JP2685358B2 - コンクリート中の鉄筋等の腐食診断方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、鉄筋コンクリート構
造物における鉄筋や金属配管等のようにコンクリート中
に埋設された金属部材（以下、鉄筋等という）の腐食の
診断方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンクリート中に埋設された鉄筋等は、
その設置されている環境条件等によって腐食を生じるこ
とが知られている。

【０００３】例えば鉄筋にこのような腐食が生じると、
鉄筋構造物の維持管理上できる限り早期にその腐食を発
見し、補修等を行なうことが望まれる。そして、コンク
リート中に埋設された鉄筋の腐食の検査においては、腐
食の存在を検査するとともに、同時に腐食量や腐食速度
を得てこれから余寿命を推定できることが好ましい。

【０００４】ところで、このような鉄筋の腐食を非破壊
的に検査する技術として、従来から、鉄筋の自然電位を
測定することが広く行なわれているが、この方法によれ
ば定性的に腐食の存在を検出することはできるが、定量
的な腐食量や腐食速度を得ることはできない。

【０００５】また、この他に交流インピーダンス法によ
り分極抵抗を測定することも試みられており、この方法
によれば、得られた分極抵抗から腐食速度に対応する腐
食電流を得ることができ、鉄筋構造物の余寿命の推定が
可能と考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この交
流インピーダンス法による分極抵抗の測定においては、
きわめて低い周波数から高い周波数までの広い周波数範
囲で交流インピーダンスを得ることが必要であるので、
とくに低い周波数領域での交流インピーダンスの測定に
長時間を要し、広く実用に供されるには至っていないの
が現状である。この発明は、このような背景に基づいて
なされたもので、交流インピーダンスの測定精度を落と
さず、余寿命推定の可能な分極抵抗を迅速に得ることに
より、コンクリート中の鉄筋等の腐食診断を迅速かつ高
品質なものとすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、複素平面上に描かれた、鉄
筋等を含むコンクリートの交流インピーダンス軌跡から
算出した分極抵抗を用いて、鉄筋等の腐食の様子を診断
するコンクリート中の鉄筋等の腐食診断方法において、
あらかじめ測定した１つ以上の交流インピーダンス軌跡
に基づいて、交流インピーダンス軌跡の虚数部にピーク
点が現れる低周波数範囲と、ピーク点より高い周波数側
で極小点が現れる高周波数範囲とをあらかじめ設定し、
低周波数範囲から第１周波数をあらかじめ選択し、高周
波数範囲から第２周波数をあらかじめ選択し、交流イン
ピーダンス軌跡のピーク点と極小点とを通る仮想円の実
数部の直径と、分極抵抗との対応関係をあらかじめ用意
し、コンクリートに加えた第１周波数の交流電圧と、こ
の電圧に対応する交流電流とから第１交流インピーダン
スを算出すると共に、コンクリートに加えた第２周波数
の交流電圧と、この電圧に対応する交流電流とから第２
交流インピーダンスを算出し、これらの第１交流インピ
ーダンスと第２交流インピーダンスとから、仮想円の実
数部の直径を算出し、この直径に対応する分極抵抗を、
あらかじめ用意した対応関係を用いて調べることを特徴
とするコンクリート中の鉄筋等の腐食診断方法である。
また、請求項２の発明は、複素平面上に描かれた、鉄筋
等を含むコンクリート の交流インピーダンス軌跡から算
出した分極抵抗を用いて、鉄筋等の腐食の様子を診断す
るコンクリート中の鉄筋等の腐食診断方法において、あ
らかじめ測定した１つ以上の交流インピーダンス軌跡に
基づいて、交流インピーダンス軌跡の虚数部にピーク点
が現れる低周波数範囲をあらかじめ設定し、低周波数範
囲から第１周波数をあらかじめ選択し、交流インピーダ
ンス軌跡の虚数部に現れるピーク点と、分極祇抗との対
応関係をあらかじめ用意し、コンクリートに加えた第１
周波数の交流電圧と、この電圧に対応する交流電流とか
ら第１交流インピーダンスを算出し、この第１交流イン
ピーダンスの虚数部のピーク点を算出し、このピーク点
に対応する分極抵抗を、あらかじめ用意した対応関係を
用いて調べることを特徴とするコンクリート中の鉄筋等
の腐食診断方法である。

【０００８】

【作用】請求項１記載の発明によれば、コンクリート中
の鉄筋等についてコールコールプロットで表示した交流
インピーダンス軌跡において、交流インピーダンスの虚
数部がピーク値をとるピーク点の周波数の範囲は概ね１
００ｍＨＺ〜５ｍＨＺであり、また、この周波数より高
い周波数で交流インピーダンスが極小値となる周波数の
範囲は概ね１００〜１ＨＺである。

