コンクリートの硫酸溶液中における侵食に関する基礎的研究 : II. 表面凹凸の変動解析について

鳥大農研報 (Bull.Fac.Agric.,Tottori un

.)29 54∼ 61(1977)

コ ンク リー トの硫 酸溶 液 中 にお け る侵 食 に関す る基 礎 的研究

Ⅱ

.表

面凹凸の変動解析 について

服 部 九二雄

*

昭和51年8月31日受付

Fundamental Studies on the Corrosion of Concrete

in Sulfuric Acid Solution

Ⅱ

. Periodic Characteristics of the Variation

of Roughness on Coucrete Surface

Kunio HATTORI*

Concrete is chemically basic, having a pH of abOut 13, and therefore is attacked easily by acids, which have pH values less than 7. Therefore, the experiments on the inHuences of the cOrrOsion of a 5% sulfuric acid` solution on the periodic characteristics of the variation of roughness on concrete surfaces, and the strengths and the vOlume or weight changes were

carried out, and the fOllowing factors were measured and analyzed respective_

ly every weck over a twelve week periOd. a, Volume and wこight

b. Bending strength c. Compressive strength

d. Dynamic modulus Or elasticity e, CarbOnizatiOn of concrete

f. Variation of pH valucs of a 5,♭ sulfuric acid solution

g, Periodic characteristics of roughness on concrete surfaces

Especially, new attempts were adopted fOr the measures oF carbonization of cOncrete and roughness on concrete surfaces, and sO good results could

be Obtained. In sunamary, the results were as follows.

1. For the factors b, cand d, the test pieces curing in a 5% sulfuric acid solution showed lower values than those curing in water.

2. Among the Factors b, cand d, the influencc on cOrrosion by a 5%

sulfuric acid sOlutiOn was minimum for the factor d.

3. The carbonization of concrete reached a level of 15%and more, five

to six weeks later.

