JP2019109095A

JP2019109095A - 断面減少率推定方法および耐荷力推定方法

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Publication number: JP2019109095A
Application number: JP2017241189A
Authority: JP
Inventors: 早野　博幸; Hiroyuki Hayano; 博幸早野; 昂雄落合; Takao Ochiai; 真弥城出; Maya Shirode; 玲江里口; Rei Eriguchi
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: JP7019401B2

Abstract

【課題】実構造物の鉄筋の腐食にともなう膨張ひずみの挙動に基づいて、鉄筋の断面減少率を定量的に把握する。【解決手段】鋼材が腐食することによって減少した鋼材の断面の減少率を推定する断面減少率推定方法であって、前記鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検出することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出する工程と、鋼材の断面減少率と鋼材の腐食膨張によるひずみとの関係を示す予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する鋼材の断面減少率を推定する工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、鉄筋の断面減少率を推定する技術および鉄筋の耐荷力を推定する技術に関する。

ＲＣ（Reinforced Concrete）造やＳＲＣ（Steel Reinforced Concrete）造などの構造物において、鉄筋腐食は構造物の構造性能を大きく低下させる。主に鉄筋は部材に生じる引張応力を負担し、健全な鉄筋の場合は断面積すべてが有効となるが、腐食した場合は鉄が腐食生成物に変わるために腐食部分は力学的に有効とはならず、その分だけ断面減少が生じることになる。

例えば、非特許文献１には、鉄筋が腐食することで断面積が減少し、鉄筋断面減少率の増加にともなって、構造物としての“はり”の耐荷性能が低下することが示されている。すなわち、鉄筋の断面減少率が分かれば、腐食劣化した構造物の現時点での耐荷性能が評価できる。

鉄筋の断面減少率を計測する方法としては、非特許文献２のように、大気中において鉄筋の腐食前と腐食後の腐食部分を取り除いた外形を計測し、断面積の差を断面減少率としているが、この方法では現存するコンクリート構造物中で鉄筋の腐食による断面減少率を測定することはできない。したがって、腐食過程におけるコンクリート中の鉄筋の断面減少率を、鉄筋を取り出さずに推定することができれば、実構造物の耐荷性能を評価することが可能となる。例えば、はりの耐荷力を推定するには、非特許文献１のように鉄筋断面減少率と耐荷力の関係を用いれば良い。

また、特許文献１では鉄筋の腐食を光ファイバセンサにより検知する方法が開示されている。

特開２０１６−１８６４８２号公報

岩波光保、他２名、「鉄筋腐食がＲＣはりの耐荷性能に及ぼす影響」、コンクリート工学年次論文集、Vol.24、2002年、No.2、1501-1506 内田祐介、ほか２名「高強度太径鉄筋の強度性状に及ぼす腐食の影響に関する研究」、コンクリート工学年次論文集、Vol.37、2015年、No.1、979-984

鉄筋の断面減少率は、次の式で求められる。
（（腐食前の鉄筋の断面積）−（腐食部分を取り除いた鉄筋の断面積））／（腐食前の鉄筋の断面積）×１００（％）

しかしながら、上記の鉄筋の断面減少率は、これらの非特許文献では腐食後にコンクリート中から鉄筋を取り出して、腐食生成物を取り除いてから外形を測定して断面積を算出する必要があるため、実構造物においての計測、さらには連続的に計測するのは困難である。

また、特許文献１では、非破壊で鉄筋腐食を検知できるものの定量的に鉄筋の断面減少率を推定できるものではない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、実構造物の鉄筋の腐食にともなう膨張ひずみの挙動に基づいて、コンクリート中の鉄筋の断面減少率を非破壊で定量的に把握することができる断面減少率推定方法および耐荷力推定方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明は、以下の手段を講じた。すなわち、本発明の断面減少率推定方法は、鋼材が腐食することによって減少した鋼材の断面の減少率を推定する断面減少率推定方法であって、前記鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検出することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出する工程と、鋼材の断面減少率と鋼材の腐食膨張によるひずみとの関係を示す予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する鋼材の断面減少率を推定する工程と、を含むことを特徴とする。

