九州大学学術情報リポジトリ

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Kyushu University Institutional Repository

RC 構造物に適用する犠牲陽極方式電気防食の性能お よび防食評価に関する研究

香田, 真生

https://doi.org/10.15017/1931887

出版情報：Kyushu University, 2017, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：

権利関係：

RC 構造物に適用する犠牲陽極方式電気防食  の性能および防食評価に関する研究 

2018 年 3 月 

九州大学大学院工学府  建設システム工学専攻 

香田 真生 

目  次

第 1 章   序論 

1.1     本研究の背景    ―――――――――――――――――――――――――――――     1 1.2     コンクリート構造物を対象とした電気防食工法の現状    ―――――――――――     3 1.3     本研究の目的    ―――――――――――――――――――――――――――――     6 1.4     本論文の構成    ―――――――――――――――――――――――――――――     7   第1章の参考文献    ―――――――――――――――――――――――――――――――     9

第 2 章   塩害劣化および電気防食（主に犠牲陽極方式）に関する既往の研究 

2.1     はじめに    ―――――――――――――――――――――――――――――――    10 2.1.1    コンクリート中の鋼材(鉄筋)の腐食について    ――――――――――――――    10 2.1.2    コンクリート中の鉄筋の腐食度評価について    ――――――――――――――    12 2.1.3    塩害によるコンクリート構造物の劣化過程    ―――――――――――――――    13 2.1.4    塩化物イオンによる鉄筋の腐食発生限界濃度    ――――――――――――――    14 2.1.5    電気防食の原理と概要    ――――――――――――――――――――――――    15 2.1.6    一般的に電気防食が適用される劣化状態    ――――――――――――――――    17 2.2     犠牲陽極方式の概要    ――――――――――――――――――――――――――    19 2.2.1    亜鉛の特性    ―――――――――――――――――――――――――――――    19 2.2.2    犠牲陽極材の耐久性評価    ―――――――――――――――――――――――    21 2.2.3    コンクリート構造物を対象とした犠牲陽極方式の適用事例    ――――――――    21 2.3     コンクリート構造物に電気防食を適用する際の留意点    ―――――――――――    25 2.3.1    通電が鋼材の機械的特性に与える影響    ―――――――――――――――――    25 2.3.2    通電が ASR に与える影響    ―――――――――――――――――――――――    26 2.4     コンクリート構造物を対象とした防食基準の現状    ―――――――――――――    27 2.5     犠牲陽極方式の開発における留意点および検討課題    ――――――――――――    31   第2章の参考文献    ―――――――――――――――――――――――――――――――    32

第 3 章   本研究で用いた電気化学的測定手法 

3.1     はじめに    ―――――――――――――――――――――――――――――――    35 3.2     自然電位法 

3.2.1    自然電位法の概要    ――――――――――――――――――――――――――    36 3.2.2    自然電位法の基本原理    ――――――――――――――――――――――――    37 3.2.3    自然電位法の腐食判定および留意点    ――――――――――――――――――    38 3.3     分極抵抗法 

3.3.1    分極抵抗法の概要    ――――――――――――――――――――――――――    40 3.3.2    分極抵抗法の基本原理    ――――――――――――――――――――――――    40

3.3.3    分極抵抗法の腐食判定および留意点    ――――――――――――――――――    41 3.4     分極曲線法 

3.4.1    分極曲線法の概要    ――――――――――――――――――――――――――    43 3.4.2    分極曲線法における腐食速度評価の基本原理    ――――――――――――――    44 3.4.3    アノード分極曲線の形状による評価方法    ――――――――――――――――    45 3.4.4    本研究における分極曲線による鋼材腐食の評価方法    ―――――――――――    46 3.5     本研究で用いた測定機器と測定方法 

3.5.1    電流量の測定方法    ――――――――――――――――――――――――――    49 3.5.2    オン電位およびインスタントオフ電位の測定方法    ――――――――――――    49 3.5.3    自然電位の測定方法    ―――――――――――――――――――――――――    50 3.5.4    復極量の算出方法    ――――――――――――――――――――――――――    50 3.5.5    分極抵抗の測定方法    ―――――――――――――――――――――――――    51 3.5.6    分極曲線の測定方法    ―――――――――――――――――――――――――    52   第3章の参考文献    ―――――――――――――――――――――――――――――――    55

第 4 章   亜硝酸リチウムを陽極被覆材に添加する犠牲陽極方式の性能 

4.1     はじめに    ―――――――――――――――――――――――――――――――    57 4.1.1    実験一覧    ――――――――――――――――――――――――――――――    57 4.1.2    亜硝酸リチウムの特性    ――――――――――――――――――――――――    58 4.2     陽極被覆材および鉄筋の腐食環境･腐食有無の違いが防食効果に与える影響 

4.2.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――    60 4.2.2    陽極被覆材の違いが防食効果に与える影響    ―――――――――――――――    62 4.2.3    塩化物イオンおよび鉄筋の腐食有無が防食効果に与える影響    ―――――――    66 4.2.4    試験体の解体より確認された防食効果    ―――――――――――――――――    71 4.2.5    電食防食の副次的効果に関する考察    ――――――――――――――――――    73 4.2.6    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――    76 4.3     亜硝酸リチウムの添加量の違いが防食効果に与える影響 

4.3.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――    78 4.3.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――    79 4.3.3    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――    81 4.4     亜鉛材料の違いが防食効果に与える影響 

4.4.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――    82 4.4.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――    82 4.4.3    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――    84 4.5     防食電流および電位変化の分布に関する検討 

4.5.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――    85 4.5.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――    86

4.6     陽極の配置位置および環境条件の違いが防食効果に与える影響 

4.6.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――    91 4.6.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――    92 4.6.3    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――    96 4.7     陽極と鋼材の表面積比が防食効果に与える影響 

4.7.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――    97 4.7.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――    99 4.7.3    分極抵抗の測定により確認された防食効果    ―――――――――――――――   103 4.7.4    試験体の解体による確認    ―――――――――――――――――――――――   104 4.7.5    電流量の急激な減少に関する考察    ―――――――――――――――――――   105 4.7.6    犠牲陽極方式の自己制御性に関する考察    ――――――――――――――――   105 4.7.7    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   106 4.8     コンクリート強度の違いによる影響 

4.8.1    概要    ――――――――――――――――――――――――――――――――   108 4.8.2    コンクリート強度による影響に関しての考察    ――――――――――――――   109 4.9     第4章で得られた知見    ―――――――――――――――――――――――――   110   第4章の参考文献    ―――――――――――――――――――――――――――――――   113

第 5 章   水酸化リチウムを陽極被覆材に添加する犠牲陽極方式の性能 

5.1     はじめに    ―――――――――――――――――――――――――――――――   114 5.1.1    実験一覧    ――――――――――――――――――――――――――――――   114 5.1.2    水酸化リチウムの特性    ――――――――――――――――――――――――   115 5.2     水酸化リチウムの添加量の違いが防食効果に与える影響 

5.2.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   117 5.2.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――   118 5.2.3    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   121 5.3     鋼材腐食および環境条件が防食効果に与える影響 

