塩害対策と劣化メカニズム: 海岸沿いと市中のコンクリート構造物保護ガイド

コンクリートの劣化の原因である、「塩害」について教えて！

コンクリートの塩害は、主に塩分の侵入によって鉄筋が腐食し、構造物の耐久性が低下する現象です。この現象は、以下の観点から説明できます。

海岸沿いと市中の塩害

海岸沿い:

海水や海風には高濃度の塩分が含まれており、これがコンクリートに侵入します。
潮風が直接コンクリート表面に当たることで、塩分がコンクリート内部に浸透しやすくなります。
塩分の浸透が進むと、鉄筋が腐食しやすくなり、コンクリートのひび割れや剥離が発生します。

市中:

市中では、冬季に使用される融雪剤（塩化カルシウムや塩化ナトリウム）が主な塩分供給源です。
融雪剤が溶けてコンクリートに浸透すると、塩害が進行します。
また、車両の移動によって塩分が拡散され、広範囲に塩害が及ぶことがあります。

内在塩分と外部供給

内在塩分:

コンクリートの製造時に使用される材料（水、砂、骨材）に塩分が含まれている場合があります。
この内在塩分が硬化後に鉄筋に影響を与えることがあります。

外部供給:

外部からの塩分供給は主に海岸沿いや市中の環境からのものです。
海水の飛沫や潮風、融雪剤の使用が外部供給源となります。
外部供給された塩分がコンクリート表面から内部へ浸透し、鉄筋を腐食させる原因となります。

塩害が進行するメカニズムは？

塩害が進行するメカニズムは、以下のステップを通じて理解できます。

塩分の侵入

塩害の主な原因は、塩分（主に塩化物イオン）がコンクリート内部に侵入することです。これにはいくつかのルートがあります。

海岸沿いの環境: 潮風や海水の飛沫がコンクリート表面に付着し、そこから浸透します。
都市環境: 冬季に使用される融雪剤（塩化カルシウムや塩化ナトリウム）がコンクリートに付着し、浸透します。

塩化物イオンの移動

コンクリート内部に侵入した塩化物イオンは、水分を媒介にしてコンクリートの毛細管を通じて内部へ移動します。このプロセスは、以下の要因に影響されます。

水セメント比: コンクリートの水セメント比が高いほど、毛細管径が大きくなり、塩分が浸透しやすくなります。
ひび割れ: コンクリートにひび割れがある場合、塩分の浸透が加速されます。

鉄筋の腐食

塩化物イオンが鉄筋まで到達すると、以下のような腐食反応が進行します。

不動態皮膜の破壊: 通常、鉄筋はアルカリ性のコンクリートに囲まれているため、表面に不動態皮膜が形成されています。しかし、塩化物イオンがこの保護膜を破壊します。
腐食反応: 鉄筋が酸化され、以下の反応が進行します。
鉄 (Fe) + 塩化物イオン (Cl⁻) + 水 (H₂O) → 鉄イオン (Fe²⁺) + 水酸化物イオン (OH⁻) + 塩素 (Cl₂)
鉄イオン (Fe²⁺) + 酸素 (O₂) + 水 (H₂O) → 錆 (Fe(OH)₃)

錆の生成と膨張

腐食によって生成された錆 (Fe(OH)₃) は、元の鉄の体積の約2〜4倍に膨張します。この膨張圧力がコンクリート内部に作用し、以下のような問題を引き起こします。

ひび割れの発生: 内部圧力により、コンクリートにひび割れが生じます。
剥離: ひび割れが進行すると、コンクリート表面が剥離することがあります。
耐久性の低下: 鉄筋の断面積が減少し、構造物の耐久性が低下します。

塩害の進行

一度発生したひび割れや剥離が進行すると、さらに塩分が侵入しやすくなり、腐食が加速します。これにより、構造物全体の耐久性が急激に低下するリスクが高まります。

塩化物イオンというのは、塩の事？

塩と塩化物イオンの関係

塩化物イオン（Cl⁻）は塩の一部ですが、塩そのものとは異なるものです。塩と塩化物イオンの関係について以下で詳しく説明します。

塩（塩化ナトリウム）

化学式: NaCl
構成要素: 塩化ナトリウム（NaCl）は、ナトリウムイオン（Na⁺）と塩化物イオン（Cl⁻）から成ります。
状態: 固体の形で存在する場合、食卓塩や海塩として知られています。

塩化物イオン

化学式: Cl⁻
性質: 負の電荷を持つイオンで、水溶液中で自由に移動します。
生成: 塩化ナトリウムが水に溶解すると、ナトリウムイオン（Na⁺）と塩化物イオン（Cl⁻）に分離します。

関係

溶解と解離: 塩（NaCl）は水に溶けるとNa⁺とCl⁻に解離します。これにより、塩化物イオンが水溶液中で存在することになります。
NaCl (固体) → Na⁺ (水中) + Cl⁻ (水中)

