鋼の腐食 鋼の腐食は 安定化 ( 鉄鉱石 ) 酸化物 精練 ( 還元 ) 腐食 ( 酸化 ) 鋼 常温水酸素 湿食 全面腐食と局部腐食 異種金属接触腐食孔食すき間腐食 腐食速度大

新都市社会融合創造研究会

平成

22年度～24年度

平成

22年度 24年度

橋梁細部における海塩粒子の付着量推定と

橋梁細部における海塩粒子の付着量推定と

腐食劣化予測手法の開発

腐食劣化予測手法の開発

プロジェクトリーダー

京都大学工学研究科社会基盤工学専攻

京都大学工学研究科社会基盤工学専攻

白土博通

鋼の腐食

鋼の腐食



鋼の腐食は「安定化」



鋼の腐食は「安定化」

（鉄鉱石）

精練（還元）

（鉄鉱石）

酸化物

鋼

腐食（酸化）

食（酸

）

常温

水

湿食



全面腐食と局部腐食

酸素

← 腐食速度 大

異種金属接触腐食

孔食

すき間腐食

すき間腐食

腐食因子

腐食因子

水，酸素

降

結

降雨，結露

気温

日照

日照

塩分

海塩粒子

，凍結防止剤

海塩粒子

，凍結防止剤

排気ガス

ばい煙

火山性ガ

火山性ガス

塵あい（埃）

(社)日本道路協会 鋼道路橋塗装 防食便覧 平成17年12月 (社)日本道路協会 鋼道路橋塗装・防食便覧，平成17年12月

900000

橋梁受注実績（国内，1953～2008）

(ton)

700000 800000 400000 500000 600000 200000 300000 400000 0 100000 953 956 959 962 965 968 971 974 977 980 983 986 989 992 995 998 001 004 007

(年度)

19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 20 20 20

（社）日本橋梁建設協会 鋼橋の統計データ

(年度)

http://www.jasbc.or.jp/statistics/statistics.php

研究背景（１）



建設の時代

⇒

維持管理

の時代

既設橋の

延命化

新橋の経済的設計

既設橋の

延命化

，新橋の経済的設計

腐食

塩害

対策



腐食・塩害

対策

→鋼橋：鋼材表面の

腐食

クリ

ト橋

内部浸透

よ

鉄筋腐食

コンクリート橋：内部浸透による

鉄筋腐食

→

飛来塩分量

の的確（場所・量）な予測

⇒

予防保全

⇒

予防保全

耐風安定化対策

イ

サイク

耐風安定化対策のライフサイクル

門崎高架橋

山側フラップから腐食片落下（

2005年9月）

…高架橋の山側に取り付けてある付属物から落下したもので、9月6日～7日に

襲来した台風

14号の強風（当該地点での平均40m/s、瞬間[推定]60m/s、通行止

め

_{16時間）により落下したものと推定…}

除去（

2005年11月）

（本四高速

2005年プレスリリースより引用）

http://www.jb-honshi.co.jp/press/051114press-1.html

海塩粒子の生成から付着まで

海塩粒子の生成から付着まで

大気海洋界面における物質生成

 生成

↓

↓

波浪・摩擦速度

大気海洋界面における物質生成

広域大気環境予測，物質輸送

↓

 輸送

↓

風向・風速・湿度・気温・・・

構造物周囲の流れ

剥離，再付着，渦，局所乱流

↓

↓

 付着

慣性衝突・沈着 堆積

構造物周囲の流れ

付着物理機構

↓

↓

 洗浄

洗浄機構，洗浄率

降雨強度

継続時間

 洗浄

表面塩分量蓄積モデル

降雨強度・継続時間

表

分

蓄積

飛来塩分量の評価

飛来塩分量の評価

土研法

土研法

ガーゼ法

ウェットキャンドル法

・・・

飛来塩分量全国調査

飛来塩分量全国調査

全国沿岸部

266地点

昭和

59年12月から3年間

建設省土木研究所構造橋梁部橋梁研究室，土木研究所資料 飛来塩分量全国調査(IV)－飛来塩分量の分布特性と風の関 飛来塩分量全国調査(IV) 飛来塩分量の分布特性と風の関 係－，平成5年3月

