コンクリート構造物補修の化学療法による定量システム
コンクリート構造物の補修技術
２．コンクリート構造物の主な劣化とその補修対策
２．２ 中性化
（１）中性化とは
中性化とは，pH が12〜13 の強アルカリ性であるコンクリートに大気中の二酸化炭素（CO2）が侵入し，水酸化カルシウム等のセメント水和物と炭酸化反応を起こすことによって細孔溶液のpH を低下させる劣化現象です．この反応は図2-16 に示す反応式で表すことができます．中性化の劣化因子は二酸化炭素なので，中性化はあらゆるコンクリート構造物にとって切実な問題となります．大気中の二酸化炭素濃度は年々増加の傾向を示しており，それに加えて自動車等の排気ガス中の亜硫酸ガス（SOx），それを含んだ酸性雨などもコンクリートを中性化させる原因となります．
高アルカリ環境のコンクリート中にある鉄筋表面には不動態被膜が形成されていますが，pHが概ね11より低くなると不動態被膜は破壊され，鉄筋が腐食環境下に置かれることとなります．不動態被膜が破壊された後の鉄筋腐食の進行は，塩害の節で述べたとおりです（図2-2 参照）．鉄筋が腐食すると腐食箇所の体積が膨張し，その膨張圧によってコンクリートにひび割れが発生します．そのひび割れを通じて水分，酸素などの劣化因子の供給が容易になることにより，さらに鉄筋腐食が促進され，コンクリートはく離やはく落，鉄筋の断面減少を生じ，構造物の耐久性能，耐荷性能が低下していきます．これが中性化によるコンクリート構造物の劣化メカニズムです．鉄筋の腐食開始時期の判定基準は，一般的に中性化残り10mm以下とされています．
中性化はコンクリート表面から内部へ向かって進行していきます．その進行速度は，コンクリートの通気性，含水率，強度，セメントの種類，配合，施工条件等のほか，温度，湿度，二酸化炭素濃度等の環境条件にも影響を受けることが知られています．
（２）中性化による劣化事例
中性化によるコンクリート構造物の劣化は，『二酸化炭素の侵入によるpH 低下』→『不動態被膜の破壊』→『鉄筋腐食の発生と進行』→『腐食膨張圧によるコンクリートひび割れ』→『かぶりコンクリートの浮き・はく離』という過程を経ると考えられます．すなわち，中性化による劣化がコンクリート表面のひび割れとして顕在化した時点でコンクリート内部の鉄筋腐食はかなり進行しているものと考えるべきです．図2-17 は中性化により鉄筋が腐食し，かぶりコンクリートがはく落している状況です．自動車の排気ガス等により二酸化炭素の供給が多い構造物は中性化による劣化を受けやすいといえます．図2-18 は道路橋の張出し床版下面において，腐食した鉄筋が露出している状況です．もともと鉄筋かぶりが不足しており，早期に中性化領域が鉄筋位置まで到達し，鉄筋が腐食したものと考えられます．
 図2-17 壁高欄のコンクリートはく落  図2-18 張出し床版下面の鉄筋露出 |
（３）中性化の補修工法
中性化により劣化したコンクリート構造物の補修工法を選定するにあたっては，構造物の劣化状況が潜伏期，進展期，加速期，劣化期のどの劣化過程にあるかを十分に見極め，補修工法に期待する要求性能を明確にする必要があります．中性化による構造物の外観上のグレード（劣化過程）と劣化の状態との関係を表2-2 に示します．
中性化の劣化過程を評価する上では，塩害と同様に鉄筋腐食に関する定量的なデータを得ることが重要です．また，フェノールフタレイン溶液によるコンクリートの中性化深さ測定や，√t 則を用いた今後の中性化進行予測を行うことも重要となります．
中性化による劣化はコンクリート中への中性化領域の進展に伴う鉄筋腐食によって進行するため，中性化の補修工法に期待する効果（要求性能）は以下のようになります．
上記� 銑�の各要求性能に該当する補修工法として以下のようなものが挙げられます．
�［�化因子の遮断 （コンクリート中への二酸化炭素，水，酸素の侵入を低減する）
・表面保護工法 （表面被覆工法，表面含浸工法など）
・ひび割れ注入工法 （エポキシ樹脂系，超微粒子セメント系など）
��中性化領域の回復 （既に中性化したコンクリートのアルカリ性を回復する）
・断面修復工法 （部分断面修復工法，全断面修復工法など）
・再アルカリ化工法
�Ｅ感敝綽�の抑制 （既に腐食が開始している鉄筋の腐食進行を抑制する）
・電気防食工法 （外部電源方式，流電陽極方式）
・鉄筋防錆材の活用 （亜硝酸リチウムなど）
次頁より，要求性能� 銑�に応じた各補修工法の概要を記します．