に附随 して,それ らを流 下 させ る排 水路 及 び周 辺

,附

帯 ま え が き 構 造物 の主構 成 材 料で あ るコ ンク リー トとか鋼 材 の侵 食, 昨今

,工

場つF水とか鉱 山湧 水 な どに含 まれ る無 機

,有

腐 食 も問題 とな って きて い る。 さ らに

,周

辺 を海 で 囲 ま 機成 分 によ る公害 問題 が話題 にな るこ とが 多い が

,そ

れ _{れて い る我国 において は}

_,港

_{湾施 設 の構 築 材 料 もその大} ・ 鳥取大学農学部農業工学科農業造構学研究室

コンクリー トの硫酸溶液中における侵食I 部分 が鋼材,コンクリー トを使用 しているので

,海

水 自体 による侵 食

,腐

食 および摩耗 なども問題 となっていると) コンク リー トは

,約pH-13の

アルカ リ性混合物 で あ るため

,酸

によ り容易 に侵 食 され うる。従 って

,酸

(例 えば

,空

気中の炭酸 ガス とか無機 酸 など

)に

よ り中性化 されたコ ンクリー トの中性化量 を調査 した り

,鉄

筋 コン クリー トの腐 食 などの研究 は

,従

来 よ り比較的 多 くなさ れて きて いる:'3) しか し

,侵

食

,摩

耗 によ り変化 した表面状態 を研究 し た例 は少 ない。 しか し

,例

えば

,道

路工学 とか機械工学 の分野 において

,道

路表面の舗 装の仕上 が り状態 及び車 輸 による表面摩耗 の結果生ず る表 面凹凸 が

,自

動車走行 中の人体 に及ぼす影響 を調査 した り

P後

者 においては, 加工 された機械 表 面 の仕 上 が り状 態 を研究 した著書 も ある息) そこで

,前

報°に引き続 きコンクリー トの硫酸溶液中 における侵食促進実験 を行ない,そ の結果を

,改

良 され た表面凹凸測定方法 と,コ ンクリー トの侵食量 を定量化 する中性化法 に重点をおき述べる。 実験および使用材料

1.使

用材料 と供試体の作製・養生方法 使用 した骨材およびセメン トは

,河

砂利

,河

砂および 普通ポル トランドセメン トで,そ れぞれの物理的性質を 第 1表 に, また

,配

合はで きるだけ前国に近似 させ,こ れを第

2表

に示す。 供試体は,10×10×40cmの曲げ試験用型枠で

,各

測定 単位 (1週 間

)4本

づつ作製 し

,成

型後1日で脱型 し, その内の 2本 を水中 (標準

)養

生供試体

,残

り2本 を硫 酸溶液浸漬供試体とし,両 者とも恒温水槽 (20℃ ±2℃) で養生 し,12週 間実験 を行なった。浸漬状態は完全水没 とし

,溶

液濃度は

5%と

定めた。

2.測

定項 目

a.体

積 および重量の変化 第 2表 示方配合 と現場配合

b.曲

げるよび圧縮強度の変化

c.動

弾性係数の変化

d.溶

液の

pHの

変化

e.供

試体の中性化量 (侵食量

)の

変化

f.供

試体表面状態の変化

g.粗

骨材の耐硫酸性状の変化 ただ し,g.に ついては

,コ

ンクリー ト表面に露出 した 粗骨材および内部の骨材が

,侵

食の進行が内部 まで至 る と

,粗

骨材の性状 (体積

,重

量およびスリヘリ抵抗な

D

が変化す ると考えられるので

,こ

のような場合外見上判 読 しがた く

,供

試体の体積るよび重量の変化に影響 を及 ばすか否かを調べ るため

,粗

骨材のみを

5%硫

酸溶液 に 浸漬 し,そ の性状変化を調査 した。 3.中性化量 前報で

,こ

の量 を測定する1方 法 を述べたが

,中

性化 試験は定められているが

,そ

の定量化方法は

,試

案のみ がある

p_般

に

,中

性化量 を推定する中性化平均深 さは, コンクリー トが接する自然条件,セ メントの種類

,配

合, 打込み方法

,打

込み後の取扱いなどの要因によって変化 するが

,水

セメン ト比 との関係力1宋い。そして, コンク リー トの弱点 (例えば

,亀

裂

,気

泡

,水

みちなど

)に

沿 って中性化は進行する。現在まで

,中

性化平均深 さを測 定する方法 としては

,以

下のものがみられる。

1.第

1図 の方法7,研

2.第

2図 の方法働

3.第

3図 の方法 (本実験で採用) 第1表 使用材料の物理的性 質 材 料 名 比 重 吸水率 有効吸水 Fo M.

(%)率

(%) ス リヘ リ 減量 (%) セメン ト 細 骨 材 粗 骨 材 3.15 2.52 2.12 1.55 2.90 2.65 1.36 0.73 7.50Ⅲ 16.14 ■人為的粒度配分による値 最大寸 スランプ 空気量

W/C

細骨材率 法

(IIull) (cm) (%) (%) (%)

セメン ト 細骨材

粗骨材 単位量 (kg/ド) ぁ   ２ ５ 7±1 7±1 1.4 1.4 43.8 43.8 ６５   ６５ 178 273,9 877 6 1074.8 7.98 10.95 35.10 42.99 (潮 下覧は, 1バッチ (10本分40ゼ)1こ対する重量である。

服部九二雄 (1)の方法は

,土

木学会フライアウシュコンクリー ト委 員会が採用 しているもので

,次

式より中性化平均深 さを 求めている。 (a)コ アー側面の場合

t=R―

(S/2Ll)

R:円

柱半径 (cm)

S:着

色部分の面積 (c面)

Ll:供

試体の高さ(側) (b)コ アー切断面の場合 t―

R-7s/π

(C)コ アー両端断面の場合

t=L2 (S/2R)

L2:供

試体の高 さ(硼) (2)の方法は

,コ

ンクリー トカッターによる切断面 を洗 浄後

,表

面がほぼ乾燥 してから筆でフェノールフタレイ ンを塗布 し

,変

色 した部分 としない部分 とを トレーシン グ用紙に写 し

,第

2図 の方法で各隅角部15mullを除いた残 りの面積 をプラニメータで測定 し,そ の面積 を幅70mmで 除 して中性化平均深 さを求めている。 しかし

,両

方法で は硫酸などによって侵食 され原形をとどめず

,且

つ曲げ で切断 されて得 られる断面は平滑でないので

,中

性化平 均深 さの算定は困難 となる。従って

,写

真撮影 した断面 A―A断面 第1図 中性化量 の算定 を利用 す る(3)の方 法 を採用 した。 ただ し,(2)と(3)の方法 は,(1)と異 な り

,中

性化境 界線 近傍 の粗骨材の影響 を考慮 してお らず

,今

後改良すべ き 点で あろ う。

4.表

面状態 の変化 前報で は,10×10cm四 方の石膏複写 したもの をダイヤ ルゲー ジを用 いて2 mm間隔の折返 し測定 を したが、精度 上問題 が残 るとともに

