JPS60186447A - 炭素繊維補強コンクリ−ト - Google Patents

炭素繊維補強コンクリ−ト

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JPS60186447A
JPS60186447A JP3886784A JP3886784A JPS60186447A JP S60186447 A JPS60186447 A JP S60186447A JP 3886784 A JP3886784 A JP 3886784A JP 3886784 A JP3886784 A JP 3886784A JP S60186447 A JPS60186447 A JP S60186447A
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carbon fiber
metal
reinforced concrete
corrosion
fiber reinforced
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末永 龍夫
実 斉藤
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正則 綾
清一 小山
鎌倉 正司
尚人 三上
英昭 幸
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Kajima Corp
Nippon Steel Corp
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Kajima Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、炭素繊維補強コンクリートの改善に関する。
セメント系マトリックスの固有の欠点である脆性的性質
は、これに適切な繊維物質例えば炭素繊維を適量分散さ
せることによって、大幅に改善される。安価なピッチ系
炭素繊維の開発によってこの炭素繊維入り補強コンクリ
ートは実用化が進められており、これまでのセメントコ
ンクリートでは発現し得なかった強度特性、変形特性2
弾性特性などをもつ新構造材料として大きな期待がよせ
られている。
本発明者らもこの炭素繊維補強コンクリートの開発に長
年にわたって携わってきたが、この材料を用いた実施工
において、普通コンクリートには見られない基本的な問
題が存在することがわかった。それは、金属がこの炭素
繊維補強コンクリートと接触していると、金属の腐食(
金属の酸化)が著しく進行するという現象である。例え
ば、この炭素繊維補強コンクリートの実施工において。
鉄筋や鉄骨2wi製型製型枠束結、アンカーファスナー
やスペーサその他の金物などを使用した場合に、これら
の金属が炭素繊維補強コンクリートとの接触する面で、
普通コンクリートでは考えられない急速な腐食が進行す
るのである。
本発明はこの問題の解決を目的としたものである。この
目的において本発明者らは、前記腐食挙動を解明するべ
く鋭意研究を重ねた結果、これには種々の原因が相互に
作用するが、その基本となるのは、炭素繊維は極めて電
導性が良好でその電位は貴金属並みの責な電位を有して
おり、これより卑な金属(通常は鉄または鉄合金)とこ
の炭素繊維が接触する場合にはここに局部電池が形成さ
れ、この局部電池作用がその金属腐食の主因であること
をつきとめることができ、セメント系マトリックス中に
炭素繊維を0.2〜10容量%で分散させた補強コンク
リートを金属との接触面をもって硬化させる場合に、こ
の金属の表面に対し、電気抵抗が少なくとも100Ω以
上の無機材料からなる絶縁層を予め形成させてからこの
炭素繊維補強コンクリートを硬化させるならば、この炭
素繊維補強コンクリート特有の金属腐食の問題が施工上
も有利にほぼ完全に解決できることがわかった。
本発明は、炭素繊維補強コンクリートと金属との接触面
間に無機絶縁層を介在させることをよってセメントマト
リ・ノクス中の炭素繊維と金属との直接の接触を断つよ
うにすることによって金属表面に形成される炭素繊維に
よる局部電池作用を防止したことに特徴がある。すなわ
ち、未だ固まらない炭素繊維補強コンクリート混練物を
、鉄筋や鉄骨、金属製型枠、結束線、アンカーファスナ
ーやスペーサその他の金物と接触させながら硬化させる
さいに、これらの炭素より卑な金属の表面とセメントマ
トリックス中の炭素繊維とが直接的に接触しないような
電気絶縁層を形成させるのであり、この電気絶縁層を形
