鉄筋コンクリートにおける鉄筋腐食の防止と管理：メカニズムと対策

鉄筋コンクリート（RC）は、鉄筋（リバー）がコンクリート塊に埋め込まれた複合材料です。鉄筋は引張荷重の大部分を担い、それ自体が圧縮荷重を受けるコンクリートにクラック抵抗性を付与します。コンクリート中の鋼は通常、非腐食・不動態状態にあります。しかし、実践では非腐食・不動態条件が常に達成されるわけではなく、鉄筋腐食が発生します。鉄筋腐食は、コンクリート構造物の極限強度と供用性低下という物理的結果をもたらします。コンクリート中の鉄筋腐食は世界的な大きな問題です。腐食による損傷は、RCの供用性と構造的完全性を大幅に低下させます。腐食誘発コンクリート構造損傷は、早期修復、場合によってはコンクリート構造物の完全な交換を必要とします。

埋め込まれた鉄筋が腐食すると、腐食生成物により体積が増加します。すべての酸化鉄と水酸化鉄の比体積は鋼より大きいです。鋼腐食による膨張力はコンクリートの引張クラックと錆汁染み出しを引き起こします。これが供用性と構造的完全性の低下を招き、美観も損ないます。一度腐食が始まると、累積的損傷がコンクリート構造物に生じ、設計寿命より十分早く破壊に至るのは時間の問題です。

鉄筋腐食の2大原因

コンクリート中の鉄筋腐食の2つの主原因は：(1) 塩化物イオンによる鋼表面不動態皮膜の局所的破壊、(2) 大気中CO₂（二酸化炭素）との反応によるコンクリートアルカリ性中和による不動態の一般的喪失。鉄筋コンクリート中の鉄筋腐食に影響する主因子は：(1) 炭酸化によるアルカリ性喪失、(2) 塩化物によるアルカリ性喪失、(3) 力学的荷重によるコンクリートクラック、(4) 迷走電流、(5) 大気汚染、(6) 水分経路、(7) 水セメント比、(8) コンクリートの低引張強度、(9) 異種金属との電気的接触、(10) 環境差による腐食。

コンクリート中鋼腐食の電気化学的性質

腐食は、材料が環境との反応によって劣化・破壊されることと定義できます。これは電気化学プロセス（図1）で、電流流動と多くの化学反応を必要とします。電気化学プロセスの例はガルバニック電池です。電気化学電池が機能するには、3つの基本要素が必要です：(1) 陽極、(2) 陰極、(3) 電解質。陽極は電子生成部位、陰極は電子消費部位です。電解質はイオン流動が可能な媒質です。鉄腐食における陽極と陰極での典型的反応は：(1) 陽極反応 Fe = Fe(++) + 2e(-) （酸化）、(2) 陰極反応 2H(+) + 2e(-) = H₂ （還元）、(3) 脱分極反応 2H(+) + 2e(-) + 0.5O₂ = H₂O。

図1 コンクリート中鉄筋腐食の電気化学プロセス概念図

陽極では金属鉄（Fe）が酸化され電子が生成されます。金属は電子平衡状態を保つ必要があるため、同量の電子が陰極で消費され水素（H₂）ガスが生成されます。H₂ガスは鉄筋表面近くに留まり、反応は自己阻害的になります。陰極は分極したと言われ、保護的H₂膜が除去（脱分極）されない限りそれ以上反応は進行しません。H₂はガスとして発生しますが、このプロセスは通常かなり遅いです。より重要なのは、酸素（O₂）の脱分極作用によるH₂膜の破壊です。この場合、O₂は自由電子を消費してH₂ガス蓄積を防ぎます。一度H₂層が破られると、腐食反応は自由に継続できます。

ナトリウムと塩化物イオンは反応に参加しないため、全反応は陽極反応と脱分極反応の和で表せます。H₂O = H(+) + OH(-) を用いると、主要腐食反応は Fe + H₂O + 0.5O₂ = Fe(OH)₂ となります。析出化合物は水酸化第二鉄で、白色を呈する錆の一形態です。しかし酸素存在溶液では、水酸化第二鉄はさらに酸化され水酸化第三鉄になります。最終生成物はおなじみの赤褐色錆です。

