070660 「下水道施設のコンクリート防食」 講演者：会員 上下水道部門技術士 工学博士 三品 文雄 １．下水道建設とコンクリート防食の歴史 近代下水道の建設は、日本では明治に始まり第二次世界大戦で破壊されたものの戦後整備が急速 に進められ、普及率も 70％に達した。これまでに投資された予算は、80 兆円、再建設費に換算す ると 100 兆円にも上る。 社会資本としては道路に次ぐ規模の資産である。 これらの資産を私たちは、 次の世代に引き継いで行かなくてはならないが、下水道特有の硫酸による生物腐食といった激しい コンクリート劣化に見舞われている。これらを放置すると、下水道の資産価値は当初見込みの 1/5 以下になると予測される為、対策としてコンクリート防食が実施される必要性がある。 ２．古代文明や中世社会の下水道施設の材料 下水道施設は、古代文明や中世社会ではそのような問題は発生していなかったのかという疑問が 発生する。それらを考察するため、古代文明や中世時代での下水道施設の材料やシステムを西洋社 会、東洋社会、日本社会に分け紐解いてみた。その結果、古代文明や中世の下水道施設は、石材や 陶器、瀝青材料、木材と硫酸腐食に強い材料で建設されたため、硫酸腐食はあまり問題にならなか った事がわかってきた。現在主流材料になっているコンクリートが、何時ごろ発明され使用されて きたかを調査した結果、19 世紀に発明されたものであること、世界的に本格的に使用されたのは 20 世紀になってからである事が判った。 ３．現在の最先端技術、防食に関する新工法 硫酸雰囲気における生物腐食の研究は、20 世紀の後半にようやく始まったことも判ってきた。微 生物の存在の発見が遅れたのと、悪質下水犯人説が横行した事によるものである。現在ではコンク リートの生物腐食の研究は、日本をとりわけ日本下水道事業団が最先端の研究を行っている。その 先駆け的研究や、今日の防食技術に最初から携わってきた演者が、これまでの研究成果や、現在の 最先端技術、防食に関する新工法などについて説明した。現在防食の主流になっている有機樹脂の 塗布型工法や、工場で樹脂シートを生産し現地で組み立てるシートライニング工法、現在開発が進 んでいる耐硫酸コンクリートによる樹脂被覆を省略した工法について、現在の研究最先端の話題を 提供した。これまで下水管路を含むコンクリート施設の管理、点検は殆ど行われてこなかったこと を踏まえ、今後の管理、点検のあり方、コンクリート診断や改築設計のあり方を、現在国土交通省 で行われている全国の一斉緊急点検をもとに、その重要性とその手順について説明した。大きな課 題としてシールド工事で建設された大口径で長スパンの管は、水深が深く、流速も速く、有毒ガス が発生している場合、現在の管更生の技術では修理不可能であり、今後これら重要幹線管路の修理 技術開発が急務であると結んだ。 ◎ ご講演は、映像を用いて説明されました。プレゼンテーションに使用された内容は以下のページで ご覧頂けます。 下水道施設のコンクリート防食 2007年6月7日 JER認定施工協会 三 品 文 雄 下水管の歴史と材料の変遷 古代文明における下水道の位置付けと 建設材料 近代下水道の位置付けと建設材料 コンクリートの歴史と生物腐食の関係 日本防食協議会 日本防食協議会 ミノア文明の下水管 日本防食協議会 日本防食協議会 日本防食協議会 ◆ 下 水 道 の 歴 史 （古代西方文明） ◆ BC5000 メソポタミアのウル、バビロン、 ラガシュ等で下水道築造 メソポタミアの都市が発 BC2900∼2700 達し、下水道築造 クレタ島の宮殿に腰掛式水洗 BC2000 便所がつくられ、排水管に接続される 日本防食協議会 西安五角形の排水溝 日本防食協議会 沖縄の豚便所（ウヮーフール） 日本防食協議会 日本防食協議会 ◆ 下 水 道 の 歴 史 （古代東方文明） ◆ BC3000 モヘンジョ・ダロ、カーリーバンガン 等の都市に下水溝、水洗便所築造 BC2000∼1400 中国河南省淮陽県平糧台で排水 管築造 BC1100 中国洛陽近郊の二里類で排水管築造 BC300∼200 秦の都威陽で5角形の管使われる 日本防食協議会 日本防食協議会 紫香楽宮跡から発見された陶管 日本防食協議会 日本防食協議会 日本防食協議会 ◆ 645 694 708 784 下 水 道 の 歴 史 （日本の古い下水道） 大化１ 持統５ 和銅１ 延暦３ 難波宮に排水溝築造 