中性化 コンクリート工学研究室 岩城一郎

コンクリート内部の鋼材腐食の　　　　　　メカニズム 大前提：コンクリートがアルカリ性（pH13程度）に保たれており，鋼材表面の不動態被膜が健全であればコンクリート内部の鋼材は腐食しない． 鋼材腐食の発生原因 中性化：炭酸化等によるpHの低下→不動態被膜の喪失→酸素と水分の供給により腐食が進行 塩害：塩化物イオンの侵入→不動態被膜の破壊→酸素と水分の供給により腐食が進行 ※無筋コンクリートであれば考慮する必要なし

鋼材腐食の概念図 CONCRETE：Microstructure, Properties, and Materials, Second Edition, P. Kumar Mehta, Paulo J. M. Monteiro, McGraw-Hill

鋼材腐食のメカニズム アノード反応（不動態被膜の破壊）：Fe→Fe2＋＋2e－ （電子2個を母材に残して鉄がイオンとなって溶出する反応） カソード反応：1/2O2＋H2O＋2e－→2OH－　（アノード反応によって生じた電子を消費する反応） 総括反応：Fe＋1/2O2＋H2O→Fe(OH)2 アノード部：酸化反応により腐食生成物（さび）が析出（例えばFeOOH，Fe2O3あかさび，Fe3O4くろさび）．さびの体積は鉄の約2.5倍→体積膨張によるコンクリートのひび割れ，はく離→腐食反応の促進→劣化 （鉄筋腐食は中性化，塩化物イオンの侵入の他に，酸素と水を必要とする．酸素と水のどちらかが少ない環境下では腐食しにくい．たとえば水中，非常に乾燥した環境では腐食しにくい．換言すれば，CaCO3，Cl－は腐食反応そのものには関係しない．）

中性化とは？ コンクリートがアルカリ性を失って中性に近づく現象 炭酸化（Carbonation）：セメント水和物，主としてCa(OH)2が炭酸ガスCO2と反応し，炭酸カルシウムCaCO3に変化すること Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O 3CaO・2SiO2・3H2O（C-S-H）＋3CO2→3CaCO3＋2SiO2＋3H2O 劣化要因：二酸化炭素 劣化現象：炭酸化反応により細孔溶液中のpHを低下させることで，鋼材の腐食が促進され，コンクリートのひび割れやはく離，鋼材の断面減少→耐荷力の低下（炭酸化自体はコンクリートの物性を大きく低下させないため，劣化とはみなさない．） 劣化指標：中性化深さ（中性化残り），フェノールフタレインの1%エタノール溶液の噴霧による呈色反応により判定（高アルカリpH10程度以上に対し赤紫色に呈色し，中性化が大きく進んだ領域では色の変化が見られない．必ずしも赤紫色に呈色していれば健全とは限らない？）

中性化（炭酸化）の事例 資料提供　東北大学　久田　真　准教授

各要因と中性化との関係 セメント（混和材）の種類 混合セメント（高炉セメント，フライアッシュセメント）を用いた場合，中性化速度　大：ポゾラン反応により水酸化カルシウムを消費 水セメント比 水セメント比　小⇒中性化速度　小：組織の緻密化により，CO2の拡散を抑制 環境条件 屋内では屋外より一般に中性化速度が高い．CO2濃度が高く，湿度が低い． 温度：温度が高くなるほど中性化速度が速くなるが，20-50℃の範囲ではあまり変わらない． 湿度：50-70%RHで中性化速度最大，湿度　高⇒CO2の拡散を抑制．湿度　低⇒炭酸化反応が生じにくい．（炭酸化は二酸化炭素が気体として直接反応するのではなく，硬化体中の水分に溶解することにより酸CO32－，HCO3－として作用する）．

中性化による劣化進行過程 腐食の開始 腐食ひび割れの発生 中性化による劣化 使用期間 （供用年数） 潜伏期 進展期 加速期 劣化期 （CO2が鋼材近傍まで到達） 腐食ひび割れの発生 中性化による劣化 使用期間 （供用年数） 潜伏期 進展期 加速期 劣化期 部材の性能低下 中性化進行速度 （中性化深さ） 鋼材の腐食速度 （ひび割れなし） 鋼材の腐食速度 （ひび割れあり）

中性化の進行予測（√t則） y=b√t ここに，y：中性化深さ(mm)，t：中性化期間(年)，b：中性化速度係数(mm／√年)→多くの提案式がある． 例えば， y=R(-3.57＋9.0W/B)√t（示方書提案式） ここに，R：環境の影響を表す係数，乾燥しやすい環境R=1.6，乾燥しにくい環境R=1.0，W/B：有効水結合材比＝W/(Cp＋k・Ad)，W：単位水量，B：単位結合材量，Cp：単位セメント量，Ad：単位混和材量（フライアッシュ，高炉スラグ微粉末），k：混和材の影響を表す係数　フライアッシュk＝0，高炉スラグ微粉末k＝0.7，使用材料（結合材の種類），水結合材比，環境条件（乾燥のしやすさ）を考慮 例題 Case-1：OPC，W/C=0.5，Case-2：OPC，W/C=0.4，Case-3：OPC，W/C=0.6，Case-4：OPCの20%FA置換，W/B=0.5，Case-5：OPCの70%BS置換，W/B=0.5，Case-6：OPCの70%BS置換，W/B=0.4

コンクリート標準示方書による各種コンクリートの中性化に対する耐久性能照査 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 70 80 90 100 中性化期間（年） 中性化深さ（mm） W/C=0.5 W/C=0.4 W/C=0.6 W/B=0.5, FA=0.2*B BS=0.7*B W/B=0.4, かぶり30mm 中性化残り　　10mm

中性化によるコンクリートの剥落 資料提供　横浜国立大学　細田　暁　准教授

鉄筋かぶり量と剥落との関係 コンクリート表面 中性化深さ 中性化残り 鉄筋 かぶり 中性化残りと　剥落との関係

雨水等の影響を受けた場合 雨水等の影響を受けない場合

中性化によるコンクリートの剥落対策（JR東日本） ・　かぶりを十分に確保する．少なくとも20mm以上 ・　中性化の進行が小さいコンクリートを使用する．できれば供用期間中に中性化残りが10mmを下回らないこと． →　標準示方書の照査方法に従い，建設後100年程度においても中性化残りが10mm程度以上となるように設計 ・　雨水や漏水の影響が極力小さい　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　構造形式とする． →　水切り形状の見直し ・　コンクリートの単位水量の上限値　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　の設定と受入れ検査の徹底 ・　かぶりの非破壊検査 社会基盤メインテナンス工学（東京大学出版会）

中性化対策 中性化の進行を抑制するための対策 かぶりの確保 水セメント比の低下 （混合セメントは要注意） 中性化による鉄筋腐食を抑制するための対策 水分の供給の遮断