鉄筋腐食のタイプ

コンクリート埋込み鉄筋で観察される腐食には2タイプあります：(1) 隙間腐食、(2) 点食腐食。隙間腐食は、微小環境レベルで停滞溶液に関連する局所腐食形態です。このような停滞微小環境は隙間（遮蔽領域）で発生しやすいです。隙間深部の液中O₂は金属との反応で消費されます。空気に露出した隙間入口の液中O₂濃度は高くなります。したがって、陽極（攻撃領域）がO₂枯渇液と接触する表面となる局所電池が形成されます。点食腐食の場合、不動態理論は吸着ベースと薄い酸化皮膜存在ベースの2大類に分類されます。第1の場合、塩化物イオンなどの有害種/活性化種が特定表面サイトでO₂や水酸化物イオンと競合することで点食腐食が生じます。酸化皮膜理論では、有害種が不動態皮膜に取り込まれ、局所溶解や導電パス形成を引き起こします。一度開始されると、ピットは自己触媒的に伝播し、活性領域の酸性化と加速腐食をもたらします。

腐食メカニズム

完全均一な媒質では腐食はほぼ発生しません。しかし、鉄筋コンクリートは決して均質材料ではなく、特定条件下で腐食電池が形成されます。コンクリートの腐食促進的非均質性には多数の理由があります。コンクリートはジャンカ（空隙）、多孔質、不均一に湿潤・乾燥状態になります。クラックは鋼応力差、差動通気、塩分堆積を引き起こします。製造プロセスと初期残留応力固有の非均質性が鉄筋自体に常に存在します。その結果、低電位領域が陽極、高電位領域が陰極になります。湿潤コンクリートが電解質として働き、塩イオン存在で作用がさらに加速されます。鉄筋コンクリート中の腐食は通常、(1) クラック入りコンクリート、(2) 非クラックコンクリートの2大グループに分類されます。

新鮮な非クラックコンクリートでは通常、腐食攻撃への十分な抵抗性があります。鉄筋上のコンクリートかぶりは、腐食性物質の鋼レベルへの浸透を阻害するのに非常に効果的です。明らかに、コンクリートかぶりが厚く密であればあるほど、耐腐食性が高まります。また、新鮮コンクリートは非常に高いpH値を持ち、通常腐食反応を抑制します。pH数は媒質の酸性度/アルカリ性度の指数です。0〜7は溶液酸性（腐食促進）、7〜14は溶液アルカリ性（腐食抑制）を示します。新鮮コンクリートは水酸化カルシウムCa(OH)₂を多く含み、pH約13を示します。最後の防衛線は鉄筋表面の青色酸化皮膜（ミルスケール）です。この酸化皮膜が腐食性物質の裸金属への直接接触を防ぎ、ミルスケールが局所的耐食保護を提供します。

しかし、時間経過とともに上記条件は変化しがちです。水、塩、O₂、CO₂、工業ガス（存在する場合）がコンクリートへ徐々に浸透し、その速度はコンクリートかぶりの透過性に依存します。CO₂はコンクリート細孔とクラックを通じて浸透し、Ca(OH)₂と反応して炭酸カルシウムを生成します。これによりpH値とコンクリートの保護性が両方低下します。コンクリート中での腐食発生一般メカニズムを図2に示します。

図2 鉄筋腐食の一般的メカニズム

コンクリートpHが8まで低下すると腐食確率が高まります。塩結晶化と凍結融解効果が内部力を発生させ、コンクリートかぶり耐久性に悪影響を与えます。腐食性媒質が鋼に達すると、酸化皮膜の欠陥に攻撃を集中させます。より重要なのは、塩が存在する場合、鋼表面の酸化皮膜不動態を破壊し、腐食を促進することです。

コンクリート大クラックでは、上記シーケンスの浸透フェーズがかなり短く、クラック下部の鋼で腐食が急速に開始されます。非クラックコンクリート領域では同じシーケンスが起こりますが、はるかに低速です。つまり、腐食促進媒質がコンクリートを透過して鋼レベルに達するとすぐに腐食が開始されます。

