耐候性鋼と大気腐食設計

耐候性鋼とは何か、そして何ではないのか

意図的に合金化された低合金鋼としての耐候性鋼

耐候性鋼は単一の鋼種ではなく、塗装を施さずに放置した単なる一般構造用鋼でもない。耐候性鋼とは、大気腐食の進行の仕方を変えるために化学成分を調整した、低炭素・低合金鋼の一群である。従来から添加されてきた元素には、銅、クロム、ニッケル、リン、ケイ素、マンガンなどがある。モリブデンが使用される場合もあり、タングステン、チタン、アルミニウム、希土類元素の添加についても研究されてきた。米国連邦道路局（Federal Highway Administration）が2009年に公表したレビューでは、Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo、Pが歴史的に重点を置かれてきた合金元素として挙げられている。

耐候性鋼は、腐食しなくなるのではなく、条件付きの大気腐食抵抗性を発現する。 Strong evidence

電気化学的腐食電気化学的腐食 電解質皮膜を介して、陽極での金属溶解と陰極反応が結合して生じる腐食。

これらの添加元素は、電気化学的腐食を止めるものではない。曝露中に形成されるさび層の組成、構造、付着性、透過性を変化させるのである。鋼が濡れると、アノード領域では電解質中に鉄が溶出し、カソード領域では酸素還元反応が進行する。その結果生じる腐食生成物は、比較的緻密で付着性の高いものとなり、水や酸素がさらに到達するのを遅らせることがある。しかし、反応は継続する。「耐候性」とは腐食挙動を表すものであって、腐食に対する完全な免疫を意味するものではない。

一般的な規格表示には、高強度低合金構造用鋼を規定する ASTM A242/A242M、大気腐食抵抗性を向上させた高強度低合金構造用鋼を規定する ASTM A588/A588M、ならびに ASTM A709/A709M の橋梁用鋼がある。ASTM A709/A709M には、材料規格およびプロジェクト関連文書で指定される場合、Grade 50W や Grade HPS 50W などの耐候性鋼種が含まれる。欧州の耐候性構造用鋼は EN 10025-5 に基づいて規定され、S355J0WP、S355J2WP、S355J0W、S355J2W などがある。末尾記号と鋼種は重要である。各製品が「耐候性鋼」と呼ばれているからといって、化学成分の制限値、機械的性質、溶接性に関する規定、納入状態が相互に置き換え可能になるわけではない。[1][1] Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration research publication, 2011.

ASTM G101の組成に基づく腐食指数は、スクリーニングまたは比較のための手段であり、現地固有の曝露条件および細部設計の評価に取って代わることはできない。 Limited evidence

[2][2] ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International. ASTM International standard, 2010.

したがって、合金成分は設計上の判断の一部にすぎない。ASTM G101-04(2010) は、短期間の曝露データから長期的な大気腐食損失を推定する方法、および化学成分から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を規定している。このような指標はスクリーニング用の手段であり、立地に対する適合証明ではない。2011年に公表された FHWA の研究では、耐候性鋼の大半が ASTM G101 の腐食指数で6～7の値を示した一方、塩化物を含む大気中で大幅に向上した抵抗性を得るため、9.5前後またはそれ以上の値が追求されたと報告されている。組成に基づく数値だけでは、濡れた debris を保持する橋梁の張り出し部や、塩分を含む飛沫を受けるファサードの影響を十分に考慮することはできない。

練成皮膜の形成と工場塗装の違い

耐候性鋼の練成皮膜は、加工および架設後に表面で形成される。それは塗料、めっき、溶射、または一定の厚さと保証された被覆率を備えた工場施工の膜ではない。通常、初期の表面は水分が存在すると比較的速く腐食する。曝露が繰り返されると、腐食生成物の組成と配置が変化し、さび層の一部がより付着性の高い、透過性の低いものになる。色はオレンジ色、赤褐色、暗褐色、ほぼ黒色へと変化することがあるが、色だけで安定化が生じたことを証明することはできない。