,表

面凹凸測定値 の形状 にひずみ が入 った り

,か

な り測 定 に時 間がかかるので

,第

4図

に 示す よ うな0.5mm間 隔で全測長200mmの 測定方法 を採用 し 中性 化測 定 か ら除 く部分 中性化の面積 測定す る部分 第2図 中性化量 の算定 (単位 :m ll) 初 期 断 面 の 大 き さ タヮン洗 いによ り 除去 された侵食部分 A lc )=10×10-A: t(cm)―(10-海_下)カ 第3図 中性化の定量化 千 日 や_〇 出 １ 中性 化 した部 分 フエ ノールフ タレインで 着色 した部分 Al(ぞ

子

二

象

桑

色

轟

雰

} 中性 化 した 自色 部 分

コンクリー トの硫酸溶液中における侵 食Ⅱ た。 これによれば,オ ッシログラム トレーサ と

AD変

換 器 と穿 孔 機 の連 結 に よっ て

,石

膏 サ ンプルの アナログ 量 (表面凹凸

)を

電 子 計 算 機 に入 力 させ るの に必要 な

FORMATで

直 ちにテープ穿孔 されるので極 めて都合 が良 く

,短

時 間処理 が可能で ある。ただ し

,石

膏 サ ンプ ルの切断面接写 および写真の引 き延 ば しを慎重 に行なっ て も黒 白石膏 の境界の不鮮 明 さは避 け られず, さらに, 上記の器機の精度では,0.5mm以下 の測 定 間隔 は

,写

真 を原 寸大の2倍以上 に引 き延 ば して も境 界の不鮮 明 さが 増すだ けで

,実

際 には不可能で あった。 解析結果 と考察 1・ 重量

,体

積 と溶 液 の

pH変

化 これ らを第5図に示 す。 この図 よ り

,pHの

変 化 に対 応 して重量 および体積 とも1∼6週間 目までほぼ直線的 に減少 し

,等

速度 に侵 食 が進 んで いることがわかる。 し か し

,7週

日以降 は表面 に付着 す る反応生成物 (石膏 な ど

)の

層 力涅 くなるため

,侵

食速度 が鈍 化 していること がわかる。 この反応生成物 の付着厚 さ (表面保護層 とし ての役割 を持つ。)に 関 して は

,第

9図を参照す ることが で きる。

2.曲

げるよ硼王縮強度 と動弾性係数 これ らの変化 を第6図に示す。 この図 よ り硫 酸溶液 に 浸漬 された供試体 が

,相

対 的 に低 い値 を示す とともに, 7週間以降の強度低下 が顕著 となる。 しか し

,曲

げ強度 において供試体作製時 の影響 がかな りはっ きりと現 われ ている。例 えば

,第

2と 7週目の強度 は

,標

準供試体 と 対応 して低 い値 を示 している。 このよ うなバ ラツキをで きるだ け少 な くす るには

,供

試体数 を多 くし

,極

端 な値 を除外 してか ら平均値 を求 める方法 が良 いで あろ う。 第7図に_{, 3つ}の強度 の標準強度 に対 す る比 を示す。 この図 よ り

,動

弾性係 数 が硫酸 による侵 食の影響 を最 も 受 けに くいことがわか る。つ ま り

,動

弾性係数 は

,供

試

ウレ

←囲

←四

←囲

第

4図

表面凹凸の測定方法 俸 切 断 面 黒 イ ン ク混 入 石膏 4ス ヶ_ル 接写 し, 2倍に 引 き延 ばす オッシログラム トレーサで, 変動面 を 追跡 する デxジタル量 に変換 テープまたはカー ド に穿孔する 変動値の特性 を計算す る 12 第5図 0 4 8 12 -― weck―一 体積・重量およびpHの 変化