このように、鋼材の断面減少率と鋼材の腐食膨張によるひずみとの関係を示す予め定められた関数に基づいて、検出したひずみに対応する鉄筋の断面減少率を推定するので、ひずみが検出することによって鉄筋の断面減少率を求めることが可能となる。これにより、鋼材が腐食した場合の断面減少率を非破壊で定量的に把握することが可能となる。

（２）また、本発明の断面減少率推定方法において、前記予め定められた関数は、コンクリート中で腐食した鋼材に巻き付けられた光ファイバセンサで検出したひずみと当該鋼材の断面減少率を実測して求められた値から特定された関数であることを特徴とする。

このように、予め定められた関数は、実測値に基づくものであるので、正確に断面減少率を把握することが可能となる。

（３）また、本発明の断面減少率推定方法において、前記鋼材は、実コンクリート構造中の鉄筋であることを特徴とする。

このように、実コンクリート構造中の鉄筋に光ファイバセンサを巻き付けるので、非破壊で実構造物の鉄筋断面減少の状況を定量的に把握することが可能となる。

（４）また、本発明の耐荷力推定方法は、上記（１）から（３）のいずれかに記載の断面減少率推定方法により得られた鋼材の断面減少率を用いて、コンクリート構造物の耐荷力を推定することを特徴とする。

この構成により、ここで得られた断面減少率を用いて、構造物モデルを作成してＦＥＭ等の解析を行なうことができる。その結果、腐食によって劣化したコンクリート部材としての耐荷力が推定でき、建設時に比べてどの程度耐荷性能が低下したかを把握することで、構造物の適切な維持管理に役立つことになる。

本発明によれば、予め定められた関数に基づいて、検出したひずみに対応する腐食減少率を推定するので、ひずみが検出できれば腐食減少率を求めることが可能となる。これにより、鋼材の腐食した場合の腐食減少率を定量的に把握することが可能となる。

本実施形態に係る光ファイバセンサのコンクリート中の鉄筋などの鋼材に設置する方法を示す図である。本実施形態に係る腐食センサの概要を示す図である。電気腐食試験の概要を示す図である。光ファイバセンサ６１を巻き付けたみがき棒鋼６０の概要を示す図である。鋼材の断面減少率と鋼材の腐食膨張によるひずみとの関係を示すグラフである。

本発明者らは、腐食による鋼材の腐食膨張と断面減少率との関係に着目し、鋼材に光ファイバセンサを固定し、コンクリート中の腐食環境下において光ファイバセンサのひずみから求めた鋼材の腐食膨張ひずみと鋼材の断面減少率との関係を定式化することによって、鉄筋の断面減少率を把握することができることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明の鉄筋の断面減少率推定方法は、鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検証することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材の腐食膨張ひずみを検出する工程と、鋼材の断面減少率と鋼材の腐食膨張によるひずみとの関係を示す予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する鋼材の断面減少率を推定する工程と、を含むことを特徴とする。

これにより、本発明者らは、鋼材の断面減少率を定量的に把握することを可能とした。以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は、本実施形態に係る光ファイバセンサのコンクリート中の鉄筋などの鋼材に設置する方法を示す図である。構造物の鉄筋５９にひずみを検出する検知部を有する光ファイバセンサ６１が備えられている。これにより、長距離伝送が可能な光信号を用いることができ、非破壊で多点計測を行なうことが可能となる。また、鉄筋５９と光ファイバセンサ６１を被覆する被覆部を備えていても良い。被覆部を備えることによって、鉄筋コンクリート構造物内に設置する前に鉄筋が錆びてしまうことを回避することが可能となる。

