管路腐食域結露 ( エトリンガイト ) 腐H2S+O2 H2O 硫黄酸化細菌温度差による結露 H2SO4 H2S ( 硫酸 ) SO4 2- 硫化水素の拡散 H2S H2S SO4 2- 食 劣化が特に激しい部分スライム層 硫化水素の生成域汚泥堆積層 2- - SO4 +2C+2H2O 2HCO3

Transcription

1 既設流域下水道施設の硫化水素特性と施設劣化に関する実証的研究 伊藤久也 1 鈴木哲也 2 青木正雄 3 河野英一 4 市座政由 5 1 正会員株式会社日本水工コンサルタント名古屋事務所技術部 ( 名古屋市中村区竹橋町 5-10) 2 正会員工博日本大学専任講師生物資源科学部生物環境工学科 ( 神奈川県藤沢市亀井野 1866) 3 正会員農博日本大学准教授生物資源科学部生物環境工学科 ( 神奈川県藤沢市亀井野 1866) 4 正会員農博日本大学教授生物資源科学部生物環境工学科 ( 神奈川県藤沢市亀井野 1866) 5 株式会社日本水工コンサルタント関東支店技術部 ( 埼玉県蕨市塚越 ) 下水道事業により整備された管渠等施設は, 長期間使用による施設の老朽化による劣化が顕在化している. 特に, 老朽管路の破損等による道路陥没事故は約 4,700 件にのぼっており 1) 増加傾向にある. この事から老朽施設の増加に伴う諸問題が増大することは避けられない状況にある. 本報では, このような現状を踏まえ建設後 4 年 ~17 年経過した流域下水道施設において, 部での劣化状況を評価した. 調査としては, 劣化因子となっている硫化水素濃度を連続測定すると共に躯体の劣化状況を確認し, 供試体を採取した. 採取した供試体により EPMA 面分析を実施し, 硫黄 カルシウムの浸漬度を測定すると共に, 劣化度評価した結果を報告するものである. キーワード : 中性化, 硫化水素, エトリンガイト, 二水石膏,EPMA, 劣化度評価 1. はじめに下水道整備は, 昭和 40 年代以降, 下水道事業の採択都市数が急増すると共に, 各地で建設が推進されてきた. この社会資本整備の推進により下水道処理人口普及率は平成 19 年度末で71% を超え, 当該事業により整備された下水道施設は, 管路総延長で約 40 万 km, 下水処理場数で約 2,000 箇所 1) に達しており下水道事業は維持管理の時代を迎えている. 下水道施設は, 適正な維持管理を行うことにより耐用年数をできるだけ長く維持する必要があるが, 近年, 硫化水素ガスの発生に起因する硫酸により下水道コンクリート構造物の劣化がクローズアップされている. 下水道施設は, 他の土木施設と同様に, 中性化, 塩害などによりコンクリート構造物が劣化する可能性がある. 特に, 下水道施設に特有な化学的侵食に位置づけられる硫酸による劣化の対象範囲が最も広く且つ劣化速度も大きいため, 早急で適切な対応が必要となっている. 下水道施設のうち管路施設は, 一旦建設されると, 地中にその姿を隠し, 日常の生活では, 人の目に触れることはほとんどない. このため, コンクリート 腐食等の劣化現象は, 密閉された施設内で進行するため, 施設保全という観点から, コンクリート腐食の問題は, ほとんど日常点検の対象とはなってこなかった. しかし, 日常点検や管路内調査を進める中で, 現実に供用開始後数年で硫化水素ガスの発生に起因した硫酸による急激なコンクリート腐食の事例も報告 2) されている. しかし, このコンクリート腐食現象は, メカニズムが複雑で, 施設の腐食状況の事象について情報が極端に少ない状況にある. 特に, 管路施設に用いられているコンクリート管等の腐食は, 問題を顕在化させずに先送りにし, 時間が経過した場合, 腐食による劣化が進行し, ライフサイクルコストの増大に至る結果となる. このような管材の劣化等による道路陥没事故が約 4,700 件も発生しており, 増加傾向にあると共に, 重大な事故につながる可能性も高い. 本研究では, このような事象を踏まえ, 硫化水素による下水道施設の劣化状況について実証的研究を試みた

