鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステム
【課題】原位置にセンサを常設し、任意の期間や間隔でモニタリングを行って収集した情報を用いることにより、精度の高い予測を行える鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムを提供すること。
【解決手段】部材２内に埋設された鉄筋４を複数の鉄筋要素２７に区分し、コンクリート６に、照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１が格納されたセンサボックス５を埋設する。コンピュータ１９は、腐食モニタ１７、切替装置１５を制御し、センサボックス５内のセンサ類を用いて、電気化学的性質等を測定する。そして、電気化学的性質や部材２の周辺環境に関するデータを用いて、鉄筋４の腐食の有無、鉄筋４の位置での部材２の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間、鉄筋位置に部材の中性化が達するまでの時間、鉄筋２の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する。
【解決手段】部材２内に埋設された鉄筋４を複数の鉄筋要素２７に区分し、コンクリート６に、照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１が格納されたセンサボックス５を埋設する。コンピュータ１９は、腐食モニタ１７、切替装置１５を制御し、センサボックス５内のセンサ類を用いて、電気化学的性質等を測定する。そして、電気化学的性質や部材２の周辺環境に関するデータを用いて、鉄筋４の腐食の有無、鉄筋４の位置での部材２の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間、鉄筋位置に部材の中性化が達するまでの時間、鉄筋２の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンクリート構造物内部の鉄筋の腐食を予測する手段としては、鋼線を埋め込み、その電気抵抗を測定することで、腐食状況を直接把握する方法がある。また、自然電位や分極抵抗等、腐食速度を左右する要因を測定して、腐食速度を間接的に予測する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１０７０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、腐食速度を決定付けるいくつかの項目を、単独または複数の機能を持つセンサを使って個別に、断片的に測定しているため、得られる情報が偏っている。また、腐食速度の予測方法についても、技術的に確立していないため、精度の高い予測は困難であった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、原位置にセンサを常設し、任意の期間や間隔でモニタリングを行って収集した情報を用いることにより、精度の高い予測を行える鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するための第１の発明は、鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の時間間隔で電気化学的性質を測定する工程（ａ）と、前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する工程（ｂ）と、前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する工程（ｃ）とを具備することを特徴とする鉄筋腐食の予測方法である。
【０００７】
センサは、部材の表面または鉄筋の近傍に設置される。センサは、少なくとも、照合電極および対極を含むものとする。さらに、コンクリート抵抗計、コンクリート温度計等を設けてもよい。これらのセンサは、例えば、センサボックス内に格納される。工程（ａ）で測定する電気化学的性質とは、自然電位、コンクリート抵抗、分極抵抗、分極曲線等である。部材の周辺環境に関するデータとは、部材表面に撒かれる塩分量、部材のＷ／Ｃ、鉄筋のかぶり厚、雰囲気温度、雰囲気湿度等である。
【０００８】
工程（ｃ）における所定量は適宜設定される。工程（ｃ）では、例えば、鉄筋の腐食量が部材にひび割れが生じる限界腐食量に達するまでの時間や、鉄筋の断面欠損が指定の割合に達するまでの時間等を予測する。
【０００９】
部材の周辺には、必要に応じて、直方体や円柱形のダミー試験体が設置される。ダミー試験体を設置した場合、例えば、工程（ｃ）で、ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食電流量を測定し、この腐食電流量を用いて予測精度を高める。また、工程（ｂ）で、ダミー試験体の塩化物イオン含有量と中性化深さとを測定し、塩化物イオン含有量と中性化深さとを用いて予測精度を高める。さらに、工程（ｃ）で、ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食量および腐食電流量を測定し、腐食量および腐食電流量を用いて予測精度を高める。
【００１０】
工程（ｂ）、工程（ｃ）では、従来から提案されている各種の式やモデルを用いて予測を行う。工程（ｃ）では、例えば、電気化学的性質を用いて算出された、鉄筋から生じる腐食電流量と、鉄筋近傍への酸素の供給速度によって決定される限界電流量とのうち小さい方を用いて予測を行うことができる。
【００１１】
第２の発明は、鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の間隔で電気化学的性質を測定する装置と、前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する手段と、前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する手段とを具備することを特徴とする鉄筋腐食のモニタリングシステムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、原位置にセンサを常設し、任意の期間や間隔でモニタリングを行って収集した情報を用いることにより、精度の高い予測を行える鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。構造物の耐久性を内部の鉄筋の腐食量から考えた場合、（１）鉄筋が腐食する環境に至るまでの期間（潜伏期）、（２）鉄筋が腐食をはじめ、腐食ひび割れが起こるまでの期間（進展期）、（３）さらに腐食が進み、耐力上問題となるまでの期間（加速期）に分けられる。第１の実施の形態では、モニタリングシステムを用いて、現在、鉄筋が腐食しているかどうかの判断、潜伏期の終わりまでの時間の予測、進展期の終わりまでの時間の予測等を行う。
【００１４】
図１は、鉄筋腐食のモニタリングシステムＡの概要図である。図１に示すように、モニタリングシステムＡは、センサボックス５、切替装置１５、温度計２３、湿度計２５、腐食モニタ１７、コンピュータ１９等からなる。
【００１５】
部材２は、鉄筋４とコンクリート６からなる鉄筋コンクリート部材であり、センサボックス５は、部材２を構築する際に、鉄筋４の近傍に設置され、コンクリート６に埋設される。センサボックス５内には、照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１が、測定面が鉄筋４と対向するように配置される。
【００１６】
照合電極および対極７は、鉄筋４を作用極として、自然電位、分極曲線と分極抵抗を測定する。コンクリート抵抗計９は、コンクリート抵抗を測定する。コンクリート温度計１１（熱電対）は、コンクリート６の内部温度を測定する。温度計２３および湿度計２５は、部材周辺３５の雰囲気温度・湿度を測定する。照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１は、センサボックス５内に格納できる大きさのものとする。センサボックス５は、コンクリート６の機能を損なうことのない材質および大きさとする。
【００１７】