5.3.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   122 5.3.2    乾湿繰り返しの環境における測定結果    ―――――――――――――――――   123 5.3.3    気中暴露の環境における測定結果    ―――――――――――――――――――   127 5.3.4    亜硝酸リチウムを添加する方式(第4章)との比較    ――――――――――――   130 5.3.5    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   133 5.4     亜鉛材料の違いが防食効果に与える影響 

5.4.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   134 5.4.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――   135 5.4.3    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   138 5.5     防食電流および電位変化の分布に関する検討 

5.5.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   139

5.5.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――   140 5.5.3    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   145 5.6     陽極と鉄筋の表面積比および環境条件が防食効果に与える影響 

5.6.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   146 5.6.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――   147 5.6.3    電流量の急激な減少に関する考察    ―――――――――――――――――――   151 5.6.4    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   153 5.7     陽極と鉄筋の表面積比が 1:10 の条件における防食効果 

5.7.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   154 5.7.2    測定結果    ――――――――――――――――――――――――――――――   155 5.7.3    分極抵抗の測定により確認された防食効果    ―――――――――――――――   158 5.7.4    犠牲陽極方式の自己制御性に関する考察    ――――――――――――――――   159 5.7.5    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   161 5.8     第5章で得られた知見    ―――――――――――――――――――――――――   162     第5章の参考文献    ―――――――――――――――――――――――――――――――   165

第 6 章   陽極被覆材の保水性向上に向けた実験的検討 

6.1     はじめに    ―――――――――――――――――――――――――――――――   166 6.2     亜硝酸リチウムを添加する陽極被覆材の保水性向上に向けた実験結果 

6.2.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   167 6.2.2    麻および石灰石微粉末の追加による影響    ――――――――――――――――   169 6.2.3    試験体の解体による確認    ―――――――――――――――――――――――   172 6.2.4    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   173 6.3     水酸化リチウムを添加する陽極被覆材の保水性向上に向けた実験結果 

6.3.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   174 6.3.2    乾湿繰り返し環境における麻および石灰石微粉末の追加による影響    ――――   175 6.3.3    気中暴露の環境における麻および石灰石微粉末の追加による影響    ―――――   178 6.3.4    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   181 6.4     第6章で得られた知見    ―――――――――――――――――――――――――   182

第 7 章   防食効果の確認および防食基準に関する考察 

7.1     はじめに    ―――――――――――――――――――――――――――――――   183 7.2     分極曲線の測定方法に関する検証 

7.2.1    電位の掃引速度による影響    ――――――――――――――――――――――   184 7.2.2    浸漬法と接触法の違いが分極曲線の測定結果に与える影響    ――――――――   185 7.2.3    陽極の自然電位が分極曲線の測定結果に与える影響    ―――――――――――   186

7.2.5    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   188 7.3     アノード分極曲線の測定による防食効果の確認 

7.3.1    陽極と鉄筋の表面積比が1:1の試験体における防食効果    ―――――――――   189 7.3.2    陽極と鉄筋の表面積比が1:10〜20の試験体における防食効果     ――――――   193 7.3.3    アノード分極曲線と分極抵抗から推定される腐食速度の整合性    ――――――   196 7.3.4    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   198 7.4     劣化が著しいコンクリート構造物に対する犠牲陽極方式の適用性 

7.4.1    実験概要    ――――――――――――――――――――――――――――――   199 7.4.2    電流・電位の測定結果    ――――――――――――――――――――――――   201 7.4.3    アノード分極曲線の測定から確認された防食効果    ――――――――――――   205 7.4.4    本節のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   208 7.5     防食基準に関する考察    ―――――――――――――――――――――――――   209 7.6     第7章で得られた知見    ―――――――――――――――――――――――――   211     第7章の参考文献    ―――――――――――――――――――――――――――――――   212

第 8 章   結論 

8.1     本研究のまとめ    ――――――――――――――――――――――――――――   213 8.1.1    本研究において得られた知見    ―――――――――――――――――――――   213 8.1.2    犠牲陽極方式の適用性に関する考察    ――――――――――――――――――   216 8.2     今後の検討課題    ――――――――――――――――――――――――――――   219

第 1 章  序論 

1.1 本研究の背景 

  我が国では，道路，鉄道，空港および港湾といった社会資本は，高度経済成長期を含む 1960 年代〜

1990年代の一時期に大量に整備され，社会や経済の発展を支えてきた。今後，高度経済成長期に整備さ れた社会資本が一斉に老朽化していくことが予想されている^1〕現状である。社会資本の老朽化の現状を 図-1.1に示すが，例えば，道路橋における建設後50年以上が経過する施設の割合は，平成25年(2013

年)の約18%から，10年後には約43%，20年後には約67%と急増していく見込みである。一斉に老朽化

していく社会資本を戦略的に維持管理･更新していくことが求められている。

  国土交通省では，平成 26年5 月に｢国土交通省インフラ長寿命化計画(行動計画)｣を決定し，基本計 画に基づく取り組みを確定し，メンテナンスの指針として，メンテナンスサイクルの構築に向けた道筋 を提示している。具体的には，1)定期的な点検を行い，必要な修繕･更新を実施するとともに，その情 報をカルテとしてデータベース化し，メンテナンスサイクルを構築すること，2)メンテナンス技術によ るコスト縮減と予防保全の考え方に基づく長寿命化を戦略的に進めることで，今後のメンテナンスに係 る中長期的なトータルコストを縮減･平準化する，3)インフラの大部分を管理する地方公共団体等の取 組みを進めるため，財政支援や研修等の人的支援を実施することが挙げられている。

そのなかで，道路橋に関しては，平成26 年(2014年)3 月の｢道路法施行規則の一部を改正する省令｣

の公布により，橋長2m以上の橋梁は，専門家による5年に一度の近接目視が義務付けられ，同年7月 より施行されている。また，近接目視による診断結果は，国土交通省HPの社会資本情報プラットフォ ーム（道路〔橋梁，トンネル等〕，砂防，ダム，港湾といった複数分野の社会資本の基本情報や維持管 理情報を登録したシステム）において一般に公開されており，点検･診断の結果に基づく社会資本の維 持管理･更新が適切に行われることで，必要な社会資本が持続可能なものとして維持されていくことの 重要性が，ますます認知されている現状であると考えられる。

一方，我が国は少子高齢化の進行により，総人口は 2008 年をピークに減少に転じており，生産年齢 人口も1995年をピークに減少に転じている。国立社会保障･人工問題研究所の将来推計(出生中位･死亡 中位)によると，総人口は2065年には8808万人にまで減少し，生産年齢人口(15〜64歳)は同年には4529 万人にまで減少すると予想されている^2〕。また，建設分野においては，建設現場で働いている技能労働 者約326万人のうち，55歳以上が約1/3を占めるなど，労働者の高齢化が進行しており，今後の大量離 職に伴っての担い手不足が懸念されており，生産性向上が建設分野における緊喫の課題となっている。 

社会資本の大部分はコンクリート構造物で占められている。この様な背景がある中で，コンクリート 構造物をより合理的に維持管理していくことが，今後の重要な課題であると言い換えることができると 考えられる。 