図２は、本実施形態に係るひずみセンサの概要を示す図である。図２に示すように、鉄筋などの鋼材に直接光ファイバセンサを設置せずに、別途鋼材に光ファイバセンサ１４を巻き付けた腐食センサ１１として設置しても良い。この腐食センサ１１は、鉄製の鋼材としてのみがき棒鋼１２と、みがき棒鋼１２の表面に巻回され、ひずみを検出する検知部１３を有する光ファイバセンサ１４と、を備えている。腐食センサ１１の埋設深さは、構造物の鉄筋と腐食成分の環境が同等になるよう鉄筋と同じ深さにすることが好ましい。みがき棒鋼１２に代えて、埋設する構造物と同じ鉄筋を用いても良い。また、腐食センサ１１は、みがき棒鋼１２と光ファイバセンサ１４を被覆する被覆部１５を備えていても良い。被覆部１５を備えるので、鉄筋コンクリート構造物内に設置する前にみがき棒鋼１２が錆びてしまうことを回避することが可能となる。

鋼材が腐食すると腐食生成物が生じ、体積膨張が生じる。鋼材に腐食が生じた場合には、光ファイバセンサも引き延ばされるので、光ファイバセンサのひずみを計測すれば鋼材の腐食膨張が検知可能となる。その挙動は、環境条件やコンクリートによって異なるため、光ファイバセンサを鋼材に巻き付ける際には、密着するように、好ましくは引張力が加わるように巻き付ける。これにより、膨張側・収縮側両方のひずみが計測できるようになる。

また、鋼材に光ファイバセンサを巻き付ける際には、光ファイバセンサを、直線状に貼付したり、波状に曲折して貼付したりしても良いが、好ましくは周回するようにらせん状、またはループ状に巻き付ける。異形鉄筋に巻き付ける場合は、リブあるいは節に沿って巻き付けると容易である。周回数は多いほど腐食部分と光ファイバが重なるので早期に検知するが、周回数が多すぎると鋼材への腐食因子の到達を妨げることになる。らせん状に巻く場合の周回数は、目安としてファイバ長（ｍｍ）／鋼材表面積（ｍｍ²）が０．０１〜２である。いずれにしても、鋼材に生ずる腐食の変化を光ファイバセンサが検出できれば良い。また、検知部はＦＢＧ（Fiber Bragg Gratings）センサ等を用いることができ、検知部が長いほど、あるいは多いほど好ましい。

被覆部は、構造物の鉄筋と腐食成分の環境が同等になるよう同じ配合または同じセメント水比であることが好ましい。少なくとも予防的には腐食因子の侵入を妨げないように、また、早期に腐食因子が鋼材に到達するように、水セメント比を構造体コンクリートと同等か高めにする。被覆部は、ひび割れることなく鋼材を保護できるよう、３〜１５ｍｍの厚さのモルタルが好ましい。また、分離やブリーディングが生じないように混和材を使用することが好ましい。

腐食を検出する場合、ダミーセンサを併せて用いることが望ましい。ダミーセンサは、腐食センサ１１の全表面に防錆処理を施したダミーセンサを用いても良いし、または、みがき棒鋼１２と線膨張係数が実質的に同等でかつ鉄筋より腐食しにくい第２の棒材と、第２の棒材の表面に設けられ、ひずみを検出する光ファイバセンサとを備えるダミーセンサを用いても良い。

そして、ダミーセンサを同環境に設置し、ダミーセンサによって腐食以外の要因で生じたひずみを検出し、ダミーセンサで検出したひずみを用いて、検出したひずみを補正しても良い。これにより、例えば、温度ひずみなどの腐食以外の要因で生じたひずみの影響を除去することが可能となる。

すなわち、コンクリートには、温度・湿度やコンクリートの収縮、外力によって様々なひずみが生じる。従って、少なくとも鋼材や腐食センサ１１よりも腐食しにくいダミーセンサを使用し、そのひずみ挙動と比較して腐食を判定する。ダミーセンサは、被覆モルタルにエポキシ樹脂などで被覆し、中性化や劣化因子の侵入を防いで内部の炭素鋼の腐食を防ぐ方法がある。または、炭素鋼と線膨張係数が同等のステンレス（例えば、SUS410など）を使用する。

