鉄筋コンクリート構造の耐久性

鉄筋コンクリート構造物の耐久性設計は、最近、国内および国際規制に導入されました。構造物は、耐用年数中にその特性を維持し、早期の故障や特別な保守および修復作業の必要性を回避するように設計する必要があります。そのため、過去数十年^{[いつ? ]にわたり、}鉄筋コンクリート構造物に影響を及ぼす劣化プロセスを説明する有用なモデルを定義し、構造物の材料特性と構造レイアウトを評価するために設計段階で使用するために、多大な努力が払われてきました。^[1]

最初に、セメントペースト内で通常起こる化学反応によってアルカリ性環境が生成され、セメントペーストの細孔内の溶液のpH値が約 13 になります。これらの条件では、鋼を腐食から保護できる酸化物の薄膜が自然に発生するため、鉄筋の不動態化が発生します。時間が経つにつれて、この薄膜が損傷し、鉄筋の腐食が始まります。鉄筋の腐食は、世界中で鉄筋コンクリート構造物の早期破損の主な原因の 1 つであり、^[4]主に炭酸化と塩化物の浸透という2 つの劣化プロセスの結果として生じています。^[1]腐食劣化プロセスに関しては、1982 年に Tuutti によって提案された、耐用年数を評価するためのシンプルで認定されたモデルがあります。^{[5]このモデルによると、}鉄筋コンクリート構造物の耐用年数は2 つの異なる段階に分けることができます。

• ${\displaystyle t_{i}}$開始時間: 構造物が建設された瞬間から鉄筋の腐食が始まる瞬間まで。より具体的には、腐食性物質 (二酸化炭素と塩化物) がコンクリートのカバー厚を貫通し、埋め込まれた鉄筋に到達し、鋼鉄表面の初期の不動態化状態を変えて腐食の開始を引き起こすのに必要な時間です。
• ${\displaystyle t_{p}}$伝播時間: 活性腐食の開始から究極の限界状態に達するまでの時間として定義されます。つまり、腐食の伝播が、ひび割れやコンクリート被覆厚さの剥離などの許容できない構造的損傷に対応する限界値に達します。

開始時間と伝播時間を特定することで、構造物の耐用年数に影響を与える主な変数とプロセスをさらに特定できます。これらの変数とプロセスは、各耐用年数段階と、考慮される劣化プロセスに固有のものです。

開始時間は、コンクリートのカバー厚内で炭酸化が進行する速度に関係しています。炭酸化が鋼鉄表面に到達し、環境の局所的な pH 値を変えると、鋼鉄表面の酸化物の保護薄膜が不安定になり、鋼鉄表面の広範囲にわたって腐食が始まります。時間経過に伴う炭酸化の進行を説明する最も単純化され、認められているモデルの 1 つは、浸透深さを時間の平方根に比例して考慮し、相関関係に従うというものです。

${\displaystyle x=K{\sqrt {t}}}$

ここで、は炭酸化深さ、は時間、は炭酸化係数です。腐食の開始は炭酸化深さがコンクリートのカバー厚に達したときに発生するため、次のように評価できます。 ${\displaystyle x}$${\displaystyle t}$${\displaystyle K}$

${\displaystyle t_{i}=\left({\frac {c}{K}}\right)^{2}}$

コンクリートかぶり厚はどこですか。 ${\displaystyle c}$

${\displaystyle K}$は、炭酸化による腐食の発生時間を評価するための重要な設計パラメータです。 mm/年^1/2で表され、コンクリートの特性と暴露条件によって異なります。コンクリートなどの多孔質媒体へのガス状 CO _{2の浸透は}、拡散によって起こります。コンクリートの湿度含有量は、コンクリートにおける CO ₂拡散の主な影響要因の 1 つです。コンクリートの細孔が完全かつ永久に飽和している場合 (たとえば、水中構造物の場合)、 CO ₂の拡散は防止されます。一方、完全に乾燥したコンクリートの場合、炭酸化の化学反応は発生しません。 CO 2 拡散速度に影響するもう 1 つの要因は、_{コンクリート}の多孔度です。w /c 比が高いコンクリートや不適切な養生プロセスで得られたコンクリートは、硬化した状態で多孔度が高くなり、そのため炭酸化速度が速くなります。暴露条件に関する影響要因は、環境温度、湿度、および CO ₂濃度です。炭酸化率は湿度と温度が高い環境ではより高くなり、都市中心部やトンネルなどの密閉空間などの汚染された環境ではさらに増加し​​ます。^[1]

