JP2008128734A - コンクリート中鋼材の腐食検知素子 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、正確にコンクリート中の鋼材の腐食を判断することができるコンクリート中鋼材の腐食検知素子を提供する。
【解決手段】絶縁基板２０上に配線された金属製のセンサ配線２６と、センサ配線２６が接続されているとともに外部の配線につながれた電極２４，２８と、コンクリート１２中の鋼材表面の保護皮膜と同様の組成でセンサ配線２６を被覆した保護皮膜３８とを備える。保護皮膜３８は、鉄または鋼の薄膜を強酸化剤が存在する環境下や強アルカリ環境下に置いて形成した不動態膜（ＦｅＯＯＨ）である。センサ配線２６上の保護皮膜３８を、コンクリート１２中に露出させて埋設する。
【選択図】図１

Description

この発明は、コンクリート構造物中の鉄筋や鉄骨等の鋼材の腐食状態を検知するコンクリート中鋼材の腐食検知素子に関する。

通常、コンクリート中の鉄筋は、コンクリート中の水酸化カルシウムと若干の水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを含む強アルカリ環境下にあり、鉄筋の表面は水酸化鉄から成る薄い酸化皮膜の不動態膜で覆われ安定している。しかし、大気中の炭酸ガスやその他の酸性物質がコンクリートに作用し、長年の間にコンクリート中のアルカリ性は失われ中性化してしまう。この状態のコンクリート中では、元々存在していた塩化物イオン（Ｃｌ⁻）や外部から侵入する塩化物イオンにより、鋼材表面の不動態皮膜が破壊され、鋼材が活性態に変化し、徐々に腐食が始まる。特に近年、除塩処理が不十分な海産骨材を使用したり、潮風によって運ばれる海塩粒子が雨水に溶解してコンクリート中に浸透蓄積し、予想よりも早くコンクリート中の鋼材が腐食するケースが多数報告されている。

この腐食の態様である鉄のいわゆる赤錆（Ｆｅ_２Ｏ_３）層は多孔質であるため、鉄表面に赤錆層が形成されても、腐食を抑制する効果が小さく、下地の鉄面では腐食が絶えず進行する。また、赤錆は鉄の約２．５倍の体積を占めるため、その膨張圧がコンクリートのひび割れと剥離を引き起こし、これらが腐食の進行を一層加速し、ついにはコンクリート構造物の強度の低下という重大な問題を引き起こす。従って、コンクリート中の鋼材の腐食状況を正確に検知する方法が要求されている。

従来、コンクリート中鋼材の腐食検知素子としては、例えば特許文献１に開示されているように、コンクリート中に鋼材と同質材料の細線を埋設し、この細線の両端の電位差を測定して、腐食による断線を検知しコンクリート中の鋼材の腐食状態を予測する方法が提案されている。また、特許文献２に開示されているように、細線状の貴金属被覆チタンワイヤを鉄筋に接続し、このワイヤと鉄筋との電位を測定してコンクリート中の鉄筋等の劣化を検出する方法も提案されている。その他、特許文献３に開示されているように、一端がコンクリート中の鉄筋に接続され、電気信号により振動するセンサ素子が鉄筋電極と鉄筋との間に挟持され、センサ素子の振動で鉄筋電極が鉄筋に接続され、鉄筋電極とコンクリート表面の照合電極の間で電圧を測定して、鉄筋の腐食程度を判定するものもある。
特許第３２０５２９１号公報 特許第３３９７７２２号公報 特開２００３−２６２６３１号公報

しかしながら、前記特許文献１の腐食検知装置の場合、鋼材と同質材料の細線の腐食による断線または電位変化を検知するものであり、細線の酸化進行度合いにばらつきが大きく、正確な予測が難しいものである。さらに、コンクリート工事施工時に細線を切断してしまうなど、センサとしての信頼性に欠ける等の欠点もある。また、特許文献２、３の場合も、電極間の電位から鉄筋の状態を予測するものであり、ばらつきの幅が大きいものである。

この発明は、上記従来の技術に鑑みて成されたもので、簡単な構成で、正確にコンクリート中の鋼材の腐食を判断することができるコンクリート中鋼材の腐食検知素子を提供することを目的とする。

この発明は、コンクリート中に埋設して、コンクリート中の鋼材の腐食を検知する腐食検知素子であって、絶縁基板上に配線された金属製のセンサ配線と、このセンサ配線が接続されているとともに外部の配線につながれた電極と、前記コンクリート中の鋼材表面の保護皮膜と同様の組成で前記センサ配線を被覆した保護皮膜とを備え、前記センサ配線上の保護皮膜を前記コンクリート中に露出させて埋設するコンクリート中鋼材の腐食検知素子である。

前記保護皮膜は、鉄または鋼の薄膜を強酸化剤の存在する環境や強アルカリ環境下において形成した水酸化鉄から成る不動態膜（ＦｅＯＯＨ）、またはこの不動態膜と同様の防錆防蝕機能を有する薄膜である。前記絶縁基板は、開口部を有したセラミックや硬質樹脂、その他硬質材料のケース中に密封され、前記ケースに形成された開口部に、前記センサ配線を被覆した保護皮膜が露出して成る。