ここで、光ファイバセンサによって得られた鋼材の腐食膨張ひずみと、予めひずみに対応する鋼材の断面減少率を求めておけば、鋼材の断面減少率を定量的に把握することが可能となる。なお、本明細書では、光ファイバセンサの検出値を腐食膨張ひずみに変換するが、設置方法や対象物が同じであれば光ファイバセンサの検出値そのものと鋼材の断面減少率の関係を求めても良い。

断面減少率は、腐食した鉄筋の腐食部を剥がしたり、クエン酸水素二アンモニウム水溶液により腐食部を溶解させたりして太さを測定すれば良い。また、顕微鏡で切断面を観察して断面減少率を求めても良い。腐食膨張ひずみの量が異なる鋼材を採取し、その断面減少率を測定し、予め、相関性を求めておく。

ここで鉄筋種類や径に応じて、光ファイバセンサのひずみと鋼材の断面減少率の関係は若干異なってくるので、条件ごとに両者の関係を求めてもおくことが好ましい。腐食センサ１１を用いる場合は、その仕様ごとに両者の関係を求めておけば良い。両者の関係は、実験室で求めても良いし、実構造物においてデータを蓄積しても求めても良い。

求められた断面減少率によって、鉄筋を取り出さず、既に知られた鉄筋の断面減少率と耐荷力の関係に基づいて実構造物の耐荷性能を評価することが可能となる。

[検証例]
次に、検証例について説明する。図３は、電気腐食試験の概要を示す図である。直径３０ｍｍで長さが３５０ｍｍのみがき棒鋼６０（JIS G3108）を用いる。このみがき棒鋼６０の体積はＶとする。表１の光ファイバセンサ６１（φ150μm）を巻き付け、ケーブル６２を接続して、コンクリート６４に埋め込む。その際、水平方向のかぶりを左右均等に１３５ｍｍとし、深さ方向のかぶりを上端から５０ｍｍ、および下端から２２０ｍｍとする。これを供試体６６とし、この供試体６６を、内法が３１０ｍｍの容器６９内で水没させて、水中で供試体から１０ｍｍ離れた位置に、陰極材としての銅板電極６８を設ける。銅板電極６８は、幅が１００ｍｍであり、長さが３００ｍｍであり、ケーブル７０が接続されている。また、供試体６６上で、銅板電極６８と対向する位置に防水型ゲージ７２を設置する。

図４は、光ファイバセンサ６１を巻き付けたみがき棒鋼６０の概要を示す図である。みがき棒鋼６０のうち、両端の２０ｍｍの部分はコンクリートの外部にあり、それ以外がコンクリート中にあるものとする。コンクリート中の部分を区間１から区間８に分割し、各区間で光ファイバセンサ６１によるひずみの測定を行なう。すなわち、みがき棒鋼６０において、コンクリート中にある部分は、（３５０ｍｍ−４０ｍｍ）より、３１０ｍｍである。

光ファイバセンサ６１の巻き付け方は、以下の通りである。すなわち、コンクリート中において端部から２０ｍｍの部分から巻き始められ、１周するごとにみがき棒鋼６０の長手方向に２５ｍｍ進むように巻き付ける。各区間は、１０ｍｍの間隔を有する。みがき棒鋼に対する光ファイバケーブルの巻き方は、一定の張力下、例えば、巻き付け時に多少の引張ひずみが出ていることを確認した上で、巻き付け作業を行ない、測定部の両端は接着剤で固定する。その結果、コンクリート中のみがき棒鋼６０では、両端から２０ｍｍの部分が２つ、光ファイバセンサが１周巻き付けられる２５ｍｍの部分が８つ、各区間の間隔として１０ｍｍの部分が７つで、合計３１０ｍｍとなっている。このみがき棒鋼をコンクリート（水セメント比60％，28日圧縮強度41N/mm²）に埋め込んだ。脱型後、コンクリートから露出した棒鋼は腐食しないように被覆処理し、材齢２２日まで湿潤養生を行なった。