2 管路腐食域結露 ( エトリンガイト ) 腐H2S+O2 H2O 硫黄酸化細菌温度差による結露 H2SO4 H2S ( 硫酸 ) SO4 2- 硫化水素の拡散 H2S H2S SO4 2- 食 劣化が特に激しい部分スライム層 硫化水素の生成域汚泥堆積層 2- - SO4 +2C+2H2O 2HCO3 +H2S 硫酸塩還元細菌図 -1 コンクリート腐食メカニズム 3) 2. 下水道施設の劣化原因と評価手法 図 -2 計測対象施設の模式図物理作用が複合した現象であり, これを図に示すと図 -1のような機構となる. このため, 水温, 汚水中の硫酸イオン濃度や施設の構造等の地域性に大きく影響を受け, 気相部の硫化水素 (H 2 S) 濃度, 湿度, 気温等の腐食環境によりコンクリートの腐食速度が大幅に異なる. 自然界の硫黄循環のうち, 下水道施設内では, 汚水中あるいは汚泥中の硫酸イオンから始まる硫酸塩還元細菌と硫黄酸化細菌の活動が卓越した硫黄循環が生じ, 硫酸による気相部でのコンクリートの腐食が発生 3),5) する. 硫黄は, 汚水処理の除去対象物質ではないが, 主として硫酸イオンの形態で汚水中に存在し, 下水道施設内の嫌気性条件下で硫酸塩還元細菌の働きにより硫化水素になり, コンクリート構造物の著しい腐食や悪臭の原因物質となる. 本研究では, 下水道施設に特有な硫酸塩還元細菌による液相から気相への硫化水素ガスの放散および気相部で硫黄酸化細菌の活動より生成される硫酸によるコンクリートの腐食を 劣化 として定義し取扱うものとした. (1) 劣化メカニズム下水道施設に特有な硫酸によるコンクリート腐食は, 次のような機構 3),5) となっている. a) 嫌気性状態の下水中及び汚泥中での硫酸塩還元細菌による硫酸塩からの硫化物 (H 2 S,HS -,S 2- ) の生成 ( 生物学的作用 ) b) 液相から気相への硫化水素 (H 2 S) ガスの放散 ( 物理学的作用 ) c) 密閉されたコンクリート構造物気相部内面の結露水中での好気性の硫黄酸化細菌等による硫化水素からの硫酸の生成 ( 生物学的作用 化学的作用 ) d) 硫酸とコンクリート中の成分との反応によるコンクリートの劣化 ( 化学的作用 物理学的作用 ) 以上 a~dの順に進行する生物反応, 化学反応及び (2) 劣化調査既存施設のコンクリート劣化部位調査技術として最近の調査 診断技術では,1コンクリート腐食環境の把握に関して, 硫化水素ガス濃度の連続測定, 下水中の溶存硫化物測定があり,2コンクリートの腐食 劣化状況の把握 測定には, 精密分析として EPMA( 電子線マイクロアナライザー ) による硫黄侵入深さの判定や, 簡易測定として従来のフェノールフタレイン法による中性化判定の他, 塩化バリウム混合液による判定指示薬の有効性の確認等が行われている. 3. 計測施設本研究の計測施設は, 建設後 4 年から17 年が経過した流域下水道施設である. この施設の部により計測を実施した. (1) 計測箇所計測対象となる箇所を模式図として図 -2に示した. この図中に示したNo.1~No.6が計測位置である. 記号 Tは, 終末処理場を示す. (2) 計測項目計測箇所は,No.1~No.6の全 6 箇所のであり計測項目は, 目視調査 鉄筋探査 中性化深さ調査 EPMA 分析 硫化水素濃度連続測定とした. 各計測項目別の実施状況を表 -1に示す