1.2 コンクリート構造物を対象とした電気防食工法の現状 

  電気防食は，鉄筋などの鋼材に直流電流を継続的に流すことで，鋼材の腐食反応を電気化学的に抑制 する方法^3〕であり，コンクリート構造物に対しては，主に塩害劣化に対する対策工法として適用されて いる現状である。

塩害劣化対策の変遷 ^4〕を表-1.1 に示す。日本で塩害劣化が問題となり始めたのは，1980年(昭和 55 年)頃からであり，塩害劣化に対する補修対策が行われるようになってきたが，その当時は，外部から 侵入してくる塩分，水分および酸素を遮断する目的での表面被覆工法が主流であった。しかし，既にコ ンクリート内部に侵入している残留塩分が劣化因子となり，劣化の進行を抑制することができず，道路 橋においては1991 年(平成 3年)頃から再劣化が顕在化してきたことで，コンクリート構造物に対する 電気防食工法は，塩害の再劣化に対する対策工法として着目されるようになった。一方，アメリカでは，

凍結防止剤による塩害が 1970 年頃から問題となり，補修が行われたものの断面修復では不十分だった ため，電気防食が研究され，適用され始めていた。

表-1.1 塩害劣化対策の変遷^4〕

年次  記事  対策工法等 

1980

年(

S55

)  頃から 

試験工事的な塩害対策が始まる  (山形県温海地区の道路橋) 

表面被覆工法（部分的な浮き・はく離が生じて  いる箇所は断面修復を併用） 

1984

年(S59)  道路橋の塩害対策指針(案) 

(日本道路協会)  同上 

1984

年(S59) 

以降  全国的に塩害対策工事が始まる  同上 

1987

年(

S62

)  劣化防止・補修マニュアル(案) 

(沿岸開発技術研究センター)  同上 

1989

年(

H1

)  塩害を受けた土木構造物の補修指針(案) 

(建設省総合技術開発プロジェクト) 

表面被覆工法（内在塩分の多い箇所はできる  だけ除去） 

1991

年(

H3

) 

頃から  対策後の再劣化が顕在化(道路橋)  架替え（損傷の著しい建造物が対象） 

電気防食工法（試験施工的） 

1994

年(H6)  大井埠頭桟橋調査・補修マニュアル(案)  (東京港埠頭公社，

2000

年に改訂版) 

断面修復工法（塩分の多い箇所は全面的撤去） 

電気防食工法（本採用） 

1999

年(

H11

)  港湾構造物の維持・補修マニュアル  (沿岸開発技術研究センター) 

表面被覆工法，断面修復工法，電気化学的防食  工法（電気防食工法･脱塩工法･電着工法） 

2001

年(

H13

)  コンクリート標準示方書〔維持管理編〕 

(土木学会)  同上（外観グレードに応じて選定） 

※文献4〕を元に著者が編集

  現在では，鋼材の腐食進行を直接的に抑制できる電気防食工法は，短・中期的な防食効果は実証され ており，塩害の再劣化に対しての適用のみならず，今後のコンクリート構造物の維持管理を考える上で，

重要な位置付けの工法として認知されつつある。また，電気防食工法の適用は，一般的には厳しい塩害

事例^5〕も確認される。一方，電気防食工法は目に見えない電気を用いる手法であることから，長期的な データに基づく検討・研究を重ねることで，本工法の限界を明確にし，具体的に構造物の寿命を何年延 長することができるなどの情報を，明確に分かりやすく示すことが重要^6〕であるといわれている。

  電気防食工法は，外部電源方式と犠牲陽極方式に大別される。外部電源方式は，直流電源装置を設置 し，直流電源のプラス出力に不溶性の陽極材を，マイナス出力に防食対象の鋼材を接続し，防食電流を 供給する方式である。一方，犠牲陽極方式は，防食対象の鋼材よりもイオン化傾向の高い金属を犠牲陽 極材として使用し，両者間の電位差を利用して防食電流を供給する方式である。

コンクリート構造物に適用される電気防食工法の種類^7〕を表-1.2に示す。外部電源方式はこれまで多 くの研究が行われてきており，また様々な各種工法が開発されているが，犠牲陽極方式は，外部電源方 式と比べると，実用化されている工法が限られている現状である。 

表-1.2 各種電気防食工法の種類^7〕

電流供給方法  陽極材の形状  電気防食工法 

外部電源  (直流電流) 

面状陽極  チタンメッシュ陽極方式，パネル陽極方式，導電性塗料方式， 

チタン溶射方式，導電性モルタル方式 

線状陽極  チタンリボンメッシュ方式，チタングリッド方式，PI-Slit 方式， 

チタントレイ方式，チタン製ラス材方式  点状陽極  チタンロッド方式 

犠牲陽極  面状陽極  亜鉛シート方式，亜鉛・アルミ擬合金溶射方式， 

アルミパネル方式 

※文献7〕を元に著者が編集      

  ここで，電気防食工法における外部電源方式および犠牲陽極方式の一般的な特徴を以下に示すが，そ れぞれの特徴は相反する傾向であることが興味深い。

〈外部電源方式の特徴〉 

1．外部電源装置の設置が難しい場所では適用が困難となる 

2．高抵抗や腐食性の激しい環境でも適用できるが，含水量の違いで大きく抵抗が異なる場合は， 

環境毎に防食回路を分離する必要がある 

3．外部電源装置の維持電力費用が必要であり，電気設備や電気部品のメンテナンスを必要とする  4．防食電流の調節が可能である 

5．陽極材の寿命が長く，長期間において取り替えを必要としない 

6．過防食に留意する必要があるため，適切な防食電流の調節が必要となる 

〈犠牲陽極方式の特徴〉 

1．電源の利用が難しい場所でも適用できる 

2．小規模な防食面積への適用性は高いが，高抵抗の環境への適用性は低い  3．電気設備や電気部品に関する専門知識が不要であり，施工が比較的簡単である  4．防食電流の調節はできないが，環境に応じた自己制御性をもつ 

5．陽極の寿命が比較的短く，取り替えを要する 

6．原理的に陽極材の電位よりも鋼材電位は卑化しないため，過防食が避けられる 

外部電源方式は，防食対象とする面積が小規模である場合は，防食面積に対しての外部電源装置等の 固定費用により，初期コストが増加する傾向となる。あるいは，防食対象とする部分の含水量(抵抗)が  干満や飛沫によって差異が生じる海洋構造物の場合，電流を均一に流すための対応等により，初期コス トが増加する傾向がある。一方，防食基準である 100mV 以上の分極(復極)量を満足するために必要な 防食電流密度は，通常1〜30mA/m²（vs.コンクリート表面積）程度^3〕といわれている。必要となる防食 電流密度には大きな変動幅があるが，コンクリート中の鋼材の腐食状態や塩化物イオン濃度，また環境 条件によって異なり，厳しい条件となる方がより大きな電流密度を要することになる。逆に表現すると，