照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１は、ケーブル１３ｂで、切替装置１５に接続される。温度計２３および湿度計２５は、ケーブル２１で、切替装置１５に接続される。切替装置１５は、ケーブル１３で腐食モニタ１７に接続され、腐食モニタ１７は、ケーブル１３でコンピュータ１９に接続される。温度計２３、湿度計２５、切替装置１５、腐食モニタ１７、コンピュータ１９は、計測ボックス８に格納するのが望ましい。
【００１８】
図２は、モニタリングシステムを設置した構造物１の断面図である。図２に示すように、センサボックス５の設置位置３は、構造物１の部材２の複数箇所に設けられる。計測ボックス８は、例えば、構造物１内に配置される。また、構造物１付近には、必要に応じて、複数のダミー試験体１４、複数の円柱試験体１６が配置される。計測ボックス８、ダミー試験体１４、円柱試験体１６は、センサボックス５設置位置３に近く、かつ、できるだけアクセスのしやすい場所に設置される。
【００１９】
図３は、ダミー試験体１４の断面図である。図３に示すように、ダミー試験体１４は、例えば、鉄筋４１を埋設したコンクリート４５を直方体に成形し、部材２の表面に相当するコンクリート表面３９を除く各面にエポキシ樹脂塗装３７を施したものとする。ダミー試験体１４には照合電極および対極７が埋設される。
【００２０】
ダミー試験体１４の一部の鉄筋４１には、腐食電流の測定を行うための処理が施される。すなわち、図３に示すように、エポキシ樹脂等の絶縁体４９で鉄筋４１を複数に分割し、複数に分割した鉄筋４１に、それぞれリード線（図示せず）を取付ける。円柱試験体１６の一部にも、腐食電流の測定を行うために、同様の処理を施した鉄筋が埋設される。ダミー試験体１４、円柱試験体１６の仕様の詳細については、後述する。
【００２１】
構造物１にモニタリングシステムＡを設置する際、図１に示すように、構造物１に設置された複数のセンサボックス５内の照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１は、それぞれ、ケーブル１３ｂ、ケーブル１３ｃ、ケーブル１３ｄ…等で切替装置１５に接続される。また、ダミー試験体１４に埋設された照合電極および対極７は、ケーブル１３ａで切替装置１５に接続される。さらに、ダミー試験体１４、円柱試験体１６の鉄筋に腐食電流量を測定するために取付けたリード線（図示せず）も、切替装置１５に接続される。
【００２２】
図１に示すモニタリングシステムＡでは、コンピュータ１９を用いて腐食モニタ１７、切替装置１５を制御することにより、構造物１に埋設されたセンサボックス５内のセンサ類、ダミー試験体１４に埋設された照合電極および対極７（図３）、ダミー試験体１４や円柱試験体１６の鉄筋に取付けたリード線（図示せず）、温度計２３および湿度計２５を用いて、任意の期間、任意の間隔・回数で、各種データを収集する。
【００２３】
図４は、鉄筋４の腐食速度に関わる要因を示す図である。図４に示すように、鉄筋４の腐食速度は、部材２への酸素・水分の供給条件、コンクリート６の調合、鉄筋４のかぶり厚さ、部材周辺３５の温度・湿度等の材料・環境条件により左右される。モニタリングシステムＡによる鉄筋４の腐食状態の予測では、これらの条件により決定される酸素供給量、コンクリート抵抗、分極曲線・抵抗、中性化深さ、塩化物イオン量等のデータが用いられる。
【００２４】
図５は、モニタリングシステムＡでの予測に用いられる実測値と、得られる予測値とを示す図である。図５に示すように、モニタリングシステムＡでは、構造物１について、実測値として、自然電位５５、コンクリート抵抗５７、構造物１の表面に撒かれる塩分量５９、Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１、雰囲気湿度６３、雰囲気温度６５、分極抵抗６７を取得する。
【００２５】
自然電位５５、分極抵抗６７は、照合電極および対極７（図１）で測定される。コンクリート抵抗５７は、コンクリート抵抗計９（図１）で測定される。構造物１の表面に撒かれる塩分量５９は、塩分の散布時に取得される。Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１には、設計値を用いる。雰囲気湿度６３、雰囲気温度６５は、湿度計２５、温度計２３（図１）で測定される。
【００２６】
モニタリングシステムＡでは、自然電位５５、コンクリート抵抗５７の値に基づいて、構造物１の鉄筋４の腐食状態を評価する。腐食状態の評価には、分極抵抗６７を併用してもよい。評価基準には、従来のものを用いることができる。
【００２７】
鉄筋４の腐食が潜伏期５１である場合、構造物１の表面に撒かれる塩分量５９、Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１、雰囲気湿度６３、雰囲気温度６５に基づいて、鉄筋４の位置での塩分量が限界塩分量（１．２ｋｇ／ｍ３）に達するまでの時間ｔ１と鉄筋４の位置まで中性化が達するまでの時間ｔ３とを予測する。
【００２８】
限界塩分量は、鉄筋４に腐食が生じるとされる塩化物イオン量であるため、時間ｔ１は、鉄筋４の腐食の潜伏期５１が終わるまでの時間、すなわち、進展期５３に入るまでの時間となる。時間ｔ１は、経験式や実験式に基づいて簡便な方法で予測してもよいし、コンピュータシミュレーションによる解析などにより詳細に検討して予測してもよい。時間ｔ１の予測には、例えば式（１）が用いられる。
【００２９】
Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ０［１−ｅｒｆ｛ｘ／２（Ｄ・ｔ）１／２｝］＋Ｃ（ｘ，０）……（１）
【００３０】
ここで、Ｃ（ｘ，ｔ）は深さx（ｃｍ）・時刻ｔ（年）における塩化物イオン濃度（ｋｇ／ｍ３）、Ｃ（ｘ，０）は初期含有塩化物イオン濃度（ｋｇ／ｍ３）、Ｃ０は表面塩化物イオン濃度（ｋｇ／ｍ３）、Ｄは塩化物イオンの見掛けの拡散係数（ｃｍ2／年）、ｅｒｆは誤差関数である。
【００３１】
式（１）の中で、Ｃ０は、撒かれる塩分量５９と従来の予測式から算出される。また、Ｄは、Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１、雰囲気湿度６３、従来のモデルから算出されるほか、簡便なものとして式（２）を用いてもよい。
【００３２】
ｌｏｇＤ＝｛４．５（Ｗ／Ｃ）２＋０．１４（Ｗ／Ｃ）−８．４７｝＋ｌｏｇ（３．１５×１０７）……（２）
【００３３】
鉄筋４付近まで中性化が達すると、鉄筋４の腐食が開始するとされるため、鉄筋４の位置に中性化が達するまでの時間ｔ３を求めることにより、鉄筋４の腐食の潜伏期５１が終わるまでの時間、すなわち、進展期５３に入るまでの時間を予測できる。鉄筋４の位置まで中性化が達するまでの時間ｔ３は、Ａ・ｔ１／２則に基づいた進行予測式から算出する（Ａは中性化速度係数）。中性化の進行速度は、従来の数種類の式から総合的に求めるのが望ましい。
【００３４】
鉄筋４の腐食が進展期５３である場合、分極抵抗６７を用いて、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２を予測する。限界腐食量は、鉄筋４の腐食によって部材２にひび割れが生じる腐食量であるため、時間ｔ２は、進展期５３が終わるまでの時間、すなわち、加速期に入るまでの時間となる。
【００３５】
限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２は、年間の腐食量Ｗと限界腐食量Ｗｃｒとから算出できる。年間の腐食量Ｗ（μｍ/年）は、腐食電流量Ｉｃｏｒｒ＝Ｋ／Ｒｐ（ここで、Ｋは０．０２６Ｖ、Ｒｐは分極抵抗６７）として、Ｗ＝１１．６×Ｉｃｏｒｒで求められる。また、限界腐食量Ｗｃｒ（μｍ）は式（３）で求められる。
【００３６】
Ｗｃｒ＝１．２７｛−１．８４φ（φ−８．６６）＋１４５α−１．１９４＋３８１０Ｄ−０．８３５＋１０．６Ｘ１−７２．３｝＝１３．５Ｘ１−２．７……（３）
【００３７】
ただし、φはクリープ係数（通常は０．４）、αは体積膨張率（通常は３．２）、Ｄは腐食角度（通常は３６０°）、Ｘ１はｍｉｎ（かぶりｃ／鉄筋径ｄ、鉄筋純間隔ｃｔｃ／２／鉄筋径ｄ／１．７５）である。
【００３８】
図５には示していないが、鉄筋４の腐食が加速期に入った後、所定の腐食量に達するまでの時間ｔ４の予測を行う場合もある。所定の腐食量は、予測の目的に応じて適宜決定する。時間ｔ４は、進展期５３と同様の方法で、年間の腐食量Ｗと所定の腐食量とから算出できる。