図３および図４に示したように、コンクリート試験体を２０℃一定の水中に浸漬し、陰極材となる銅板を配置して、みがき棒鋼６０を陽極材として２００ｍＡの一定電流による電食試験を行なった。試験中には８区間において、光ファイバセンサによりみがき棒鋼６０の腐食膨張ひずみを連続的に計測した。

光ファイバセンサにおいて、以下の式により、波長からひずみに変換し、腐食によるひずみの変化を確認した。

ここで、ε：ひずみ（μ）、λ：測定時の波長（ｎｍ）、λ^*：初期波長（ｎｍ）である。

コンクリートにひび割れ発生後、試験体のコンクリート部分を除去してみがき棒鋼６０を取り出し、６０℃の１０％クエン酸水素二アンモニウム水溶液に浸漬させ、腐食生成物を除去した。試験前および腐食生成物を除去後に、ノギスを用いてみがき棒鋼６０の直径を各区間でそれぞれ１０点計測して、平均直径から断面積をそれぞれ算出し、腐食後における断面減少率を算出した。

その結果、表２に示すように試験終了時の８区間はそれぞれ腐食の状態は異なり、腐食膨張ひずみおよび断面減少率の結果は各区間で異なる値となった。光ファイバセンサはらせん状に設置しているため、円周方向に換算して鉄筋の腐食膨張ひずみとした。

図５は、鋼材の断面減少率と鋼材の腐食膨張によるひずみとの関係を示すグラフである。図５に示すように、８区間における鉄筋の断面減少率と腐食膨張ひずみの関係は、「ｙ＝２９．８ｅ^{９．９９９}Ｘ」という関数が得られた。この結果から明らかなように、光ファイバセンサで計測したコンクリート中の腐食膨張ひずみが分かれば、鉄筋の断面減少率が推定でき、構造物モデルを作成してＦＥＭ（Finite Element Method）等の解析を行なう方法などで内部鉄筋が腐食した構造物としての構造耐力の評価もできる。

以上説明したように、本発明によれば、予め定められた関数に基づいて、光ファイバにより検出したひずみに対応する鉄筋の断面減少率を推定するので、ひずみを検出することによって断面減少率を求めることが可能となる。これにより、鋼材の断面減少率を定量的に把握することが可能となる。

１１腐食センサ
１２、６０みがき棒鋼
１３検知部
１４、６１光ファイバセンサ
１５被覆部
５９鉄筋
６２ケーブル
６４コンクリート
６６供試体
６８銅板電極
６９容器
７０ケーブル
７２防水型ゲージ

Claims

鋼材が腐食することによって減少した鋼材の断面の減少率を推定する断面減少率推定方法であって、
前記鋼材の表面に光ファイバセンサを固定させる工程と、
前記光ファイバセンサ中を伝搬する光波の特性変化を検出することによって、腐食生成物の発生による前記鋼材のひずみを検出する工程と、
鋼材の断面減少率と鋼材の腐食膨張によるひずみとの関係を示す予め定められた関数を用いて、前記検出したひずみに対応する鋼材の断面減少率を推定する工程と、を含むことを特徴とする断面減少率推定方法。
前記予め定められた関数は、コンクリート中で腐食した鋼材に巻き付けられた光ファイバセンサで検出したひずみと当該鋼材の断面減少率を実測して求められた値から特定された関数であることを特徴とする請求項１記載の断面減少率推定方法。
前記鋼材は、実コンクリート構造中の鉄筋であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の断面減少率推定方法。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の断面減少率推定方法により得られた鋼材の断面減少率を用いて、コンクリート構造物の耐荷力を推定することを特徴とする耐荷力推定方法。