海塩粒子の捕集法

--- mdd（mg/100cm

_g

2

_/day

_y

)

)

(社)日本道路協会 鋼道路橋塗装・防食便覧， 平成17年12月

海塩粒子と腐食量（耐候性鋼材）

海塩粒子と腐食量（耐候性鋼材）

建設省土木研究所地質化学部化学研究室・構造橋梁部橋梁 研究室，土木研究所資料 飛来塩分量全国調査(I)，昭和60 年3月

塩分供給量（コンクリート表面塩分量）と飛来塩分量

建設省土木研究所構造橋梁部橋梁研究室 土木研究所資料 建設省土木研究所構造橋梁部橋梁研究室，土木研究所資料 飛来塩分量全国調査(IV)－飛来塩分量の分布特性と風の関 係－，平成5年3月

海塩粒子と腐食量（耐候性鋼材）

海塩粒子と腐食量（耐候性鋼材）

(社)日本道路協会 鋼道路橋塗装・防食便覧， 平成17年12月

箱体が気流をかく乱

飛来塩分量の絶対値は計測不可能？？

風向の影響

箱体内部の気流

捕集率

円筒型飛来塩分捕集器

円筒型飛来塩分捕集器

外径：100mm 内径：96mm 長さ：1000mm

長

Wind

Wind

遮蔽板：

逆流入を防ぐ

・リング10層（厚さ：20mm）

・リングにガーゼを装着

管内風速測定実験

管内風速測定実験

接近風速と管内風速の相関を計測

→ 管内流入量

→

飛来塩分濃度の定量的評価

風速計

Wind

管内風速測定実験

管内風速測定実験

*角度を0°～55°

風速計

Wind

5°ピッチで変更

Wind

管内風速測定実験

管内風速測定実験

強い乱流状態

0.3

0.35

2m/s

2.5m/s

管

内

風洞風速

0 2

0.25

2.5m/s

3m/s

3.5m/s

4m/s

4 5m/s

内

風速

0 1

0.15

0.2

4.5m/s

5m/s

6m/s

7m/s

8m/s

/ 風洞

風

流入風向角が50°以下なら

0.05

0.1

8m/s

9m/s

10m/s

11m/s

12m/s

風

速

流入風向角が50°以下なら

どの方向からも流入比は約

0.20

0

0

10

20

30

40

50

60

12m/s

相対角度(°)

相対角度(

)

管内風速測定実験

管内風速測定実験

模型

1

模型

2

模型

3

形状を変更

管内風速測定実験

模型

模型

1:全長600mm

2:全長1000mm

管内風速測定実験

模型

2:全長1000mm

模型

3:全長1000mm＋遮蔽板

3

管

模型1と2は変化なし

2

2.5

管

内風

速

遮蔽板付で

_{約43％減少}

模型1と2は変化なし

1

1.5

速

(m/s

約43％減少

0.5

1

)

0

0

5

10

15

風洞風速(m/s)

風洞風速(m/s)

現地観測

余部橋梁

(2009.10-2009.12)

大鳴門橋

(2009.10-)

北塔，南塔の

基礎部，管理用通路

に

計４か所

設置

余部橋梁

(2009.10-2009.12)

在来橋梁

架設中新橋

天鳥橋

気象観測装置

現地観測

_{気象観測装置}

天鳥橋

(2010 12-2011 6)

N

(2010.12 2011.6)

(2011.10-(予定))

N

N

天鳥橋

円筒型飛来塩分捕集器

N

円筒型飛来塩分捕集器

---大鳴門橋(遮蔽板あり)---10

基部北側

2009年12月

60

基部南側

2009年12月

塩分量

(m

6

8

10

側

30

40

50

60

側

塩分

量

m

g)

0

2

4

0

10

20

30

量

(mg)

南

ガーゼ番号

北

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

北

ガーゼ番号

南

南側捕集器の塩分量が多い

風向により流入量に大きな違い

現地観測

(mdd)