【００３９】
次に、ダミー試験体１４について説明する。ダミー試験体１４は、図５に示すような、実構造物１についての予測値（時間ｔ１、時間ｔ２、時間ｔ３、時間ｔ４）の予測精度を向上させるために設置するものである。
【００４０】
図３に示すようなダミー試験体１４のコンクリート４５の基本の物性や鉄筋４１のかぶり厚さは、モニタリング対象となる構造物１のコンクリート６（図１）の物性や鉄筋４（図１）のかぶり厚さと同一とする。しかし、ダミー試験体１４のコンクリート４５の基本の物性や鉄筋４１のかぶり厚さを構造物１と同じ条件とした場合、鉄筋４１の腐食の進展が緩やかで潜伏期５１が長くなると考えられる。このことは、進展期５３での腐食速度を予測するためのデータを得にくいことを意味する。
【００４１】
そのため、構造物１と同一条件とした場合に腐食速度が遅いことが予想される場合には、構造物１よりも鉄筋を腐食させやすい条件のダミー試験体１４（コンクリート４５に塩分を混入したダミー試験体１４や、かぶり厚さを小さくしたダミー試験体１４）を追加し、これらのダミー試験体１４からも予測に必要なデータを取得するのが望ましい。
【００４２】
ダミー試験体１４では、図３に示すように、コンクリート表面３９と所定の鉄筋４１との間にスリット４７を設けてもよい。スリット４７は、ひび割れを模擬したものであり、例えば、幅０．２ｍｍ程度とする。これは、図５には示されていない加速期、即ち構造物１にひび割れが生じた後の腐食速度の予測精度を高めるための処理である。
【００４３】
図５に示すように、ダミー試験体１４については、実測値として、自然電位６９、分極抵抗７１等と、腐食電流量７３とを取得する。自然電位６９、分極抵抗７１は、照合電極および対極７（図３）で測定される。腐食電流量７３は、鉄筋４１に取り付けたリード線（図示せず）で測定される。
【００４４】
ダミー試験体１４について自然電位６９、分極抵抗７１等を測定することにより、実際の構造物１が潜伏期５１にある期間に、腐食モニタ１７（図１）等の計測機器が正常に稼動しているかどうかを確認することができる。
【００４５】
また、ダミー試験体１４について腐食電流量７３を測定することにより、実際の構造物１が進展期５３にある期間に、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２の予測精度を高めることができる。
【００４６】
前述したように、構造物１の鉄筋４の腐食電流量Ｉｃｏｒｒの算出に用いるＫの値は、当初は０．０２６Ｖと設定されている。しかし、この値は、コンクリートの物性や使用される環境によって異なることが予想される。そこで、ダミー試験体１４の腐食電流量７３を直接測定し、腐食電流量７３と分極抵抗７１の測定値からＫ値を補正する。また、塩分量とＫ値の関係を把握する。そして、これらをもとに構造物１の鉄筋４の腐食電流量Ｉｃｏｒｒを修正する。
【００４７】
さらに、ダミー試験体１４にスリット４７を設けて分極抵抗を測定することにより、実際の構造物１が加速期にある期間に、所定の腐食量に達するまでの時間ｔ４の予測精度を高めることができる。
【００４８】
かぶりコンクリートにひび割れが生じた場合、ひび割れ部分で局部的に腐食が進むマクロセル腐食が起きる可能性が高い。マクロセル腐食はコンクリート構造物の耐久性を大きく左右するため、予測にはこのマクロセル腐食も取り込む必要がある
【００４９】
マクロセルによる腐食速度を予測するためには、スリット４７部分から距離を変えて埋設した照合電極および対極７で分極抵抗を測定し、スリット４７からの距離と分極抵抗７１との関係を近似式で表現する。そして、構造物１のひび割れ近くの腐食電流量Ｉｃｏｒｒを算出する際に、ひび割れからの距離に応じた係数をＩｃｏｒｒ＝Ｋ／Ｒｐに掛けて修正する。
【００５０】
次に、円柱試験体１６について説明する。円柱試験体１６は、図５に示すような、実構造物１についての予測値（時間ｔ１、時間ｔ２、時間ｔ３）の予測精度を向上させるために設置するものである。
【００５１】
円柱試験体１６（φ１００×２００ｍｍ）のコンクリートの基本の物性や鉄筋のかぶり厚さは、モニタリング対象となる構造物１のコンクリート６（図１）の物性や鉄筋４（図１）のかぶり厚さと同一とする。
【００５２】
図５に示すように、円柱試験体１６については、実測値として、塩化物イオン濃度７５、中性化深さ７７、腐食量７９、腐食電流量８１を取得する。塩化物イオン濃度７５、中性化深さ７７は、所定の時期（例えば、円柱試験体１６を設置してから１、２、５、１０年後）に測定される。腐食電流量８１は、鉄筋に取り付けたリード線（図示せず）で測定される。腐食量７９は、ある程度腐食が進んだと判断した時期に鉄筋を取り出して測定される。
【００５３】
円柱試験体１６について塩化物イオン濃度７５、中性化深さ７７を測定することにより、実際の構造物１が潜伏期５１にある期間に、塩化物イオンの拡散係数や中性化進行速度を修正し、鉄筋４の位置での塩分量が限界塩分量に達するまでの時間ｔ１、鉄筋４の位置に中性化が達するまでの時間ｔ３の予測精度を高めることができる。
【００５４】
また、円柱試験体１６について腐食量７９、腐食電流量８１を測定することにより、実際の構造物１が進展期５３にある期間に、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２の予測精度を高めることができる。すなわち、腐食電流量８１から予想した腐食量と実際の腐食量７９を比較し、必要であれば、式Ｗ＝１１．６×Ｉｃｏｒｒの係数１１．６を修正する。
【００５５】
このように、第１の実施の形態によれば、センサ類を小型化して部材２の鉄筋４の近傍のコンクリート６内に埋設することにより、任意の期間や間隔で、電気化学的性質、温度等のデータを原位置で取得することができる。これらのデータを用いた予測結果は極めて実現象に近く、精度の高い予測が期待できる。また、構造物１の近辺に、測定条件が同一、または異なるダミー試験体１４や円柱試験体１６を置き、これらの試験体の各種データを収集して用いることにより、腐食速度の予測精度を向上させることができる。さらに、日常的な測定を無人で行うことができるため、コストを大幅に低減することができる。
【００５６】
なお、センサボックス５内に設置するセンサ類の組み合わせは、図１に示すものに限らない。センサ類は、センサボックス５に格納せず、プラスチック製の結束バンドなどを使って構造物１の鉄筋４に直接取り付けてもよい。
【００５７】
図５に示す予測値を得るための計算は、コンピュータ１９以外のコンピュータにデータを転送して行ってもよい。モニタリングシステムＡでは、上述したような予測値がコンピュータ１９等の表示手段に表示されるが、これらの予測値の他に、自然電位５５やコンクリート抵抗５７から評価した腐食状態の評価結果を色で表示したり、限界腐食量Ｗｃｒに対する腐食量の積算値の比率をバー形式で表示してもよい。
【００５８】
また、第１の実施の形態では、進展期５３以降の予測値として、進展期５３の終わりまでの時間と、加速期において所定の腐食量に達するまでの時間を予測したが、算出する予測値はこれらに限らない。モニタリングシステムＡでは、進展期や加速期における腐食量を適宜設定して、所定の腐食量に達するまでの時間を予測することができる。所定の腐食量は、腐食量Ｗ（μｍ）の他に、鉄筋の断面欠損の比率（％）等を用いて設定してもよい。
【００５９】
さらに、図１では、部材２のコンクリート６内にセンサボックス５をあらかじめ埋設したが、部材２が新設でない場合には、センサボックス５は他の方法で設置される。図６は、他の方法でセンサボックス５を設置した部材の断面図である。図６の（ａ）図は、既設の部材８１の断面図である。既設の部材８１にセンサボックス５を設置する場合には、図６の（ａ）図に示すように、コンクリート６の表面にセンサボックス５を配置してもよい。
【００６０】
図６の（ｂ）図は、他の部材８３の断面図である。既設の部材８３にセンサボックス５を設置する場合、図６の（ｂ）図に示すように、所定の部分のコンクリート６を撤去し、鉄筋４の近傍にセンサボックス５を配置した後、補修材８５で埋め戻してもよい。
【００６１】
次に、第２の実施の形態について説明する。図７は、鉄筋の腐食量の予測方法の概要図、図８は、鉄筋４を複数の鉄筋要素２７に区分した状態を示す図である。第２の実施の形態では、図５に示す進展期５３において、第１の実施の形態とは異なる方法で、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２を予測する。