藤原京に排水溝築造 平城京に排水溝築造 長岡京に排水溝築造 日本防食協議会 ◆ 近代下水道の歴史(西欧) 1347 1370 1606 1728頃 1750 1848 する 全ヨーロッパでペスト流行 パリに最初の円天井の下水道築造 パリに最初の下水主幹線できる ベルサイユ宮殿に最初の水洗トイレを設置 セーヌ川に流入する開きょ式下水道築造 ロンドンで便所の下水道への接続を義務と 日本防食協議会 近代下水道の歴史(戦前日本) 1873 1877 1881 1884 1894 1895 1900 1922 1930 1934 昭和９ 明治６ 明治１０ 明治１４ 明治１７ 明治２７ 明治２８ 明治３３ 大正１１ 昭和５ 東京銀座に下水管布設（側溝を暗きょ化） コレラ流行 横浜区で下水道築造（石造り馬蹄形管で底部は松板） 東京府神田下水施工 大阪市、上下水道改良事業開始 大阪市、本田抽水所完成（わが国初のポンプ所） 下水道法公布 東京三河島汚水処分工場運転開始 （標準散水ろ床法） 名古屋市堀留熱田処理場運転開始 （わが国初の散気式活性汚泥実用化） 岐阜市わが国初の分流式下水道事業に着手 日本防食協議会 日本防食協議会 近代下水道の歴史(戦後日本) 1948 1966 公布 1967 1970 1972 団） 1975 1981 1996 昭和２３ 福井市で戦後初の公共下水道事業起工 昭和４１ 流域下水道で初の処理場猪名川流域基本法 昭和４２ 公害対策基本法公布施行 昭和４５ 水質汚濁防止法制定公布 昭和４７ 下水道事業センター発足（現日本下水道事業 昭和５０ 特定環境保全公共下水道事業の実施 昭和５６ 第二種流域下水道の創設 平成８ 第８次下水道整備七箇年計画 日本防食協議会 イフタフで発見された世界最古の コンクリートの床 (約９０００年前） 日本防食協議会 初期の立窯（Northfleet) １８４７年 日本初期の徳利窯（小野田市) １８８３年 日本防食協議会 コンクリートの歴史(世界史) セメントのルーツ 約９千年前イスラエル・イフタフの住居の床 約５千年前中国西安近郊住居の床 １７５６年低温焼成｢水硬性の接合材｣が発明 １７９６年高温焼成｢ローマンセメント｣開発 １８２４年｢ポルトランドセメント｣を 人造石製法の改 良 と言う表題で特許取得 建設資材として本格使用 英国エジストーン灯台の復旧工事 テムズ川のトンネル工事 1910年ヒューム兄弟により遠心力コンクリート管の 製造法の発明 日本防食協議会 横須賀造船所第１ドック 1871年 長崎小菅修船場(ソロバンドック） １８６７年 日本防食協議会 日本初の鉄筋コンク リート構造物 （琵琶湖疎水1903 年） 琵琶湖疎水にかか るアーチ橋(1904年 明治37年) 日本防食協議会 コンクリートの歴史(日本史) ポルトランドセメントの使用 1865年横須賀製鉄所内煉瓦建築物？ 1867年長崎小菅修船場(ソロバンドック）？ 1871年横須賀造船所第１ドック工事 我国のセメント製造開始 明治8年（１８７５）大蔵省土木寮摂綿篤製造所(深川） 1905年｢日本ポルトランドセメント試験法｣制定(農商務省告示 による規格） 建設資材として本格使用 1882年JR北陸本線長浜駅(無筋２階) 1903年琵琶湖疎水路上に架けられた橋(長さ7.3m) 1910年名古屋市で内径680~1360の鉄筋コンクリート管採用 1950年遠心力鉄筋コンクリート管ＪＩＳ規格となり本格使用 日本防食協議会 これまでの研究 最初の報告 ロサンゼルスの管路施設（１９００） 化学的腐食と考えられていた 微生物腐食の報告 １９４５年オーストラリアのC.D.パーカーに より報告 日本防食協議会 日本防食協議会 下水道投資額と今後の更新費 投資額約８０兆円内訳（第1次∼8次計画) ＜単位兆円＞ 投資項目 管路施設 投資額 現在評価額 年間更新費 耐用年数等 ５０年（1.3） ６７ １．３ ４８ ５０年(0.３) 処理場土木 １５ ０．３ １０ １７年（0.2） １０ ０．６ 処理場機械 ７ 処理場電機 設計・調査 用地等 合計 ４ ４ ７ ８０ ６ ０．３ ０．１ １７年（0.1） 工事費の5％(0.1） （0.2） ９８ ２．６ （２．