1.00E+02

mdd

mdd

1.00E+01 大鳴門橋主塔基部(北) 大鳴門橋主塔基部(南) 1.00E+00 大鳴門橋管理用通路(北) 大鳴門橋管理用通路(南) 天鳥橋 天鳥橋 餘部橋梁 1.00E-01

現地観測

－土研法と円筒型捕集器の比較－

橋脚北 土研法 円筒型捕集器 計測月 円筒型捕集器

*大鳴門橋

*余部橋梁

橋脚北 研法 円筒型捕集器 2009年9月 4.45 10月 15.46 7.87 11月 24.17 8.51 12月 6.82 3.14 2010年1～2月 1.71 計測月 円筒型捕集器 2009年9月 10月 11月 37.34 12月 9.18 1～2月 14.95 橋脚南 土研法 円筒型捕集器 9月 3.52 10月 65.34 11月 30.37

単位:

_mdd

*土研法・円筒型捕集器を比較し

12月 22.16 34.23 1～2月 4.74 移動用通路北 土研法 円筒型捕集器 9月 1.63

土研法

円筒型捕集器を比較し

て、オーダー的に大きな差はない

10月 2.50 11月 2.00 12月 1.32 1～2月 4.10 移動用通路南 土研法 円筒型捕集器 移動用通路南 土研法 円筒型捕集器 9月 1.27 10月 5.25 11月 2.71 12月 0.71 1 2月 1 32 1～2月 1.32

大気中塩分濃度

_{c [mg/m}

3

_{] の試算}

c = M / V

M

:捕集塩分量[mg]，V :円筒内部への流入量[m

3

_]

wind











dvd

v

v

p

T

A

I

V











2

,

北方向：

，南方向：

β





₁

0



















16

7

,

16

7

,

₂ 1



























16

23

,

16

9

,

₂ 1









I

:流入量比 (いずれの風向からも同じ流入量)

(接近流量):(流入量) = 1: 0.112

(

) (

)

A

:ガーゼ面積[m

2

_{] ，}

:風向別風速発生確率密度

v

:1時間平均風速[m/s]，T =3600[sec]

 

v

,



p

[

]

[

]

現地観測

(塩分濃度)

1.00E+00 1.00E 00

飛来塩分濃度

(mg/m

3

)

1.00E-01 大鳴門橋主塔基部(北) 大鳴門橋主塔基部(南) 1.00E-02 大鳴門橋管理用通路(北) 大鳴門橋管理用通路(南) 天鳥橋 1.00E-03 天 橋 餘部橋梁

海塩粒子の飛来，表面付着過程

海塩粒子の飛来，表面付着過程

飛来塩分濃度，風向・風速 ← 観測データ

橋梁周囲の流れのパターン，流速ベクトル場 u

_i

(x,y,z,t) ← CFD

海塩粒子の飛来 橋梁周囲 表面界面の移流拡散過程 ← 数値計算

海塩粒子の飛来～橋梁周囲～表面界面の移流拡散過程 ← 数値計算

← 塩分濃度 c(x,y,z,t) の輸送方程式の数値解























2

_c

2

_c

2

_c

D

c

c

c

c

・重力沈降

粒子乱流拡散係数

再飛散



































_t

u

_x

v

_y

w

_z

D

_x

2

_y

2

_z

2

・重力沈降，粒子乱流拡散係数， 再飛散

沈着フラックス（界面近傍の塩分濃度，移流速度） → 沈着量

気温，湿度

表面粗度

雨水洗浄

時間平均流成分

＋ 乱流成分

拡散作用

雨水洗浄

海塩粒子の拡散係数

付着には拡散係数が関与

海塩粒子の拡散係数























_c

_c

_c

_c

2

_c

2

_c

2

_c





















































2

2

2

_z

c

y

c

x

c

D

z

c

w

y

c

v

x

c

u

t

c

C：海塩粒子濃度[mg/m

3

_]

D：拡散係数[m

2

_/s]