中性化における劣化因子とは，コンクリートのpH を低下させ不動態被膜を破壊する二酸化炭素，鉄筋を腐食させる水，酸素を指します．表面保護工法によって二酸化炭素の浸入が低減されると中性化領域の進展を抑制しますので，鉄筋腐食環境の拡大を阻止します．また，鉄筋腐食を生じさせる水分や酸素の浸入も併せて阻止することができます．表面保護工法は「表面被覆工法」と「表面含浸工法」の2 種類に分類することができます．これらの基本的な考え方は塩害の場合と同様です．
図2-19 表面被覆工法
表面被覆工法は，コンクリート表面に有機系もしくは無機系の被覆材をはけ，ローラー，コテなどで塗布して表面を覆うことにより，外部からの劣化因子の侵入を遮断する工法です（図2-19）．一般的にはプライマー，中塗材，上塗材と複数の種類の材料を重ね塗りします．有機系被覆材には様々な種類があり，柔軟性や膜厚などを環境条件に応じて比較的自由に計画することができます．無機系被覆材は，主としてポリマーセメント系表面被覆材が用いられます．
近年では第三者被害を防ぐためのはく落防止機能を備えた表面被覆材も実用化されています．また，ポリマーセメント系表面被覆材は亜硝酸リチウムを混入して塗布することができるため，表面被覆工による劣化因子の遮断効果に加え，亜硝酸リチウムによる鉄筋防錆効果を付与することも可能となります．亜硝酸リチウムを用いた表面被覆工法については第3 章にて詳細に記述します．
図2-20 表面含浸工法
表面含浸工法は，ケイ酸塩系などに代表される含浸材をコンクリート表面にはけやローラーにて塗布，含浸させることにより，外部からの劣化因子の侵入を遮断する工法です（図2-20）．ケイ酸ナトリウムやケイ酸リチウムなどのけい酸塩系含浸材はコンクリート表層部の組成を緻密化し，改質する効果があります．一般的にシラン系含浸材は中性化に対する適応性が低いといわれています．
劣化因子の遮断効果および耐用年数は一般的に表面被覆工に比べて劣ると言われていますが，この工法は表面被覆材のようにコンクリート表面に被膜層を設けないため，構造物の外観を変えることがなく，以後のモニタリングが容易であるという利点もあり，適用される事例が増えています．また，表面被覆工法と同様に亜硝酸リチウムと併用することもできます．亜硝酸リチウムを用いた表面含浸工法については第3 章にて詳細に記述します．
図2-21 ひび割れ注入工法
コンクリートにひび割れが存在する場合，ひび割れを介して水分，酸素，二酸化炭素が鉄筋位置に直接供給されることから，十分なかぶりが確保されていても鉄筋腐食が進行する可能性か高まります．中性化と塩害は劣化因子が異なるものの，最終的には鉄筋腐食を抑制する対策に帰着しますので，中性化も塩害と同様にひび割れ注入工により劣化因子の侵入を阻止する必要があります．
ひび割れ注入工法はスプリング圧やゴム圧による低圧注入器を用いて，セメント系，ポリマーセメント系，エポキシ樹脂やアクリル樹脂などの有機系材料をひび割れ内部に低圧，低速で注入し，閉塞させる工法です（図2-21）．ひび割れ注入工法はコンクリート表面のひび割れ幅が0.2mm〜10.0mm 程度のものに適用可能です．単なるひび割れ補修では，ひび割れ幅が大きいものには経済性の理由によりひび割れ充填工法（Ｕカット）を適用する場合もありますが，鉄筋腐食抑制の観点からはひび割れ充填工法よりもひび割れ注入工法のほうが抑制効果が高いと考えられますので，劣化要因に応じた工法選定を行う必要があります．
エポキシ樹脂などの有機系注入材を使用する場合には，ひび割れ内部が乾燥した状態で施工する必要があります．ひび割れ内部が湿潤状態の場合には注入材の硬化が阻害され，十分な付着性が得られないことがありますので，湿潤面硬化型の注入材を使用するなどの対処が必要となります．逆に，セメント系注入材はひび割れ内部が乾燥した状態では注入材の流動性，充填性が低下します．従って，セメント系注入材を使用する場合には，ひび割れ内部に十分な水通し（プレウエッティング）を行った上で施工する必要があります．セメント系注入材の中でも，流動性に優れ，ひび割れ先端部の微細な隙間にまで注入可能な超微粒子セメント系注入材の使用が増えています．
セメント系注入材は亜硝酸リチウムと併用して注入することができるため，ひび割れ注入工による劣化因子の遮断効果に加え，亜硝酸リチウムによる鉄筋防錆効果を付加することも可能となります．亜硝酸リチウムを用いたひび割れ注入工法については第3 章にて詳細に記述します．