塩の存在が腐食プロセスの重要因子であることを覚えておく必要があります。塩イオンは鋼の不動態を破壊し、腐食電池を形成し、電解質導電率を高めます。塩イオンなしでは、コンクリート中鉄筋腐食を長期間抑制可能です。その場合、腐食速度は一般的に炭酸化プロセスで制御されます。コンクリートかぶりが比較的非透過性で厚ければ、非クラック領域では腐食は全く発生しません。しかし、この場合でもクラックは重要性を失いません。クラック下で局所腐食が発生する可能性があるためです。

形成される腐食生成物は、継続的腐食反応に抑制的効果を持ちがちです。これら生成物はO₂とH₂の拡散から基材金属を遮断し、腐食反応を終了させる可能性があります。このプロセスを自己制限腐食と呼びます。自己制限腐食は、縦方向クラック発生の有無と程度を決定する高C/D比（かぶり厚/鉄筋径）で起こり得ます。縦方向クラックは主に、元の鋼の約3倍体積を占める腐食生成物による引張力で生じます。コンクリートかぶりがこの力に耐えられない場合、縦クラックが発生し、O₂など外部物質が鋼へアクセス可能になります。この時点で、構造物が危険な腐食状態に達し、修復または交換が必要になるのは時間の問題です。繰り返し荷重も錆スケールの保護効果を破壊する役割を果たす可能性がありますが、その重要性確立にはさらなる研究が必要です。

鋼は地球大気中で熱力学的に不安定で、常にO₂と水との反応により酸化物や水酸化物などのより低エネルギー状態へ戻ろうとします。これらプロセスは継続的に起こります。鋼使用における関心事は、これらプロセスを実践でどう制御するかです。幸い、鋼表面原子のみが大気に曝露され、反応可能です。直径15mm鉄筋の場合、これは約4,000万原子中1原子に相当します。鋼へのいかなる被覆もこの数をさらに減らします。

コンクリート埋込み鋼の場合、コンクリート自体が被覆となり、水とO₂の鋼表面アクセスを制限します。コンクリートの第2の有利な側面は、セメントペースト細孔内溶液が非常に高アルカリ性であり、図3のポルバイ図で示されるように、コンクリート典型的pHレベルでは形成される腐食生成物が不溶性です。これらは鋼表面に非常に薄い（数ナノメートル）保護被膜（不動態皮膜）を生成し、腐食による鋼表面金属損失を年間約0.1〜1.0μmに制限します。一般的に、これらの不動態腐食速度では、コンクリート埋込み鋼は75年寿命内で通常顕著に劣化せず、腐食生成物体積もコンクリート内で損傷応力を生じるほど十分ではありません。不動態皮膜は即座に形成されるわけではなく、セメント水和開始時に混練水pHが上昇するとコンクリート内で開始し、最初の1週間で安定化して鋼を活性腐食から保護します。

図3 鉄のポルバイ図

腐食は、無視できる不動態速度であれ損傷を与える活性速度であれ、微視的・巨視的レベルで陽極・陰極半電池反応確立を含む電気化学プロセスです。高pH溶液で塩化物イオンがない場合、鉄の陽極溶解反応は陰極反応と釣り合い、Fe²⁺イオンがOH⁻イオンと結合して安定な不動態皮膜を生成します。

陽極と陰極反応の両方が腐食プロセスに同時に必要です。陽極と陰極は互いに隣接している場合も、離れている場合もあります。すぐに隣接している場合（微視的スケール）、結果の腐食電池をマイクロセル腐食と呼びます。有限距離で分離されている場合、マクロセル腐食と呼びます。コンクリート中鉄筋腐食はマイクロセルとマクロセル腐食の組み合わせによる場合があります。図4に両腐食タイプを示します。

図4 コンクリート中鉄筋のマイクロセルとマクロセル腐食

塩化物誘発腐食

塩化物イオンが不動態皮膜を破壊するメカニズムは完全には理解されていません。皮膜が薄すぎて検査できず、イベントがコンクリート内部で起こるためです。1つの仮説は、塩化物イオンが不動態皮膜に取り込まれ、その抵抗を低下させるというものです。この取り込みは不均一で、発生箇所ではより速い反応が可能となり、残りの鋼が不動態のままの陽極領域が形成されます（図5b）。