初期値として

空気の渦動粘性係数を仮定



円筒型飛来塩分捕集器（ガ

ゼ無し）

空気の渦動粘性係数を仮定

１

流速場を流れの数値解析

(CFD)で求め



円筒型飛来塩分捕集器（ガーゼ無し）

の内壁付着塩分

１．流速場を流れの数値解析

(CFD)で求め，

２．得られた流速場を基に塩分濃度の移流拡散方程式

(Dを仮定)を解き，

３

付着塩分量を推定

３．付着塩分量を推定．

４．付着塩分量の観測値と比較し，海塩粒子の

Dを推

定．



ソフトウェア：

ソフトウェア：

OpenFOAM

OpenFOAM



Reynolds Averaged Navier-Stokes equation:

RANS

乱流モデル

⇒

標準

_k

モデル



乱流モデル

⇒

標準

k

－

εモデル

連続式

連続式

運動量フラックス

乱流エネルギー

k

エネルギー散逸率

ε

円筒型捕集器内部流速場の解析



総格子数：約

1210000

個

捕集器

壁



コロケート格子

wind

境界条件

捕集器の壁面

ν

k ε：

壁関数

4022m

Z

wind

ν

_t

，

k

，

ε：

壁関数

滑面

アクリル

粗面係数C 0 5

アルミ

C 0 5

4022m

m

粗面係数C_s:0.5 粗面高さK_s: 4.00×10-7 Cs:0.5 Ks: 4.00×10-4

x

1000m

風洞実験

現地設置

y

m

壁面｛風速：

0(m/s)，圧力勾配：0｝

700mm

円筒型捕集器内部流速場の解析

流入口

境界条件

流入口

圧力勾配

:0

i d

道路橋耐風

4022m

Z

k(m

2

_/s

2

_),ε(m

2

_/s

3

₎

_初期条件

wind

実験値

道路橋耐風

設計便覧

4022m

m

現地観測

風洞実験

現地観測

流入風速

(m/s)

流出口

流出口

uu

：

各風向の流入風速の

流出口

流出口

_kk

εε

：

_勾配：

₀

各風向の流入風速の

月平均値の

円筒軸方向成分

P

P

：

0

y

=30m

U=1.89

(m/s)

0.8 0.9 1 1 1.2

m

Z=0m

( )

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 uz (m/ s) 0.2 0.4 0.6 0.8 uy (m/ s)

滑面

Z 0m

m

Z=1000m

m

0 0.1 0 200 400 600 800 1000 z(mm) -0.2 0 0 200 400 600 800 1000 z(mm)

u (m/s)

u (m/s)

滑面

粗度有(アクリル)

experimental value

0.12 0.14 0.16 0.18

u

_z

(m/s)

u

_y

(m/s)

1.4 1.6 1.8 2 0.003 0.0035 0.004 0.0045 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 k (m 2/s 2) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 ε( m 2/s 3) 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 νt (m 2/s ) 0 200 400 600 800 1000 z(mm)

k(m

2

_/s

2

₎

0 200 400 600 800 1000 z(mm) 0 200 400 600 800 1000 z(mm)

ε(m

2

_/s

3

₎

ν

_t

(m

2

_/s)

乱流エネルギー

k：過大評価

ν

_t

：オーダ的に一致

塩分濃度に関する移流拡散方程式



捕集器

⇒円柱座標系

θ

濃度勾配：0

壁面への付着

乱れによる付着

上壁面

流出口

r-z２次元平面

慣性衝突：

壁面への付着

上壁面

流出口

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ ・ ・ ・ ・

拡散：

Wind

・ ・・・・・・

96mm

総格子数：

3360個

算出される円筒型捕集器（ガー

下壁面

流出口

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・ ・ ・

1020m

算出される円筒型捕集器（ガー

ゼ層無し）内部の付着塩分量を

観測値と比較することにより

拡散係数

Dを推定

_1020m

m

仮想セル

拡散係数

Dを推定

円筒型捕集器

(ガーゼ無し)

1 … ring number … 10

内壁の付着塩分量の試算

しかし，下流の付着は確認できず

流入口付近で付着

1 Sep 2010―27 Sep

28 Sep 2010―29 Oct

前方

後方



流入角の影響

p

p

North U

_N

=1.88(m/s)

North U

N

=3.07(m/s)