5 ×10(kg/cご) 服部九二雅 4 8 12 ― weck _一 第6図 曲げ・圧縮強度 と動弾性係数の変化 体内部の欠陥 (例えば,ク ラック

,空

洞

,気

泡など

)に

より影響を受 けやすいが

,本

研究のように室内侵食促進 実験では

,侵

食が表面的なものとなり

,十

分な硫酸溶液 の浸透が達せ られる前に

,反

応生成物 による表面保護層 が形成 されて しまい

,そ

の浸透が妨げられるようになる ので

,供

試体内部 に密実な部分が十分 に残 っている結果, それ程際立った動弾性係数の低下がみ られないのではな いか と考えられる。 逆 に

,曲

げおよび圧縮強度は

,侵

食 による断面縮少の ため次第に強度低下が著 しくなる。

3.中

性化量 前述の方法で測定 した結果を第 8図 に示す。ただ し, 曲げ試験で 2分 された 1つ の断面 についてのみ測定 した ので,そ の結果は幾分信頼 をおきがたいが

,重

量および 体積変化 (第5図 )と 比較すれば

,同

様 な傾向を示 して いるといえる。また

, 6週

日以降は表面保護層の厚 さが 増大するため

,侵

食速度がかなり鈍化 していることがわ かる。 さらに

,中

性化平均深 さを利用 して供試体 に付着 している侵食量 (表面保護層で

,今

後付 着侵食量 と呼 ぶ。)を合めた実際の侵食量 (体積および重量減少率は実 際の侵食量 を意味するものではなく見掛 け上の侵食量 と なる。)を計算上次式で求めてみると第 9図 となる。 S(%)=0.tX12 ta_。 ,06t2+0.45t

S:実

際の侵食量 (%)