コンクリート中の鉄筋位置まで中性化が進行し，鉄筋腐食が開始している場合では，中性化した範囲のコンクリートをはつり取り，断面修復材を用いて断面欠損部分を修復するという方針を採ることができます．これにより，中性化深さは0（ゼロ）に戻ることになります．断面修復工法といえば，一般的にはコンクリート脆弱部（浮き，はく離，鉄筋露出，断面欠損などの箇所）の修復という目的で部分的に適用される部分断面修復工法を指すことが多いのですが，中性化対策としてコンクリートの中性化した範囲のpH を回復させることを目的とした断面修復工法は，コンクリート表層部の全範囲を断面修復する全断面修復を指します．断面修復材には母材コンクリートとの付着性，一体性を要求されますので，その性能を満たす材料としてポリマーセメントモルタルが多く用いられています．
ａ) 部分断面修復工法
中性化による鉄筋腐食が進行すると，コンクリート表面に浮き，はく離，鉄筋露出などが生じます．それらの変状箇所を部分的にはつりとり，断面修復材にて埋め戻すのが部分断面修復工法です．部分断面修復工法は1 カ所あたりの施工範囲が比較的小規模な場合が多いため，主に左官工法（図2−22）が適用されます．部分的にはつり取った範囲の中性化深さは0（ゼロ）に戻るため，部分的に「中性化領域の回復」がなされたといえます．しかし，はつり範囲以外のコンクリートも中性化は進行しているため，将来的には新たな鉄筋腐食が進行することが予測されます．
ｂ) 全断面修復工法
鉄筋位置にまで中性化が進行している場合，鉄筋の不動態被膜が破壊され，鉄筋が腐食環境に置かれます．中性化深さを0（ゼロ）に戻すことを目的としてかぶり範囲のコンクリートを全てはつりとり，断面修復材にて埋め戻すのが全断面修復工法です．「中性化領域の回復」という要求性能を満たすための断面修復工法はこの全断面修復工法を指し，コンクリート表面の浮き，はく離の有無に関わらずコンクリート表面全体を施工対象とします．全断面修復工法は，対象部位や施工の方向，施工規模などに応じて左官工法，吹付け工法（図2−23），充填工法などを使い分けます．
 図2-22 断面修復工法（左官工法）  図2-23 断面修復工法（吹付け工法） |
【再アルカリ化工法】
コンクリート中の鉄筋位置まで中性化が進行している場合，あるいは今後の中性化進行が将来的に鉄筋位置に到達すると想定される場合には，電気化学的な手法を用いて中性化したコンクリートにアルカリ性を再付与する方針を採ることができます．再アルカリ化工法は，コンクリート表面に陽極材と電解質溶液を設置し，陽極からコンクリート中の鉄筋（陰極）へ直流電流を流すことによってアルカリ性溶液をコンクリート中に浸透させ，コンクリート本来のpH値程度まで回復させる工法です（図2-24）．再アルカリ化工法にてコンクリートのpH が回復することにより，鉄筋腐食環境が改善されます．再アルカリ化を行うための電流量は通常1A/m2程度で，約1〜2 週間の通電を行うのが一般的です．通電が終わると陽極材は撤去されます．
かぶりコンクリートが比較的健全な状態場合ではコンクリートをはつることなく中性化深さを0（ゼロ）に戻すことができるため，このような劣化程度の構造物に対して適応性が高いといえます．再アルカリ化工法を施工した後に再び二酸化炭素が侵入することを防ぐために，表面保護工などの対応策を併せて実施することも検討すべきです．
図2-24 再アルカリ化工法の概念図
出典：「コンクリートのひび割れ調査、補修・補強指針-2013-」
中性化によるコンクリート中の鉄筋腐食の程度が著しい場合，あるいは今後の鉄筋腐食が著しく進行すると想定される場合には，塩害の場合と同様に電気化学的な手法を用いて鉄筋腐食進行を抑制する方針を採ることができます．電気防食工法は，継続的な通電を行うことによってコンクリート中の鉄筋の腐食反応を電気化学的に制御し，劣化の進行を抑制する工法です．電気防食工法では，コンクリート表面に陽極材を設置し，陽極材からコンクリート中の鉄筋（陰極）へ継続的に直流電流（防食電流）を流します．この防食電流が適切に流れている期間は鉄筋の腐食は抑制されます（図2-25）．
電気防食を行うための電流量は通常0.001〜0.03A/m2 程度で，対象構造物の供用期間を通じて通電を行う必要があります．従って，電流供給システムの耐久性などを考慮し，定期的なメンテナンスが必要となることに留意する必要があります．
なお，電気防食工法を大別すると，先述したような外部の電源から強制的に防食電流を流す外部電源方式と，鉄筋と陽極材との電池作用により防食電流を流す流電陽極方式（犠牲陽極方式）の2 種類があります．
図2-25 電気防食工法の概念図