外部電源方式は，電源装置等の一定の固定費用を要するため，腐食状態や環境条件が緩やかになるにつ れて，費用対効果が低下していくと考えることもできる。 

外部電源方式と犠牲陽極方式の特徴は相反する傾向であるため，外部電源方式における現状の課題に 対して，犠牲陽極方式を適用もしくは併用を行うことによって，解決できる可能性があると考えられる。

例えば，防食対象とする部分の含水量に差異が生じる海洋構造物に対しては，外部電源方式と犠牲陽極 方式を併用することで，より合理化できる余地があると考えられる。また，腐食状態が軽微である段階 に予防保全として電気防食を適用する場合，犠牲陽極方式の適用によって費用を低減できる可能性もあ ると考えられる。

今後，本格的な維持管理の時代に入っていくと予想されているが，防食技術のニーズも多様化してい くものと想定される。コンクリート構造物をより合理的に維持管理していくための技術が求められてい る現状において，電気防食工法の犠牲陽極方式に関する研究は，今後の社会資本の維持管理における一 助となることが期待できるものと考えられる。 

1.3 本研究の目的 

  本研究では，コンクリート構造物の劣化現象として｢塩害｣を対象とし，塩害に対して鋼材の腐食進行 を直接的に抑制できる電気防食工法に着目した。また，電気防食工法は，外部電源方式と犠牲陽極方式 に大別されるが，外部電源方式は様々な各種工法が開発・実用化されており，合理化や長期的な検証に 関する課題はあるものの，コンクリート構造物に対する防食技術として確立されている現状である。一 方，犠牲陽極方式は，外部電源方式と比べると，コンクリート構造物に対して実用化されている工法が 限られており，適用事例も少ないものと考えられる。陽極の寿命が比較的短いために取り替えを要する ものの，その他の特徴を活かし，コンクリート構造物に対する犠牲陽極方式の適用性について，検討の 余地があると考えられる。 

  本研究の目的は，コンクリート構造物へ適用する電気防食工法の犠牲陽極方式を開発して性能を確認 し，コンクリート構造物の劣化度や環境条件に応じた適用性を実験的に検討すること，また，犠牲陽極 方式の適用による鉄筋に対する防食効果について，定量的な推定結果に基づいた防食評価について実験 的に検討することとした。

1.4 本論文の構成 

  本論文の構成を以下に示す。第1章は，本研究の背景を述べ，コンクリート構造物を対象とした電気 防食工法の現状を整理し，現在の技術的課題を踏まえ，本研究の目的について述べた。第2章は，本研 究に関連する塩害劣化および電気防食(主に犠牲陽極方式)に関する既往の研究について整理し，犠牲陽

第 1 章  序論 

第 2 章  塩害劣化および電気防食(主に犠牲陽極方式)に関する既往の研究 

第 3 章  本研究で用いた電気化学的測定手法 

第 4 章  亜硝酸リチウムを陽極被覆材        に添加する犠牲陽極方式の性能 

【主な試験要因】

・陽極被覆材の材料条件

・鉄筋の腐食環境，腐食有無の違い

・亜硝酸リチウムの添加量

・陽極材料，陽極の配置位置の違い

・防食電流および電位変化の分布

・環境(乾湿)条件の違い

・陽極と鉄筋の表面積比の違い

・コンクリート強度の違い

第 5 章  水酸化リチウムを陽極被覆材        に添加する犠牲陽極方式の性能 

【主な試験要因】

・被覆材料は第4章で選定

・鉄筋の腐食有無の違い

・水酸化リチウムの添加量

・陽極材料

・防食電流および電位変化の分布

・環境(乾湿)条件の違い

・陽極と鉄筋の表面積比の違い

第 6 章  陽極被覆材の保水性向上に向けた実験的検討 

第 7 章  防食効果の確認および防食基準に関する考察 

第 8 章  結論 

極方式の開発における留意点および検討課題を抽出した。

第3章は，コンクリート中鉄筋の腐食状態を評価するため，コンクリート構造物へ犠牲陽極方式を適 用することによる防食効果に関して，様々な電気化学的測定手法を用いて確認しており，測定原理，測 定方法および測定結果の評価方法などについて整理した。また，分極曲線法は，本研究における防食効 果の定量的な推定方法にも関連するため，アノード分極曲線の測定方法および測定結果の解釈方法に関 して説明を述べた。

第4章と第5章は，本研究の目的のひとつである犠牲陽極方式を開発して性能を確認するため，各種 の実験的検討を行った結果を整理した。第4章は亜硝酸リチウムを陽極被覆材に添加する犠牲陽極方式 を適用した実験結果であり，第5章は水酸化リチウムを陽極被覆材に添加する犠牲陽極方式を適用した 実験結果である。次に，第4・5章での実験結果を踏まえ，陽極被覆材の保水性向上に向けた実験的検 討を第6章で整理した。

第7章は，第4〜5章で得られた実験結果を踏まえ，犠牲陽極方式の適用による鉄筋に対する防食効 果について，定量的な推定結果に基づく防食評価について実験的検討を行った。アノード分極曲線から 推定される腐食速度(腐食電流密度)によって，電気防食の副次的効果による腐食環境の改善効果，およ び通電時の防食状態について，定量的に確認を行うことができた。また，その結果などを踏まえ，防食 基準に関しての考察を述べた。

第8章は結論として，本研究で得られた知見をまとめとして述べ，犠牲陽極方式の適用性に関する考 察および今後の検討課題について述べた。

【第1章の参考文献】

1〕 国土交通省：平成28年度 国土交通省白書，第Ⅱ部 第2章  2〕 国土交通省：平成28年度 国土交通省白書，第Ⅰ部 第1章 

3〕 土木学会：電気化学的防食工法 設計施工指針(案)，コンクリートライブラリー107，2001 4〕 日本エルガード協会：最新 コンクリート構造物の電気防食Q＆A，新建新聞社，2008

5〕 久保欣也，桐川潔，池田政司：吉身跨線橋電気防食工事における各種対策について，コンクリート 構造物の補修,補強,アップグレード論文報告集，Vol.15，pp.145-148，2015.10

6〕 上田隆雄，皆川浩，山本悟：電気防食工法，コンクリート工学，Vol.48，No.5，pp.110-114，2010.5 7〕 コンクリート構造物の電気化学的防食工法研究会HP

第 2 章  塩害劣化および電気防食（主に犠牲陽極方式）に関する既往の研究 

2.1 はじめに 

  電気防食は，鉄筋などの鋼材に直流電流を継続的に流すことで，鋼材の腐食反応を電気化学的に抑制 する方法^1〕であり，コンクリート構造物に対しては，主に塩害劣化に対する対策工法として適用されて いる。そのため，本章では，コンクリート構造物の塩化劣化について整理し，さらに電気防食工法は外 部電源方式と犠牲陽極方式に大別されるが，本研究は犠牲陽極方式を開発して性能を確認することを目 的の一つとしたことから，主に犠牲陽極方式に関する既往の研究について整理した。

2.1.1 コンクリート中の鋼材(鉄筋)の腐食について

  コンクリート中の鉄筋腐食の多くは，塩害や中性化によって引き起こされる。一般に，塩化物イオン (Cl^-)を含まない健全なコンクリートの細孔溶液のpHは，約12.5の高アルカリを示すといわれており，