【００６２】
図７に示す方法で鉄筋の腐食量を予測するには、まず、鉄筋を区分する（ステップ１０１）。ステップ１０１では、図３に示すように、部材２内の鉄筋４を複数の鉄筋要素２７（ｉ）、２７（ｉ＋１）、２７（ｉ＋２）…に区分する。図１に示すセンサボックス５は、鉄筋４に適宜設置される。
【００６３】
次に、鉄筋４のカソード分極特性とアノード分極特性を求める（ステップ１０２）。図９は、分極特性を示す図である。ステップ１０２では、分極特性として、少なくとも、図９に示すようなアノード分極曲線２９、カソード分極曲線３１を求める。ステップ１０２では、他の分極特性として、分極抵抗を取得してもよい。図７に示すように、カソード分極特性は、部材２内のｐＨに影響される。また、アノード分極特性は、部材２内のｐＨや塩化物イオン量に影響される。
【００６４】
次に、カソード分極特性とアノード分極特性から、腐食電流量ｉｐｏｌを求める（ステップ１０３）。ステップ１０３では、図９に示すアノード分極曲線２９、カソード分極曲線３１から、鉄筋４が生み出す腐食電流量ｉｐｏｌを求める。腐食電流量ｉｐｏｌを求める際、図７に示すように、コンクリート・水膜抵抗を考慮してもよい。
【００６５】
ステップ１０２、ステップ１０３と並行して、鉄筋４から生じる限界電流量ｉｌｉｍを求める（ステップ１０５）。限界電流量ｉｌｉｍとは、図７に示す酸素濃度、すなわち、カソード鉄筋表面への酸素の供給速度によって決定される電流量である。
【００６６】
図１０は、部材２内の酸素濃度の分布状況を示す図である。図１０に示すように、コンクリート６と水膜３７近傍のコンクリート６側の酸素濃度をＣ１（ｍｏｌ／ｍｍ３）、水膜３７側の酸素濃度をＣ２（ｍｏｌ／ｍｍ３）とする。このとき、それぞれの酸素の分圧は、理想気体の状態方程式を用いて求められる。酸素の水への溶解度Ｘは、Ｈｅｎｒｙの法則で求めることができる。コンクリート６中の酸素が水膜３７に溶け込む量Ｃ２は、状態方程式とＨｅｎｒｙの法則から、式（４）となる。但し、Ｒは気体定数、Ｔ１は絶対温度（Ｋ）、ｋはヘンリー定数である。
【００６７】
Ｃ２＝Ｃ１ＲＴ１／ｋ……（４）
【００６８】
一方、コンクリート６と水膜３７の前後での流束（ｍｏｌ／ｍｍ２ｓ）は同一であるため、Ｊ１＝Ｊ２である。酸素のコンクリート６中の拡散係数をＤ１（ｍｍ２／ｓ）、水膜３７中の拡散係数をＤ２（ｍｍ２／ｓ）とし、鉄筋４の表面の酸素は全てカソード反応に消費されると仮定すると、式（５）が成り立つ。
【００６９】
Ｊ１＝Ｄ１（Ｃ０−Ｃ１）／Δｘ１、Ｊ２＝Ｄ２（Ｃ２−０）／Δｘ２……（５）
【００７０】
式（４）、式（５）から、Ａ＝（Ｄ１／Δｘ１）・（Δｘ２／Ｄ２）として、式（６）が成り立つ。
【００７１】
Ｃ２＝Ａ／｛Ａｋ／（ＲＴ１＋１）｝・Ｃ０……（６）
【００７２】
式（５）、式（６）から、鉄筋４の表面への酸素の流束が求まる。電流量はカソード反応により消費される電子のモル数に等しいため、式（７）より、酸素拡散により発生する限界電流量ｉｌｉｍが決まる。
【００７３】
Ｉｃ＝Ｊ２・Ｓ・４・Ｆ……（７）
【００７４】
なお、任意の鉄筋要素の全カソード電流Ｉｃを、対になるアノード鉄筋要素に分配するには、鉄筋要素２７ｉが生じるカソード電流量をＩｃｉ、鉄筋要素２７ｊとの間の全抵抗をＲｉｊとし、鉄筋要素２７の数をｎとすると、ｉ、ｊ間に分配される電流量Ｉｉｊは式（８）とおくことができる。
【００７５】
Ｉｉｊ＝Ｉｃｉ・（１／Ｒｉｊ）／Σ（１／Ｒｉｋ）、（ｋ＝１…ｎ）……（８）
【００７６】
ステップ１０３、ステップ１０５の後、最終的な腐食電流量を決定する（ステップ１０６）。ステップ１０６では、ステップ１０３で求めた腐食電流量ｉｐｏｌと、ステップ１０５で求めた限界電流量ｉｌｉｍとを比較し、小さい方を最終的な腐食電流量とする。
【００７７】
次に、ステップ１０６で決定した最終的な腐食電流量を用いて、鉄筋４の腐食量を予測する（ステップ１０８）。実験により、図７に示す方法により決定された腐食電流密度は、測定された腐食電流密度と概ね近い値を示すことが確認されている。第２の実施の形態では、ステップ１０８で決定した腐食量と、式（３）で求めた限界腐食量Ｗｃｒとから、限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２を算出する。
【００７８】
このように、第２の実施の形態においても、センサ類を小型化して部材２の鉄筋４の近傍のコンクリート６内に埋設することにより、任意の期間や間隔で、電気化学的性質、温度等のデータを原位置で取得し、精度の高い予測を行える。また、第１の実施の形態と同様にダミー試験体や円柱試験体の各種データを収集して用いることにより、腐食速度の予測精度を向上させることができる。さらに、日常的な測定を無人で行うことができるため、コストを大幅に低減することができる。
【００７９】
なお、図２に示すステップ１０２からステップ１０８に示す各工程は、コンピュータ１９以外のコンピュータにデータを転送して行ってもよい。また、第２の実施の形態の算出方法を用いた場合にも、算出する予測値は、進展期５３の終わりまでの時間に限らない。進展期や加速期における腐食量を適宜設定して、図７に示す方法で腐食量を予測し、所定の腐食量に達するまでの時間を予測することができる。
【００８０】
以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムの好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】鉄筋腐食のモニタリングシステムの概要図
【図２】モニタリングシステムを設置した構造物１の断面図
【図３】ダミー試験体１４の断面図
【図４】鉄筋４の腐食速度に関わる要因を示す図
【図５】モニタリングシステムＡでの予測に用いられる実測値と、得られる予測値とを示す図
【図６】他の方法でセンサボックス５を設置した部材の断面図
【図７】鉄筋の腐食量の予測方法の概要図
【図８】鉄筋４を複数の鉄筋要素２７に区分した状態を示す図
【図９】分極特性を示す図
【図１０】部材２内の酸素濃度の分布状況を示す図
【符号の説明】
【００８２】
１………構造物
２………部材
３………センサボックス５の設置位置
４………鉄筋
５………センサボックス
６………コンクリート
７………照合電極および対極
８………計測ボックス
９………コンクリート抵抗計
１１………コンクリート温度計
１５………切替装置
１７………腐食モニタ
１９………コンピュータ
２３………温度計
２５………湿度計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンクリート構造物内部の鉄筋の腐食を予測する手段としては、鋼線を埋め込み、その電気抵抗を測定することで、腐食状況を直接把握する方法がある。また、自然電位や分極抵抗等、腐食速度を左右する要因を測定して、腐食速度を間接的に予測する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１０７０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、腐食速度を決定付けるいくつかの項目を、単独または複数の機能を持つセンサを使って個別に、断片的に測定しているため、得られる情報が偏っている。また、腐食速度の予測方法についても、技術的に確立していないため、精度の高い予測は困難であった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、原位置にセンサを常設し、任意の期間や間隔でモニタリングを行って収集した情報を用いることにより、精度の高い予測を行える鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するための第１の発明は、鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の時間間隔で電気化学的性質を測定する工程（ａ）と、前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する工程（ｂ）と、前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する工程（ｃ）とを具備することを特徴とする鉄筋腐食の予測方法である。
【０００７】