【０００９】したがって、交流インピーダンスを測定す
べき２点は、比較的高周波の部分であるのでそれぞれ短
時間に測定することができ、また、測定点数が少ないの
で、測定が迅速に行なわれる。そして、このように迅速
に得られた交流インピーダンスを用いて仮想円の直径を
容易に算出することができる。

【００１０】この仮想円の直径と、コンクリート中の鉄
筋等についての交流インピーダンスのコールコールプロ
ットにおいて，前記ピーク点の両側の極小点間隔とは良
好な対応関係にあるから、これらの極小点の間隔を正確
に得ることができ、これを用いることによって正確な分
極抵抗を算出することができる。したがって、この方法
によれば、測定すべき交流インピーダンスの測定作業を
短時間に行えるうえ、測定点数も少ないので、測定を迅
速にすることができるとともに、良好な対応関係がある
ので、精度のよい分極抵抗を得ることができる。よっ
て、余寿命の推定等の腐食診断が迅速かつ高品質とな
る。

【００１１】請求項２記載の発明によれば、コンクリー
ト中の鉄筋等についてコールコールプロットで表示した
交流インピーダンス軌跡において、交流インピーダンス
の虚数部がピーク値をとるピーク点の周波数の範囲は概
ね１００ｍＨＺ〜５ｍＨＺである。そして、ピーク点の
周波数で得られた交流インピーダンスの、虚数部の値を
用いて、分極抵抗を算出することができる。 この虚数部
の値と、分極抵抗とは良好な対応関係にあるから、測定
で得られた交流インピーダンスの、虚数部の値を用いる
ことによって正確な分極抵抗を算出することができる。
したがって、この方法によれば、測定すべき交流インピ
ーダンスの測定作業を短時間に行えるうえ、測定点数が
１点と少ないので、測定を迅速にすることができるとと
もに、良好な対応関係があるので、精度のよい分極抵抗
を得ることができる。よって、余寿命の推定等の腐食診
断が迅速かつ高品質となる。

【００１２】

【実施例】先ず、本願にかかる測定原理を説明する。一
般に、腐食反応の生じている電気系は第９図のような抵
抗とコンデンサからなる電気的等価回路で表現できる。
すなわち、Ｒｓｏｌは対極と試料極との間の溶液抵抗
（コンクリート抵抗）であり、Ｃｄｌは金属／溶液の界
面に形成される電気二重層容量と呼ばれるコンデンサ容
量を示す。また、Ｒｃｔは電荷移動抵抗と呼ばれ、腐食
反応に対する抵抗であり，分極抵抗に相当するものであ
る。

【００１３】このような回路に種々の異なる周波数の微
小な交流電圧を印加した場合、Ｃｄｌのインピーダンス
により、θだけ位相が進んだ同一周波数の電流が得られ
る。各周波数毎に測定された、かかる印加交流電圧と応
答交流電流との比，即ち、交流インピーダンスは周波数
をパラメータとし絶対値と位相差で表現され、位相差を
偏角とし複素平面上にコールーコール（ｃｏｌｅ−ｃｏ
ｌｅ）プロットで一般に表示されている。

【００１４】このようにして得られた，前記第９図の等
価回路に対応するコールーコールプロットによる交流イ
ンピーダンス軌跡は、第１０図に示すように高周波側の
実軸との交点が（Ｒｓｏｌ）に、また低周波側の実軸と
の交点が（Ｒｃｔ＋Ｒｓｏｌ）になるので、分極抵抗Ｒ
ｃｔは半円形の交流インピーダンス軌跡の直径，すなわ
ち両交点間の間隔となる。

【００１５】したがって、この交流インピーダンス軌跡
から分極抵抗を求め、その分極抵抗の逆数が腐食速度に
比例するという関係から、腐食速度を推定することがで
きる。ところで、コンクリート中の鉄筋についての実際
の交流インピーダンス軌跡は、例えば第７図および第８
図に示すようである。

【００１６】すなわち、これらの交流インピーダンス軌
跡は本願発明者らの研究によるもので、従来から行なわ
れていると同様に高周波から低周波の広い範囲にわたっ
て、交流インピーダンスを測定し、プロットすることに
より得られたものであって、第７図は腐食を起こしてい
ない鉄筋についてのコールーコールプロットであり、第
８図は腐食の進行が認められる場合の例である。