鉄筋などの鋼材は，アルカリ環境下においては鋼材表面に不動態被膜が形成（不動態化）されるため，

図-2.1に鋼の腐食速度とpHの関係^2〕を示すが，非常に腐食し難い状態となる。

  高温環境では，環境物質と直接化学反応して腐食が進行するのに対し，常温環境では，水が存在する 場合に電気化学反応によって腐食が進行するが，前者を乾食，後者を湿食という。コンクリートは連続 した毛細管空隙を有する多孔材料であり，細孔溶液を介して腐食が進行することから，コンクリート中 の鋼材の腐食は湿食に分類^3〕される。

鉄筋腐食のメカニズム^1〕を図-2.2に示す。腐食反応の始まりは，鉄原子が結晶格子を離れ，水中に鉄 イオン(Fe²⁺)として移行する過程であり，これをアノード反応(酸化反応)といい，式(2.1)に反応式を示 す。しかし，この反応は単独では生じずに対の反応が必要であり，溶存酸素が鉄筋表面上で電子を受け 取ることで水酸化物イオン(OH^-)を生成するが，これをカソード反応(還元反応)といい，式(2.2)に反応 式を示す。また，鉄筋腐食の全体の反応を式(2.3)に示すが，アノード反応とカソード反応が組み合わさ れた反応であり，水酸化第一鉄(Fe(OH)2)が生じ，さらに水酸化第一鉄は溶存酸素の供給により，式(2.4) の反応を生じて水酸化第二鉄(Fe(OH)3)となる。 

図-2.1 鋼の腐食速度と pH の関係^2〕 図-2.2 鉄筋腐食のメカニズム^1〕

アノード反応：Fe → Fe²⁺＋2e^-      ―――――――――――――――――――    (2.1)     カソード反応：1/2O2＋H2O＋2e^- → 2OH^-     ――――――――――――――    (2.2)     全体の反応  ：Fe＋1/2O2＋H2O → Fe(OH)2     ―――――――――――――    (2.3) Fe(OH)2＋1/4O2＋1/2H2O → Fe(OH)3  ―――――――――――――――――    (2.4)

さらに，水酸化第二鉄(Fe(OH)3)は水を失って水和酸化物FeOOHまたはFe2O3(赤錆)となり，また一 部は酸化不十分のまま Fe3O4(黒錆)となって，鉄筋表面に錆層を形成する。鉄の錆層は多孔質であるた め厚く形成しても腐食を抑制する効果は小さく，下地の鉄筋表面では腐食が絶えず進行することとなる。

また，錆は鉄より大きな体積(約2.5倍)であるため，その膨張圧がコンクリートにひび割れやはく離を 引き起こすことになる。 

大気中の二酸化炭素(CO2)によって細孔溶液のpHが11よりも低下すると鋼材表面に不動態被膜が形 成されない状態となるため，水と酸素の供給によって腐食が進行する（中性化による腐食）。また，海 からの飛来塩分や冬季に散布される凍結防止剤により，コンクリートの外部から塩化物イオンが濃度拡 散によって浸入してくると，鋼材の不動態被膜が破壊されて腐食が進行する（塩害による腐食）。一方，

1986年に建設省から塩化物総量規制が通達^4〕されて以降，各機関より同様な規制が設けられているが，

それ以前の十分に除塩されていない海砂が使用されたコンクリート構造物では，内在塩分による塩害が 問題となる。また，塩化物イオンを多く含む方が中性化の進行が急速となるが，中性化の進行に伴う未 中性化部分への塩化物イオンの移動・濃縮が，鋼材の腐食に影響を及ぼす^5〕ことになる。

コンクリート中の鉄筋腐食は，腐食セルの形成によりミクロセル腐食およびマクロセル腐食の2種類 に区別され，図-2.3にそれぞれの腐食進行の概要図を示す。アノード反応とカソード反応が，同じ位置 もしくは極めて近い位置で生じ，時間の経過とともに位置を交換していく場合には均一腐食（ミクロセ 

ル腐食）となる一方で，塩害による腐食は，外部から浸透する塩化物イオンの量が部材位置やひび割れ などによって不均一となるため，一部で局所的に腐食が進行する可能性が高く，アノード反応が固定さ れる場合には孔食などの局部腐食（マクロセル腐食）となる^6〕。マクロセル腐食は，ミクロセル腐食よ りも腐食速度が速くなるとの指摘もあり，また局部的な腐食進行に伴うコンクリート構造物の耐荷性能 や変形性能の低下への影響も大となる可能性がある。また，いずれの腐食も，鉄が陽イオンに移行して 電子を放出する反応であり，電子は負の電荷を持つため，アノード部の電位は卑(マイナス)な方向へ変 化する。 

2.1.2 コンクリート中の鉄筋の腐食度評価について 

  コンクリート中の鉄筋の腐食には，コンクリートの中性化，内在塩分，外来塩化物イオンおよびひび 割れの有無など，様々な要因が影響を及ぼす。一般的には，コンクリートの中性化に伴う鉄筋の腐食は，

腐食度の程度が低く，一様に平均的に進行することが多い一方で，塩化物イオンの介在に伴う鉄筋の腐 食は，腐食度の程度が高く，孔食や断面欠損を伴う場合が多い^7〕といわれる。目視による鉄筋腐食度の 評価方法の例^8〕，9〕を表-2.1および写真-2.1に示す。本研究においては，目視による鉄筋腐食度の評価 は，本方法を用いた分類を行った。

表-2.1 目視による鉄筋腐食度の区分 

日本コンクリート工学会：海洋コンクリート構造物の防食指針(案)による分類^8〕

腐食度 腐食の目視による観察状況 本稿での記号

０ 施工時の状況を保ち，以降の腐食が認められない．

N

Ⅰ 部分的に腐食が認められる．軽微な腐食．

Y

ⅰ

Ⅱ 表面の大部分が腐食している．部分的に断面が欠損している．

Yⅱ

Ⅲ 鉄筋の全周にわたり断面の欠損がある．

Yⅲ

Ⅳ 鉄筋の断面が当初の2/3〜1/2くらい欠損している．

Y

ⅳ

写真-2.1 鉄筋の腐食度評価に関する参考写真^9〕

2.1.3 塩害によるコンクリート構造物の劣化過程 

  コンクリート構造物の塩害による劣化過程と部材の性能低下の関係 ^10〕は，図-2.4 に示す通り，鋼材 の腐食が開始するまでの潜伏期，腐食開始から腐食ひび割れ発生までの進展期，腐食ひび割れの影響で 腐食速度が大幅に増加する加速期，および鋼材の大幅な断面減少などが起こる劣化期に区分される。ま た，土木学会コンクリート標準示方書2007年制定〔維持管理編〕においても，表-2.2に示す通り，塩 害の各劣化期間が4段階で定義^11〕されている。