乱流エネルギー

k の過大評価

Dの精度良い推定は困難

雨水による付着塩分の洗浄

ノズル

降水量

降水量：

12mm/h

116枚のトタン

板

3000mm

58枚：曝露

枚

初期

⇒塩分散布

58枚：曝露

58枚：初期

値

galvanized iron sheet (inclination is 60°)

暴露時間

2 5分 3 5分 5分 10分 15分

暴露時間：

2.5分，3.5分，5分，10分，15分

洗い流し後の

残留塩分

(mg/m

2

_)を計測

雨水洗浄効果 －残留塩分量と降雨の関係－

縦軸：｛残留塩分（

mg/m

2

_）

/初期塩分（mg/m

2

_{） ｝（％）}

100% 120% 100% 120%

縦軸：｛残留塩分（

mg/m ）

/初期塩分（mg/m ） ｝（％）

S

±

σ

60% 80%

u

al

s

a

lt

(

%

)

60% 80% 100% u al s a lt ( % )

)

5

.

0

(

653

.

0





r

S

　　

S

平均値

±

σ

20% 40%

resi

d

u

0% 20% 40% res id u

)

0

.

1

(

0826

.

0

1.165

_



_r



_r

S

0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16

exposure time(min)

0% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 converted precipitation(mm/h)

r

実験結果

時間降水量換算後

単位面積

での水量のみに依存

単位面積

での水量のみに依存

表面付着塩分量の推定

大鳴門橋主塔を対象に，

・気象データ

(風向，風速)

・飛来塩分濃度

(円筒型捕集器による推定値)

・降雨による洗浄率

(実験値)

・主塔周囲の風速場

(CFDによる推定値)

・付着機構

(慣性衝突，沈着)(CFDによる衝突速度の推定値)

より，表面付着塩分量を試算．

表面付着塩分量の推定

総格子数

:約39000個

大鳴門橋主塔を模擬

気象デ

タ

16方位

・

x-y平面，定常解析

49m

・気象データ

:16方位

・流入角度

:22.5°ピッチ

・流入口，流出口：

風向ごとに対応

84.8

m

x y

・境界条件，支配方程式

⇒円筒型捕集器の

ケースと同一

ケ

スと同

・壁面

⇒滑面

表面付着塩分量の推定

壁面への付着

慣性衝突：

拡散：

・

x-y平面，定常解析



洗い流し効果

⇒風向と面が対応

⇒風向と面が対応

表面付着塩分量の推定

100

mg/m

2 250

mg/m

2 60 70 80 90 100 観測値 解析値 150 200 観測値 解析値

北塔

北塔

南塔

南塔

10 20 30 40 50 50 100

北塔

北塔

0 ₀

1 Mar 2010―27 April, 2010

30 Oct 2010―30 Nov, 2010



北塔：観測値，解析値

⇒大小の傾向，オーダー：概ね一致



南塔：観測値が比較的大きい

⇒ 波しぶきの影響？

表面付着塩分量の推定

0 100 200 300 (mg/m 2₎ 100 200 300 0 100 200 300 (mg/m 2₎ 100 200 300

北

塔

南

塔

表面塩分

（

mg/m

2

_）

0 北 面 解析値 観測値 0 0 東面 0 北 面 0 南 面 0 0 _西面 0 0 東面 0 南 面 0 0 西面

北

塔

南

塔

0 100 200 300 (mg/m2₎ 100 200 300 0 100 200 300 (mg/m2₎ 100 200 300 2000 3000 2000 3000

1 Mar 2010―27 April, 2010

南 面 南 面 0 0 1000 2000 3000 北 面 (mg/m2₎ 0 1000 0 東面 0 0 0 1000 2000 3000 北 面 (mg/m2₎ 0 1000 0 東面

北

塔

南

塔

0 0 1000 2000 3000 (mg/m2₎ 0 0 1000 2000 3000 (mg/m2₎ 0 1000 2000 0 _西面 0 1000 2000 0