成させるのに絶縁抵抗の高い無機材料を用いるのである
絶縁抵抗の高い無機材料としては種々なものがあり基本
的には金属や炭素系以外の絶縁性を示す無機材料であれ
ばその種類を問わず本発明に適用が可能である。しかし
、実、際の施工面では、配筋や配骨、アンカーなどコン
クリートとの耐着強度を要求されるもの、型枠やスペー
サなど耐着強度をそれほど要求されないものなど使用す
る金属部材との関連によって、使用する無機材料の種類
や形態を考慮する必要がある。この無機絶縁層を形成さ
せるのに、コンクリートと金属部材との耐着強度が要求
されない場合には、シート状の無機材料層を金属部材の
表面に巻き付けたり被せたりしてもよいが、実際上は、
炭素繊維補強コンクリートと接触させる前の金属表面に
予め所定厚みの絶縁層を被着させる処理を施しておくの
が施工面でも便宜である。より具体的には、セメントモ
ルタルやセメントペーストをこの金属表面に塗り付けて
硬化させることによって電気絶縁層を形成させるのが最
も便宜であり、この場合にはコンクリートとの耐着強度
も十分なものが得られる。またこの種のセメント系材料
に代えてガラス系材料や金属酸化物系の材料を使用する
のもよい。
このようにして1本発明は、炭素繊維より卑な金属との
接触面に絶縁性の高い無機層を介在させることによって
、炭素繊維との接触による局部電池作用を防止するので
あるから、この絶縁層は局部電池が生成する電流の流れ
を遮断できるに十分な絶縁性、つまり金属と炭素繊維の
接触を断つのに十分な機能をもたねばならない。使用す
る無機材料の種類によってその絶縁抵抗値は異なるが。
本発明者らの試験によると、セメントマトリックス中に
炭素繊維を0.2〜10容量%で分散させた補強コンク
リートの場合に、少なくとも100Ω以上の絶縁層を形
成すれば、金属と炭素繊維との接触を断つことが可能で
あることがわかった。
実際の施工においては、鉄系金属材料の表面には、その
量や厚みは均一ではないにしても、多少の酸化被膜(黒
皮〉が生成しており、また、積極的に黒皮を生成させた
鉄筋などを使用することも通常であるから、この酸化被
膜層も絶縁層として機能する場合がある。しかし、この
酸化被膜は運搬や施工時にところどころ剥げ落ちて金属
面が露出したり、その厚みにも変動があるから、これの
みで局部電池生成の完全防止を期待することはできない
。また、酸化被膜が剥げ落ちて金属表面が露出した部分
が形成されると、酸化被膜部との間に局部電池が形成さ
れ、腐食を促進させる原因ともなる。さらに、スケール
層があまり厚いとコンクリートと鉄表面との耐着強度を
低下させる原因ともなる。従って1本発明の実施にさい
し、無機絶縁層を別途に存在させるのが重要となり9本
発明において電気抵抗が少なくとも100Ω以上の絶縁
層とは、この酸化被膜を除いた無機材料単独で100Ω
以上の電気抵抗をもたせた絶縁層であることを意味する
本発明を最も便宜に実施するには、炭素繊維補強コンク
リートのセメント成分と同じようなセメント成分をもつ
セメントモルタルまたはセメントペーストを金属表面に
塗布し、この塗布層を硬化させて(これは完全硬化であ
ってもよいが、半硬化状態でも事実上さしつかえない)
から、未だ固まらない炭素繊維補強コンクリートと接触
させるようにするのがよい。この場合には、炭素繊維補
強コンクリートと金属との耐着強度の低下の問題は生じ
ないという有利な面を享受でき、また施工も簡単である
セメントマトリックス中に均一分散した炭素繊維のうち
の一本がその先端で鉄の露出表面と水の存在下で接触し
ている状態を仮定した場合に、炭素繊維から鉄に流れる
電流の大きさは、炭素繊維の表面積が大きくなるほど大
きくなる。従って。
長繊維はど大きな電流が流れることになる。しかし同一
量で炭素繊維を分散させた場合に、実際は短繊維を使用
した方が腐食の進行が速い場合もある。これは、m維先
端が金属面に接触する接触点の数が多くなるからであろ
う。本発明者らの実験の結果では、炭素繊維補強コンク
リートとして通常の炭素繊維量である0、2〜10容量
%の量で炭素繊維をセメントマトリックス中に分散させ
た場合に、この炭素繊維の長さがいかようなものであっ
ても鉄系金属表面との間で少なくとも100Ω以上の絶
縁層を形成させておくならば、金属と炭素繊維との接触
を断ち1ガルバニ・ツク電池を形成する腐食電流を完全
に遮断できることを確認した。
なお1本発明に従って金属との間に絶縁層が介在する炭
素繊維補強コンクリートは、セメントマトリックス中に
炭素繊維を分散させたものであれば、砂や砂利などの骨
材の有無やその量の大小。