図5 不動態と塩化物誘発活性腐食の概略表現

第2の仮説は、Cl⁻イオンがOH⁻アニオンと「競合」してFe²⁺カチオンと結合し、Cl⁻イオンがFe²⁺と可溶性錯体を形成するため不動態皮膜が形成されず、更なる金属溶解を刺激するというものです。可溶性鉄-塩化物錯体は鋼から拡散し、その後分解して膨張性腐食生成物を形成し、同時にCl⁻イオンを解放します。解放されたCl⁻イオンは陽極へ戻り移動し、さらに鋼と反応可能になります。この全体プロセスで水酸化物イオンが継続的に消費され、局所的にpH低下（局所領域を酸性化）し、更なる金属溶解を促進します。一方Cl⁻イオンは消費されず、攻撃は「自己触媒的」になります。最終的に鉄筋断面と構造抵抗が深刻に損なわれます。

これらどちらの仮説メカニズムでも、よく観察される攻撃の局所性を説明できます。局所的活性腐食領域は陽極として振る舞い、残りの不動態領域は溶存O₂還元が起こる陰極になります。ガルバニック電池は因子数に依存してマクロまたはミクロスケールになります。したがって、陽極と陰極は広く分離されている場合も、原子スケールで隣接している場合もあります。

鉄筋腐食の時間依存性

鉄筋腐食プロセスには3つの明確な段階があります：(1) 開始、(2) 不動態喪失、(3) 伝播。開始が不動態喪失に先行し、それが伝播に続き最終状態へ達します（図6）。開始後、外部コンクリート表面にクラックが現れ、伝播して更なる損傷を与え、発展します。供用寿命は、鉄筋が最終状態（コンクリート剥離開始時刻）に達したときに決定されます。

図6 鉄筋腐食の段階

腐食生成物

塩化物誘発鉄筋腐食の最も有害な結果は、コンクリート内での嵩高い不溶性腐食生成物蓄積で、これが内部応力を生じ、最終的にコンクリートかぶりのクラックと剥離を引き起こすことです。明らかに、このような損傷が視覚的に明らかになれば、コンクリートかぶりによる拡散制限がなくなるため、鉄筋は非常に急速な更なる腐食攻撃を受けやすくなります。すべての酸化鉄と水酸化鉄は、鉄筋鋼体積より大きい比体積を持ちます（図7）。したがって、一定量の腐食によるコンクリート損傷度は、形成される特定腐食生成物とコンクリートかぶり内での分布、およびコンクリート自体の多孔性と強度に依存します。

図7 鉄腐食生成物の比体積

時々、腐食生成物は錆、すなわちFe₂O₃·3H₂Oであり、これが損傷コンクリートで観察される橙色生成物であると仮定されます。したがって、腐食生成物は鋼の6倍以上の体積であり、コンクリート応力予測はこの結論に基づくと仮定されます。実際、形成生成物分析では、図7に示すように鋼の2.2〜3.3倍の比体積を持つ他生成物があることが示されています。クラックと剥離、それによる大気曝露後にのみ、これら生成物はおなじみの錆へ変換されます。

コンクリート中鋼腐食に影響するパラメータ

コンクリート中鋼腐食に影響するパラメータを図8に示します。鋼関連パラメータは冶金特性、事前錆、バーサイズ、鋼配置です。

図8 コンクリート中鋼腐食に影響するパラメータ

冶金特性

鋼に合金添加される多くの元素が耐食性向上をもたらすことは一般的知識かもしれません。主要耐食元素には銅（Cu）、ニッケル（Ni）、クロム（Cr）があり、これらの多くは鉄筋用鋼では無視できる割合でしか含まれません。これらと他元素の特定組み合わせが鋼耐食性向上を見出されていますが、実用的観点からコンクリート用鉄筋鋼への応用ではほとんど影響がありません。

