試 体

C，

C2，C4

に着目すると，電流密度が大きい部位

ほど，残留塩化物イオン量が小さい傾向が見ら れる。このことから，電流密度分布の解析により，

脱塩後に塩化物イオンが残留する部位を推定で 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

ア イ ウ エ 　 カ キ ク ケ サ シ ス 　 タ チ ツ テ ナ 脱塩後暴露（条件c）

未脱塩暴露（条件d）

全塩化物イオン量 （wt％ vs Cement）

供試体種類・測定位置

供試体C 供試体C2 供試体C4

ア イ ウ

エ ケ

ク キ カ サ

シ ス

テツ チ タ ナ 供試体A～ F 供試体C2 供試体C4 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

ア イ ウ エ 　 ア イ ウ エ 　 ア イ ウ エ 　 ア イ ウ エ 　 ア イ ウ エ 　 ア イ ウ エ 　 カ キ ク ケ 　 タ チ ツ テ 脱塩前（条件a）

脱塩後（条件b）

全塩化物イオン量 （wt％ vs Cement）

供試体種類・測定位置

供試体C 供試体D 供試体C2 供試体C4

供試体A 供試体B 供試体E 供試体F

測定位置

なもので，さびを除去して腐食量の測定を試み たが，腐食の有無による違いを見いだすことが できなかった。

　(2) 自然電位のモニタリング結果

　供試体の自然電位測定結果を図－ 9に示す。

脱塩を行った条件

c

の供試体では，脱塩直後（2/1 ごろ）は著しく卑な値が得られたが，その後，

約

3

箇月の後には貴な値に転じており，自然電 位の測定結果からは，腐食しているかどうか明 確でない。脱塩を行わなかった条件

d

の供試体 は，この期間おおむね－

400

～－

200mV（vs.

CSE）の値を示し，腐食している時期とそうで

ない時期があったと考えられる。

　(3) 温水抽出塩化物イオン量の測定結果 　コンクリート中に存在する塩化物イオンには，

様々な状態のものがあり，通電により移動しや すい／しにくいものがあると考えられている。

塩化物イオンの移動しやすさを評価する方法は 確立されていないが，一つの方法として温水抽 出塩化物イオン量の測定があり，通電を行うと，

まず，温水抽出塩化物イオンが移動し，固定塩 化物イオン（全塩化物イオンとして測定される もののうち，温水抽出塩化物イオンを除いたも の）は残ると考えられる。そこで，条件