この発明のコンクリート中鋼材の腐食検知素子は、鋼材と同一組成または同程度の強度や耐久性を備えた金属薄膜回路と、鋼材表面を被覆して保護している皮膜と同様の保護皮膜とにより、コンクリート中の腐食状態を検知するもので、鋼材と同様の条件で、正確に腐食またはその可能性を検知することができる。また、素子の構造も簡単であり、強度も高いので、コンクリート中に埋設して、長期間のモニタリングも可能である。また、コストも安価に製造可能であり、コンクリート構造物中に多数埋設して、正確な腐食予測及び検知が可能となる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。この実施形態のコンクリート中鋼材の腐食検知素子１０は、図１に示すように、平板状のチップ型素子であって、コンクリート１２中に埋設して使用する。この腐食検知素子１０は、平板状セラミックスや硬質樹脂等の下ケース１４と、同様の厚さ及び大きさの上ケース１６に挟まれて構成されている。上ケース１６には、平面開口部１８が設けられ、下ケースと等しい大きさに形成されている。

下ケース１４の表面には、シリコン基板２０が取り付けられている。シリコン基板２０の表面には、図１に示すように、外側に四角形状に基準配線２２が形成され、両端部がシリコン基板２０の一端縁部に位置して各電極２４に各々接続されている。基準配線２２の材料は、銅や鉄または鋼、アルミニウム等適宜選択可能である。

基準配線２２の中央部には、センサ配線２６がつながっている。センサ配線２６は、鋼材と同様の鋼、または銅や鉄等の金属薄膜による配線であり、基準配線２２と同材料の場合同時に形成すると良い。特に、コンクリート１２中の鋼材と同材料の鋼製の薄膜とすることにより、条件が鋼材と同様になりより好ましい。センサ配線２６の形状は、基準配線２２の中央部で１本につながった形状でシリコン基板２０の中央部では３本に分かれ、シリコン基板２０の一端縁部で１本にまとまり、２つの電極２８に分かれてセンサ配線２６の基端部と電極２８が接続している。これにより、センサ配線２６を挟んで、電極２４と電極２８が位置し、電極２４，２８は、各々同電位で一対ずつ設けられている。

センサ配線２６は、３本に分かれた部分が上ケース１６の開口部１８から露出し、コンクリート１２中に露出して埋設される。開口部１８の外側に位置した、センサ配線２６、基準配線２２、電極２４，２８、及びシリコン基板２０の表面部分は、上ケース１６により密閉状態で覆われている。また、電極２４，２８には、下ケース１４上に配線された接続配線３０に各々つながれ、下ケース１４の一端部に設けられたコネクタ３２の図示しない端子に接続されている。

上ケース１６から露出したセンサ配線２６の表面には、コンクリート１２中の鋼材表面の不動態膜である保護皮膜と同様の保護皮膜３８により覆われている。保護皮膜３８は、鋼材表面の不動態膜（ＦｅＯＯＨ）である。この保護皮膜３８の形成は、シリコン基板２０表面に、真空蒸着やスパッタリング等により鉄または鋼の薄膜によるセンサ配線２６を形成した後、シリコン基板２０表面のセンサ配線２６を、強酸化剤の存在する環境や強アルカリ環境下において形成する。

コネクタ３２には、コンクリート１２内に配管された導管３４の一端がつながれ、コンクリート１２の表面のコネクタ３６に、導管３４の他端が接続されている。導管３４内には、コネクタ３２に接続された二対の各電極２４，２８に接続された図示しない配線が挿通されている。コンクリート１２表面のコネクタ３６には、図示しないコネクタにより、検知用の配線コネクタが接続され、測定装置３９を介してコンピュータ４０等により信号が送信されるとともに、測定データが解析される。

次に、この実施形態の腐食検知素子１０による、コンクリート中鋼材の腐食検知の原理について以下に説明する。

コンクリート中の鉄筋や鉄骨等の鋼材は、上述のように強アルカリ性の環境で埋設されている。これは、建設時のコンクリートは以下のように、
Ｃａ（ＯＨ）_２＝Ｃａ^２＋＋２ＯＨ⁻
となり、コンクリート内で水酸基（ＯＨ⁻）が電離していることによる。しかし、コンクリートは外部から二酸化炭素（ＣＯ_２）を吸収し、時間の経過とともにコンクリートの中は中性化が進行する。この反応は、以下の通りである。

ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２ＣＯ_３→２Ｈ^＋＋ＣＯ_３ ^２−
この水素イオンＨ^＋がコンクリート中の水酸基ＯＨ⁻と中和して、水（Ｈ_２Ｏ）になる。この結果アルカリを示す水酸基（ＯＨ⁻）がどんどん減少し、コンクリートの中は徐々に中和していく。さらに、コンクリート中の塩化物イオン（Ｃｌ⁻）は、鋼材表面の不動態膜（ＦｅＯＯＨ）を破壊し、徐々に酸化による腐食が始まる。ここで生じる酸化鉄は赤錆が主体であり、条件によっては黒錆の発生もある。しかし、鉄または鋼と比較して黒錆の電気抵抗値はかなり大きく（１０^３〜１０^４Ω）、赤錆にいたってはほぼ絶縁物であると言える。