センサは、部材の表面または鉄筋の近傍に設置される。センサは、少なくとも、照合電極および対極を含むものとする。さらに、コンクリート抵抗計、コンクリート温度計等を設けてもよい。これらのセンサは、例えば、センサボックス内に格納される。工程（ａ）で測定する電気化学的性質とは、自然電位、コンクリート抵抗、分極抵抗、分極曲線等である。部材の周辺環境に関するデータとは、部材表面に撒かれる塩分量、部材のＷ／Ｃ、鉄筋のかぶり厚、雰囲気温度、雰囲気湿度等である。
【０００８】
工程（ｃ）における所定量は適宜設定される。工程（ｃ）では、例えば、鉄筋の腐食量が部材にひび割れが生じる限界腐食量に達するまでの時間や、鉄筋の断面欠損が指定の割合に達するまでの時間等を予測する。
【０００９】
部材の周辺には、必要に応じて、直方体や円柱形のダミー試験体が設置される。ダミー試験体を設置した場合、例えば、工程（ｃ）で、ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食電流量を測定し、この腐食電流量を用いて予測精度を高める。また、工程（ｂ）で、ダミー試験体の塩化物イオン含有量と中性化深さとを測定し、塩化物イオン含有量と中性化深さとを用いて予測精度を高める。さらに、工程（ｃ）で、ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食量および腐食電流量を測定し、腐食量および腐食電流量を用いて予測精度を高める。
【００１０】
工程（ｂ）、工程（ｃ）では、従来から提案されている各種の式やモデルを用いて予測を行う。工程（ｃ）では、例えば、電気化学的性質を用いて算出された、鉄筋から生じる腐食電流量と、鉄筋近傍への酸素の供給速度によって決定される限界電流量とのうち小さい方を用いて予測を行うことができる。
【００１１】
第２の発明は、鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の間隔で電気化学的性質を測定する装置と、前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する手段と、前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する手段とを具備することを特徴とする鉄筋腐食のモニタリングシステムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、原位置にセンサを常設し、任意の期間や間隔でモニタリングを行って収集した情報を用いることにより、精度の高い予測を行える鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。構造物の耐久性を内部の鉄筋の腐食量から考えた場合、（１）鉄筋が腐食する環境に至るまでの期間（潜伏期）、（２）鉄筋が腐食をはじめ、腐食ひび割れが起こるまでの期間（進展期）、（３）さらに腐食が進み、耐力上問題となるまでの期間（加速期）に分けられる。第１の実施の形態では、モニタリングシステムを用いて、現在、鉄筋が腐食しているかどうかの判断、潜伏期の終わりまでの時間の予測、進展期の終わりまでの時間の予測等を行う。
【００１４】
図１は、鉄筋腐食のモニタリングシステムＡの概要図である。図１に示すように、モニタリングシステムＡは、センサボックス５、切替装置１５、温度計２３、湿度計２５、腐食モニタ１７、コンピュータ１９等からなる。
【００１５】
部材２は、鉄筋４とコンクリート６からなる鉄筋コンクリート部材であり、センサボックス５は、部材２を構築する際に、鉄筋４の近傍に設置され、コンクリート６に埋設される。センサボックス５内には、照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１が、測定面が鉄筋４と対向するように配置される。
【００１６】
照合電極および対極７は、鉄筋４を作用極として、自然電位、分極曲線と分極抵抗を測定する。コンクリート抵抗計９は、コンクリート抵抗を測定する。コンクリート温度計１１（熱電対）は、コンクリート６の内部温度を測定する。温度計２３および湿度計２５は、部材周辺３５の雰囲気温度・湿度を測定する。照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１は、センサボックス５内に格納できる大きさのものとする。センサボックス５は、コンクリート６の機能を損なうことのない材質および大きさとする。
【００１７】
照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１は、ケーブル１３ｂで、切替装置１５に接続される。温度計２３および湿度計２５は、ケーブル２１で、切替装置１５に接続される。切替装置１５は、ケーブル１３で腐食モニタ１７に接続され、腐食モニタ１７は、ケーブル１３でコンピュータ１９に接続される。温度計２３、湿度計２５、切替装置１５、腐食モニタ１７、コンピュータ１９は、計測ボックス８に格納するのが望ましい。
【００１８】
図２は、モニタリングシステムを設置した構造物１の断面図である。図２に示すように、センサボックス５の設置位置３は、構造物１の部材２の複数箇所に設けられる。計測ボックス８は、例えば、構造物１内に配置される。また、構造物１付近には、必要に応じて、複数のダミー試験体１４、複数の円柱試験体１６が配置される。計測ボックス８、ダミー試験体１４、円柱試験体１６は、センサボックス５設置位置３に近く、かつ、できるだけアクセスのしやすい場所に設置される。
【００１９】
図３は、ダミー試験体１４の断面図である。図３に示すように、ダミー試験体１４は、例えば、鉄筋４１を埋設したコンクリート４５を直方体に成形し、部材２の表面に相当するコンクリート表面３９を除く各面にエポキシ樹脂塗装３７を施したものとする。ダミー試験体１４には照合電極および対極７が埋設される。
【００２０】
ダミー試験体１４の一部の鉄筋４１には、腐食電流の測定を行うための処理が施される。すなわち、図３に示すように、エポキシ樹脂等の絶縁体４９で鉄筋４１を複数に分割し、複数に分割した鉄筋４１に、それぞれリード線（図示せず）を取付ける。円柱試験体１６の一部にも、腐食電流の測定を行うために、同様の処理を施した鉄筋が埋設される。ダミー試験体１４、円柱試験体１６の仕様の詳細については、後述する。
【００２１】
構造物１にモニタリングシステムＡを設置する際、図１に示すように、構造物１に設置された複数のセンサボックス５内の照合電極および対極７、コンクリート抵抗計９、コンクリート温度計１１は、それぞれ、ケーブル１３ｂ、ケーブル１３ｃ、ケーブル１３ｄ…等で切替装置１５に接続される。また、ダミー試験体１４に埋設された照合電極および対極７は、ケーブル１３ａで切替装置１５に接続される。さらに、ダミー試験体１４、円柱試験体１６の鉄筋に腐食電流量を測定するために取付けたリード線（図示せず）も、切替装置１５に接続される。
【００２２】
図１に示すモニタリングシステムＡでは、コンピュータ１９を用いて腐食モニタ１７、切替装置１５を制御することにより、構造物１に埋設されたセンサボックス５内のセンサ類、ダミー試験体１４に埋設された照合電極および対極７（図３）、ダミー試験体１４や円柱試験体１６の鉄筋に取付けたリード線（図示せず）、温度計２３および湿度計２５を用いて、任意の期間、任意の間隔・回数で、各種データを収集する。
【００２３】
図４は、鉄筋４の腐食速度に関わる要因を示す図である。図４に示すように、鉄筋４の腐食速度は、部材２への酸素・水分の供給条件、コンクリート６の調合、鉄筋４のかぶり厚さ、部材周辺３５の温度・湿度等の材料・環境条件により左右される。モニタリングシステムＡによる鉄筋４の腐食状態の予測では、これらの条件により決定される酸素供給量、コンクリート抵抗、分極曲線・抵抗、中性化深さ、塩化物イオン量等のデータが用いられる。
【００２４】
図５は、モニタリングシステムＡでの予測に用いられる実測値と、得られる予測値とを示す図である。図５に示すように、モニタリングシステムＡでは、構造物１について、実測値として、自然電位５５、コンクリート抵抗５７、構造物１の表面に撒かれる塩分量５９、Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１、雰囲気湿度６３、雰囲気温度６５、分極抵抗６７を取得する。
【００２５】