【００１７】第７図に示す，鉄筋に腐食のない場合、交
流インピーダンスの虚数部の値を見ると、１０ＫＨＺ〜
１ＨＺの範囲で単調に減少し、１０〜１ＨＺの範囲で極
小値をとり、それ以後、低周波側では急激に増大してお
り、その軌跡は大きな円の一部を示しているようであ
る。

【００１８】すなわち、この第７図の交流インピーダン
ス軌跡においては、高周波側での実軸との交点（実際に
は交差せず極小点となっているので、この明細書では極
小点という）は１０〜１ＨＺの周波数で現れ、低周波側
での実軸との交点は認められない。他方、第８図に示
す，鉄筋に腐食のある場合、１０ＫＨＺ〜１ＨＺにかけ
て単調に減少し、１００〜１ＨＺの範囲で極小値を取
り、それ以後の低周波側では単調に増加し５ｍＨＺを境
に再び減少している。そして、この場合、交流インピー
ダンス値は全般的にかなり小さく、その軌跡は虚数軸方
向につぶれた半円状を呈している。

【００１９】第８図から明らかなように、コンクリート
中の鉄筋の腐食に関して、このようなコールーコールプ
ロットにおける交流インピーダンス軌跡の形状を明確に
把握するには、１ｍＨＺ以下の低周波数までの広い周波
数範囲に渡って交流インピーダンスを測定することが必
要であり、その測定に大幅に時間を要するものであるこ
とがわかる。

【００２０】また、腐食を起こしている鉄筋の場合、鉄
筋の腐食速度によっても影響されるが、一般に高周波側
の極小点（以下、極小点Ａといい，実軸との交点であ
る）は概ね１００〜１ＨＺの周波数で現れ、低周波側の
極小点（実軸との交点）は１ｍＨＺ以下の周波数で現わ
れるものと推定され、半円状の交流インピーダンス軌跡
のピーク点は１００ｍＨＺ〜５ｍＨＺで現われると推定
することができる。

【００２１】そこで、コンクリート中の鉄筋の腐食につ
いてのかかる交流インピーダンス軌跡の特徴を踏まえた
上で、本案の第１の方法（以下、２点測定による方法と
いう）では、高周波側極小点Ａが現われると推測される
１００〜１ＨＺの周波数の範囲内の１つの周波数と、半
円状の交流インピーダンス軌跡のピーク値となる点（以
下、ピーク点Ｂという）が現われると推測される１００
ｍＨＺ〜５ｍＨＺの周波数の範囲の１つの周波数とにつ
いて、それぞれ測定装置を用いて交流インピーダンス値
を測定することとする（測定の詳細については後述す
る）。

【００２２】このようにして得られた高周波側の極小点
Ａの交流インピーダンスの絶対値をＺＨ，位相角をθＨ
（θＨ ０）とし、ピーク点Ｂの交流インピーダンスの
絶対値をＺＬ，位相角をθＬとすれば、複素平面上での
これらの点Ａ，Ｂの座標は、 Ａ（ＺＨ・ｃｏｓθＨ，ＺＨ・ｓｉｎθＨ） Ｂ（ＺＬ・ｃｏｓθＬ，ＺＬ・ｓｉｎｅＬ） となる。

【００２３】これをそれぞれＡ（ＲＨ，Ｏ），Ｂ（Ｒ
Ｌ，ＣＬ）とし、これらの２点を通る円（以下、仮想円
という）の直径をＲＣ´とすると、このＲＣ´はこれら
のＡ，Ｂの座標から、いわゆる三平方の定理により簡単
に算出することができる（第１図）。

【００２４】一方、分極抵抗は先に第１０図で説明した
ように、理論的には半円形の交流インピーダンス軌跡の
直径に該当するから、実際の交流インピーダンス軌跡に
おいては、ピーク点Ｂの両側に位置する高周波側極小点
Ａと低周波側極小点Ａ´との間の間隔が分極抵抗ＲＣを
表わすものと考えることができる。そして、分極抵抗Ｒ
Ｃを表わす，高周波側極小点Ａと低周波側極小点Ａ´と
の間の間隔と、前記ＲＣ´との関係は、本願発明者らの
研究によれば第２図のようであり、実験により多数のサ
ンプルから求めると、ＲＣ＝１．９ＲＣ´が良好に成立
する。

【００２５】したがって、前記Ａ，Ｂの座標から、分極
抵抗値ＲＣが得られ、電気化学的な腐食速度の式 Ｉｃｏｒｒ＝ＲＴ／ｍＦＳＲＣ（Ａ／ｃｍ２） ＝１０４ＲＴ／ｍＦＳＲＣ（ｍｍ／ｙ） により、腐食速度を求めることができる。 である。

