中性化｜アルカリ性低下による鉄筋腐食の要因

中性化

中性化とは、本来強アルカリ性を示すコンクリートが、空気中の二酸化炭素と反応して徐々にアルカリ性を失っていく現象である。化学一般では酸と塩基の反応を指す語として使われるが、建築・土木分野では主にコンクリートの炭酸化を意味する。打設直後のコンクリートはpH12.5〜13程度を保つ。この値が表面から内部に向かって下がっていき、やがて鉄筋の位置に達すると鋼材の防錆機能が失われる。鉄筋コンクリート構造物の耐久性を左右する代表的な劣化要因であり、塩害や凍害と並べて扱われることが多い。

鉄筋腐食を引き起こす劣化としての位置づけ

コンクリートの中に埋め込まれた鉄筋は、高アルカリ環境のもとで表面に厚さ数nm程度の不動態皮膜をまとっている。この皮膜があるおかげで、鉄筋は水や酸素に触れてもほとんど錆びない。しかし中性化が進んでpHがおよそ11を下回ると皮膜は不安定になり、水分と酸素の供給を受けて腐食が始まる。錆は元の鋼材の約2.5倍の体積に膨らむため、内側から押し広げる力でかぶりコンクリートにひび割れが生じ、最終的には剥落に至る。1960〜70年代に大量に建設された集合住宅や公共建築物では、築30〜40年を過ぎたころから鉄筋の露出が目立つようになり、社会的な問題として注目されるようになった。

反応のしくみ

セメントが水和すると、生成物の一つとして水酸化カルシウムが大量にできる。コンクリートの強アルカリ性はおもにこの物質によるものである。大気中の二酸化炭素は濃度約0.04%（約420ppm）とわずかだが、細孔を通じて少しずつ内部に拡散し、細孔溶液に溶けて次の反応を起こす。

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

生成する炭酸カルシウムは中性に近い物質なので、反応が進んだ部分のpHは8.5〜10程度まで下がる。おもしろいことに、炭酸カルシウムが細孔を埋めるため、中性化した表層部はむしろ緻密になり、強度がわずかに上がる場合もある。コンクリートそのものが弱くなるわけではない点は、誤解されやすいところである。

進行の速さを左右する条件

中性化の深さは、経過時間の平方根にほぼ比例して大きくなることが経験的に知られている。これを√t則と呼び、中性化深さをC（mm）、経過年数をt（年）、中性化速度係数をAとすると、C = A√t と表される。たとえばAが4mm/√年であれば、深さ30mmに達するまでに約56年かかる計算になる。速度係数を決める最大の要因は水セメント比で、比率が高いほど組織が粗くなり、二酸化炭素が入り込みやすい。湿度の影響も無視できない。相対湿度50〜70%前後で反応がもっとも速く進み、常に濡れている部位では細孔が水で塞がれるため、逆に進行が遅くなる。屋外の雨掛かり部分より、乾燥した屋内のほうが早く中性化するのはこのためである。

セメントの種類による違い

普通ポルトランドセメントに比べ、高炉セメントB種やフライアッシュセメントは中性化が速い傾向にある。混和材が水酸化カルシウムを消費するポゾラン反応を起こすため、もともとのアルカリの蓄えが少ないからである。ただし塩分の侵入や化学的な侵食には強いので、海沿いの構造物などではあえて混合セメントを使う。実務では、どちらの劣化リスクが大きい環境かを見極めたうえで、かぶり厚さを5〜10mm程度上乗せして対応することが多い。

かぶり厚さによる設計上の対策

新築時にできる最も確実な対策は、鉄筋の外側にあるコンクリートの厚さ、すなわちかぶり厚さを十分にとることである。建築基準法施行令第79条では、耐力壁以外の壁や床で2cm以上、耐力壁・柱・梁で3cm以上、土に接する部分で4cm以上、基礎で6cm以上と定めている。日本建築学会のJASS 5では、施工誤差を見込んで最小値に10mmを加えた設計かぶり厚さを指定するのが一般的である。現場では、スペーサーの配置間隔が粗いと配筋がたわみ、局所的にかぶりが10mm以上不足する例も珍しくない。配筋検査のときにスペーサーの数と位置まで確認しておくと、数十年後の劣化を大きく減らせる。

中性化深さの測り方

中性化の深さは、JIS A 1152「コンクリートの中性化深さの測定方法」に従って調べる。指示薬として使うのはフェノールフタレインの1%溶液で、アルカリ性の健全な部分は赤紫色に変わり、中性化した部分は無色のまま残る。手順はおおむね次のとおりである。

1. コア採取やはつりによって、コンクリートの新しい割れ面または切断面を出す
2. 表面の粉じんを取り除き、すぐに指示薬を噴霧する
3. 呈色が安定してから、表面から赤紫色の境界までの距離を測る
4. 1断面につき複数箇所を0.5mm単位で読み取り、平均値を求める

断面を出してから時間をおくと、その面自体が空気に触れて中性化してしまうため、作業は手早く行う。材料開発の段階では、JIS A 1153による促進中性化試験も使われる。二酸化炭素濃度5%、温度20℃、相対湿度60%の槽内に供試体を置き、1・4・8・13・26週ごとに深さを測定して、配合の違いを短期間で比べる方法である。

補修工法とその使い分け

補修の方法は、中性化が鉄筋位置にどこまで迫っているか、すでに腐食が始まっているかによって選ぶ。代表的な工法を整理すると次の表のようになる。

現場での判断の目安

コスト面では、表面被覆や含浸は足場代を除けば比較的安く済む。再アルカリ化工法は、通電に1〜2週間を要し、電源設備や専門業者の手配も必要になるため、費用は被覆の数倍に膨らむことが多い。そのため、中性化深さとかぶり厚さの差が10mm以上残っているうちに被覆で手を打つのが、長い目で見て経済的とされる。調査報告書では深さの平均値だけでなく最大値とかぶり厚さの分布を並べて示すと、発注者が補修範囲を判断しやすい。