土木学会 コンクリート標準示方書 における塩害の取り扱い 第 2 回塩害等による構造物 環境影響に関するシンポジウム 2015 年 1 月 28 日 北海道大学大学院工学研究院 横田 弘
コンクリートの塩害進行のプロセス 1 コンクリートに塩分鉄筋が腐食し, 錆が膨張し, コンが浸入し始める錆を作り始めるクリートにひび割れを生じる さらに錆が増えると, かぶりを押し出す. 錆汁ひび割れ剥離 剥落 鉄筋破断
コンクリートの塩害進行のプロセス 2
塩害への対応 3 基本的な考え方 設計だけ, 維持管理だけ, で対応するには限界がある そこで, 設計段階, 施工段階, 維持管理段階での配慮 計画 - 設計 - 施工 - 維持の連係で性能確保
コンクリート標準示方書とは 4 1931 年に 鉄筋コンクリート標準示方書 として刊行 コンクリートの配合設計に関する技術, およびコンクリートを用いた構造物の設計, 施工, 維持管理等に関する諸技術を取りまとめたもの. 各種機関等が, コンクリート構造物に関する実務に用いられる技術基準を発行する際に, 技術的な標準として参照されるもの. 国内外のコンクリートに関する最新の技術を反映したもの. ( 約 5 年ごとに小改訂,10 年ごとに大幅な見直し ) 限界状態設計法 (1986 年 ) をベースにした 性能照査型 示方書 (2002 年 ).
最近のコンクリート標準示方書改訂の経緯 5 設計編 1996.3 施工編 1996.3 ダム編 1996.3 規準編 1996.3 舗装編 1996.3 構造性能照査編 2002.3 設計編 2008.3 耐震設計編 耐震性能照査編 1996.7 2002.12 施工編 施工編 施工編 ( 耐久性照査型 ) 2002.3 2008.3 2001.3 維持管理編維持管理編 2001.1 2008.3 規準編 1999.11 ダムコンクリート編 2002.3 規準編 2002.3 舗装編 2002.3 ダムコンクリート編 2008.3 規準編 2007.5 舗装標準示方書 ( 舗装工学委 ) 基本原則編 2013.3 設計編 2013.3 施工編 2013.3 維持管理編 2013.8 ダムコンクリート編 2013.8 規準編 2010.11
設計で考えられる対応 6 Serviceability criteria General llayout, dimensions, i and selection of materials Full probabilistic method Probabilistic models resistance loads/exposure geometry Limit states Partial factor method Design values characteristic values partial factors Design equations Limit states Deemed to satisfy method Exposure classes, limit states and other design provisions Avoidance of deterioration method Exposure classes, limit states and other design provisions Execution specification Maintenance plan Condition assessment plan Eectionof Execution of structure re Inspection of structure Maintenance Condition assessment during operational service life ISO 16204: 2012 Durability Service life design of concrete structures
塩害を抑制 防止するためには 7 低 W/C コンクリート 混和材 混和剤混和剤 かぶりの確保 高性能コンクリート (UFC) 表面保護 塗覆装 非腐食鉄筋 エポキシ樹脂塗装鉄筋 ステンレス鉄筋 電気防食 など
塩害に対する照査 8 塩害の進行 塩害の程程度 腐食ひび割れ 1 I corr 腐食速度 : 評価が難しい 照査 t lim t lim > t L 時間腐食開始時期 : 比較的容易に評価でき, 安全側 腐食開始時期 (t lim ) が設計耐用年数 (t l ) よりも長いことを確認する
塩化物イオンによる鋼材腐食の照査 9 コンクリート表面のひび割れ幅が, 鋼材腐食に対するひび割れ幅の限界値以下であること. 仕様規定であるが, これだけで照査しない. 鋼材位置における塩化物イオン濃度が, 設計耐用期間中に鋼材腐食発生限界濃度に達しないこと. 部分安全係数法を採用している.