【００２６】この２点測定による方法よりさらに簡便
で，より迅速にコンクリート中の鉄筋の分極抵抗を求め
る方法（以下、１点測定による方法という）は、次のよ
うである。すなわち、この場合には、前記交流インピー
ダンス軌跡のピーク点となると推測される周波数の範囲
（１００〜５ｍＨＺ）中の１つの周波数で交流電圧Ｅを
印加して、この時の鉄筋とセンサ間の電流応答から測定
された印加交流電圧と応答交流電流Ｉとの比（Ｚ＝Ｅ／
Ｉ）を絶対値とし、両者間の位相のずれθを偏角として
交流インピーダンスを求める（第３図）。

【００２７】この場合、Ｚｓｉｎθ＝ＣＬとなり、ＣＬ
はその交流インピーダンス軌跡のピーク値の近似値とな
る。また、かかる交流インピーダンス軌跡の分極抵抗Ｒ
Ｃと、前記ＣＬとの関係は、本願発明者らの研究によれ
ば第４図のようであり、実験により多数のサンプルから
求めると、ＲＣ＝４．０ＣＬが良好に成立する。

【００２８】したがって、このようにして得たＣＬをそ
の交流インピーダンス軌跡のピーク値とみなせば、ピー
ク値の周波数に対応する１の交流インピーダンスのみを
測定することによって、分極抵抗ＲＣを算出することが
できる。次に、本願方法の実施に用いるコンクリート中
の鉄筋の交流インピーダンスの測定装置を説明する。

【００２９】第５図において、１はコンクリート、２は
鉄筋である。３は、鉄筋２に結合させた端子、４は内部
に固体電解質を有する対極、５は参照電極である。６
は、鉄筋２と対極４との間の電位を測定すると共に、種
々の異なる周波数の交流電圧をそれらの間に印加するた
めの交流電圧印加装置、７は印加交流電圧と応答交流電
流の位相のずれ振幅比を求めるための周波数応答解析装
置、８は一連の測定作業を自動的に行なうための制御用
のコンピュータである。

【００３０】このような測定装置を用いた交流インピー
ダンスの測定は次のように行なわれる。すなわち、ま
ず、コンクリート１の表面に対極４を配置するととも
に、コンクリート１から露出した鉄筋２に端子３を接続
し、コンクリート１の表面と鉄筋２との間での電位を測
定する。

【００３１】次に、コンクリート１中の鉄筋２の電位
を、この電位に制御しつつ、交流電圧印加装置６から±
１０ｍＶ程度の電圧で所要の周波数の交流電圧を印加す
る。これとともに、鉄筋２と対極４の間の電流応答を周
波数応答解析装置７で解析し、交流インピーダンスの測
定が行なわれ、これによって得られた交流インピーダン
スの測定値はコンピュータ８に伝達され、このコンピュ
ータ８で所要の演算が行なわれて分極抵抗や余寿命の推
定が行なわれる。

【００３２】本願発明者らは、前記のような測定原理に
基づく腐食速度の測定値が実測値とどの程度一致してい
るか、また、測定時間がどのようであるかを確認するた
め、前記測定装置を用いて次のような確認試験を行なっ
た。この確認試験においては、第６図に示すサンプルＳ
を作成し、３５℃の３％Ｎａｃｌ溶液中で６時間毎の乾
湿繰り返し腐食試験を１年間行なった後、前記のように
して交流インピーダンス測定を行なうとともに、コンク
リートを破壊して鉄筋の腐食速度を実測した。

【００３３】その結果は、表．１に示すとおりであり、
同表中試料１〜６は本願発明の２点測定の場合を示し、
試料７〜９は本願発明の１点測定の場合を示す。また、
同表中、試料１０〜１３は比較例の場合である。

【表１】

【００３４】試料１〜６に示した本願発明の２点測定の
場合、得られた推定値は実測値との比でみると、誤差は
ほぼ５０％以内となっており、十分な信頼性を有してお
り、その測定時間も３分以内である。また、試料７〜９
に示した本願発明の１点測定の場合、得られた推定値と
実測値の比は、前記２点測定の場合とほぼ同様であり、
十分な信頼性を有し、測定時間はさらに短縮されている
ことがわかる。

【００３５】一方、比較例の試料１０〜１２の場合、本
願発明の周波数範囲から外れているので、測定時間は短
いが測定誤差がきわめて大きく信頼性に欠けるものとな
っている。また、比較例としての試料１３は、従来と同
様に全周波数にわたって測定を行なったものであり、測
定値の信頼性は本願発明の場合と同様であるが、測定に
長時間を要するものであることがわかる。