3 調査箇所 NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 目視調査 表 -1 施設別計測実施項目 尚, No.2 の箇所における施設においては, 表面被覆による防食が施されていたため計測項目である中性化深さ調査 EPMA 分析の計測は実施していない. 4. 試験方法 供試体採取 復旧 中性化深さ調査 EPMA 分析 鉄筋探査 硫化水素濃度連続測定 本研究の試験方法は, 目視調査 鉄筋探査 中性化深さ調査 ( 供試体採取 ) EPMA 分析 硫化水素濃度連続測定を実施した. (1) 目視調査目視調査は, 各内においてデジタルカメラを用い腐食環境および異常個所を目視確認する. 主要な確認項目は次の通りである. a) ひび割れの有無 b) 浮きの有無 ( 打検棒により表面浮きの判定 ) c) 剥落の有無 d) 表面状態の良否 e) 漏水または漏水痕の有無 (2) 鉄筋探査レーダー方式鉄筋探査機 ( 型式 :NJJ-95B, 製造 : 計測技術サービス ) を用いて, 非破壊により鉄筋の配筋状況およびコンクリートかぶり厚さを確認した. (3) 供試体採取採取方法は, コンクリートからのコアの採取方法及び圧縮強度試験方法 として規格 JIS A1107:2002に準じて採取をおこなった. 鉄筋探査により確認し, 鉄筋の配置されていない部分によりコンクリートコアドリルを用いて, 中性化深さ調査およびEPMA 分析に用いるコンクリートコア ( 供試体 ) を採取した. 表 -2 EPMA 面分析条件 型 式 JXA-8200 製 造 日本電子社製 加速電圧 15kV 試料電流 A 測定時間 50msed ピクセル 分光結晶 PET_Ca,S 標準試料 ビーム径ピクセルサイズ Ca_Wonastonite(CaO=48.3mass%) S_Anhydribe(SO,=58.8mass%) 50μm 100μm (4) 中性化深さ調査測定方法は, コンクリートの中性化深さの測定方法 規格 JIS A1152:2002に準じて測定をおこなった. 中性化深さ測定位置は, コンクリートコアを中心より割裂し, その面にフェノールフタレイン1% エチルアルコール溶液を噴霧して, 表面からの未着色部分 ( 中性化領域が未着色, 非中性化領域は赤色 ) を, 両側面 5mmを除き7 点測定した. また, 平均中性化深さは, 測定点 7 点の平均中性化深さであり, 最大中性化深さは, コアの表面から連続した中性化部分の中で最大の中性化深さである. 尚, No.3 の箇所は, コア表面に樹脂製防食層と接着層が施されていたが, 中性化深さの基準位置は躯体コンクリートの表面の位置とした. (5)EPMA 分析一部のコア試料表面に劣化が見られたため, 最初にメタクリル樹脂を塗布して補強を行った. 続いてコア試料の表面より約 45mmで横方向に切断した後, 試料の深さ方向の断面を得るために縦方向に切断して, 縦横約 45mm, 厚さ約 15mmの大きさに加工した. ただし, 断面修復層を持つ No.1 の箇所は, 縦方向の大きさを約 60mmとした. 分析試料にメタクリル樹脂を含浸させた後, 分析面を研磨した. 研磨した分析面にメタクリル樹脂を含浸させた後, 再度分析面を研磨した. 分析面に対し導電性を与える目的でカーボンを蒸着し, 電子線マイクロアナライザー (EPMA) による面分析を行った.EPMAによる面分析の条件を表-2に示す. ピクセル数は, No.1 試料 1, No.1 試料 2 については (60mm 40mm) とし, それ以外の箇所については (40mm 40mm) とした