鋼材腐食に対するひび割れ幅の照査 10 コンクリート表面におけるひび割れ幅が, 鋼材の腐食に対するひび割れ幅の限界値以下であることを確認する. 鋼材腐食に対するひび割れ幅の限界値は, 鉄筋コンクリートの場合,0.005c(cはかぶり) としてよい. ただし, 05mm 0.5mm を上限とする. 鉄筋コンクリート部材は, 永続作用による鋼材応力度が, 下表に示す鋼材応力度の制限値を満足することにより, ひび割れ幅の検討を満足するとしてよい. 常時乾燥環境 乾湿繰返し環境 ( 雨水の影響を受け ( 桁上部, 海岸や川の水面に ない桁下面など ) 近く湿度が高い環境など ) 常時湿潤環境 ( 土中部材など ) 140 N/mm 2 120 100
塩化物イオンによる鋼材腐食の照査 11 塩化物イオンの侵入に伴う鋼材腐食に対する照査は, 鋼材位置における塩化物イオン濃度の設計値 C d の鋼材腐食発生限界濃度 C lim に対する比に構造物係数 i を乗じた値が,1.0 以下であることを確かめることにより行うことを原則とする. i C C d 1.0 lim i : 構造物係数 (1.0~1.10 11 としてよい ) C lim C d : 鋼材腐食発生限界濃度 : 鋼材位置における塩化物イオン濃度の設計値
塩化物イオンによる鋼材腐食の照査 12 C 3 lim : 鋼材腐食発生限界濃度 (kg/m ). 類似の構造物の実測結果や試験結果を参考に定めてよい. それらによらない場合, 算定式により定めてよい. 凍結融解作用を受ける場合には, これらの値よりも小さな値とするのがよい. 不動態被膜の破壊時点を腐食発生開始と定義 腐食発生塩化物イオン濃度 C lim をW/C, セメントの種類で変化 C lim の単位をコンクリート1 m 3 中の塩素の質量で表記 ( コンクリート総量表記 kg/m 3 )
鋼材腐食発生限界塩化物イオン濃度 13 普通ポルトランドセメント C lim = -3.0(W/C) + 3.4 高炉セメントB 種相当, フライアッシュセメントB 種相当 C lim = -2.6(W/C) + 3.1 低熱ポルトランドセメント, 早強ポルトランドセメント C lim = -2.2(W/C) + 2.6 シリカフューム C lim = 1.20 適用範囲 :0.30 W/C 055 0.55
コンクリート中の塩化物イオン濃度の表記 14 イオン濃度表記 細孔溶液中の塩化物イオン濃度 [Cl ] mol/l セメント従量表記 全塩素質量のセメント質量に対する比率 mass % of cement コンクリート総量表記 単位体積のコンクリートに対する全塩素の質量 kg/m 3
15 コンクリート中の塩化物イオンの移動コンクリート中の塩化物イオンの移動コンクリート中の塩化物イオンの移動は複雑現象 2 2 w w a w w a a f D c D c D c コンクリト中の塩化物イオンの移動は複雑現象 1,..., 1,..., 2 2, b a a w w w a a w w w a a ea a c c f x x c x x x c x D t 濃度差による拡散水の移動化学反応濃度差による拡散水の移動電位差による移動水の移動に伴う濃縮 2 C D C 2 x D t a (Fick の拡散第二法則 )
塩害を支配する主要因 塩化物イオンの供給量 ( 周辺の環境 ) > C 0 : 表面塩化物イオン濃度 コンクリート中の塩化物イオンの移動のし易さ ( コンクリートの品質 ) > > D ap : 見掛けの拡散係数 鋼材の位置 > c : かぶり 塩化物イオン Cl かぶり Cl 鋼材
塩化物イオン濃度の算定 cl : 鋼材位置における塩化物イオン濃度の設計値 C d のばらつきを考慮した安全係数 =1.3 13 C d cl C 0 1 erf C i : 初期塩化物イオン濃度 =0.30 kg/m 3 0. 1 2 D c d d t C i 17 C 0 : コンクリート表面における塩化物イオ 0 クリ表面物ン濃度 (kg/m 3 )
塩化物イオン濃度の算定 18 C d D d D k : コンクリートの塩化物イオンに対する拡散係数の特性値 (cm 2 / 年 ) cl D c C k 0 0. 1 1 erf d Ci 2 Dd t w l D 0 : ひび割れの存在が拡散係数に及ぼす影響を表す係数 =1.5 c D 0 : コンクリート中の塩化物イオンの移動に及ぼすひび割れの影響を表す定数 w =400cm pe 2 / 年 σ se または csd l Es Ep
コンクリートの塩化物イオン拡散係数 19 水セメント比と見掛けの拡散係数との関係式 電気泳動法や浸せき法を用いた室内実験または自然暴露実験 実構造物調査
見掛けの拡散係数 / 関係式を用いる場合 20 普通ポルトランドセメント log 10 D k 3.0( W 低熱ポルトランドセメント log 10 D k 3.5( W / C) 1.8 / C) 1.8 高炉セメントB 種相当, シリカフューム混和 log 10 D k 3.2( W / C) フライアッシュセメント B 種相当 2.4 log 10 D k 3.0( W / C ) 1. 9 適用範囲 :0.30 W/C 0.55