National Steel Bridge Alliance は2010年の入門資料で、防食性を有する練成皮膜の形成には、濡れることと乾燥することの反復が必要であると述べている。この要件は中核的に重要である。雨の後に乾燥する環境では、連続的な結露、滞留水、または排水されない狭い隙間によって形成されるものとは異なるさび層が形成される可能性がある。雨から遮られた表面は、望ましいサイクルを経て皮膜を形成するのではなく、汚れたまま湿った状態にとどまることがある。逆に、雨によって頻繁に洗い流される場合でも、堆積物が塩化物や酸性汚染物質を保持していれば、防食性が保証されるわけではない。

練成皮膜の形成には時間もかかり、その期間は気候、方位、鋼の化学成分、表面状態、汚染物質の負荷によって異なる。ミルスケール、加工残留物、溶接スパッタ、油分は、局所的な濡れ方や腐食に差異を生じさせることがある。隣接するコンクリート、石材、または塗装鋼材に生じるさび汁汚れは、別途考慮すべき設計上の問題である。金属の減肉が限定的であっても、流出水によって恒久的な外観損傷が生じる可能性がある。工場塗装であれば、連続性を検査し、乾燥塗膜厚で仕様を定め、所定の欠陥箇所を補修できる。練成皮膜は、同じ前提で受け入れることはできない。練成皮膜は不均一に形成され、すべての継手や排水部の影響を受け、清掃、摩耗、または後日の補修によって損なわれる可能性がある。

[3][3] Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. Steel Construction Institute. SCI Guidance Note 1.07, 2015.

設計者は、安定した露出面と隙間を区別する必要もある。ボルト接合部の重ね継手、狭い補剛材間の隙間、箱形の詳細部、継手板、支承座、下面側のポケット部には、水や debris が滞留することがある。Steel Construction Institute が2015年に発行した SCI Guidance Note 1.07 では、常時濡れている、または湿潤な環境、高濃度の塩化物や塩水噴霧に曝露される環境、濃縮された工業排ガスが存在する環境、埋設条件を、無塗装の耐候性鋼にとって不適切または適用が制限される用途として挙げている。これらの条件では、表面が低腐食状態に到達できないことがあり、また、全体として魅力的な色合いを呈していても、局所的に激しい腐食が生じる可能性がある。

大気腐食抵抗性と腐食に対する完全な免疫の違い[4][4] ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Organization for Standardization. International Standard, 2012.

「大気腐食抵抗性の向上」とは、条件付きの性能主張である。これは、あらゆる屋外曝露に適していることを意味せず、板厚の減少が無視できるほど小さくなることを意味するものでもない。ISO 9223:2012 は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気の腐食性を分類し、温度・湿度の影響、二酸化硫黄による汚染、空気中の塩分を主要因子として特定している。この分類が示すのは大気の性状であり、耐候性鋼種を普遍的に安全な材料へと変えるものではない。[5][5] Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration guidance, 2003.

同じ区別はプロジェクトの選定にも当てはまる。2003年の FHWA 指針では、無塗装耐候性鋼を選定する前に、濡れ時間、塩化物への曝露、工業汚染物質、排水、形状、維持管理を立地条件に即して検討することを求めている。排水が良好な乾燥した内陸部では、意図された腐食挙動が得られる可能性がある。一方、塩分を含む飛沫に曝露される沿岸構造物、融雪剤の塩水が吹き付けられる道路上の構造物、濃縮された排ガスが存在する工業施設では、そうならない可能性がある。練成皮膜の形成には濡れることの反復が必要だが、塩化物を含む湿潤や持続的な湿気は、腐食を活性な状態に保ち、孔食を促進することがある。

引用されたAASHTOの処置では、無塗装耐候性鋼の母材を、同等の非耐候性鋼より疲労区分を1段階低くすることによって、孔食が認識されている。 Strong evidence

[6][6] Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration handbook, 2016.

孔食は外観上の問題にとどまらず、構造上も重要である。FHWA の疲労に関する指針では、耐候性鋼が湿潤と乾燥の交互サイクルによって練成皮膜を形成すると説明する一方、孔食を理由として、AASHTO が無塗装の耐候性鋼母材に対し、同等の非耐候性鋼より一段低い疲労カテゴリーを割り当てていることも報告している。この取り扱いは、平均的な断面減少が小さく見える場合でも、局部腐食が応力集中を生じさせる可能性を認識したものである。したがって、疲労照査、溶接部の詳細、点検のためのアクセス、腐食代は、引き続き構造設計の一部でなければならない。