4 測定期間平成 20 年 8 月 12 日 ~8 月 19 日測定開始時間 12 時 00 分 最高濃度 :31.7ppm 平均濃度 : 4.0ppm 硫化水素濃度 (ppm) 日 13 日 14 日 15 日 16 日 17 日 18 日 19 日 時間 写真 -1 コンクリート壁面劣化状態 図 -3 No.1 硫化水素濃度測定結果 (6) 硫化水素濃度連続測定拡散式硫化水素濃度測定機 ( 型式 :GHS-7 AT, 製造 : ミドリ安全 ) により, 対象施設の硫化水素濃度を1 週間連続して測定した. 測定は, 内部に測定機を吊り下げ, 蓋を閉めた状態でおこなった. 5. 結果及び考察 (1) 調査施設の劣化概要目視調査の結果, 写真 -1のように硫化水素に起因するコンクリートの劣化が確認され, いずれの現象も骨材の露出として確認された. 但し, 防食を施している箇所については見られていない. 中性化深さ測定結果より, 中性化深さは0.0mm~ 3.5mmの範囲で確認され, 中性化が極端に進行しているは見られなかった. EPMA 分析結果, 採取した供試体表面より0.0mm ~12.0mmの範囲で, 硫黄浸透深さが確認された. 分析では, 二水石膏およびエトリンガイトについても上記の値の範囲で確認されている. 硫化水素濃度測定の結果, 硫化水素濃度は, 最大値で1.2ppm~31.7ppmの範囲で確認され, 平均値で 0.7ppm~7.7ppmの範囲として確認された. 尚, No.6 の箇所では, 終末処理場近傍でもあり連続して高い値を計測した. (2) 硫化水素濃度分布硫化水素濃度測定結果として, 各施設における測定結果グラフのうち, 計測期間で一時的に最大値を示した No.1 を図-3 に示し, 計測期間の平均最小である No.5 と平均最大である No.6 をそれぞれ図 -4 と図 -5 に示す. 連続測定の結果から硫化水 硫化水素濃度 (ppm) 硫化水素濃度 (ppm) 測定期間平成 20 年 8 月 20 日 ~8 月 27 日測定開始時間 12 時 00 分 日 21 日 22 日 23 日 24 日 25 日 26 日 27 日 時間 最高濃度 : 1.2ppm 平均濃度 : 0.7ppm 図 -4 No.5 硫化水素濃度測定結果 測定期間平成 20 年 8 月 20 日 ~8 月 27 日測定開始時間 12 時 00 分 0 20 日 21 日 22 日 23 日 24 日 25 日 26 日 27 日 時間 最高濃度 :8.4ppm 平均濃度 :7.7ppm 図 -5 No.6 硫化水素濃度測定結果 素濃度は, 最大値で 1.2ppm~31.7ppm の範囲で確認され, 平均値で 0.7ppm~7.7ppm の範囲で確認された. 既存の研究では硫化水素濃度は 0.1ppm でも約 0.3mm/ 年のコンクリート腐食が進行することが確認 -178-

5 硫黄侵入深さ (1.5mm) 表面 中性化深さ (5.1mm) 図-6 No.1 EPMA 分析による元素分布状況図 No.5 EPMA 分析による元素分布状況図 No.6 EPMA 分析による元素分布状況図 表面 硫黄侵入深さ (12mm) 中性化深さ (3.5mm) 図-7 表面 硫黄侵入深さ (9mm) 中性化深さ (0.1mm) 図-8 されている 3)ことから 各調査対象施設に滞留して いる硫化水素は 十分にコンクリートの硫酸腐食を 進行させる濃度であることが確認された (3)ＥＰＭＡ EPMA 分析結果の代表図を図-6 図-8 に示す EPMA分析結果より 表面防食を施してあるものを 除いて 供試体表面より1.0mm 12.0mmの範囲で 硫黄浸透深さを確認した また 同様に中性化深さ -179-