コンクリートの塩害における塩化物イオン

塩化物イオンの役割: コンクリート内部に侵入した塩化物イオンは、鉄筋の不動態皮膜を破壊し、腐食を引き起こします。
侵入経路: 海水や融雪剤（塩化ナトリウムや塩化カルシウムなど）が主な供給源です。これらがコンクリート表面に付着し、水とともに内部に浸透します。

「負の電荷を持つイオン」とは？

「負の電荷を持つ」とは、塩化物イオン（Cl⁻）が1つの余分な電子を持っていることを意味します。これが腐食反応にどのように影響するか、アノード反応とカソード反応の概念と合わせて説明します。

塩化物イオン（Cl⁻）について

性質: 塩化物イオンは負の電荷を持つイオンで、コンクリート内部に侵入して鉄筋の腐食を促進します。
腐食の役割: 塩化物イオンが鉄筋まで到達すると、鉄筋表面の不動態皮膜を破壊し、腐食反応を開始させます。
鉄筋の腐食は、アノード反応とカソード反応が同時に進行する電気化学反応として理解されます。

アノード反応（酸化反応）

アノードでは鉄が電子を失い、酸化されます。このプロセスは以下の反応式で表されます。

反応式: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
説明: 鉄（Fe）が鉄イオン（Fe²⁺）と電子（e⁻）に分離します。鉄イオンは水溶液中に溶け出し、電子は鉄筋の表面に残ります。

カソード反応（還元反応）

カソードでは、酸素と水が電子を受け取って水酸化物イオン（OH⁻）を生成します。このプロセスは以下の反応式で表されます。

反応式: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
説明: 大気中の酸素（O₂）が水（H₂O）と反応し、電子を受け取って水酸化物イオン（OH⁻）を生成します。

全体の腐食プロセス

塩化物イオンの侵入: 塩化物イオンがコンクリート表面から内部に浸透し、鉄筋に到達します。
アノード反応: 鉄が酸化され、鉄イオンと電子が生成されます。
カソード反応: 電子が酸素と水と反応して水酸化物イオンが生成されます。
錆の生成: 鉄イオンが水酸化物イオンと反応して錆（Fe(OH)₃）を形成し、これが膨張してコンクリートにひび割れを生じさせます。

塩化物イオンは鉄筋の不動態皮膜を破壊し、アノード反応とカソード反応を促進することで腐食を引き起こします。アノードでは鉄が酸化され、カソードでは酸素が還元されることで、鉄筋の腐食が進行します。

アノード反応・カソード反応というのは、

塩害（塩化物イオン）によってのみ起きるの？

塩化物イオンの侵入以外にも、アノード反応やカソード反応が起きる状況はいくつかあります。以下のような要因が関与する場合にも、腐食反応が進行することがあります。

二酸化炭素の侵入（炭酸化）

炭酸化: 大気中の二酸化炭素（CO₂）がコンクリート内部に浸透し、水と反応して炭酸を生成します。これにより、コンクリートのアルカリ性が低下し、鉄筋を保護する不動態皮膜が失われます。
腐食の開始: 不動態皮膜が破壊されると、鉄筋が環境にさらされ、アノード反応とカソード反応が進行します。

酸の侵入

酸性物質の影響: 酸性雨や産業排水などの酸性物質がコンクリートに侵入すると、コンクリートのアルカリ性が低下し、不動態皮膜が破壊されます。
腐食の開始: 酸によって鉄筋が露出し、アノード反応とカソード反応が進行します。

物理的損傷やひび割れ

ひび割れの発生: コンクリートに物理的な損傷やひび割れが生じると、鉄筋が直接環境にさらされることになります。
腐食の進行: 鉄筋が露出しているため、水分や酸素が直接鉄筋に到達し、アノード反応とカソード反応が進行します。

湿潤と乾燥の繰り返し

湿潤と乾燥の影響: 湿潤と乾燥の繰り返しにより、コンクリート内部に水分が出入りします。この過程で鉄筋が部分的に露出し、腐食が進行します。
腐食の進行: 水分と酸素が鉄筋に到達しやすくなり、アノード反応とカソード反応が進行します。

一方で、塩害によって引き起こされるアノード反応・カソード反応が特に注目される理由は、以下の点にあります。

塩化物イオンの強力な腐食促進作用

強力な促進作用: 塩化物イオン（Cl⁻）は鉄筋の不動態皮膜を効率的に破壊し、腐食を急速に進行させます。他の腐食因子（例えば炭酸化や酸性雨）に比べて、塩化物イオンの腐食促進作用は非常に強力です。
迅速な進行: 塩化物イオンの存在下では、アノード反応とカソード反応が迅速に進行し、短期間で深刻な腐食が発生します。

広範な影響

環境の影響: 海岸沿いや寒冷地（融雪剤の使用地域）など、広範な地域で塩害が発生します。これにより、多くの構造物が塩害の影響を受けるリスクがあります。
建物の劣化: 塩害による腐食は、建物の寿命を大幅に短縮し、メンテナンスや補修コストを増大させます。