正しい説明は明快である。無塗装の耐候性鋼表面は、管理された腐食システムである。合金の化学成分は、適切な大気曝露条件の下で、より防食性の高いさび層の形成を促すことができる。しかし、その可能性が実現するかどうかを決めるのは、排水、通気、継手形状、汚染物質、塩化物管理、点検、維持管理である。耐候性鋼は腐食しにくい鋼であって、腐食しない鋼ではない。また、製鋼所から恒久的な塗膜があらかじめ供給されている鋼でもない。

大気腐食環境

耐候性鋼は、大気腐食を受けないわけではない。耐候性鋼は、低炭素・低合金鋼であり、腐食生成物が形成され、乾燥し、再配列することが許される一方で、繰り返し洗い流されたり、継続的に濡れた状態に置かれたりしない場合に、比較的緻密で鋼材表面に密着したさび層を形成するように設計されている。銅、クロム、ニッケル、リン、ケイ素などの合金元素は、電気化学反応やさびの構造を変化させるが、化学組成だけですべての暴露条件に対処できるわけではない。

ISO 9223:2012は、大気の腐食性を記述するための主要な枠組みを示している。同規格は、標準試験片で測定した初年度の腐食速度を用いて環境を分類し、温度・湿度条件、二酸化硫黄による汚染、空気中の塩分という3つの支配的要因を特定している。これらの要因は鋼材表面で相互に作用する。そのため、同じ公称鋼種であっても、内陸の農村環境、潮汐の影響を受ける河口付近、工業排煙の下、あるいは風雨から保護された橋梁のディテール内部では、腐食速度、さびの色、孔食深さ、パティナの発達状況が異なる可能性がある。

この区別は設計時に重要となる。清浄な空気中にあり、排水が良好で定期的に乾燥する耐候性鋼製の桁は、安定した保護層を形成することがある。一方、漏水する床版継手の下にある、 nominally identical な桁では、露出面が成熟した外観を示していても、狭隘部では腐食が活発に継続する可能性がある。大気環境の分類は出発点であって、実際の現場や、湿気の保持を左右する形状を調査する代わりになるものではない。

湿潤時間と繰り返される湿潤・乾燥サイクル

濡れ時間濡れ時間 大気腐食を支えるのに十分な導電性を持つ水分皮膜で金属表面が覆われている期間。

電気化学的腐食には電解質が必要である。雨、霧、露、結露、堆積した塩分は、鋼材表面にその電解質を供給する。十分な導電性をもつ表面水膜が持続する期間は、一般に湿潤時間と呼ばれる。湿潤時間が長いほど、通常は陽極における金属の溶解と陰極における酸素還元が進行しやすい。ただし、その関係は単純な時間経過だけで決まるものではない。暴露中には、塩分濃度、温度、酸素供給量、表面汚染、さび層の透過性も変化するためである。

保護的なさび安定化皮膜の発達には、湿潤と乾燥の繰り返しが必要な環境条件である。 Strong evidence

乾燥は、単なる腐食の休止ではない。耐候性鋼では、湿潤と乾燥が交互に生じることで、初期には緩く付着していた腐食生成物が、より密着性が高く、透過性の低いパティナへと変化する。2010年に発行されたNational Steel Bridge Allianceの入門資料は、保護性パティナの形成には湿潤と乾燥の繰り返しが必要であると述べている。湿潤時には鉄が溶解し、腐食生成物が析出する。乾燥時には、さび層が収縮し、さらに酸化が進み、より緻密になることがある。こうしたサイクルが繰り返されることで、水や酸素が鋼材に到達する速度は徐々に低下する可能性がある。

水が滞留すると、この過程は機能しなくなる。水平な張出し部、密着した重ね継手、詰まった排水孔、補剛材の端部、ボルトポケット、密閉された狭隘部などは、周囲の表面が乾燥した後も濡れたままになることがある。その結果生じる通気差電池は局部腐食を引き起こす可能性があり、塩化物の堆積は電解質の導電率を高める。また、流出水が鉄分を含む水をコンクリート、舗装、建築仕上げ面へ運び、断面減少が中程度であっても汚れを生じさせることがある。