あるいは各種の添加材や混和材の有無やその量の大小を
問わず、さらにはセメントの種類を問わず炭素繊維との
接触による局部電池形成にもとずく金属腐食の防止効果
を発揮するものである。
以下に、試験結果に基づいて、より具体的に本発明内容
を説明する。
〔腐食電位および分極曲線〕
木枠内にセメントモルタルを入れ、このモルタル中に炭
素繊維供試体、鋼試片、ステンレス鋼製メツシュ筋のい
ずれかまたはこれらのカップルを挿入し、酸化還元電位
測定装置(飽和MCI溶液使用1対極;白金)およびポ
テンショスタット(参照電極として飽和甘木電極使用、
電位掃引速度40mV/min +対極;白金)によっ
て、セメント中での各供試材の腐食電位および分極曲線
の測定を行った。
各々の腐食電位の測定結果を次頁の表1に示した。
0 表1の結果より明らかなように、セメントモルタル中で
の腐食電位の順位は。
CF>SS> (CF十St) >> (SS+St)
 >Stであり、鋼がCFと接触するとガルバニック腐
食の発生の可能性が極めて大きいことがわかる。
11 第1図は、セメントモルタル中にCFを分散させた場合
(CF添加量;2.5容量%)と、 CFを入れない普
通モルタルの場合について、各モルタル中に挿入した鋼
の腐食電位の経時変化を示したものである。第1図に見
られるように、鋼の腐食電位は時間の経過と共に岸側に
移行し、いわゆる不動態域から活性域へ移動している。
カソード反応が酸素の還元反応であるとすれば、セメン
ト中の酸素 −が徐々に消費されかつ補給が緩やかであ
るため欠乏してゆくことを示していると思われる。従っ
てモルタル中の責なCFと接触している鋼は活性域にあ
るのでガルバニック腐食が著しくなる。
第2図は、セメントモルタル中にCFを分散させた場合
(CF添加量;2.5容量%)と、 CPを入れない普
通モルタルの場合について、各モルタル中に挿入した鋼
のカソード分極挙動を示す。セメントモルタル中へのC
F添加によって、無添加の場合に比し、カソード電流が
著しく増大し、およそ10倍以上にも増大していること
がわかる。これは、セメント中のCFが鋼に接触し、 
CF上での次式の酸化還元反応量が加わったためである
と考えられる。
02 +2出0 +4e ” 40H−〔セメント混練
物のpHおよび酸化還元電位〕表2に示す配合材を用い
たセメント混線物のp。
と酸化還元電位を測定し9表3の結果を得た。
3 表3に示されるように、セメント混線物のpI(値は配
合によらずほぼ一定で13.4〜13.7の範囲にある
。また酸化還元電位はモルタル打設直後では−0,15
〜−0,22V程度であるが、蒸気養生中では少し岸側
にずれる。これは環境の酸化性が時間とともに低下する
ことを意味している。酸素の酸化還元反応により環境の
酸化還元電位が決定されているとすれば、その電位の上
限は酸素の酸化還元平衡電位で決定されるが、その平衡
電位は次式で示される。
E、 =1.23 0.06pH+0.015 log
 PO2(VVSSHE )=0.99 0.06pH
+〇、015 log Po2 (VvsSCE )こ
れに、 Po2 =Q、2atm、 pH−13,5を
代入すればE=0.19 (VvsSG[! ) この値は、Ptにより測定された酸化還元電位の値より
かなり高い。酸素の還元反応の過電圧が高いことを考慮
すれば、ほかに有効な酸化剤(例えばpe3+)が系に
存在しない限り、酸素の還元反応に4 よって系の酸化還元電位が決定されているものと考えて
よい。
以上の試験結果より、セメントマトリックス中のCF 
(炭素繊維)の存在は、このセメントマトリックスに接
する鉄(wl)の腐食に悪影響を与えることがわかる。
これは、 CFは電導性が良く、かつその電位がptの
ような貴金属並みの責な電位を示すので、#i4とCF
との接触によるガルバニック腐食によると考えられる。
すなわちセメントマトリックス中でのCFの存在はガル
バニック腐食電池のカソード面積を増大させ、いわゆる
小アノード、大カソードを形成して腐食を促進するわけ
である。
これを電気化学的に模式化すれば第3図のようになる。
すなわち、初期には■の電位で鋼は耐食性を維持してい
るが、 Cl−1などのイオンの存在により8局部的に
酸化被膜が破壊されると、電位は■に移って腐食される
。一方、 CFの存在によってカソード反応が増大する
ので電位は■に移り腐食は加速される。このガルバニッ
ク電池のアノードである鋼表面では次式で示される反応
によりpHが低15 下するので、安定な被膜が維持されない。このために、
腐食が成長することになる。