腐食のメカニズム

アノード反応とカソード反応の連携: 塩害によって引き起こされる腐食は、アノード反応（鉄の酸化）とカソード反応（酸素の還元）が密接に連携して進行します。これにより、腐食速度が速くなり、構造物の耐久性が急速に低下します。
錆の生成と膨張: 錆（Fe(OH)₃）の生成に伴う膨張がコンクリートに大きなダメージを与え、ひび割れや剥離を引き起こします。

塩害によって起こるアノード反応・カソード反応が特に注目される理由は、その強力な腐食促進作用、広範な影響、迅速な腐食進行、そして他の腐食原因に比べて深刻な劣化を引き起こすためです。

そう言えば、塩化物イオン濃度は1.2kg/㎥以下って言うのがあったよね？

はい。土木学会コンクリート標準示方書によれば、鋼材腐食発生限界塩化物イオン濃度は、水セメント比65％において1.2 kg/m³が目安であるとされています。
一方、塩害を抑制するには、コンクリート中に含まれる塩化物イオン量を0.3kg/㎥以下に減じる必要があります。少し紛らわしいですが、これらの数値の違いはしっかり覚えて下さい。

他にも対策がある？

塩害の抑制・対策

塩害を抑制するためには、コンクリートの設計や施工、維持管理において様々な対策を講じることが重要です。以下に具体的な対策をいくつか挙げます。

材料選定と配合設計

低塩化物含有材料の使用: コンクリート中の塩化物イオン量を0.3kg/㎥以下に抑えるために、低塩化物含有のセメント、骨材、水を使用します。
防錆鉄筋の使用: エポキシコーティングや亜鉛メッキされた防錆鉄筋を使用することで、鉄筋の腐食を抑制します。
高密度コンクリートの使用: 水セメント比を低く設定し、高密度のコンクリートを作ることで、塩化物イオンの侵入を防ぎます。

コンクリートの配合改善

混和材の使用: フライアッシュ、シリカフューム、スラグなどの混和材を使用することで、コンクリートの密度を高め、耐久性を向上させます。
ポゾラン反応の活用: 混和材によりポゾラン反応を促進し、コンクリートの微細構造を改良します。

施工技術の向上

適切なかぶり厚の確保: 鉄筋のかぶり厚を適切に確保することで、塩化物イオンの到達を遅らせます。
コンクリートの養生: 適切な湿潤養生を行い、コンクリートの強度と密度を十分に発現させます。
コンクリートの打設方法: 緻密なコンクリートを形成するために、適切な打設と締固めを行います。

防護措置

表面コーティング: コンクリート表面に防水コーティングやシーラントを施すことで、塩化物イオンの侵入を防ぎます。
カソード防食法: 鉄筋に対してカソード防食法を適用し、電気的に腐食を抑制します。
防錆剤の添加: コンクリートに防錆剤を添加することで、鉄筋の腐食を防ぎます。

環境管理と保守

定期点検とメンテナンス: 定期的に構造物を点検し、初期段階でのひび割れや劣化を早期に発見し、適切に補修します。
環境の制御: 海岸沿いや融雪剤が多用される地域では、構造物の設計や使用材料に特に注意を払い、塩化物イオンの侵入を最小限に抑える対策を講じます。

これらの対策を総合的に実施することで、コンクリート構造物の塩害を効果的に抑制し、耐久性を向上させることが可能です。塩害に対する予防措置を適切に講じることは、長寿命で安全な構造物の維持に不可欠です。

塩化物イオンによる劣化かどうか、どうやって見極めるの？

塩化物イオンによる劣化の判断

目視検査:鉄筋の錆びやコンクリート表面のクラックをチェック。
自然電位法:鉄筋の腐食状態を評価し、塩化物イオンの影響を確認。
塩化物イオン濃度測定:イオンクロマトグラフィー（IC）で塩化物イオン濃度を測定。

2と3は、どんな調査なの？

自然電位法による塩害の調査方法

自然電位法（Potential Measurement Method）は、コンクリート構造物の鉄筋の腐食状態を評価する非破壊検査手法です。この方法では、鉄筋の電位を測定して腐食の進行度を推定します。

準備

表面清掃: コンクリート表面の汚れや異物を取り除きます。
電極の準備: 参照電極（銅/硫酸銅電極など）とポテンショメーター（電位差計）を用意します。

測定

電極配置: 参照電極をコンクリート表面に設置し、測定位置に合わせて移動させます。
接触液の使用: コンクリート表面に接触液（水や導電性ゲル）を塗布し、電極とコンクリートの接触抵抗を低減します。
電位測定: ポテンショメーターを使用して、参照電極と鉄筋の間の自然電位を測定します。測定値を記録し、複数の位置で測定を行います。

データ解析

電位の分布解析: 測定した電位分布を解析し、腐食の有無や進行状況を評価します。
- 腐食の可能性: 一般的に、鉄筋の電位が-200 mV（銅/硫酸銅基準）よりも負の値の場合、腐食が進行している可能性があります。
- 電位の変動: 電位が急激に変動する場所は、腐食が集中している可能性があります。
- 評価結果: 測定データをもとに、コンクリート構造物の腐食状態を評価し、報告します。