そこで、この腐食検知素子１０においては、鉄または鋼のセンサ配線２６の表面に、不動態膜（ＦｅＯＯＨ）から成る保護被膜３８を形成した状態で、コンクリート１２中に腐食検知素子１０を埋設する。この後、コネクタ３６に測定装置３９を介してコンピュータ４０からの配線を接続し、センサ配線２６の状態を検知する。このとき、電極２４，２８に測定装置３９及びコンピュータ４０からの配線を接続する。対になった電極２４，２８が二対設けられているのは、腐食以外の要因による断線で、検知不能になることを防止するための安全策である。また、電極２４，２８間にかける電圧は、交流電圧を印加して、微小断線による容量の形成を検知する方が、直流電圧により単に断線を検知するよりも高精度に腐食を検知することができる。

この腐食検知素子１０は、検知対象であるコンクリート中に埋設してコンクリート中の鋼材表面の保護皮膜と同様の保護皮膜３８をセンサ表面の開口部１８に露出させ、その下に鉄や鋼によるセンサ配線２６を配置し、保護皮膜３８が破られると、鉄等のセンサ配線２６が直接腐食され、抵抗値が変化しついには断線する。さらに、断線後も腐食の程度により、断線箇所の間隔が異なり、この隙間による静電容量が異なることから、交流電圧を電極２４，２８間に印加して検知することにより、腐食の程度を知ることができる。

この実施形態の腐食検知素子１０の使用方法は、コンクリート１２の打設時に、適宜の箇所にこの腐食検知素子１０を固定し、コンクリート１２中に埋設する。埋設深さは、コンクリート中鋼材のコンクリートかぶり深さと同じ程度にする。また、コンクリート中鋼材のコンクリートかぶり深さより浅い位置に埋設して、表面側のコンクリート状態を検知しても良く、この腐食検知素子１０を深さ方向に複数用意し、コンクリート構造物中の鋼材のコンクリートかぶり深さよりも浅い位置から順次深い位置に埋設して、コンクリート状態の深さ方向の変化を検知するようにしても良い。

この実施形態の腐食検知素子１０によれば、コンクリート１２中の鋼材と同様の保護皮膜３８をコンクリート１２中に露出させてコンクリート１２中に埋設させ、鋼材の保護皮膜３８の破壊を直接的に検知するのと同様の精度で、腐食を検知することができるものである。

なお、この発明のコンクリート中鋼材の腐食検知素子は上記実施形態に限定されるものではなく、センサ配線は、鉄や鋼以外に銅やその他の金属でも良く、コンクリート中で腐食が進行可能なものであればよい。さらに基準配線の形状およびセンサ配線の形状も図示した形状にこだわる必要はなく、状況や用途に応じて適宜の形状を選択し得るものである。また、センサ配線等を形成する基板はシリコンに限定されるものではなく、ガラス等の絶縁物であれば良い。その他、鋼材とセンサ配線の保護皮膜は、水酸化鉄の保護皮膜以外に、薄い樹脂被膜でも良く、測定対象の鋼材の保護皮膜と同様の機能、耐久性を有した保護皮膜をセンサ配線に形成したものであれば良く、その形成方法や、保護皮膜の種類は適宜測定対象の鋼材に合わせて選択可能なものである。

この発明の一実施形態のコンクリート中鋼材の腐食検知素子の上ケース取り付け前の平面図である。 この発明の一実施形態のコンクリート中鋼材の腐食検知素子の図１に上ケースを取り付けた状態のＡ−Ａ断面図である。 この発明の一実施例のコンクリート中鋼材の腐食検知素子の使用状態を示す概略図である。

符号の説明

１０ 腐食検知素子
１２ コンクリート
１４ 下ケース
１６ 上ケース
１８ 開口部
２０ シリコン基板
２２ 基準配線
２４，２８ 電極
２６ センサ配線
３８ 保護皮膜

Claims (3)

1. コンクリート中に埋設して、コンクリート中の鋼材の腐食を検知する腐食検知素子において、絶縁基板上に配線された金属製のセンサ配線と、このセンサ配線が接続されているとともに外部の配線につながれた電極と、前記コンクリート中の鋼材表面の保護皮膜と同様の組成で前記センサ配線を被覆した保護皮膜とを備え、前記センサ配線上の保護皮膜を前記コンクリート中に露出させて埋設することを特徴とするコンクリート中鋼材の腐食検知素子。
2. 前記保護皮膜は、鉄または鋼の水酸化鉄から成る不動態膜、またはこの不動態膜と同様の機能を有する薄膜から成ることを特徴とする請求項１記載のコンクリート中鋼材の腐食検知素子。
3. 前記絶縁基板は、開口部を有した硬質のケース中に密封され、前記ケースに形成された開口部に、前記センサ配線を被覆した保護皮膜が露出して成る請求項２記載のコンクリート中鋼材の腐食検知素子。
   
   

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