自然電位５５、分極抵抗６７は、照合電極および対極７（図１）で測定される。コンクリート抵抗５７は、コンクリート抵抗計９（図１）で測定される。構造物１の表面に撒かれる塩分量５９は、塩分の散布時に取得される。Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１には、設計値を用いる。雰囲気湿度６３、雰囲気温度６５は、湿度計２５、温度計２３（図１）で測定される。
【００２６】
モニタリングシステムＡでは、自然電位５５、コンクリート抵抗５７の値に基づいて、構造物１の鉄筋４の腐食状態を評価する。腐食状態の評価には、分極抵抗６７を併用してもよい。評価基準には、従来のものを用いることができる。
【００２７】
鉄筋４の腐食が潜伏期５１である場合、構造物１の表面に撒かれる塩分量５９、Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１、雰囲気湿度６３、雰囲気温度６５に基づいて、鉄筋４の位置での塩分量が限界塩分量（１．２ｋｇ／ｍ３）に達するまでの時間ｔ１と鉄筋４の位置まで中性化が達するまでの時間ｔ３とを予測する。
【００２８】
限界塩分量は、鉄筋４に腐食が生じるとされる塩化物イオン量であるため、時間ｔ１は、鉄筋４の腐食の潜伏期５１が終わるまでの時間、すなわち、進展期５３に入るまでの時間となる。時間ｔ１は、経験式や実験式に基づいて簡便な方法で予測してもよいし、コンピュータシミュレーションによる解析などにより詳細に検討して予測してもよい。時間ｔ１の予測には、例えば式（１）が用いられる。
【００２９】
Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ０［１−ｅｒｆ｛ｘ／２（Ｄ・ｔ）１／２｝］＋Ｃ（ｘ，０）……（１）
【００３０】
ここで、Ｃ（ｘ，ｔ）は深さx（ｃｍ）・時刻ｔ（年）における塩化物イオン濃度（ｋｇ／ｍ３）、Ｃ（ｘ，０）は初期含有塩化物イオン濃度（ｋｇ／ｍ３）、Ｃ０は表面塩化物イオン濃度（ｋｇ／ｍ３）、Ｄは塩化物イオンの見掛けの拡散係数（ｃｍ2／年）、ｅｒｆは誤差関数である。
【００３１】
式（１）の中で、Ｃ０は、撒かれる塩分量５９と従来の予測式から算出される。また、Ｄは、Ｗ／Ｃおよびかぶり厚６１、雰囲気湿度６３、従来のモデルから算出されるほか、簡便なものとして式（２）を用いてもよい。
【００３２】
ｌｏｇＤ＝｛４．５（Ｗ／Ｃ）２＋０．１４（Ｗ／Ｃ）−８．４７｝＋ｌｏｇ（３．１５×１０７）……（２）
【００３３】
鉄筋４付近まで中性化が達すると、鉄筋４の腐食が開始するとされるため、鉄筋４の位置に中性化が達するまでの時間ｔ３を求めることにより、鉄筋４の腐食の潜伏期５１が終わるまでの時間、すなわち、進展期５３に入るまでの時間を予測できる。鉄筋４の位置まで中性化が達するまでの時間ｔ３は、Ａ・ｔ１／２則に基づいた進行予測式から算出する（Ａは中性化速度係数）。中性化の進行速度は、従来の数種類の式から総合的に求めるのが望ましい。
【００３４】
鉄筋４の腐食が進展期５３である場合、分極抵抗６７を用いて、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２を予測する。限界腐食量は、鉄筋４の腐食によって部材２にひび割れが生じる腐食量であるため、時間ｔ２は、進展期５３が終わるまでの時間、すなわち、加速期に入るまでの時間となる。
【００３５】
限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２は、年間の腐食量Ｗと限界腐食量Ｗｃｒとから算出できる。年間の腐食量Ｗ（μｍ/年）は、腐食電流量Ｉｃｏｒｒ＝Ｋ／Ｒｐ（ここで、Ｋは０．０２６Ｖ、Ｒｐは分極抵抗６７）として、Ｗ＝１１．６×Ｉｃｏｒｒで求められる。また、限界腐食量Ｗｃｒ（μｍ）は式（３）で求められる。
【００３６】
Ｗｃｒ＝１．２７｛−１．８４φ（φ−８．６６）＋１４５α−１．１９４＋３８１０Ｄ−０．８３５＋１０．６Ｘ１−７２．３｝＝１３．５Ｘ１−２．７……（３）
【００３７】
ただし、φはクリープ係数（通常は０．４）、αは体積膨張率（通常は３．２）、Ｄは腐食角度（通常は３６０°）、Ｘ１はｍｉｎ（かぶりｃ／鉄筋径ｄ、鉄筋純間隔ｃｔｃ／２／鉄筋径ｄ／１．７５）である。
【００３８】
図５には示していないが、鉄筋４の腐食が加速期に入った後、所定の腐食量に達するまでの時間ｔ４の予測を行う場合もある。所定の腐食量は、予測の目的に応じて適宜決定する。時間ｔ４は、進展期５３と同様の方法で、年間の腐食量Ｗと所定の腐食量とから算出できる。
【００３９】
次に、ダミー試験体１４について説明する。ダミー試験体１４は、図５に示すような、実構造物１についての予測値（時間ｔ１、時間ｔ２、時間ｔ３、時間ｔ４）の予測精度を向上させるために設置するものである。
【００４０】
図３に示すようなダミー試験体１４のコンクリート４５の基本の物性や鉄筋４１のかぶり厚さは、モニタリング対象となる構造物１のコンクリート６（図１）の物性や鉄筋４（図１）のかぶり厚さと同一とする。しかし、ダミー試験体１４のコンクリート４５の基本の物性や鉄筋４１のかぶり厚さを構造物１と同じ条件とした場合、鉄筋４１の腐食の進展が緩やかで潜伏期５１が長くなると考えられる。このことは、進展期５３での腐食速度を予測するためのデータを得にくいことを意味する。
【００４１】
そのため、構造物１と同一条件とした場合に腐食速度が遅いことが予想される場合には、構造物１よりも鉄筋を腐食させやすい条件のダミー試験体１４（コンクリート４５に塩分を混入したダミー試験体１４や、かぶり厚さを小さくしたダミー試験体１４）を追加し、これらのダミー試験体１４からも予測に必要なデータを取得するのが望ましい。
【００４２】
ダミー試験体１４では、図３に示すように、コンクリート表面３９と所定の鉄筋４１との間にスリット４７を設けてもよい。スリット４７は、ひび割れを模擬したものであり、例えば、幅０．２ｍｍ程度とする。これは、図５には示されていない加速期、即ち構造物１にひび割れが生じた後の腐食速度の予測精度を高めるための処理である。
【００４３】
図５に示すように、ダミー試験体１４については、実測値として、自然電位６９、分極抵抗７１等と、腐食電流量７３とを取得する。自然電位６９、分極抵抗７１は、照合電極および対極７（図３）で測定される。腐食電流量７３は、鉄筋４１に取り付けたリード線（図示せず）で測定される。
【００４４】
ダミー試験体１４について自然電位６９、分極抵抗７１等を測定することにより、実際の構造物１が潜伏期５１にある期間に、腐食モニタ１７（図１）等の計測機器が正常に稼動しているかどうかを確認することができる。
【００４５】
また、ダミー試験体１４について腐食電流量７３を測定することにより、実際の構造物１が進展期５３にある期間に、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２の予測精度を高めることができる。
【００４６】
前述したように、構造物１の鉄筋４の腐食電流量Ｉｃｏｒｒの算出に用いるＫの値は、当初は０．０２６Ｖと設定されている。しかし、この値は、コンクリートの物性や使用される環境によって異なることが予想される。そこで、ダミー試験体１４の腐食電流量７３を直接測定し、腐食電流量７３と分極抵抗７１の測定値からＫ値を補正する。また、塩分量とＫ値の関係を把握する。そして、これらをもとに構造物１の鉄筋４の腐食電流量Ｉｃｏｒｒを修正する。
【００４７】
さらに、ダミー試験体１４にスリット４７を設けて分極抵抗を測定することにより、実際の構造物１が加速期にある期間に、所定の腐食量に達するまでの時間ｔ４の予測精度を高めることができる。
【００４８】
かぶりコンクリートにひび割れが生じた場合、ひび割れ部分で局部的に腐食が進むマクロセル腐食が起きる可能性が高い。マクロセル腐食はコンクリート構造物の耐久性を大きく左右するため、予測にはこのマクロセル腐食も取り込む必要がある
【００４９】
マクロセルによる腐食速度を予測するためには、スリット４７部分から距離を変えて埋設した照合電極および対極７で分極抵抗を測定し、スリット４７からの距離と分極抵抗７１との関係を近似式で表現する。そして、構造物１のひび割れ近くの腐食電流量Ｉｃｏｒｒを算出する際に、ひび割れからの距離に応じた係数をＩｃｏｒｒ＝Ｋ／Ｒｐに掛けて修正する。
【００５０】
次に、円柱試験体１６について説明する。円柱試験体１６は、図５に示すような、実構造物１についての予測値（時間ｔ１、時間ｔ２、時間ｔ３）の予測精度を向上させるために設置するものである。
【００５１】
