杭材の腐食について
はじめに
鋼管杭を取り囲む環境は、淡水、海水、大気、土壌などであり、このような環境の中に含まれる中性の水と酸素が関与して腐食は生じます。
すなわち鋼管の腐食は、酸素、水と科学的に反応することによる鉄の酸化反応です。
化学式により示すと
Fe + H2O + (1/2)O2 →
Fe(OH)2・・・水酸化第一鉄
さらに、水酸化第一鉄は、酸素、水と反応し
Fe(OH)2 + (1/2)H2O + (1/4)O2 →
Fe(OH)3・・・水酸化第二鉄
この水酸化第二鉄Fe(OH)3または含水酸化第二鉄Fe2O3・nH2Oが赤褐色物質(赤錆)となります。 土壌中では、液体(海水、水など)、固体(土壌)、気体(空気、ガスなど)が共存しているため、自然環境の中では最も複雑な腐食現象を示しますが、大気中に比べ腐食速度はかなり小さいことが知られています。
土壌の腐食速度の要因
鋼管杭の場合、腐食性は土質に支配され、詳細には土壌の組成、pH、溶解成分、バクテリアなどの化学因子のほか、土壌の粒径分布、通気性、含水量などの物理的因子が“さび”の速度に影響を及ぼすと考えられます。
特に土壌中の酸素供給は、腐食速度の大きな要因として考えることができ、その機構と土質別の酸素含有量については、以下の知見が得られています。
土壌中の酸素は、地表から浸透してくる空気によるものと、雨水・地下水からもたらされる溶存酸素の二種類があり、土質別酸素含有量は、粘土質、泥土質、ローム質では小さく、また深所では大幅に減少することが知られています。
腐食の調査例
土質工学会と鋼材倶楽部は共同で、広範囲にわたる様々な土質条件下における鋼杭の腐食を試験するために、1962年から1966年の間に、国内10ヵ所にL型断面･長さ約15ｍのアングル材を鋼杭とみたてて、合計126本を設置し、表に示す結果を得ています。
試験結果のまとめとして以下の項目が記述されています。
- 10年間にわたる年間両面腐食率の平均値は0.0106mm/yrとなり、最大値は0.0297mm/yrである。
- 放置期間2年、5年、10年目の測定によれば年間腐食率は打ち込み後の経過年数とともに明らかに減少し、10年後以降もこの傾向は続くと推測される。
- 地盤中に設置された鋼杭の腐食は予想外に少なく、10年の放置期間を経過しても、設置時の状態とほとんど同様な外観である。
| 試験材設置場所 | 地盤状況 | 調査対象 | 試験材本数 | 平均腐食速度 (mm/yr,断面) |
|---|---|---|---|---|
| 東京電力北電力所 板橋変電所(東京) |
沖積シルト | 普通銅の腐食 | 9 | 0 |
| 川崎製鉄 水島製鉄所(岡山) |
海面埋め立て 造成地 |
普通銅の腐食 含銅銅の腐食 外部電源法による腐食 電気防食の効果 |
12 | 0.01 |
| 広島大学 工学部(広島) |
砂・シルト層 の2層地盤 |
普通銅の腐食 | 10 | 0.01 |
| 新日本製鐵 相模原研究所(相模原) |
関東ローム層 | 普通銅の腐食 | 9 | 0.01 |
| 関西電力尼崎 第三火力発電所 (兵庫) |
海面埋め立て 造成地 |
普通銅の腐食 耐候性銅の腐食 溶接部の腐食 迷走電流の影響 |
15 | 0.01 |
| 鹿島建設 技術研究所(東京) |
砂れき層 | 普通銅の腐食 | 9 | 0.01 |
| 日本住宅公団 竹ノ塚職員宿舎(東京) |
軟弱な砂・ 粘土の互層 |
普通銅の腐食 電車軌道からの 迷走電流の影響 塗装による防食効果 |
12 | 0.01 |
| 農林省 八郎潟干拓地(秋田) |
シルト層干拓地 | 普通銅の腐食 | 9 | 0.01 |
| 日本住宅公団 武里団地(埼玉) |
砂層・シルト層 | 普通銅の腐食 鋼管坑内面の腐食 |
11 | 0.01 |
| 川崎製鉄 水島製鉄所(岡山) |
海面埋め立て 造成地 |
普通銅の腐食 コンクリートフーチング 内の鉄筋の影響 流電陽極法による 電気防食の効果 |
30 | 0.01 |
| 合計 | 126 | 平均0.0106 | ||
(出典：「鋼管杭」鋼管杭協会編)
まとめ
上述の結果を基に、一般的に鋼杭の腐食しろについては上部構造の耐久、重要性から1.0～2.0mm程度に設定されています。e-pileの場合は、平均値に2倍の安全率を考慮した年間平均腐食率0.02mm/yrを採用し、外面1mmを腐食しろとして考慮しているため、おおよそ設計的には50年の耐久性を有していると考えられます。