  (1) 潜伏期 

コンクリート中にはセメントの水和反応に使われない水（以降，細孔溶液と記す）が存在しており，

細孔溶液のpHは約12.5の高アルカリ性を示す。高アルカリ環境下では鋼材は不動態化し，非常に腐食 し難い状態にあるが，潜伏期は鋼材表面における塩化物イオン濃度が腐食の発生に必要な濃度に達する までの期間である。不動態化のメカニズムは諸説あるが，鋼材表面に酸素が化学吸着し，さらに緻密な

腐食の段階：０ 腐食の段階：Ⅰ

腐食の段階：Ⅱ

腐食の段階：Ⅳ

腐食の段階：Ⅲ

  (2) 進展期 

塩害では鋼材表面の不動態被膜が塩化物イオンにより破壊されることで腐食が開始する。コンクリー ト中の鋼材が腐食すると腐食生成物の体積膨張によって，コンクリートにひび割れが生じることになる。

進展期はコンクリートに腐食ひび割れが発生するまでの期間であるが，鋼材の腐食速度は，鋼材に対す る酸素や水分の供給量によって大きく異なり，また含水状態によって大きく変動するコンクリート抵抗 の影響も受けるため，実験などによって鋼材の腐食速度に関する研究が進められている現状である。

  (3) 加速期 

コンクリートにひび割れやはく離が生じると，塩化物イオン，酸素および水分の鋼材への供給が促進 されることで腐食速度が増大するが，加速期は腐食が加速的に進行する期間である。

  (4) 劣化期 

劣化期は，鉄筋の大幅な断面減少などにより，耐荷力などのコンクリート構造物の性能が低下する期 間である。 

表-2.2 塩害の各劣化期間の定義^11〕

2.1.4 塩化物イオンによる鉄筋の腐食発生限界濃度 

  コンクリート標準示方書 2012 年制定〔設計編〕において，以前までは塩化物イオンの鋼材腐食発生 限界濃度は 1.2kg/m³とされていたが，セメントの種類と水セメント比ごとに算出する改訂 ^13〕が行われ ている。以下の式(2.5)に，普通ポルトランドセメントを用いた場合の算定式を示す。

  普通ポルトランドセメントを用いた場合  Clim＝-3.0(W/C)＋3.4     ―――――    (2.5) 

  ここに，Clim：鋼材腐食発生限界濃度 (kg/m³) ，W/C：水セメント比 (0.30〜0.55) 

ここで示す塩化物イオン濃度は，コンクリート中の液相における実際の塩化物イオン濃度のことでは なく，コンクリート単位体積あたりの全塩素量を指している。本研究の実験に使用したコンリートは，

劣化過程 定  義 期間を決定する要因

潜伏期

鋼材表面における塩化物イオ ン濃度が腐食発生限界濃度に 達するまでの期間

･塩化物イオンの拡散

･初期含有塩化物イオ ン濃度

進展期 鋼材の腐食開始から腐食ひび

割れが発生するまでの期間 ･鋼材の腐食速度 加速期 腐食ひび割れ発生により腐食

速度が増大する期間 ･ひび割れを有する場 合の鋼材の腐食速度 劣化期 腐食量の増加により耐荷力の

低下が顕著な期間 図-2.4 塩害劣化の進行過程^10〕

水セメント比が65%もしくは42%である。W/C＝0.65は規定される水セメントの範囲を超えるが，参考 値として，それぞれの水セメント比における鋼材腐食発生限界濃度を計算すると，以下の結果となる。 

W/C＝0.65の場合  Clim＝1.45 (kg/m³)  W/C＝0.42の場合  Clim＝2.14 (kg/m³)  

本研究において，鉄筋を塩害による腐食環境とするためにコンクリートへ塩化物イオンを添加する場 合，上記の結果を踏まえ，塩化物イオンを5 kg/m³ 添加することを基本方針とした。

2.1.5 電気防食の原理と概要 

  鉄筋の腐食がどのような環境条件で生じるのか否かを把握するためには，図-2.5 に示す鉄の電位と pHの関係^14〕を把握することが必要である。この図は熱力学的平衡論における塩化物イオンを含まない 場合の電位-pH図であり，腐食が生じない領域(安定域)，腐食が進行する領域(腐食域)，および鉄筋の 表面が不動態被膜に覆われて腐食が進行しない領域(不動態域)の3領域があることが示されている。な お，塩化物イオンを含む場合は，上記の 3 領域に加えて，孔食域と不完全不動態域が現れる。ここで，

鉄筋が中性環境における自然腐食状態にあるA点にあると仮定すると，腐食を防止するためには次の3 つの方法がある。

① 鉄筋の電位を安定域まで卑(マイナス)方向へシフトさせる

② 鉄筋の電位を不動態域まで貴(プラス)方向へシフトさせる

③ 環境のpHを増大させ，不動態域までシフトさせる

①の方法がカソード防食法(cathodic protection)であり，通 常，電気防食法といえばカソード防食法のことを指す。一方，

③の方法の例としては，コンクリート構造物における再アル カリ化工法が該当する。

海水中に浸漬されるような港湾関係もしくは土中に埋設さ れる鋼材に対しては，上記①の考え方を適用した電位の絶対 値による管理が行われているが，コンクリート中の鉄筋に対 しては，防食電位に環境依存性があるために電位の絶対値で の管理が難しい^15〕ことが報告されている。 

コンクリート中の鋼材に対する電気防食の考え方は，鋼材表面に形成された腐食電池(腐食セル)を消 滅させれば，大きな腐食は生じないとの考え方が基本となっている。コンクリート構造物に対する電気 図-2.5 鉄の電位と pH の関係図^14〕

A 

vs.標準水素電極 

においても同様の原理として考えることができる。(a)は腐食反応を示しており，アノード部とカソー ド部との間に生じた電位差により，アノード部より腐食電流が流れている状態を示している。陽極より 鋼材へ電流を流すと，防食電流は貴な電位を示すカソード部(健全部)へ優先的に流れるため，カソード 部の電位はマイナス方向に変化し，アノード部とカソード部の電位差は小さくなる。(b)はアノード部 とカソード部の電位差が解消されておらず，防食電流が不十分な状態を示している。(b)よりさらに防 食電流を大きくすると，アノード部とカソード部の電位差がなくなり，腐食電流は流れなくなる。つま り，(c)は鋼材の腐食反応が停止した状態を示している。

具体的にどの程度の電位変化量があれば，コンクリート中の鋼材に十分な防食効果が確保されるかに ついては，これまでの研究を総合すると，100mV以上の電位変化量とするものが多い。理論的にはカソ ード部の電位をアノード電位まで分極すれば，電位差はゼロとなり腐食は停止するが，この電位差を測 定することはできないこと，またカソード部のみに限定して防食電流を流すことはできないため，実績 や安全率を考慮して，電気防食に関する国内の基準･規定においては，その多くが100mV以上の電位変 化量を採用^1〕している。 

図-2.6 電気防食工法の原理^1〕

(a) 鋼材の腐食(防食前) 