炭酸化による腐食の場合の伝播時間を評価するために、いくつかのモデルが提案されています。単純化されていますが一般的に受け入れられている方法では、伝播時間は腐食伝播速度の関数として評価されます。腐食速度が一定であると考えられる場合、t _{p は}次のように推定できます。

${\displaystyle t_{p}={\frac {p_{lim}}{v_{corr}}}}$

ここで、は鋼材の限界腐食浸透量、 は腐食伝播速度である。 ^{[1] は、}考慮する限界状態の関数として定義する必要がある。一般に炭酸化誘起腐食の場合、コンクリートカバーのひび割れが限界状態であると考えられ、この場合、 は100 μm に等しいと考えられる。^{[6] は、}コンクリートカバー深度での酸素と水の可用性など、腐食プロセスの近くの環境要因によって決まる。酸素は、水中構造物を除いて、一般に鋼材表面で利用可能である。細孔が常に完全に飽和している場合、鋼材表面に到達する酸素の量はごくわずかであり、腐食速度は無視できると考えられる。^[7]非常に乾燥したコンクリートの場合、腐食の化学反応を妨げる水が存在しないため、は無視できる。コンクリートの水分含有量が中程度の場合、腐食速度はコンクリートの水分含有量の増加に伴って増加する。コンクリートの水分含有量は年間を通じて大幅に変化する可能性があるため、一般に定数 を定義することは不可能である。1 つの可能な方法は、 の年間平均値を考慮することである。 ${\displaystyle p_{lim}}$${\displaystyle v_{corr}}$ ${\displaystyle p_{lim}}$${\displaystyle p_{lim}}$ ${\displaystyle v_{corr}}$${\displaystyle v_{corr}}$${\displaystyle v_{corr}}$${\displaystyle v_{corr}}$

鋼鉄表面に一定の臨界量を超える塩化物が存在すると、コンクリートがまだアルカリ性であっても、鋼鉄表面の酸化物の保護薄膜が局所的に破壊され、孔食と呼ばれる非常に局所的で攻撃的な形態の腐食を引き起こす可能性があります。現在の規制では、塩化物で汚染された原材料の使用が禁止されているため、開始時間に影響を与える要因の 1 つは、環境からの塩化物浸透速度です。塩化物溶液は、拡散、毛細管効果、静水圧などのいくつかの輸送現象の組み合わせによってコンクリートに浸透するため、これは複雑な作業です。塩化物結合は、塩化物浸透の速度に影響を与えるもう 1 つの現象です。総塩化物イオンの一部は吸収されるか、セメントペーストの一部の成分と化学反応を起こし、細孔溶液 (鋼鉄がコンクリートに浸透できる遊離塩化物) 内の塩化物が減少します。コンクリートの塩化物結合能力はセメントの種類に関連し、シリカフューム、フライアッシュ、または炉スラグを含む混合セメントの方が高くなります。

コンクリート中の塩化物浸透のモデル化は特に複雑なため、1972年にコレパルディによって最初に提案された簡略化された相関関係が一般的に採用されています^[8]

${\displaystyle C(x,t)=C_{s}\left[1-\mathrm {erf} \left({\frac {x}{2{\sqrt {Dt}}}}\right)\right]}$

ここで、は露出表面の塩化物濃度、x は塩化物浸透深さ、D は塩化物拡散係数、t は時間です。 ${\displaystyle C_{s}}$

この式は、塩化物の初期含有量がゼロ、つまり表面全体で時間的に一定であり、D が時間的に一定であり、コンクリートカバー全体で一定であるという仮定の下でのフィックの拡散の法則 II の解です。 および D が既知である場合、この式を使用してコンクリートカバー内の塩化物濃度プロファイルの時間的変化を評価し、鉄筋の深さで臨界塩化物閾値 ( ) に達した瞬間として開始時間を評価できます。 ${\displaystyle C_{s}}$${\displaystyle C_{s}}$${\displaystyle C_{cl}}$