鋼原子構造の局所的冶金差異が鋼内部に差動エネルギー場を生じさせ、電気化学腐食に必要な陽極・陰極領域形成を促進します。これら領域は実質的に互いに接触する異種材料です。エネルギー場は通常、転位、ミスマッチ粒界、介在物、不純物、冶金相境界等に関連します。例として、鋼のフェライト相は容易に攻撃され、セメンタイトは耐食性であることが判明しています。両相が隣接存在する場合、セメンタイトが陰極、フェライトが陽極となり腐食電池が形成されます。

腐食電池源となる差動エネルギー場源がすべての商業鋼に存在することを認識すべきです。したがって、鋼均質化を試みる以外に腐食抑制手段を見つける必要がありますが、これは非現実的で効果も疑わしいです。この理由で、周囲コンクリートpHが比較的高い（10〜13範囲）限り、これら様々なエネルギー場が鉄筋鋼腐食へ与える影響は最小限であることは幸いです。

鋼原子構造に関連する腐食電池源に加えて、鉄筋表面は電池形成の追加機会を提供します。表面粗さ、傷、切削痕、特にミルスケールが腐食開始の頻繁な原因です。熱間圧延時のミルスケールが連続的スケール被覆にならない場合、ミルスケール被覆領域が非被覆隣接領域に対して陰極となります。

特定用途では金属被覆が鋼表面への耐食保護を提供します。しかし、NiやCuなどの陰極的被覆は鉄筋鋼では効果的ではありません。比較的高価で施工中に損傷しやすく、深刻な局所腐食条件を生むためです。カドミウム（Cd）と亜鉛（Zn）は鋼に対して陽極的で、犠牲被覆として使用可能です。鉄筋への溶融亜鉛めっき被覆はおそらく実用的ですが、効果を発揮するには被覆が適切な厚さである必要があります。

鉄筋の事前錆

埋め込み前の鉄筋状態は相当な影響を持ちます。一部規格では、鉄筋鋼から遊離「フレーク状」錆を除去すること、通常の粗扱いで有害錆は概ね除去されることを要求します。一方、他規格では鉄筋の事前錆について制限が緩やかで、変形高さ・寸法・ブラシ処理後重量要件を満たせば事前錆び鉄筋使用を許容します。

さらに、通常錆が実際には付着強度を増加させることが報告されています。14日齢コンクリートで、事前錆び溶接金網使用で清浄金網より少ない付着スリップとなったことも判明しています。しかし、事前錆び鉄筋使用の長期効果は十分定義されていません。これは特に露出構造物でクリティカルです。実際、事前錆びPC鋼材がコンクリートグラウト内で被覆後、深刻な腐食を引き起こす可能性が指摘されています。同じ懸念が露出構造要素の事前錆び鉄筋にも当てはまります。

バーサイズと鋼配置

バーサイズと鋼配置に関連する変数を含む腐食研究は比較的少ないです。ある研究では、鉄筋溶接格子は個別に絶縁された鉄筋より腐食感受性が高くないと判明しました。別研究では、バー間隔と腐食誘発クラックの関係が観察されました。300mm間隔の鉄筋は一般的に溝状剥離を発生し、150mm間隔の鉄筋は弱化面を形成しやすい傾向がありました。

予防対策

コンクリート中鉄筋腐食を低減・防止するため、いくつかの方法が採用されています。一部はコンクリート製造関連、他は鉄筋製造に用いる鋼の品質・組成・被覆関連です。選択は通常コストベースで行われます。鉄筋に採用される被覆は：(1) 溶融亜鉛めっき、(2) 融着エポキシ被覆、(3) ステンレス鋼クラッディング。ステンレス鋼製鉄筋も使用されています。被覆は、物理的に損傷したり電気化学的に貫通されたりして基材鋼が再び通常腐食プロセスに対して脆弱になるという欠点を持ちます。耐食性を持つ特殊組成鋼鉄筋も試みられています。複数製鉄所が耐候性鋼の様々な組成で実験しました。しかし広範な試験後、埋設時の耐候性鋼性能が一貫して劣ることが判明し、ほとんどの製造者で耐候性鋼鉄筋生産が中止されました。