Fe” 十、1−10−*Fe (OH) +H(pH
低下)しかし、 CFとステンレス鋼との接触の場合に
は両者の電位が接近しかつ不動態域にあるためにガルバ
ニック腐食はない。
実施例 表4に示す配合の炭素繊維補強コンクリート1のなかに
、第4図に示すようにして、各種の供試鉄筋2を埋設し
2 これを、 40℃×5時間の蒸気養生した後、オー
トクレーブ中で180℃、10気圧。
5時間の腐食加速試験を1.3.5回実施した。この供
試鉄筋2としては、黒皮なしの普通鉄筋、溶融亜鉛メッ
キを施したもの、 5US304ステンレス鋼。
および普通鉄筋にセメントモルタル層(膜厚約2111
m)を被覆硬化したもの、をそれぞれ使用した。
各供試鉄筋を、蒸気養生後、あるいはさらに各回のオー
トクレーブ処理の後に、コンクリート中から取り出して
、その腐食状況を調べた。その結果を表5に示した。
7 但し+Ai錆発生なし+ Bi点錆発生。
C;黒錆数点発生+ Di部分的に赤錆発生。
E、50%以上の面積で赤錆発生、を示す。
なお、炭素繊維を添加しなかった以外は表4の配合の通
常のコンクリートを使用して同様の腐食促進試験を実施
したが、この場合には、いずれの供試材鉄筋も錆は発生
しなかった。
【図面の簡単な説明】
第1図はセメントモルタルへの炭素繊維添加の有無によ
る腐食電位の経時変化図、第2図はセメントモルタルへ
の炭素繊維添加の有無による分極曲線を示す図、第3図
炭素繊維補強コンクリート中での銅腐食の電気化学的模
式図、第4図は鉄筋の腐食促進試験に供した試験体の寸
法形状を示す図である。 l・・炭素繊維補強コンクリート 2・・供試鉄筋 出願人 鹿島建設株式会社 瑠 ←ぐ一一 第1頁の続き @発明者 鎌倉 正司 傍市西長洲訓 央技術研究所μ ■発明者三上 尚人茨市西工 央技術研究所1 0発 明 者 幸 英 昭 尼崎市西長洲閣央技術研究
所に 通1丁目3番地 住友金属工業株式会社中」 ] に通1丁目3番地 住友金属工業株式会社中ヨ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (l)、セメント系マトリックス中に炭素繊維を0.2
    〜10容量%で分散させた補強コンクリートを金属との
    接触面をもって硬化させるさいに、電気抵抗が少なくと
    も100Ω以上の無機材料からなる絶縁層を該金属の表
    面に予め形成させたうえで硬化させた炭素繊維補強コン
    クリート。 (2)、金属は鉄または鉄合金である特許請求の範囲第
    1項記載の炭素繊維補強コンクリート。 (3)、無機材料からなる絶縁層はセメントモルタルま
    たはセメントペーストの硬化または半硬化した層である
    特許請求の範囲第1項または第2項記載の炭素繊維補強
    コンクリート。
JP3886784A 1984-03-02 1984-03-02 炭素繊維補強コンクリ−ト Granted JPS60186447A (ja)

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US06/795,697 US4627998A (en) 1984-03-02 1985-03-01 Carbon fiber reinforced concrete
PCT/JP1985/000103 WO1985003930A1 (fr) 1984-03-02 1985-03-01 Beton renforce par des fibres de carbone
GB8525186A GB2166429B (en) 1984-03-02 1985-03-01 Carbon fiber-reinforced concrete
HK20290A HK20290A (en) 1984-03-02 1990-03-15 Carbon fiber-reinforced concrete

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02217344A (ja) * 1989-02-17 1990-08-30 Mitsubishi Kasei Corp 炭素繊維強化水硬性複合材料

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JPH02217344A (ja) * 1989-02-17 1990-08-30 Mitsubishi Kasei Corp 炭素繊維強化水硬性複合材料

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