(b) 防食電流が不十分な場合 

(c) 防食電流が十分な場合 

2.1.6 一般的に電気防食が適用される劣化状態 

塩害によって劣化したコンクリート構造物の状態に関して，土木学会コンクリート標準示方書 2007 年制定〔維持管理編〕においては，表-2.3 に示す，外観上のグレードと劣化状態の関係^11〕が定義され ている。なお，状態Ⅱ-1とⅡ-2は，鋼材の腐食量によって分けられるが，現在の劣化予測のレベルでは，

この区分を予測することは困難であるとの解説が示されている。また，同示方書において，電気防食は 鋼材の腐食進行を抑制する効果が期待できる工法とされており，構造物の外観上のグレードと標準的な 対策工法の関係 ^11〕が参考として示されており，表-2.4 に示す。ここでは，状態Ⅰ-2(進展期)および状 態Ⅱ-1(加速期前期)に対しての電気防食の適用が示されている。また，中性化による劣化に関しても，

加速期前期の対策工法として，塩化物イオン濃度が高いことにより，鉄筋の腐食速度が速い場合や腐食 量が大きい場合においては，電気防食の選定が示されている。

表-2.3 構造物の外観上のグレードと劣化の状態^11〕

構造物の外観上のグレード  劣化の状態 

状態Ⅰ-1 (潜伏期)  外観上の変状が見られない，腐食発生限界塩化物イオン濃度以下 

状態Ⅰ-2 (進展期)  外観上の変状が見られない，腐食発生限界塩化物イオン濃度以上，腐食が開始  状態Ⅱ-1 (加速期前期)  腐食ひび割れが発生，錆汁が見られる 

状態Ⅱ

-2

 (加速期後期)  腐食ひび割れが多数発生，錆汁が見られる，部分的なはく離･はく落が見られる，

腐食量の増大 

状態Ⅲ   (劣化期)  腐食ひび割れが多数発生，ひび割れ幅が大きい，錆汁が見られる，はく離･はく 落が見られる，変位・たわみが大きい 

表-2.4 構造物の外観上のグレードと標準的な対策工法^11〕

構造物の外観上のグレード  標準的な対策工法 

状態Ⅰ-1 (潜伏期)  表面処理（予防的な実施） 

状態Ⅰ-2 (進展期)  表面処理，断面修復，電気防食，電気化学的脱塩  状態Ⅱ

-1

 (加速期前期)  表面処理，断面修復，電気防食，電気化学的脱塩  状態Ⅱ

-2

 (加速期後期)  断面修復 

状態Ⅲ   (劣化期)  FRP 接着，断面修復，外ケーブル，巻立て，増厚 

一方，土木学会｢電気化学的防食工法 設計施工指針(案)｣における電気防食工法の適用例 ^1〕を表-2.5 に示すが，塩害対策および中性化対策としての適用例として，劣化期に対しては他の補修工法や補強工 法との併用を検討する必要があるとされているが，劣化度に関わらず適用できることが示されている。

表-2.5 電気防食工法の適用例^1〕

適用対象  塩害対策  中性化対策 

既設構造物  劣化度 

潜伏期  ○  ○ 

進展期  ○  ○ 

加速期  ○  ○ 

劣化期  △  △ 

※文献1〕を元に著者が編集      

2.2 犠牲陽極方式の概要 

  犠牲陽極方式は，防食対象物よりも卑な金属を電気的に接続し，両者間の電位差を利用して防食電流 を流す方式である。卑な金属は，流電陽極（galvanic anode）または犠牲陽極（sacrificial anode）と称さ れるが，本稿では犠牲陽極の名称を使用した。陽極として使用される卑な金属は防食電流を発生するこ とで鋼材の腐食を抑制する一方で，陽極自体は溶解していくために犠牲陽極と呼ばれる。犠牲陽極方式 の全般的な適用事例としては，陽極材料には亜鉛合金，マグネシウム合金およびアルミニウム合金が使 用されており，それぞれの代用的特性^16〕を表-2.6に示す。コンクリート構造物への適用に着目すると，

亜鉛系およびアルミニウム系の陽極材料が実用化されており，具体的には，亜鉛シート方式，アルミニ ウム系パネル方式，亜鉛を特殊モルタルに埋設した方式などがある。コンクリート構造物に対する適用 性や犠牲陽極材の耐久性については，実地調査や研究が進められている現状ではあるが，犠牲陽極方式 の施工報告^{17〕，18〕}が近年も確認されるため，適用事例は増えつつあると考えられる。

本研究では，犠牲陽極材をコンクリート構造物の内部へ埋設することを想定している。そのため，ア ルミニウムはアルカリ環境での水分との反応によって，水酸化アルミニウムの生成による膨張圧力が作 用する懸念があったことから，実績も踏まえ，陽極材料には陽極効率の良い亜鉛を使用する方針とし，

また亜鉛の反応性を維持するために陽極被覆材を併用する方法とした。これは，亜鉛の特性との関連が あるため，以降に詳細を述べる。

2.2.1 亜鉛の特性 

  亜鉛は融点の低い（419.5℃）白色の重金属であり，酸お よびアルカリに溶解する両性の金属である。亜鉛の溶解速 度に及ぼすpHの効果^19〕を図-2.7に示すが，pH＜5の酸性 水溶液中，あるいは pH＞13 のアルカリ性水溶液中では，

Zn²⁺や HZnO2-のような可溶性イオンとなるために腐食(溶 解)反応は抑制されることなく継続する。しかし，pH 領域 7〜12 の微アルカリ水溶液中では Zn(OH)2のような水酸化 物被膜が形成され，後続の腐食(溶解)反応が抑制される^20〕

ことになる。 図-2.7 30℃の酸素飽和溶液中における    表-2.6 流電陽極材料の代表的特性^16〕

酸性溶液中での亜鉛の反応式は，以下に示される。

    脱酸素液      Zn＋2H⁺＝Zn²⁺＋H2

    酸素溶存液        Zn＋1/2O2＋2H⁺＝Zn²⁺＋H2O   アルカリ性溶液中での亜鉛の反応式は，以下に示される。

    脱酸素液      Zn＋H2O＋OH^-＝HZnO2-＋H2

    酸素溶存液        Zn＋1/2O2＋OH^-＝HZnO2-

高濃度アルカリ液  HZnO2-＋OH^-＝ZnO22-＋H2O   中性溶液中での亜鉛の反応式は，以下に示される。

    酸素溶存液        Zn＋1/2O2＋H2O＝Zn(OH)2

なお，参考として，亜鉛メッキに関する内容ではあるが，亜鉛メッキ鉄筋の亜鉛の酸化生成物によっ てコンクリートにひび割れを発生させた例はない ^21〕との報告がある一方で，亜鉛メッキ鉄筋を用いた 鉄筋コンクリート梁の 15 年にわたる海洋暴露実験結果からは，鉄筋とコンクリートの界面に黄褐色の 反応生成物が認められ，亜鉛メッキの酸化反応に伴う腐食膨張がひび割れの進行や不陸の発生に影響し た^22〕と考えられるとの報告もある。  