２） 第1次∼8次計画： 1963年∼2005年、（ ）は2005年投資額 日本防食協議会 2004年の管理費約3.8兆円の内訳 起債償還費：約2.7兆円 (32千円/人・年、195円/ m3) 人件費 ：約2,000億円(14円/m3) 委託費等 ：約2,600億円（18円/m3) 補修費等 ：約1,200億円（9円/m3 、管は４割) 電力費 ：約 840億円（ 6円/m3) 汚泥処分費：約 520億円（13千円/汚泥‐ｔ) 薬品費 ：約 160億円（1.1円/m3) 燃料費 ：約 60億円（0.4円/m3) 調査費 ：約 80億円（0.6円/m3) その他 ：約3,000億円（21円/m3) (財源としての使用料収入は１６千円/人・年、約１.4兆円) 日本防食協議会 主要社会資本ストックの推計(1998年公共+民間1200兆円) 民間住宅 37% 道路 16% 港湾 地下鉄 賃貸住宅 1% 2% 2% 下水道 3% 私立学校 2% 廃棄物 水道 1% ガス 3% 公園 電力 0% 林業 1% 5% 1% 治山 学校 1% 電気通信 民鉄 国有林 漁業 農業 治水 社会教育 5% 3% 1% 2% 1% 5% 1% 5% 日本防食協議会 日本防食協議会 日本防食協議会 日本防食協議会 日本防食協議会 日本防食協議会 ④H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4・ 2H2O（ニ水石膏） 3Ca(OH)2 + 3H2SO4 +3CaO ・ Al2O3 + 26H2O → 3CaO ・ Al2O3 ・3CaSO4 ・ 32H2O（エトリンガイト） ③H2S + O2 → H2SO4 硫酸の生成 気相部 結露 腐食・ 劣化が特に激しい部分 硫黄化酸化細菌 H2O 温度差による 結露 ② H2S ④ SO４ 2− 硫化水素の放散 H2S H2S SO４2− スライム層 硫化水素の生成域 汚泥堆積層 ①SO42- + 2C + 2H2O → 2HCO3- + H2S 硫酸塩還元細菌 日本防食協議会 C A U 目的の微生物のｒRNA G A U A C C C A G G U U T A G A 蛍光物質 G C U C A G T プローブ（15∼20塩基対） 紫外線 紫外線による蛍光を観察 することに微生物を検出 日本防食協議会 二 水 石 膏 の 生 成 ｴﾄﾘﾝｶﾞｲﾄの 生 成 鉄 筋 消 失 部 Fe層 C a S O 4･ 2 H 20 ＋ C a (0 H )2 pH C a (0 H )2 の み C a S O 4･ 2 H 20 の み 12∼ 13 pH 12∼ 13： 健 全 部 p H 11 以 下 ： 鉄 筋 腐 食 可 能 範 囲 11 フ ェ ノ ー ル フ タ レ イ ン で 呈 色 す る が 硫 酸 イ オ ン の 侵 入 し て い る 範 囲 8∼ 10 pH 8∼ 10 以 上 ： フ ェ ノ ー ル フ タ レ イ ン 呈 色 範 囲 1∼ 3 消 失 部 コ ン ク リ ー ト 表 面 図 ２ pH 1∼ 3： 劣 化 部 分 コ ン ク リ ー ト 内 部 硫 酸 に よ る コ ン ク リ ー ト 腐 食 の 進 行 と 硫 酸 の 浸 透 状 況 の 概 念 図 日本防食協議会 ４ ） 日本防食協議会 日本防食協議会 日本防食協議会 20 y = 1.76Ln(x) + 1.40 （■）R = 0.643 劣化速度(mm/年) 18 16 y = 1.42Ln(x) + 1.05 （●）R = 0.459 14 12 10 8 y = 1.36Ln(x) + 1.37 （□）R = 0.645 6 4 y = 1.40Ln(x) - 0.54 （○）R = 0.542 2 0 1 10 100 平均硫化水素濃度(ppm) 腐食速度 硫黄侵入速度 腐食速度最大値（最大速度を基に換算） 硫黄侵入速度最大値（最大速度を基に換算） 日本防食協議会 1000 検知管によるガス測定の例 日本防食協議会 日本防食協議会 硫化水素ガス連続測定器(６秒毎) 日本防食協議会 日本防食協議会 管路施設の腐食要因 日本防食協議会 日本防食協議会 ライニングの構成例（D種） 日本防食協議会 シートライニング工法の施工断面例 防食シート 断面修復材 断面修復材 エポキシ樹脂 防食シート 防食シート 無機質系 グラウト材 シートライニング工法A シートライニング工法B シートライニング工法C (不飽和ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ樹脂FRP板) (高密度ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ樹脂成形板) (ﾋﾞﾆﾙｴｽﾃﾙ樹脂FRP複層板) 