円柱試験体１６（φ１００×２００ｍｍ）のコンクリートの基本の物性や鉄筋のかぶり厚さは、モニタリング対象となる構造物１のコンクリート６（図１）の物性や鉄筋４（図１）のかぶり厚さと同一とする。
【００５２】
図５に示すように、円柱試験体１６については、実測値として、塩化物イオン濃度７５、中性化深さ７７、腐食量７９、腐食電流量８１を取得する。塩化物イオン濃度７５、中性化深さ７７は、所定の時期（例えば、円柱試験体１６を設置してから１、２、５、１０年後）に測定される。腐食電流量８１は、鉄筋に取り付けたリード線（図示せず）で測定される。腐食量７９は、ある程度腐食が進んだと判断した時期に鉄筋を取り出して測定される。
【００５３】
円柱試験体１６について塩化物イオン濃度７５、中性化深さ７７を測定することにより、実際の構造物１が潜伏期５１にある期間に、塩化物イオンの拡散係数や中性化進行速度を修正し、鉄筋４の位置での塩分量が限界塩分量に達するまでの時間ｔ１、鉄筋４の位置に中性化が達するまでの時間ｔ３の予測精度を高めることができる。
【００５４】
また、円柱試験体１６について腐食量７９、腐食電流量８１を測定することにより、実際の構造物１が進展期５３にある期間に、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２の予測精度を高めることができる。すなわち、腐食電流量８１から予想した腐食量と実際の腐食量７９を比較し、必要であれば、式Ｗ＝１１．６×Ｉｃｏｒｒの係数１１．６を修正する。
【００５５】
このように、第１の実施の形態によれば、センサ類を小型化して部材２の鉄筋４の近傍のコンクリート６内に埋設することにより、任意の期間や間隔で、電気化学的性質、温度等のデータを原位置で取得することができる。これらのデータを用いた予測結果は極めて実現象に近く、精度の高い予測が期待できる。また、構造物１の近辺に、測定条件が同一、または異なるダミー試験体１４や円柱試験体１６を置き、これらの試験体の各種データを収集して用いることにより、腐食速度の予測精度を向上させることができる。さらに、日常的な測定を無人で行うことができるため、コストを大幅に低減することができる。
【００５６】
なお、センサボックス５内に設置するセンサ類の組み合わせは、図１に示すものに限らない。センサ類は、センサボックス５に格納せず、プラスチック製の結束バンドなどを使って構造物１の鉄筋４に直接取り付けてもよい。
【００５７】
図５に示す予測値を得るための計算は、コンピュータ１９以外のコンピュータにデータを転送して行ってもよい。モニタリングシステムＡでは、上述したような予測値がコンピュータ１９等の表示手段に表示されるが、これらの予測値の他に、自然電位５５やコンクリート抵抗５７から評価した腐食状態の評価結果を色で表示したり、限界腐食量Ｗｃｒに対する腐食量の積算値の比率をバー形式で表示してもよい。
【００５８】
また、第１の実施の形態では、進展期５３以降の予測値として、進展期５３の終わりまでの時間と、加速期において所定の腐食量に達するまでの時間を予測したが、算出する予測値はこれらに限らない。モニタリングシステムＡでは、進展期や加速期における腐食量を適宜設定して、所定の腐食量に達するまでの時間を予測することができる。所定の腐食量は、腐食量Ｗ（μｍ）の他に、鉄筋の断面欠損の比率（％）等を用いて設定してもよい。
【００５９】
さらに、図１では、部材２のコンクリート６内にセンサボックス５をあらかじめ埋設したが、部材２が新設でない場合には、センサボックス５は他の方法で設置される。図６は、他の方法でセンサボックス５を設置した部材の断面図である。図６の（ａ）図は、既設の部材８１の断面図である。既設の部材８１にセンサボックス５を設置する場合には、図６の（ａ）図に示すように、コンクリート６の表面にセンサボックス５を配置してもよい。
【００６０】
図６の（ｂ）図は、他の部材８３の断面図である。既設の部材８３にセンサボックス５を設置する場合、図６の（ｂ）図に示すように、所定の部分のコンクリート６を撤去し、鉄筋４の近傍にセンサボックス５を配置した後、補修材８５で埋め戻してもよい。
【００６１】
次に、第２の実施の形態について説明する。図７は、鉄筋の腐食量の予測方法の概要図、図８は、鉄筋４を複数の鉄筋要素２７に区分した状態を示す図である。第２の実施の形態では、図５に示す進展期５３において、第１の実施の形態とは異なる方法で、鉄筋４の腐食量が限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２を予測する。
【００６２】
図７に示す方法で鉄筋の腐食量を予測するには、まず、鉄筋を区分する（ステップ１０１）。ステップ１０１では、図３に示すように、部材２内の鉄筋４を複数の鉄筋要素２７（ｉ）、２７（ｉ＋１）、２７（ｉ＋２）…に区分する。図１に示すセンサボックス５は、鉄筋４に適宜設置される。
【００６３】
次に、鉄筋４のカソード分極特性とアノード分極特性を求める（ステップ１０２）。図９は、分極特性を示す図である。ステップ１０２では、分極特性として、少なくとも、図９に示すようなアノード分極曲線２９、カソード分極曲線３１を求める。ステップ１０２では、他の分極特性として、分極抵抗を取得してもよい。図７に示すように、カソード分極特性は、部材２内のｐＨに影響される。また、アノード分極特性は、部材２内のｐＨや塩化物イオン量に影響される。
【００６４】
次に、カソード分極特性とアノード分極特性から、腐食電流量ｉｐｏｌを求める（ステップ１０３）。ステップ１０３では、図９に示すアノード分極曲線２９、カソード分極曲線３１から、鉄筋４が生み出す腐食電流量ｉｐｏｌを求める。腐食電流量ｉｐｏｌを求める際、図７に示すように、コンクリート・水膜抵抗を考慮してもよい。
【００６５】
ステップ１０２、ステップ１０３と並行して、鉄筋４から生じる限界電流量ｉｌｉｍを求める（ステップ１０５）。限界電流量ｉｌｉｍとは、図７に示す酸素濃度、すなわち、カソード鉄筋表面への酸素の供給速度によって決定される電流量である。
【００６６】
図１０は、部材２内の酸素濃度の分布状況を示す図である。図１０に示すように、コンクリート６と水膜３７近傍のコンクリート６側の酸素濃度をＣ１（ｍｏｌ／ｍｍ３）、水膜３７側の酸素濃度をＣ２（ｍｏｌ／ｍｍ３）とする。このとき、それぞれの酸素の分圧は、理想気体の状態方程式を用いて求められる。酸素の水への溶解度Ｘは、Ｈｅｎｒｙの法則で求めることができる。コンクリート６中の酸素が水膜３７に溶け込む量Ｃ２は、状態方程式とＨｅｎｒｙの法則から、式（４）となる。但し、Ｒは気体定数、Ｔ１は絶対温度（Ｋ）、ｋはヘンリー定数である。
【００６７】
Ｃ２＝Ｃ１ＲＴ１／ｋ……（４）
【００６８】
一方、コンクリート６と水膜３７の前後での流束（ｍｏｌ／ｍｍ２ｓ）は同一であるため、Ｊ１＝Ｊ２である。酸素のコンクリート６中の拡散係数をＤ１（ｍｍ２／ｓ）、水膜３７中の拡散係数をＤ２（ｍｍ２／ｓ）とし、鉄筋４の表面の酸素は全てカソード反応に消費されると仮定すると、式（５）が成り立つ。
【００６９】
Ｊ１＝Ｄ１（Ｃ０−Ｃ１）／Δｘ１、Ｊ２＝Ｄ２（Ｃ２−０）／Δｘ２……（５）
【００７０】
式（４）、式（５）から、Ａ＝（Ｄ１／Δｘ１）・（Δｘ２／Ｄ２）として、式（６）が成り立つ。
【００７１】
Ｃ２＝Ａ／｛Ａｋ／（ＲＴ１＋１）｝・Ｃ０……（６）
【００７２】
式（５）、式（６）から、鉄筋４の表面への酸素の流束が求まる。電流量はカソード反応により消費される電子のモル数に等しいため、式（７）より、酸素拡散により発生する限界電流量ｉｌｉｍが決まる。
【００７３】
Ｉｃ＝Ｊ２・Ｓ・４・Ｆ……（７）
【００７４】
なお、任意の鉄筋要素の全カソード電流Ｉｃを、対になるアノード鉄筋要素に分配するには、鉄筋要素２７ｉが生じるカソード電流量をＩｃｉ、鉄筋要素２７ｊとの間の全抵抗をＲｉｊとし、鉄筋要素２７の数をｎとすると、ｉ、ｊ間に分配される電流量Ｉｉｊは式（８）とおくことができる。
【００７５】
Ｉｉｊ＝Ｉｃｉ・（１／Ｒｉｊ）／Σ（１／Ｒｉｋ）、（ｋ＝１…ｎ）……（８）
【００７６】
ステップ１０３、ステップ１０５の後、最終的な腐食電流量を決定する（ステップ１０６）。ステップ１０６では、ステップ１０３で求めた腐食電流量ｉｐｏｌと、ステップ１０５で求めた限界電流量ｉｌｉｍとを比較し、小さい方を最終的な腐食電流量とする。
【００７７】