見掛けの拡散係数 / 電気泳動法により求める場合 21 D ae = k 1 kk 2 DD e D ae: 電気泳動試験による実効拡散係数から換算した見掛けの拡散係数 (cm 2 / 年 ) D 2 e : 電気泳動試験による実効拡散係数 (cm / 年 ) k 1 : コンクリート表面におけるコンクリート側, 陰極側溶液側それぞれの塩化物イオン濃度のつり合いにかかわる係数 k 2 : セメント水和物中への塩化物イオンの固定化現象にかかわる係数
見掛けの拡散係数 / 電気泳動法により求める場合 22 普通ポルトランドセメント 低熱ポルトランドセメント 高炉セメントB 種相当 k 1 k 2 =0.21exp{1.8 (W/C)} k 1 k 2 =0.15exp{3.1 (W/C)} k 1k 2=0.14exp{1.6 (W/C)} フライアッシュセメントB 種相当 k 1 k 2 =0.37exp{1.1 1 (W/C)} 適用範囲 :0.30 W/C 0.55
コンクリート表面塩化物イオン濃度 23 塩害に対する照査で用いるコンクリート表面塩化物イオン濃度は, 対象地域の飛来塩分量に応じて設定する. 過去の類似の構造物の実績や実測データによらない場合は次の表によってよい. 飛来塩分が多い地域飛来塩分が少ない地域 コンクリート表面塩化物イオン濃度 C 0 (kg/m 3 ) 北海道, 東北, 北陸, 沖縄 海岸からの距離 (km) 飛沫帯汀線付近 0.1 0.25 0.5 1.0 9.0 4.5 3.0 2.0 1.5 13.0 上記以外 4.5 2.5 2.0 1.5 1.0
コンクリート表面塩化物イオン濃度 24 飛来塩分捕集箱 ( 土研式タンク法 ) やドライガーゼ法 (JIS Z 2382) などを用いて測定された信頼性の高い飛来塩分データが利用可能な場合 C 0.016016 C 2 C 1.7 C 30.00 C C C 0 ab ab ab ンクリト表面塩化物イオン濃度 (k / 3 ) C 0 : コンクリート表面塩化物イオン濃度 (kg/m 3 ) C ab : 飛来塩分量 (mdd)
かぶりの設計値 ( 設計耐用年数 50 年 ) 25 コンクリート表面塩化物イオン濃度
かぶりの設計値 ( 設計耐用年数 100 年 ; ひび割れの影響 ) 26 w/l w/l w/l w/l
構造物の性能と設計耐用期間 27 構造物の安全性設計時設定性能レベル補修 補強時設定性能レベル要求性能レベル 設計時に推定された性能補修等 診断時に推定された性能ケース 2 診断時に推定された性能ケース 1 ( 対策の必要なし ) 補修後に推定された性能 予定供用期間 時間 竣工時診断時 設計耐用期間 残存予定供用期間ケース 2 での残存耐用期間ケース 2 に対して補修等を考慮した残存耐用期間
塩化物イオンによる鋼材腐食の照査 28 [ 維持管理編 ] [ 維持管理編 : 本編 ] [ 維持管理編 : 標準 ] [ 維持管理編 : 劣化現象 機構別 ] [ 維持管理編 : 付属資料 ]
塩化物イオンによる鋼材腐食の照査 29 構造物 構造物群 構造物の維持管理計画 点 検 必要に応じて維持管理計画の見直し 構造物群の維持管理計画 記録記録記録記録 劣化機構の推定 測断予 参照 記録診性能の評価 対策の要否判定 対策不要 対策必要 対策 * *) 対策として解体 撤去が選択された場合には, 記録を行った後に終了する.
劣化機構の推定 30 設計時に想定した劣化機構, 環境作用 使用材料, 施工管理 検査の記録 劣化現象の確認 竣工時期環境条件, 使用条件 劣化機構の推定 点検結果 ( 変状の特徴, 劣化指標 ) 参照 [ 維持管理編 : 劣化現象 機構別 ] 2 章 ( 水掛かり ) 3 章 ( ひび割れ ) 4 章 ( 鋼材腐食 ) 中性化塩害凍害化学的侵食アルカリシリカ反応疲労すりへり 複合劣化
塩害に対する維持管理限界の例 31 点検結果の蓄積 予測結果の修正, 予測精度の向上 構造物の性能 構造物の性能の変化 ( 実際 ) 予測の修正と精度の向上 平均的な予測値 供用期間 維持管理の初期で行った劣化予測の精度の幅 維持管理期間中の点検結果に基づき修正を行った劣化予測の精度の幅 維持管理の初期段階 供用中の点検 ( 初期点検 ) ( 日常点検, 定期点検 )
塩害に対する維持管理限界の例 32
水掛かりによる劣化への対応 33
塩害に対する維持管理限界の例 34
塩害に対する維持管理限界の例 35 劣化の程度 時間 劣化の程程度 維持管理限界時間 性能低下 要求性能 維持管理限界 性能低下 要求性能
塩害に対する調査項目の例 36
外観上のグレードと劣化の状態 37 鉄筋コンクリート プレストレストコンクリート
塩害に対する補修の効果 38