出典：「コンクリートのひび割れ調査、補修・補強指針-2013-」
【鉄筋防錆材の活用 （亜硝酸リチウム）】
亜硝酸イオンには鉄筋防錆効果がありますので，中性化によるコンクリート中の鉄筋腐食に対しても，塩害の場合と同様にコンクリート中の鉄筋腐食の程度が著しい場合，あるいは今後の鉄筋腐食が著しく進行すると想定される場合には，鉄筋防錆材として亜硝酸イオンを活用する方針を採ることができます．亜硝酸イオンを含む代表的な防錆材として亜硝酸リチウム（図2-26）が挙げられます．
亜硝酸リチウムを鉄筋防錆材として使用または併用する手段として，以下の5 種類の方法が実用化されています．
表面被覆工法，表面含浸工法，ひび割れ注入工法においては，各補修工法の主たる要求性能はあくまで『劣化因子の遮断』ですが，その補修材料に亜硝酸リチウムを使用または併用することにより鉄筋腐食抑制効果も一部考慮することができます．断面修復工法においては，その主たる要求性能は『劣化因子の除去（全断面修復）』，『コンクリート脆弱部の修復（部分断面修復）』ですが，補修材料に亜硝酸リチウムを併用することにより鉄筋腐食抑制効果（マクロセル腐食抑制効果も含む）も考慮することができます．
ここで，『鉄筋腐食の抑制』を主たる要求性能とする補修工法として内部圧入工法が挙げられます．これは亜硝酸リチウムによる鉄筋腐食抑制効果を最も積極的に活用する工法と言えます．この工法ではコンクリートに削孔した小径の圧入孔から亜硝酸リチウムを内部圧入することで鉄筋表面に亜硝酸イオンを供給し，破壊されていた鉄筋不動態被膜を再生します．
これらの亜硝酸リチウムを用いた塩害補修工法については第3 章にて詳細に記述します．
図2-26 亜硝酸リチウム
（４）中性化の劣化グレードと適用可能な補修工法との関係
中性化の劣化グレードと標準的な補修工法の関係を図2-27 に示します．潜伏期では中性化が進行するものの，まだ鉄筋腐食が始まっていませんので，対策工への要求性能は外部からの二酸化炭素の浸入抑制となります．その要求性能に適する工法は表面被覆工法または表面含浸工法となり，予防保全的な適用となります．進展期になると鉄筋が腐食し始めます．ただし，まだひび割れ等の変状は生じていません．
この場合は，表面被覆工法や表面含浸工法により二酸化炭素，水分，酸素の浸入を抑制し，以後の鉄筋腐食の進行を抑制するという方針が基本となります．ただし，重要構造物などで劣化の顕在化を許容しない場合には，この段階では断面修復工法（全断面修復）により中性化したコンクリートを除去したり，再アルカリ化工法によってコンクリートのアルカリ性を回復させたりすることで鉄筋腐食環境を改善することも検討すべきです．また，予防保全的に電気防食工法や内部圧入工法（亜硝酸リチウム）の適用を検討することもあります．
加速期前期に入ると既に鉄筋腐食の進行によってひび割れやコンクリートの浮き等が発生していますので，劣化因子の遮断や中性化領域の回復だけでは補修が不十分となります．ここでは鉄筋腐食の進行抑制を主たる要求性能と考えることが重要であり，電気防食工法や内部圧入工法（亜硝酸リチウム）などが適用できます．
また，コンクリートの浮きが生じている箇所を部分的に断面修復するだけでなく，かぶりコンクリートをすべてはつり取って中性化したコンクリートを除去しつつ鉄筋の防錆処理を行う全断面修復工法も適用できます．
図2-27 中性化の劣化グレードと適用可能な補修工法との関係
加速期後期は加速期前期の状態が進展した状態ですので，適用できる工法は加速期前期と同様と考えることができます．ただしこのグレードになると剛性等の力学的性能や第三者影響度に対する性能低下が懸念されますので，広範囲に脆弱化しているかぶりコンクリートを全て除去して断面修復する必要性が高まります．その際，断面修復工法を主工法とし，必要に応じて電気防食工法や内部圧入工法を併用するような場合もあります．
劣化期になるまで放置すべきではありませんが，もし劣化期に至った場合では，コンクリートの劣化部・不良部の範囲も大きいため，大規模な断面修復工法によって補修する必要がでてきます．また，腐食による鉄筋断面減少も著しいため，耐久性のみならず，耐荷性能も低下します．そのときは適切な補強工法を併用する必要があります．
このように，中性化に対する補修工法を選定するにあたっては，現時点での構造物の状況がどの劣化過程にあるかを十分に見極め，適切な工法を選択することが重要です．
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