6 表 -3 施設別 EPMA 分析結果と平均硫化水素濃度 調査箇所 NO.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 供用年数 ( 年 ) 平均硫化水素濃度 (ppm) 試料番号 EPMAによ 劣化深度 る硫黄浸劣化速度推定式 (1) 透深さ (mm) (mm/ 年 ) による値 (mm) 試料 試料 試料 試料 試料 試料 試料 試料 試料 試料 試料 試料 についても二水石膏の浸透深さとして 3.5mm であった. 透深さに差異はあるが, 劣化の進行状況の確認ができた. 6.EPMA による硫化水素劣化とその特性 EPMA は,2 次電子及び反射電子を用いて試料の表面観察を行うとともに, 同時に発生する元素特有のX 線を用いることによって微小部の元素情報を得る装置であり, コンクリート中に発生している事象を判断することに用いる. 本研究では, コンクリート劣化現象の一つである, コンクリートへの硫酸 ( 硫黄 ) の浸入深さの分析調査を行った. コンクリート中に硫酸イオンが侵入するとコンクリート中の成分と反応し, エトリンガイドが生成され, 結合水を取り込んで膨張するため, 構造物の脆弱化を起こす. さらにエトリンガイドは, ph(h 2 O) が低下すると二水石膏を生成 4) する. この二水石膏は,pH1~2 でパテ状になり汚水の飛沫など少しの衝撃でも剥離する状態となる. また, 表面からの硫酸供給が継続すると, 表面の二水石膏層と内部のエトリンガイドの層は, より深部へと移動する. 本研究での調査結果より, 各調査箇所の硫化水素濃度と EPMA 分析による硫黄浸透深さの関係につて表 -3 のとおりとなった. この結果から, 劣化速度を推定すると0.3mm/ 年 ~ 0.8mm/ 年となり, 試料による差異は見られるものの 2.6 倍程度のばらつきの範囲となっている. 吉本らは, 平均硫化水素濃度と供用年数を指標としてコンクリート腐食深度推定に次式 6) を提案している NO.2 の箇所における施設においては箇施, 表面被覆に被よる防食が施されていたため試料は, 採取していない. d=1.33 (C T) 0.5 (1) d: 腐食深度 (mm) C: 平均硫化水素濃度 (ppm) T: 供用年数 ( 年 ) この式 (1) により, 算出した値とEPMA 分析による値は,1.3~4.2 倍の差が生じた. これは, 当該施設の平均硫化水素濃度が, いずれの箇所も10ppm 以下と比較的低い値であり腐食環境条件 7) としては, 厳しくない状況であることが影響しているものと推定される. また, 測定した硫化水素濃度は, 測定期間が1 週間程度であったため, 温度 湿度等季節的な影響を考慮することにより評価精度の向上が望めると考えられる. 7. まとめ本研究では, 硫化水素濃度を主体として施設の劣化状況を的確に把握することを目的とした. この結果, いずれの施設も硫化水素による劣化が進行しており, 劣化速度としては,0.3mm/ 年 ~0.8mm/ 年という劣化傾向を確認した. その結果, 平均硫化水素濃度が10ppm 以下の低い腐食環境下でも0.3mm/ 年以上の劣化速度で腐食が進行することが明らかになった. 今後は, 硫化水素濃度を通年で測定し季節的な変動として気温や湿度にも注目した測定とし, 施設の劣化状況を的確に把握する研究につなげたいと考えている. 参考文献 1) 国土交通省都市 地域整備局下水道部 : 下水道長寿命化支援制度に関する手引き, 平成 21 年度版,pp. 1, ) 国土交通省都市 地域整備局下水道部事業課 : 管路施設の硫化水素対策の実施および点検状況に関する調査 ( 第 2 回 ) の結果について, 平成 20 年 7 月, ) 森忠洋, 野中資博 : コンクリート微生物腐食の診断方法, 用水と廃水,Vol.33,No.12,pp , ) 松下博道, 牧角龍憲, 浜田秀則 : 硫酸塩によるコンクリートの劣化に関する基礎的研究, コンクリート工学年次講演会論文集, 第 7 回,pp , ) 池尾陽作 : 微生物によるコンクリートの劣化, コンクリート工学, Vol.36,No.12,pp , ) 兵庫県, 大阪府, 日本下水道事業団 : 技術開発部報告猪名川流域下水道施設の防食設計に関する調査報告書,pp , ) 日本下水道協会 : 下水道管路施設腐食対策の手引き, 表 ,pp. 49,