塔

_西面

塔

3000 3000

30 Oct 2010―30 Nov, 2010

橋梁細部における海塩粒子の付着量推定と腐食劣化予測

①現地観測による海岸部の橋梁各部位別の飛来塩分付着量なら びに腐食の進行状況等の調査，ならびに風向・風速，降水 量 飛来塩分量の調査 風

海塩粒子



調査の内容

調査の内容

量，飛来塩分量の調査 ②CFD解析による橋梁周囲の流体パターンの推定 ③現地観測結果，CFD解析結果に基づく，空気の流れと飛来塩 分の付着量の関係の解明 ④風洞実験もしくは屋外実験による海塩粒子の付着メカニズム 付着量推定 塩害による 損傷状 劣 劣 化 化 過 過 の解明 ⑤降水による洗浄効果，表面状態による付着率の評価 ⑥橋梁各部位における海塩粒子の付着量の評価モデルの構築， および腐食劣化の進行評価する方法の検討 損傷状況 過 過 程 程



平成

平成２３年度

２３年度調査の目標

調査の目標

○現地観測による飛来塩分付着量，腐食進行状況， 気象データの計測(天鳥橋) ○ よ 橋梁周囲 流体パタ 推定 ○CFDによる橋梁周囲の流体パターンの推定 ○飛来塩分付着機構に関する調査検討 ○表面粗度の影響 平成22年度 平成23年度 平成24年度 飛来塩分捕集法の開発と絶対 橋梁周囲の流体パターン評価 腐食劣化進行評 価法 検討 各影響項目の定量的評価 付着率 洗浄効果 態 現地観測 風洞実験 CFD解析 量の評価 付着機構の解明とモデル化 部位別海塩粒子付着評価モデルの 検討および検証 価法の検討 表面状態

「橋梁細部における海塩粒子の付着量推定と腐食劣化予測研究会」

委員長 白土博通 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 委員長 白土博通 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 委 員 神谷 毅 国土交通省近畿地方整備局道路部道路管理課 (平成23年4月より) 小丸博司 国土交通省近畿地方整備局道路部道路管理課 (平成23年3月まで) 竹内智明 国土交通省近畿地方整備局道路部 (平成23年7月より) 橋本拓己 国土交通省近畿地方整備局道路部 宮井達也 国土交通省近畿地方整備局道路部 平成 年 月ま 宮井達也 国土交通省近畿地方整備局道路部 (平成23年6月まで) 井口善史 紀南河川国道事務所串本国道維持出張所 今西栄二 紀南河川国道事務所道路管理課 小野 武 紀南河川国道事務所 (平成23年3月まで) 久野伊津佳 紀南河川国道事務所道路管理課修繕係 久野伊津佳 紀南河川国道事務所道路管理課修繕係 田中雄三 紀南河川国道事務所 (平成23年4月より) 鳥奥博良 紀南河川国道事務所 守田景敬 紀南河川国道事務所道路管理課修繕係 石原修二 三井造船株式会社技術本部玉野技術開発センター (第2回より) 上野勝敏 川田テクノシステム株式会社 上野勝敏 川田テクノシステム株式会社 大窪一正 鹿島建設株式会社技術研究所 大村惠治 鹿島建設株式会社関西支店土木部 大畑和夫 株式会社IHIインフラシステム開発部研究開発課 黒石浩介 株式会社大林組大阪本店土木事業部 佐 木亘 三井住友建設株式会社技術開発セ タ 佐々木亘 三井住友建設株式会社技術開発センター 新名 裕 株式会社川金コアテック本社技術部 中西克佳 JFEスチール株式会社スチール研究所 永元直樹 三井住友建設株式会社土木本部土木設計部 村上恭一 株式会社阪神コンサルタンツ (第3回より）( 服部 洋 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 八木知己 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 山本貴士 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 話題提供者 鹿毛 勇 JFEスチール株式会社スチール研究所 （第2回） 鹿毛 勇 JFEスチ ル株式会社スチ ル研究所 （第2回） 新村 亮 株式会社大林組本社生産技術本部基盤技術部 （第1回） 戸田勝哉 株式会社IHIインフラシステム開発部研究開発課 （第3回） 中村善彦 株式会社IHIインフラシステム開発部研究開発課 （第3回）