c，d

の 供試体で温水抽出塩化物イオン量の測定した。

ここでは一例として供試体

C

の測定結果を示す

（図－ 10）。

　今回，脱塩直後には温水抽出塩化物イオン量 を測定していないので，通電直後の状態は明確 きる可能性があると考えられる。

　また，通電条件の異なる供試体

C，E，F

を比 較すると，供試体

F

は通電期間が供試体

C

の半 分であるが，残留塩化物イオン量は供試体

C

と ほぼ同程度であった。一方，電流密度を供試体

C

の半分とした供試体

E

では，その電流密度に 応じた残留塩化物イオン量となっており，同じ 測定位置で比較すると，供試体

C

よりも残存塩 化物イオン量が多かった。

　これらの結果から，十分な脱塩効果を得るた めには，積算電流密度だけでなく，電流密度も 適切に計画する必要があると考えられる。

4.2 残留塩化物イオンの腐食への影響 　(1) 鋼材の腐食状況

　脱塩後屋外に約

9

ヶ月間暴露した供試体

C，

C2，C4（条件 c）から鉄筋を取りだし，鉄筋の

腐食状況を観察した。図－ 8に鉄筋の腐食面積 を示す。鉄筋

1

本の供試体

C

では，腐食が確認 されなかった。これに対し，複数の鉄筋を配置 した供試体

C2， C4

では，一部に腐食が観察され，

その位置は，供試体内部側が多かった。供試体

C2，C4

では，複数の鉄筋に囲まれた部位で電

流密度が小さく，残存塩化物イオン量が比較的 多かったため，脱塩後に供試体に残留した塩化 物イオンの影響により腐食した可能性がある。

　ただし，腐食の程度は，表面さび程度の軽微 図－ 7　電流密度と残存塩化物イオン量の関係

図－ 8　鉄筋の腐食面積（条件 c）

※ 供 試 体C2，C4 では，鉄筋の側 面を，供試体表 面側（外）と供 試体内部側（内）

に分けて測定し た。供試体Cに ついては，鉄筋 の側面全体をま と め て 測 定 し た。

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

C－全体 C2－外 C2－内 C4－外 C4－内

腐食面積（％）

供試体種類・測定位置 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 A

B C D

E F C2 C4 残留塩化物イオン量 （wt％ vs Cement）

電流密度（解析値，A/m²） 脱塩後

（条件b）

ではない。しかし，条件

c，d

の測定結果に顕著 な違いがないことから，脱塩によって一時的に 温水抽出塩化物イオンの割合が低下したとして も，ある程度の期間が経過すると，温水抽出塩 化物イオンが再び増加し，脱塩を行っていない 場合と同程度になると考えられる。この原因は 明確ではないが，温水抽出塩化物イオンと固定 塩化物イオンの比が一定程度となるように，塩 化物イオンのセメント硬化体への固定化状況が 変化したことが考えられる。

5. まとめ

　鉄筋を

1

～

4

本含む円柱供試体の脱塩実験か ら，以下の知見を得た。

(1) 部位による脱塩量の大小は，解析で求めた電

流密度分布と良好な関係が認められ，電流 密度が大きい部位ほど脱塩量が大きかった。

(2)

脱塩後の供試体に残留した塩化物イオンの 量は，各部位の電流密度の大きさと関係が あり，電流密度の小さな部位では残留塩化 物イオン量が多かった。

(3)

複数の鉄筋を配置した供試体には，鉄筋近 図－ 9　自然電位の測定結果

傍でも脱塩量が小さな部位があり，非常に 軽微ではあるが脱塩後に生じたと考えられ る腐食が見られた。

　今回実験を行った供試体では，脱塩中のコン クリートの品質の変化や塩化物イオンの供試体 内での移動を考慮していない解析手法でも，脱 塩量が大きな／小さな部位を予測できたが，実 構造物のように部材の寸法が大きい場合や，配 筋が複雑な場合でも，同様に予測できるかどう かは明確ではない。そこで，今後は，配筋量や 寸法などをより実構造物に近づけた供試体を作 製して，検討する予定である。

　この実験は，土木研究所と電気化学工業（株），

（株）富士ピー・エス，東北大学，長岡技術科 学大学，徳島大学，九州工業大学の共同研究の 一環として実施しました。

参考文献

1)　椎名貴快，渡辺博志，久田真，古賀裕久：

脱塩工法におけるコンクリート中の電場特 性と塩化物イオンの挙動，コンクリート工 学年次論文集，Vol.27，No.1，pp.1519-1524，

2005.6

2

)　正木守，徳光卓，芦田公伸，丸山久一：電

気化学的脱塩工法における配筋状態と塩化 物イオンの挙動，コンクリート工学年次論 文集，Vol.28，No.1，pp.1049-1054，2006.7 図－ 10　温水抽出塩化物イオン量の測定結果

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

ア イ ウ エ 　 ア イ ウ エ

温水抽出 固定

塩化物イオン量 （wt％ vs Cement）

条件・測定位置

脱塩後暴露　　　　未脱塩暴露

（条件c）　　　　（条件d）

供試体C

-1000 -800 -600 -400 -200 0

2/1 4/1 6/1 8/1 10/1 12/1 CC2 C4

自然電位（mV，vs.CSE）

測定日（2006年）

【未脱塩暴露（条件d）】

-1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0

2/1 4/1 6/1 8/1 10/1 12/1 CC2 自然電位（mV，vs.CSE） C4

測定日（2006年）

【脱塩後暴露（条件c）】