ti中

性化平均深 さ(ca) この図より供試体の付着侵食量 を含めた計算上の侵食 量 がかなりの値 となることがわかる。ただ し

,初

期 にお いては

,プ

ラニメータを利用 した面積測定 よりも

,直

接 体積測定より推定 した方が望 しい。つ まり

,初

期 におい て

,タ

ワシ洗 いでほとんどの侵食部分が除去 され

,付

着 。 標 準 強 度 ● 浸 漬 強 度 (%) 0 2 4 6 8 10 12

o Bending Strength Week

● Compressive Strength

o Dynamic Modulus of Elasticity 第7図 標 準 供試体 との強度 比 侵 食量 が極 め て少 ないので

,供

試体 断面 を接写 す る際, 赤紫色 に着色 した部分 と しない部分 (侵食 され た部 分) との境 界 が 明確 で は ないので

,両

方 法 を併 用 して比較 す べ きで あ ろ う。

4.表

面状態 の変化 前述 (第

4図

)の

よ うな測定方法 によ り得 られた表面 凹凸の変動値 を利用 して,自己相関関数

,フ

ー リエ スペ ク トル

,パ

ヮースペ ク トルの計算 を行 ない考察 を加 えた。 ただ し

,原

系列の 自己相関関数 およびフー リエスペ ク ト ルの形状 は

,前

報で述 べたよ うに石膏サ ンプルのセ ッ ト 状態 と測定長 さおよび測 定間隔 による長周期 および短周 期成分 によって周期性の見 い出せ なぃ

,か

な りひず んだ ×102(kg/c ) 0

。。。

_﹁︲

・ ︲︲

_゛

０         ● ヤ ￨ 0_..● ×105(kg/c正) 。 。 i° ° ° ￨。 ° ° ￨

9:丁

:・ご万せ巧扁顧謂 Dynamic Modulus of Elasticity

コンクリー トの硫酸溶液中における侵食] 第8図 中性化面積 と中性化平均深 さ ―

weeX一

第9図 中性化平均深 さよ り求 めた 実際の侵 食量 形状 となった。 そこで

,こ

の よ うな場合

,原

系列 を系列 変換 し

,各

系列 につ いて比較検討 し

,よ

り良 い変換方法 を採用 す ることに した。先ず

,系

列変換 の方法 と しては,

lr)平

均値

=0の

系列 (口

)平

均値

-0,分

散

=1の

系列 ￨〕 移動平均 を施 した系列 を考 えて比較 した。その結果,(イ)およ釧司につ いては原 系列 とほ とん ど変 らない傾 向が得 られたので

,移

動平均 法で系列変換 した系列 について考察を進めた。 さらに, 移動平均項数 を変化 させて得 られる多 くの系列 について, それ らの特性 を比較 し

,最

適の項数を検討 した結果

,項

数が

9以

上で17程度が最適であること力W」明 した。まず, 第10図に自己相関関数の例 を与 える。第■図に対応する フー リエスペ ク トル図を示す。ただ し

,ス

ペ ク トル値は

a)1週

目

(1-B)

残線 :原 系列 実篠 :移 動平均系列

-04b

ピ

６ ｅｅ Ｗ

生

ｍ ｍ ︱ ︱ ﹂ Ｆ ｌ ５。 計算による実際の侵食量 6週目 (6-A) 破 線:原系列 実繰:移動 平 均 系 列 c)12週目(12-A) 破族 :原 系列 実線 :移動平均系列 第10図 自己相関関数の例

服部 九二雄 その最大値で除 して正規化 して ある。 また

,自

己相関関 数およびスペ ク トル図 は

,移

動平均項数 カミ1を基礎 と し ている。 これ らの図 よ り

,経

日す るにつ れ

,周

期性の変 化

,ピ

ー ク周波数 (波長

)の

移行 が うかが える。特 に, 10mm前後の波長 (粗骨材 により生ず る同期成分

)の

移行 に注 目 したい。 1 2 3 45 10 20 30 50 10o 200

L(mm)

1週 目

(1-B)

5 1 2 345 10

-L (mm)―

―

b)6週

目

(6-A)

5.粗

骨材の耐硫酸性状 一般 に

,骨

材 は密実で硫 酸 などに対 し極 めて強い とい われているが

,勿

論骨材の種類 によって異 なる。 そこで, 実際 にはいかなる変化 を呈 す るかを調べ るため

,5%硫

酸溶液 中に浸漬 して週単位 で重量 とス リヘ リ減量の変化 を追跡 した結果 を第12図に示す。 また

,第

3表に

_{, 1%}

硫 酸溶液中 に浸漬 した実験結果の例 を与 える∵)両者 を比 較 して

,浸

漬溶液の濃度差 を考慮 すれば

,本

実験 に使用 した骨材 は

5%硫

駿溶液 によって コンクリー トの体積変 化 などの結果 に多大 な影響 を及ぼす程大 きなもので ない と判 断 され うる。 第3表 石材のC02とH2S04に よる重量減 COE飽和液 に

硫酸

1%溶

液 に 石 材 名 よる重量減

(%)

よる重量減 (%) 0.002- 0.029 0 06 - 0.13 0.004- 0.017 2.63 - 6 63 0,008- 0.087 2.20 - 5 83 0.lX15- 0 104 0.02 - 1.01 0.004 0,07 以上の結果を重複す る部分もあるが,ま とめれば次の よ うになる。