【００３６】以上の比較から明らかなように、本願発明
にかかる方法により得られる腐食速度の推定値は、十分
な信頼性を有するものであるうえ、その測定時間が短
く、鉄筋コンクリート構造物等の余寿命予測等の実用的
用途に十分耐えるものである。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、測定すべき交流インピーダンスの測定作業
を短時間に行えるうえ、測定点数も２点と少ないので、
測定を迅速にすることができるともに、良好な対応関係
があるので、精度のよい分極抵抗を得ることができる。

【００３８】したがって、余寿命の推定等の腐食診断が
迅速かつ高品質となる。また、請求項２記載の発明によ
れば、測定すべき交流インピーダンスの測定作業を短時
間に行えるうえ、測定点数も１点と少ないので、測定を
迅速にすることができるとともに、良好な対応関係があ
るので、精度のよい分極抵抗を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本願発明による分極抵抗値の測定原理の
説明図である。

【図２】図２はＲＣとＲＣ´との関係を示すグラフであ
る。

【図３】図３は本願発明による分極抵抗値の簡便な測定
法の原理説明図である。

【図４】図４はＲＣとＣＬとの関係を示すグラフであ
る。

【図５】図５は本願方法の実施に用いる測定装置の全体
概略説明図である。

【図６】図６は本願方法の効果を確認するための実験に
用いたサンプル説明図である。

【図７】図７はコールコールプロットによる交流インピ
ーダンス軌跡であってコンクリート中で腐食のない鉄筋
についての具体例である。

【図８】図８はコールコールプロットによる交流インピ
ーダンス軌跡であってコンクリート中で腐食の生じた鉄
筋についての具体例である。

【図９】図９は腐食反応を生じている電極系の電気等価
回路である。

【図１０】図１０はコールコールプロットの説明図であ
る。

【符号の説明】

Ａ 高周波側極小点 Ａ´ 低周波側極小点 Ｂ ピーク点 ＲＣ 分極抵抗 ＲＣ´ 仮想円の直径 １ コンクリート ２ 鉄筋

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横田優 香川県坂出市府中町5467 (72)発明者 幸英昭 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−149549（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−259456（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−8733（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−111401（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−200153（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複素平面上に描かれた、鉄筋等を含むコ
   ンクリートの交流インピーダンス軌跡から算出した分極
   抵抗を用いて、鉄筋等の腐食の様子を診断するコンクリ
   ート中の鉄筋等の腐食診断方法において、 あらかじめ測定した１つ以上の交流インピーダンス軌跡
   に基づいて、交流インピーダンス軌跡の虚数部にピーク
   点が現れる低周波数範囲と、ピーク点より高い周波数側
   で極小点が現れる高周波数範囲とをあらかじめ設定し、 低周波数範囲から第１周波数をあらかじめ選択し、高周
   波数範囲から第２周波数をあらかじめ選択し、 交流インピーダンス軌跡のピーク点と極小点とを通る仮
   想円の実数部の直径と、分極抵抗との対応関係をあらか
   じめ用意し、 コンクリートに加えた第１周波数の交流電圧と、この電
   圧に対応する交流電流とから第１交流インピーダンスを
   算出すると共に、コンクリートに加えた第２周波数の交
   流電圧と、この電圧に対応する交流電流とから第２交流
   インピーダンスを算出し、 これらの第１交流インピーダンスと第２交流インピーダ
   ンスとから、仮想円の実数部の直径を算出し、 この直径に対応する分極抵抗を、あらかじめ用意した対
   応関係を用いて調べることを特徴とする コンクリート中
   の鉄筋等の腐食診断方法。
2. 【請求項２】 複素平面上に描かれた、鉄筋等を含むコ
   ンクリートの交流インピーダンス軌跡から算出した分極
   抵抗を用いて、鉄筋等の腐食の様子を診断するコンクリ
   ート中の鉄筋等の腐食診断方法において、 あらかじめ測定した１つ以上の交流インピーダンス軌跡
   に基づいて、交流インピーダンス軌跡の虚数部にピーク
   点が現れる低周波数範囲をあらかじめ設定し、低周波数
   範囲から第１周波数をあらかじめ選択し、 交流インピーダンス軌跡の虚数部に現れるピーク点と、
   分極抵抗との対応関係をあらかじめ用意し、 コンクリートに加えた第１周波数の交流電圧と、この電
   圧に対応する交流電流とから第１交流インピーダンスを
   算出し、 この第１交流インピーダンスの虚数部のピーク点を算出
   し、 このピーク点に対応する分極抵抗を、あらかじめ用意し
   た対応関係を用いて調べることを特徴とする コンクリー
   ト中の鉄筋等の腐食診断方法。