鋼材(鉄筋)の腐食によるコンクリートのひび割れ

コンクリート構造物を設計する際、コンクリートの引張強度はゼロと考えます。コンクリートは圧縮側で構造計算され、引張側は鉄筋でもたせると考えます。よって、コンクリートと鉄筋(鋼材)はセットなのです。よって、鉄筋が腐食してその強度が低下するとコンクリート構造物には決定的ダメージが発生するのです。ここでは、その鋼材の腐食と、そのために起こるいろいろな問題を述べてゆきます。

1.  何故鉄は錆びるのか?

皆さんホッカイロはよく使いますね。手でもむと熱を発生します。中には鉄粉が入っています。鉄は水と結びついて熱を発生します。しかし金粉は水と混ぜても熱を発生しません。これを原子核から電子が飛び出すエネルギーの強さ、イオン化傾向と言います。鉄の原子核から電子2e-が遊離し、周辺にある水や酸素と結びつき、それが電子を無くした鉄と結びつく。酸化と還元が同時に起こり、水酸化第一鉄(錆び)を作ります。

2. どうすれば錆を防げるか?

上記で述べたように、1)鉄から電子が飛び出さないようにする。2)水を奪う。3)酸素を奪う。このどれかひとつを行なえば錆は防げるのです。

コンクリートに用いる鉄筋を見てみると、表面は少し黒いですね。これは電炉で鉄筋を作る際に最終焼き入れで表面に酸化被膜を作り、空気中でもイオンが外に飛び出さないように加工しているのです。しかし、輸送中や現場での移動や加工作業で表面に傷がつき、ところどころ錆が発生しています。しかし、コンクリートの中に入ってしまうと、コンクリートから出るアルカリで表面に不導体膜(酸化被膜)が作られ、錆から鉄筋を守ってくれます。

しかし、コンクリートにひび割れが発生すると、鉄の大敵である空気と水が浸入してきます。ひび割れで鉄周辺のアルカリも溶出しpHは下がってきます。そうすると2.1.で説明した事が鉄筋に起こるのです。

3.  鉄筋がさびるとコンクリートはどうなるか?

最初にできた錆の卵(水酸化第一鉄)は、溶存酸素と結びついて水酸化第二鉄になり、さらに水分を失って赤錆(水和酸化鉄、または三酸化二鉄)に、酸素の不足した一部は黒錆(四酸化第三鉄)となり鉄筋の表面に積層し錆の層を作ります。錆の層は多孔質で、その隙間に水や空気をたっぷり含むため、鉄筋内部へと腐食は進行して行きます。

錆びた鉄は、その容積を2.5倍に膨張させ、その膨張圧力でコンクリートのひび割れを押し広げてゆきます。最終的に錆び汁がコンクリート表面に出て来て、鉄筋の補強性能を著しく低下させ、構造体の耐力に大きな影響を及ぼしてゆきます。以下の写真を見て下さい。

3-1 錆による劣化の進行過程

鉄筋の腐食はひび割れの発生がなければ起きないのではありません。鉄筋周辺のコンクリートのpHが11以下になると錆の発生リスクが高まります。また、コンクリートは海辺や融雪材(塩)は撒かれる道路や橋でも使われます。鉄は塩に弱いという事は共通の認識です。ここで鉄筋の錆による劣化の進行過程を考えてみましょう。

3-2 塩害による劣化進行過程

塩害による劣化進行過程を表1に示すように四段階に分けることが出来ます。各劣化期間は、構造物の状態に対応していることから、劣化進行予測は基本的にその期間の長さを予測することが基本です。期間を決定する要因に基づいて定期的な点検を行う事が大切です。

劣化過程

定義

期間を決定する要因

潜伏期

鋼材のかぶり位置の塩化物イオン量が1.2/m3に達するまでの期間

塩素イオン量の拡散

初期含有塩素イオン濃度

進展期

鋼材の腐食開始から腐食ひび割れ発生までの期間

鋼材の腐食速度

加速期

腐食ひび割れ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になる期間

表1:塩害における各劣化期間の定義

 

塩害による鉄筋腐食の実例写真を以下に示します。

3-3 鉄筋コンクリートの中性化による劣化進行過程

中性化または炭酸化とは、硬化したコンクリートが空気中の炭酸ガスや水中でのCa(OH)2の溶出などの影響を受け、徐々にアルカリ性が低下して行く現象です。中性化による強度低下は問題ではなく、コンクリート内部の鋼材・鉄筋の腐食が問題となるのです。

鉄筋は、コンクリートのpHが11以下になると、鉄筋の腐食リスクは高まります。pHが低くなると、鉄筋表面の不働態被膜が破壊され、水、空気が存在すると鉄筋に腐食が進行します。表2では中性化による劣化進行過程を四段階に分けて説明します。

劣化過程

定義

期間を決定する要因

潜伏期

中性化深さが鋼材腐食限界に達するまでの期間 中性化進行速度

進展期

鋼材の腐食機関から腐食ひび割れが発生する期間 鋼材の腐食速度

加速期

腐食ひび割れにより腐食速度が加速する期間 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になる期間

表2:中性化における各劣化期間の定義

 

中性化による鉄筋腐食の実例を以下に示します。

4. 鉄筋腐食によるひび割れ対策

まずは、「2. どうすれば錆を防げるか?」を思い出してください。コンクリートにひび割れが発生した初期段階では、すぐにひび割れをシールし、酸素と水の供給をストップすれば腐食の進行は止められます。

しかし、ある程度鉄筋の腐食が進行している状況では、鉄の錆の層に酸素と水を含んでいるので、ひび割れを塞いだだけでは腐食の進行は止められません。鉄筋の位置までコンクリートをはつり出し、錆を落としコンクリート用防錆剤を塗布して強制的に不導体膜を形成させ、補修モルタルではつり出した部分を補修仕上げて終了です。

また電気的な防食方法もあります。これは亜鉛などイオン化傾向が高い材料を用い、腐食した鉄筋から酸素を奪い、亜鉛側に移すという腐食メカニズムが電気反応であるという事を利用した防食方法です。

5.まとめ

鉄筋や鋼材の腐食はそのコンクリート構造物に致命的なダメージを与えます。コンクリートの弱点を鉄筋が補い、鉄筋の弱点、つまり熱に弱いという点をコンクリートが火災などのリスクから鉄を守っているのです。お互いが健全であれば、お互いがハッピーでいられる。まるで長く連れ添う夫婦のような関係です。