したがって、年間降雨量だけでなく、暴露履歴の方が重要である。乾燥を伴う短時間の降雨が頻繁に生じる場合、パティナの形成が促進されることがある。長時間にわたって湿潤状態が続くと、活発な腐食が維持される可能性がある。塩分の堆積と蒸発が繰り返される環境は、特に有害となり得る。蒸発によって表面の塩化物が濃縮され、次の高湿度期間にその濃縮された電解質が再び活性化するためである。

2003年に公表されたFHWAの指針は、無塗装耐候性鋼を選定する前に、湿潤時間、塩化物への暴露、工業汚染物質、排水、形状および維持管理について、現場固有の評価を行うことを求めている。この要件は官僚的なものではなく、実務上必要なものである。乾燥した内陸気候にある橋梁でも、常時湿潤した微小環境が存在することがある。一方、湿潤な沿岸構造物でも、露出面は速やかに乾燥する一方で、保護された継手部は乾燥しないことがある。

温度、湿度および結露

相対湿度は、表面水膜が持続できるかどうかに影響する。空気が露点に近づくにつれて冷却すると、雨が降っていなくても鋼材上に水が結露する。夜間の冷却、日陰となる面、閉鎖箱形断面、暖かく湿った空気の下にある低温の鋼材などが、一般的な原因である。そのため、測定可能な降水量が少ない場所でも、表面が長時間にわたって湿潤状態になることがある。

温度は反応速度と水の蒸発の双方を変化させる。温度が高いほど電気化学反応は速くなることが多いが、蒸発が促進されることで湿潤時間が短くなる場合もある。露点付近では、わずかな温度変化によって結露が生じ、電解質が存在する期間が延びることがある。温度はまた、酸素の溶解度、塩の結晶化、さびの変態、表面水膜の粘度や移動性にも影響する。ISO 9223:2012は、湿度を腐食速度を保証する独立した指標として扱うのではなく、温度・湿度の影響としてこれらの作用をまとめて分類している。

可溶性汚染物質が存在すると、湿度の影響はより大きくなる。吸湿性の塩は、清浄な鋼材が乾燥状態を保つ相対湿度より低い湿度でも、空気中から水分を吸収することがある。そのため、塩化ナトリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウムを含む表面は、湿潤期間が繰り返される間、電解質として活性な状態を保つ可能性がある。特に水平面や保護された表面に堆積する場合、粉じんや工業由来の堆積物も同様の作用を示すことがある。

パティナの発達は、この均衡に左右される。さび層を形成する腐食反応を開始・維持するには、ある程度の水分が必要である。過剰または継続的な湿潤状態では、さび層が乾燥できず、細孔やひび割れが電気化学的に活性な状態に保たれる可能性がある。換気が不十分だと蒸発が遅くなり、状態はさらに悪化する。2015年にSteel Construction Instituteが発行したSCI Guidance Note 1.07は、常時濡れている、または湿潤した環境を、無塗装耐候性鋼の適用に不適、または適用が制限される環境として挙げている。これには、高濃度の塩化物や塩水噴霧への暴露、濃縮された工業排ガス、地中条件も含まれる。

合金の化学組成も依然として重要である。耐候性鋼では歴史的に、マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、銅、モリブデン、リンを用いて、腐食生成物とその付着性を調整してきた。2009年に公表されたFHWAの研究では、タングステン、チタン、アルミニウム、希土類元素の添加についても検討された。しかし、合金元素を添加しても、箱形断面内部の結露を除去したり、水溜まりを排水したりすることはできない。環境とディテールは、依然として相互に結び付いている。

二酸化硫黄、塩化物および空気中の塩分

二酸化硫黄が重要なのは、表面水分に溶解し、亜硫酸および酸化後には硫酸系の化学種を形成するためである。これらの酸性水膜は導電率を高め、さび層の安定化を妨げる可能性がある。過去には、工業燃焼源によって深刻な二酸化硫黄環境が形成されたが、排出量は地域や発生源によって大きく異なる。製油所、製錬所、発電所、または交通量の多い幹線沿道の近くにある鋼材表面は、近隣の農村観測所で測定されたものとは異なる汚染物質負荷を受ける可能性がある。