宮口 ^23〕は，亜鉛を特殊モルタルに埋設した方式（ガルバシールド）に関して，亜鉛を覆っている特 殊モルタルのpHを測定している。特殊モルタルを1.2mm以下まで粉砕し，上水道水を使用して，ビー カにて水/特殊モルタル比を2/1で混ぜ合わせて20℃の室内で24時間静置した後，上澄み部分をpHメ ータにて測定したところ，pH=14.6 の強アルカリ性を示したことを報告している。また，微アルカリ環 境下においては亜鉛の酸化反応によって水酸化亜鉛Zn(OH)2が生成されるが，その密度は3.05g/cm³で ある。一方，亜鉛の密度は 7.14g/cm³であるために体積膨張が生じるが，その影響を抑制するため，特 殊モルタルは空隙が多い構造となっていることが示されている。水銀ポロシメータによって，JIS モル タルとの細孔構造の比較が行われているが，総細孔量でJIS モルタルの1.7倍程度の空隙があることが 確認されている。つまり，強アルカリ性と多孔性を有する特殊モルタルによって，亜鉛の酸化生成物は 容易にモルタル中を移動でき，常に高いアルカリ性の細孔溶液と亜鉛が接することで，亜鉛の反応性が 保持されるといわれている^24〕。

陽極被覆材（以降，被覆材と記す）に求められる機能は，高いアルカリ性環境を維持できることに加 え，犠牲陽極材をコンクリート構造物の内部へ埋設する場合には特に，亜鉛の酸化反応による水酸化物 被膜の形成による腐食膨張圧が作用する可能性があることを考慮し，多孔性も有する必要があると考え られる。

2.2.2 犠牲陽極材の耐久性評価 

犠牲陽極方式では，陽極材が腐食(溶解)することで，コンクリート中の鉄筋に防食電流を供給するた め，適切な時期に陽極材を更新していく必要がある。一般に，犠牲陽極材の耐用期間は 10〜20 年程度 とされているが，防食対象となる鉄筋の腐食度や構造物の環境条件によって発生する電流量は大きく変 動するため，陽極材の耐久性は十分に把握ができていない現状である。外部電源方式で用いられる不溶 性の陽極材については，NACE(National Association Corrosion Engineers)が示す規定^25〕や国内においても 耐久性の評価方法について検討が行われた事例 ^26〕があるが，コンクリート構造物に適用する犠牲陽極 材については，耐久性の評価方法に関して規定化されていない現状である。 

犠牲陽極方式における耐久性の評価例としては，アルミパネル方式に対して定電流(1mA/m²，10mA/m²，

100mA/m²の3水準)電解試験を行い，有効電気量（有効電荷）を考慮した積算電流量と犠牲陽極材の質

量減少量の関係から，陽極材の耐用年数の検討が行われた事例^27〕がある。

  陽極の耐久性(耐用年数)の検討において，亜鉛の質量減少量の理論値は，式(2.6)に示すファラデーの 電気分解の第1法則にて算出できる。なお，電荷(クーロン)は電流量(A)に時間(s)を乗じた単位である。

m＝M･i･t／(z･F)       ――――――――――――――――――――――――     (2.6) 

  ここで，mは質量減少量(g)，Mは亜鉛の原子量(=65.4g/mol)，iは電流量(A)，tは時間(s)，zは亜鉛 の電荷数(=2)，Fはファラデー定数(=96500c/mol)である。また，耐久性を検討する上で，犠牲陽極材と して有効に機能すると考えられる有効質量を，質量の50%などと仮定して検討されている現状である。 

2.2.3 コンクリート構造物を対象とした犠牲陽極方式の適用事例

  コンクリート構造物を対象とした犠牲陽極方式の適用事例としては，亜鉛シート方式，アルミニウム 系パネル方式，および亜鉛を特殊モルタルに埋設した方式が適用された事例が確認される。コンクリー ト構造物へ犠牲陽極方式を適用した各事例についての概要を示し，それぞれの適用事例より得られてい る知見について整理した。

  (1) 亜鉛シート方式による鉄道橋 PC 桁の補修事例^28〕

1-1. 事例の概要 

  日本海沿岸より約150m に位置するPC 桁であり，飛来塩分による塩害の影響により，主に主桁下フ ランジにおいて鉄筋腐食が原因となるかぶりコンクリートのひび割れ・はく離・はく落が生じていた。

建設後 24 年の経過での補修であり，予防保全の観点より，全主桁の下フランジを防食対象として，亜 鉛シート方式が採用された事例である。亜鉛シート方式は，コンクリート表面にはバックフィル材を設 置し，その上からアンカーボルトを用いて亜鉛防食板を設置し，亜鉛防食板間は付属の電線で結線し，

1-2. 寿命の検討結果 

亜鉛シート方式における亜鉛防食板の設計寿命は 15年以上である。設置から約5 年半後に亜鉛防食 板の消耗量調査が行われた結果，調査時点の消耗速度より算出した寿命は25.4年になると推定されてい る。流電陽極方式の場合，陽極の消耗は，コンクリート構造物の鋼材量や腐食状況により変動し，鋼材 量が多ければ防食電流が増大し，また腐食度が大きい場合も増大するため，鋼材が軽微な腐食状態であ ったことが寿命の延長となった要因として考察されている。

1-3. 電気防食による腐食環境の改善効果 

電気防食の適用によって，鋼材近傍のコンクリート環境が改善されることが，約 16 年の実証結果よ り確認されている。電気防食の適用により，鋼材(カソード)側では酸素の還元反応によって，アルカリ 性を示すOH^- (水酸化物イオン)が生成される。電気防食を適用している期間は，酸素が存在すればOH^- の生成が継続することで，鋼材近傍のコンクリートは高アルカリとなり，鋼材は不動態化することで安 定する。そのため，通電停止から24時間後のオフ電位が貴化 (プラス側にシフト) することで電気防食  による防食電流が低減していく ^29〕，いわゆる理論

的に提唱されていた高電位-低電流の環境改善効果 が，実構造物で初めての実証結果として確認^30〕さ れており，図-2.8 に電位および電流密度の経時変 化を示す。また，電位と防食電流密度をプロットし た関係からも，鋼材電位が貴となる場合には防食電 流密度が小さくなる傾向が確認されている。以上よ り，本事例では100mV以上の復極量が確保されて いることからも，犠牲陽極方式は電流調整が不要で あり，自然に発生電流量を調整し，必要な防食電流 を供給できる工法であることが述べられている。 

  (2) アルミニウム系流電陽極パネル方式による鉄道橋 RC 床版の補修事例^28〕

2-1. 事例の概要 

  日本海沿岸より約50mに位置するRC床版橋であり，飛来塩分による塩害の影響により，主に海側の 下面および側面において鉄筋腐食が原因となるかぶりコンクリートのひび割れが生じていた。建設後35 年の経過での補修であり，予防保全の観点より，変状が集中していた海側の下面と側面を防食対象とし て，アルミニウム系パネル方式が採用された事例である。アルミニウム系パネル方式は，コンクリート 表面にはバックフィル材を設置し，その上からアンカーボルトを用いてアルミニウム系パネルを設置し，

パネル間は専用の固定治具で接続し，陽極全体を電気的に導通させている。

図-2.8 電位および電流密度の経時変化^28〕