1,体

積 および重量 は

,pHの

変化 と対応 して4∼

6週

目までほぼ直線的に減少 し,それ以降はコンクリー トと硫 岩 石 岩 岩 岩 同 理 灰   板 花 大 石 砂 粘 ％ ３ 括 総

1 2 345

-L

12週目(12-A) 20 30 m 100 200 ︲Ｏ ｍ ｍ 3Cl

02468

-―― weck _―

Oス

リヘ リ減量

0重

量減少量 第12図 粗骨材の硫酸溶液中 における性状の変化 第■図 フー リエスペ ク トルの例

コンクリー トの流酸溶液中における侵食Ⅱ 酸 との反応 生成物 による表面保護層 が厚 くなるため侵 食 速度 が鈍化 し

,か

な りのバ ラツキ とともに一定化傾 向が うかがえる。

2.曲

げおよび圧縮 強度 と動弾性係数は, 3者とも標 準養生供試体 に比較 して相対的 に低 い値 を示 しているが, 動弾性係数は他 の2つの強度 に比較 して

,侵

食の影響 を 最 も受 けに くい。

3.標

準供試体 と強度比較 をす る場 合

,動

弾性係数 に つ いては表面の平滑度

,曲

げ強度 につ いては打込 み時の 影響 の入 り易 さを考 えると

,圧

縮 強度 による比較 が最 も 信頼 がおける。

4.中

性化量 は

,プ

ラニメー タなどの簡略 な面積測定 器 を利用 して

,概

略 的で はあるが十分傾 向 を把握 で きる。

5.実

際の侵 食量 は

,中

性化試験 を利用 しない と得 る ことがで きず

,そ

れによ り得 られた侵 食量 は

, 5週

以降 で

10%以

上 にも達 す る。 6。 原系列の系列変換法 は

,移

動平均法 が最 も適切で ある。特 に,その項数 は9∼17が 最適 で

,こ

れはデー タ 総数 (400)の約

%∼ %に

ホロ当する。

7.フ

ー リエ スペ ク トルなどの解析 結果 か ら侵 食の進 行形態 を推 考す ると次のよ うになる。

lI)打

込 み時 に生ず る表面のモ ル タル部分 (特に型粋 の隅角部

)が

侵 食 され細骨材 が露出す る(1∼ 3週 間) (口

)打

込み時の良否 (粗骨材 などの偏寄 など

)の

状態 によ り侵 食 されやす い部分 が侵食 を受 けて長同期成 分 (ここでは, うね りと呼ぶ

)が

顕著 となって くる (5∼ 7週間)

￨,

最終 的には

,露

出 した粗骨材 が,その周辺 の侵 食 のため突 き出 しが顕者 とな り剣 離 し

,表

面 がなだ ら かにな り中間的 な同期成分 が支配 的 となる。 日 以降 は

,粗

骨材 と細骨材 が混在 した形で侵 食剰 離 を繰返 してい く。 以上のよ うなサ イクルで もって侵 食 が進行 してい くも の と考 えられる。従 って,(6)と関連 して

,移

動平均法 に よって どの様 な同期成分 が抽 出 され

,こ

れ ら力濤円骨材 お よび粗骨材の寸法 とどの様 な関係 を有す るか今後一層研 究す る必要 がある。 その他

,養

生方法

,例

えば

,水

中で2∼

4週

間養生 し た後 に硫酸溶液 に浸漬す る方法 の採用

,骨

材 最大寸法 お よびセ メ ン ト量 の変化の影響

,表

面凹凸の測定方法の改 良

,動

弾性係数測定時 の表面平滑化処理の影響

,圧

縮試 験時のキャッピング有無の影響 などの検討 の必要性 を痛 感 している。 本実験 を遂 行す るに当 り

,昭

不B49年度専攻生森井俊 広, 横川信行両君の多大 なる援 助 と,柘植教授 の御指導,御助 言 に感謝 いた します。 なお

,計

算 には

,鳥

取大学

TOS

BAC-3400/21と

京都大学計算機セ ンター

FACσ M

230-75を 利用 した。 文

献

1)善

一章:海中構 造物病 食の実態 と対策 (第1版), 鹿 島出版会

,東

京 (1974)pp.12∼41

2)森

徹 ・白山和久 ・依 田彰彦 :セ メ ン ト・ コ ンクリ ー ト

,225 27(1965)

3)左

右田孝男・ 山崎寛 司 :セ メ ン ト・コンク リー ト,

138 2(1958)

4)市

原 薫:路面の凹凸 (第1版),技術 書院

,東

京 (1968)pp.20∼61

5)山

本健 太郎:表面 アラサ (第6版),コロナ社

,東

京 (1971)pp.1∼137

6)浜

島九二雄 :,亀大農研報

,28 101(1976)

7)土

木学会 コ ンクリー ト委員会 フ ライア ッシュ小委員 会 :コ ンクリー ト・ ライブ ラリー

,20 2(1968)

8)関

博:土木学会論文報告集

,181 91(1970)

9)上

村克郎 :セ メ ン ト・ コンクリー ト

,273 12(1969)

10)岡田 清・ 明石外世樹・神 山 一・児玉武三:土木 材料学 (第1版),国 民科 単社

,東

京 (1964)pp.70 ∼71