塩化物含有コンクリート間隙液中におけるHRB400鉄筋の耐食性向上に対するCrおよびREの強化機構

なぜ錆びた鉄筋が重要なのか

ほとんどの橋、トンネル、沿岸建築物の内部には、目に見えない形で荷重を支える鋼製の棒（鉄筋）が存在します。これらの鉄筋が錆び始めると、周囲のコンクリートがひび割れ、剥落し、最終的には計画より何十年も早く損傷することがあります。本研究は、優れた被覆や厚いコンクリートを追加するのではなく、鋼自体の組成を変えることで塩害に対する抵抗性を高める新しい方法を検討しています。

塩、鋼、そして崩れるコンクリート

海辺の環境や融雪剤にさらされる構造物では、塩化物イオンが徐々にコンクリート内部を進行して鉄筋に到達します。通常は高アルカリのコンクリート間隙液中で形成される薄い安定な被膜が鋼を保護しますが、塩化物はこの被膜を侵し、微小な局所腐食（ピット）を引き起こします。これらは小さな穴から始まりやがて重大な錆害へと発展します。従来の対策はコンクリートや外部被覆に重点を置き、鋼自体が攻撃的な塩分環境にどう反応するかを変えるものではありません。

より賢い鋼の設計

研究者らは一般的な建設用鋼HRB400の3種を検討しました：標準品、クロムを添加したタイプ、そしてクロムに加えて微量の希土類元素（セリウムとランタン）を含むタイプです。注目したのは鋼中の微視的な介在物—加工過程で残る非金属粒子で、しばしば腐食の発生点になります。標準鋼ではこれらの介在物に硫化マンガンや複合酸化物が多く含まれ、塩化物の多い溶液で容易に溶解して鋼と介在物の界面に隙間を作り、ピットが急速に発生・成長する微小環境を作ります。

鋼内部の弱点を抑える

クロムと希土類元素を添加すると、微細構造と介在物の両方が変化します。クロムは特定の微細相の量を減らし、より保護的な表面被膜の形成を助けます。希土類は介在物を希土類–アルミニウム酸化物へと再構成し、しばしば薄い硫化マンガンの被膜に包まれ、むき出しの硫化マンガン粒子の数を著しく減らします。電子顕微鏡による詳細観察では、希土類改質鋼ではまず硫化物の殻が溶解する一方で、希土類酸化物の核はゆっくりしか溶解しないことが示されました。これらのより丈夫な介在物は、塩化物攻撃に対して開いた入り口のように振る舞うのではなく、ピットの成長を遅らせるバリアとして機能します。

損傷の広がりを測る

性能を比較するために、研究チームは3種の鋼を様々な塩濃度を含む模擬コンクリート間隙液に浸し、電気化学的試験で腐食の起こりやすさを追跡しました。クロム–希土類鋼は一貫して最も高い耐食性を示しました：受動被膜が破壊される電位はより高く、腐食電流は低く、インピーダンスの円弧は大きく—これらは電荷やイオンの移動に対するより強い障壁を示します。塩化物濃度の高い溶液に数日浸した後の重量減少試験と3次元表面マップでは、この鋼が最も浅いピットと最小の損傷面積を示しました。実際、7日後の腐食速度はクロム–希土類鋼が従来のHRB400の約3分の1であり、ピットは鋭さや浸透深さが小さいことが確認されました。

保護被膜の維持メカニズム

さびや受動被膜の表面分析は、クロムと希土類が外層被膜に取り込まれ、欠陥を塞ぐ安定な酸化物を形成して塩化物の侵入を難しくすることを確認しました。被膜の半導体様の電気的挙動の測定では、クロム–希土類鋼が最も低い電荷担体密度を示し、より秩序だった欠陥の少ない酸化層を示唆しました。塩分濃度が上がり全ての鋼が脆弱になる状況でも、この改質合金は一貫して最も厚く保護的なバリアを維持し、腐食性イオンの通路が最も少ない状態を保ちました。

将来の構造物にとっての意義

端的に言えば、本研究は鉄筋の組成を慎重に調整し、少量のクロムと希土類元素を添加することで、塩分による内部からの攻撃を大幅に遅らせられることを示しています。より良いコンクリートや被覆にのみ頼るのではなく、内部の弱点を再設計した鋼を用いることで、ピットの発生を遅らせ、成長を鈍らせることが可能です。橋、埠頭、沿岸建築物において、こうした鋼は耐用年数の延長、補修頻度の低下、最も過酷な環境にさらされるインフラの安全性向上につながる可能性があります。

引用: Zhu, R., Chen, T., Hao, L. et al. Enhancement mechanisms of Cr and RE on the corrosion resistance of HRB400 rebar in chloride-containing concrete pore solution. npj Mater Degrad 10, 36 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00746-3

キーワード: 鉄筋コンクリートの耐久性, 鉄筋の腐食, 塩化物攻撃, 微合金鋼, 希土類合金化