しかし、このモデルの実際の使用に関しては、多くの重要な問題があります。塩化物を含む環境にある既存の鉄筋コンクリート構造物の場合、測定された塩化物濃度プロファイルに最適な曲線を計算することで、およびDを特定できます。したがって、現場で回収されたコンクリートサンプルから、残存耐用年数評価のためのC _{sおよびDの値を定義することが可能です。} ^[9] 一方、新しい構造物の場合、およびDの定義はより複雑です。これらのパラメーターは、暴露条件、多孔度（したがってw/c比と養生プロセス）などのコンクリートの特性、および使用するセメントの種類によって異なります。さらに、構造物の長期挙動の評価では、およびDが時間的に一定であるとは見なせないこと、および塩化物の輸送浸透は水中構造物に対してのみ純粋な拡散と見なせるという事実に関連する重要な問題があります。さらに問題となるのは、の評価です。鉄筋の電位やコンクリートの細孔に含まれる溶液のpHなど、さまざまな影響要因があります。さらに、孔食の発生は確率的な性質を持つ現象であるため、統計的根拠に基づいてのみ定義することができます。^[1]${\displaystyle C_{s}}$${\displaystyle C_{s}}$${\displaystyle C_{s}}$${\displaystyle C_{cl}}$${\displaystyle C_{cl}}$

耐久性評価は、90 年代初頭に欧州の設計コードに導入されました。構造物の耐用年数中に許容できない損傷を回避するために、設計者は設計段階で鉄筋の長期腐食の影響を考慮する必要があります。耐久性設計にはさまざまなアプローチが利用できます。

これは耐久性を扱う標準化された方法で、満足基準アプローチとも呼ばれ、現在の欧州規制 EN 206 で規定されています。設計者は、環境暴露条件と予想される劣化プロセスを特定し、適切な暴露クラスを評価する必要があります。これが定義されると、設計コードによって、水/セメント比、セメント含有量、およびコンクリートカバーの厚さに関する標準規定が与えられます。

このアプローチは、鉄筋コンクリート構造物の耐久性設計の改善ステップであり、従来の材料（ポルトランドセメント、炭素鋼鉄筋）で設計され、50年の耐用年数が予想される一般的な構造物の設計に適しています。ただし、場合によっては完全に網羅的ではないと考えられています。単純な規定では、さまざまな局所的な露出条件を持つ構造物のさまざまな部分の設計を最適化することはできません。さらに、追加の保護の使用などの特別な対策が耐用年数に与える影響を考慮することもできません。^[6]

パフォーマンスベースのアプローチは、劣化プロセスの時間的変化を記述するモデルと、定義された限界状態に到達する時間の定義に基づいて、耐久性の実際の設計を提供します。 耐用年数に影響を与えるさまざまな要因とその変動性を考慮するために、パフォーマンスベースのアプローチは、確率的または半確率的な観点から問題に対処します。

^{欧州プロジェクト DuraCrete [10]}およびFIB Model Code for Service Life Design ^[11]によって提案された性能ベースの耐用年数モデルは、構造設計に採用されているものと同様の確率論的アプローチに基づいています。環境要因は荷重 S(t) として考慮され、塩化物浸透抵抗などの材料特性は抵抗 R(t) として考慮されます (図 2 を参照)。各劣化プロセスについて、構造物の定義済み性能の故障確率を評価するための設計方程式が設定され、許容可能な確率は、考慮される限界状態に基づいて選択されます。劣化プロセスは、以前に定義された炭酸化誘発腐食および塩化物誘発腐食のモデルを使用して記述されますが、問題の統計的性質を反映するために、変数は時間の経過に伴う確率分布曲線として考慮されます。^{[6]耐久性設計パラメータのいくつかを評価するために、コンクリートの塩化物浸透抵抗を評価するためのいわゆる Rapid Chloride Migration Test [11]}などの加速実験室試験の使用が提案されています。補正パラメータを適用することで、実際の暴露条件における構造の長期的な挙動を評価できます。

確率的耐用年数モデルの使用により、構造物の設計段階で実装できる実際の耐久性設計を実装できます。このアプローチは、長い耐用年数（50 年以上）が必要な場合や、環境曝露条件が特に厳しい場合に特に重要です。いずれにしても、この種のモデルの適用範囲はまだ限られています。主な重要な問題は、たとえば、コンクリートの性能を特徴付けることができる加速実験室テストの個別化、長期耐久性能の評価に使用する信頼性の高い補正係数、および実際の長期耐久性能に基づくこれらのモデルの検証などです。^{[6] [9]}

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