次に、ステップ１０６で決定した最終的な腐食電流量を用いて、鉄筋４の腐食量を予測する（ステップ１０８）。実験により、図７に示す方法により決定された腐食電流密度は、測定された腐食電流密度と概ね近い値を示すことが確認されている。第２の実施の形態では、ステップ１０８で決定した腐食量と、式（３）で求めた限界腐食量Ｗｃｒとから、限界腐食量Ｗｃｒに達するまでの時間ｔ２を算出する。
【００７８】
このように、第２の実施の形態においても、センサ類を小型化して部材２の鉄筋４の近傍のコンクリート６内に埋設することにより、任意の期間や間隔で、電気化学的性質、温度等のデータを原位置で取得し、精度の高い予測を行える。また、第１の実施の形態と同様にダミー試験体や円柱試験体の各種データを収集して用いることにより、腐食速度の予測精度を向上させることができる。さらに、日常的な測定を無人で行うことができるため、コストを大幅に低減することができる。
【００７９】
なお、図２に示すステップ１０２からステップ１０８に示す各工程は、コンピュータ１９以外のコンピュータにデータを転送して行ってもよい。また、第２の実施の形態の算出方法を用いた場合にも、算出する予測値は、進展期５３の終わりまでの時間に限らない。進展期や加速期における腐食量を適宜設定して、図７に示す方法で腐食量を予測し、所定の腐食量に達するまでの時間を予測することができる。
【００８０】
以上、添付図面を参照しながら本発明にかかる鉄筋腐食の予測方法および鉄筋腐食のモニタリングシステムの好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】鉄筋腐食のモニタリングシステムの概要図
【図２】モニタリングシステムを設置した構造物１の断面図
【図３】ダミー試験体１４の断面図
【図４】鉄筋４の腐食速度に関わる要因を示す図
【図５】モニタリングシステムＡでの予測に用いられる実測値と、得られる予測値とを示す図
【図６】他の方法でセンサボックス５を設置した部材の断面図
【図７】鉄筋の腐食量の予測方法の概要図
【図８】鉄筋４を複数の鉄筋要素２７に区分した状態を示す図
【図９】分極特性を示す図
【図１０】部材２内の酸素濃度の分布状況を示す図
【符号の説明】
【００８２】
１………構造物
２………部材
３………センサボックス５の設置位置
４………鉄筋
５………センサボックス
６………コンクリート
７………照合電極および対極
８………計測ボックス
９………コンクリート抵抗計
１１………コンクリート温度計
１５………切替装置
１７………腐食モニタ
１９………コンピュータ
２３………温度計
２５………湿度計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の時間間隔で電気化学的性質を測定する工程（ａ）と、
前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する工程（ｂ）と、
前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する工程（ｃ）と、
を具備することを特徴とする鉄筋腐食の予測方法。
【請求項２】
前記部材の周辺にダミー試験体を設置し、前記工程（ｃ）で、前記ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食電流量を測定し、前記腐食電流量を用いて予測精度を高めることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項３】
前記部材の周辺にダミー試験体を設置し、前記工程（ｂ）で、前記ダミー試験体の塩化物イオン含有量と中性化深さとを測定し、前記塩化物イオン含有量と中性化深さとを用いて予測精度を高めることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項４】
前記部材の周辺にダミー試験体を設置し、前記工程（ｃ）で、前記ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食量および腐食電流量を測定し、前記腐食量および腐食電流量を用いて予測精度を高めることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項５】
工程（ｃ）で、前記電気化学的性質を用いて算出された、前記鉄筋から生じる腐食電流量と、前記鉄筋近傍への酸素の供給速度によって決定される限界電流量とのうち小さい方を用いて予測を行うことを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項６】
前記センサが、前記部材の表面または前記鉄筋の近傍に設置されることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項７】
鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の間隔で電気化学的性質を測定する装置と、
前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する手段と、
前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する手段と、
を具備することを特徴とする鉄筋腐食のモニタリングシステム。
【請求項１】
鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の時間間隔で電気化学的性質を測定する工程（ａ）と、
前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する工程（ｂ）と、
前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する工程（ｃ）と、
を具備することを特徴とする鉄筋腐食の予測方法。
【請求項２】
前記部材の周辺にダミー試験体を設置し、前記工程（ｃ）で、前記ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食電流量を測定し、前記腐食電流量を用いて予測精度を高めることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項３】
前記部材の周辺にダミー試験体を設置し、前記工程（ｂ）で、前記ダミー試験体の塩化物イオン含有量と中性化深さとを測定し、前記塩化物イオン含有量と中性化深さとを用いて予測精度を高めることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項４】
前記部材の周辺にダミー試験体を設置し、前記工程（ｃ）で、前記ダミー試験体に埋設された鉄筋の腐食量および腐食電流量を測定し、前記腐食量および腐食電流量を用いて予測精度を高めることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項５】
工程（ｃ）で、前記電気化学的性質を用いて算出された、前記鉄筋から生じる腐食電流量と、前記鉄筋近傍への酸素の供給速度によって決定される限界電流量とのうち小さい方を用いて予測を行うことを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項６】
前記センサが、前記部材の表面または前記鉄筋の近傍に設置されることを特徴とする請求項１記載の鉄筋腐食の予測方法。
【請求項７】
鉄筋が埋設された部材に設置したセンサを用いて、所定の間隔で電気化学的性質を測定する装置と、
前記電気化学的性質および前記部材の周辺環境に関するデータを用いて、前記鉄筋の腐食の有無と、前記鉄筋位置での前記部材の塩化物イオン含有量が所定量に達するまでの時間及び前記鉄筋位置に前記部材の中性化が達するまでの時間を予測する手段と、
前記電気化学的性質を用いて、前記鉄筋の腐食量が所定量に達するまでの時間を予測する手段と、
を具備することを特徴とする鉄筋腐食のモニタリングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２４０４８１（Ｐ２００７−２４０４８１Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６７０８１（Ｐ２００６−６７０８１）
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
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