日本防食協議会 コンクリートの表面状態 型枠脱型後 表面処理後 高圧水(15Mpa） 巣穴 日本防食協議会 コンクリート表面表面処理後 （断 面） 型枠脱型後の面 ﾚｲﾀﾝｽ層 ｽｷﾝ層 3~5ｍｍ 日本防食協議会 素地調整後の状態 日本防食協議会 防食被覆施工後の状態 日本防食協議会 劣化コンクリート改修対策の手順 維持管理 ・日常点検・定期点検・緊急点検 実施者は管理者（役所・メンテ会社） 調査・診断 設計 改修施工 ・環境（水中、気中）・劣化度 ・維持管理特性・施工条件 (コンサルタント） ・施工範囲、程度（深さ、厚さ） ・要求性能品質（施工、材料） ・施工時期、工期 ・工程管理・施工環境管理・工程 毎品質管理・安全管理・検査 日本防食協議会 環境調査の項目 「気相部」 硫化水素ガス濃度 炭酸ガス濃度 「液相部」 酸化還元電位(ORP) ｐH・水温 溶存硫化物 H2Sポテンシャル 侵食性イオン等 24時間連続測定 24時間連続測定 採取試料により測定 日本防食協議会 腐食環境分類 分 類 Ⅰ類 Ⅱ類 Ⅲ類 Ⅳ類 腐食環境 年間平均H2Sガス濃度50ppm以上、腐 食が極度に見られる環境 年間平均H2Sガス濃度10~50ppm以上、 腐食が顕著に見られる環境 年間平均H2Sガス濃度10ppm未満、腐 食が明らかに見られる環境 腐食はほとんど生じない、液相が酸性 になりえる環境（中性化） 日本防食協議会 補修設計仕様の概要 主要工種 補修仕様のガイドライン 劣化部除去工 150N／mm2以上の超高圧水に よる除去処理 断面修復工 耐硫酸性モルタル 防食被覆工 ･塗付型ライニング工法 ･シートライニング工法 鉄筋処理 ･ｱﾙｶﾘ含浸処理 ･錆除去・防錆剤塗布処理 ･補強筋配置 日本防食協議会 劣化部除去工 （超高圧水処理：２００Ｍｐａ以上） 日本防食協議会 劣化部除去後のコンクリート表面 日本防食協議会 断面修復工施工例（吹付け） 日本防食協議会 断面修復工完了写真 日本防食協議会 30 侵食深さ（mm） 25 20 15 10 5%硫酸溶液に9ヶ月浸漬したｺﾝｸﾘｰﾄ断面 5 ※上面のみ硫酸に接触 断面にはフェノールフタレイン溶液を噴霧 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 浸漬期間（月） 9 10 11 12 （赤色部分は未中性化） 普通コンクリート 日本防食協議会 耐酸コンクリート 石灰石粉末添加 30 普通モルタル 侵食深さ（mm） 25 20 15 10 5 補修モルタル 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 浸漬期間（月） 5%硫酸溶液に6ヶ月浸漬したモルタルの外観 日本防食協議会 石灰石粉末添加 耐酸性試験状況 ∼20℃，10％硫酸水溶液90日浸漬後∼ 普通コンクリート 新耐酸コンクリート 浸漬期間（日） 0 50 100 150 質量変化率 （ ％） 0 水ガラス、汚泥スラグ粉体 日本防食協議会 -10 ecoNOVEL -20 普通コンクリート -30 -40 -50 -60 200 コンクリートとの配合比較 コンクリートとの配合比較 骨材 粗骨材 スラグ他 細骨材 水 バイン ダー コンクリート コンクリート バインダーと骨材の付着性が良い バインダー 密度 約2 g/cm3 硫黄＊ 環境負荷が小さい 硫黄固化体 80 溶融スラグを高配合しても十分な強度 緻密な構造 （空隙率 ＜１vol％） 強アルカリ性のセメントを使わない 100 硫黄固化体 硫黄コンクリート 圧縮強度(N/mm2) セメント 改質により 硫黄ネットワーク構造 60 40 20 コンクリート 0 0 日本防食協議会 3 6 9 塩酸(10重量％)浸漬の期間(月) 図-7 浸漬中の強度変化 管渠での耐酸抗菌モルタル吹き付け施工状況 腐食環境が比較的穏やかな部位では、樹脂系防食被覆の省略が可能 日本防食協議会 耐酸コンクリート製品 深型フリューム900×900×2000mm ﾎﾞｯｸｽｶﾙﾊﾞｰﾄ1000×1000×2000mm 日本防食協議会 恒温・硫化水素濃度調整槽（エイジトロン） による硫酸生成量模擬試験 日本防食協議会 お疲れ様でした 御清聴有難うございました
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