塩化物は、より持続的で局所的に深刻な影響を及ぼすことが多い。海水飛沫、砕波、風で運ばれる海洋エアロゾル、凍結防止塩、汚染された流出水は、鋼材上に塩化物イオンを堆積させる。塩化物はさびの細孔や欠陥に浸透し、局部的な陽極溶解を促進する。また、吸湿性残留物が水分を再吸収するため、乾燥しても保護性が高まりにくくなる。堆積量には、風向、標高、海岸線からの距離、飛沫への暴露、雨による洗浄などが影響する。「沿岸」という区分だけでは、暴露条件を十分に記述できない。塩分を集めやすい保護されたディテールは、海からさらに離れた完全露出面よりも厳しい腐食環境になることがある。

ISO 9223:2012は、空気中の塩分を主要な腐食性要因として扱っており、現場評価では堆積と保持の双方を考慮すべきである。2011年のFHWAによる改良型耐食鋼研究では、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101腐食指数が6～7の範囲にあった一方、塩化物を含む大気中で大幅に改善された耐食性を得るため、9.5前後またはそれ以上の値が目標とされた。ASTM G101-04(2010)は、短期暴露データから長期的な大気腐食損失を推定し、化学組成から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を示している。しかし、組成指数を耐食性の保証や腐食免疫に変えるものではない。

汚染物質と塩分は、構造上の影響にも関係する。孔食は応力集中を生じさせる。FHWAの疲労に関する指針では、孔食のため、AASHTOが無塗装耐候性鋼の母材に対し、耐候性を持たない同等の鋼材よりも1段階低い疲労区分を割り当てていることが説明されている。したがって、大気腐食設計では、ISO 9223による暴露条件、ASTM G101による組成に基づく推定、排水、点検アクセス、および疲労ディテールを関連付けて検討しなければならない。公称上同一の鋼材であっても、単一の大気に暴露されるわけではない。実際の腐食環境は、構造物の各平方メートルにおける気候、堆積物、湿潤履歴、形状の組み合わせによって決まる。

耐候性鋼のパティナが形成される仕組み

耐候性鋼は、腐食しない表面を備えた状態で納入されるわけではありません。大気中での耐性は曝露後に形成され、その結果は鋼の化学成分、周囲の空気、そして水が表面に到達し、そこから排出される経路によって左右されます。ASTM A588やASTM A709で規定される耐候性鋼の鋼種は、意図的な元素添加によって腐食生成物の形成を変化させた、低炭素・低合金鋼です。従来の組成ではMn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo、Pの添加が重視されており、Federal Highway Administrationの研究では、W、Ti、Al、希土類元素の添加についても検討されています。

これらの元素は、大気腐食を構成するアノード反応およびカソード反応を停止させるものではありません。むしろ、適切な曝露条件の下で、どの酸化物やオキシ水酸化物が形成されるか、さび層がどの程度緻密に発達するか、またそれが母材にどの程度強く付着し続けるかに影響を与えます。したがって、パティナは時間とともに変化する腐食生成物であり、塗布された被覆ではなく、恒久的な保護を保証するものでもありません。

初期腐食とさび層の変化

製作直後の表面には通常、ミルスケール、工場内で付着した汚染物質、熱切断による酸化物、あるいは運搬・架設時の残留物が存在します。露出した鋼材上で水分が連続的または半連続的な電解質を形成すると、局所的なアノード領域から鉄イオンが放出されます。

$$\mathrm{Fe}\to {\mathrm{Fe}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$$

カソード反応では酸素と水が消費され、水酸化物イオンが生成されます。初期生成物には、結晶構造の秩序が低い鉄オキシ水酸化物や含水酸化物が含まれます。その外観は、鮮やかなオレンジ色や黄褐色から、より暗い赤褐色へ、また曝露条件によってはほぼ黒色の領域へと変化することがあります。色は保護性能を信頼性よく示す指標ではありません。暗色の表面でも、堆積物の下で活発な孔食が進行している場合があり、一方で明色の層にも比較的よく付着した領域が含まれることがあります。

曝露が続くと、初期のさびは繰り返し溶解、再析出、脱水、再配列を受けます。一般的な腐食生成物には、しばしばγ-FeOOHと表記されるレピドクロサイト、α-FeOOHであるゲータイト、そしてFe₃O₄であるマグネタイトが含まれます。それらの割合と物理的な配置は、湿潤時間、酸素の供給、汚染物質、温度、鋼の合金元素含有量によって変化します。耐候性鋼への添加元素は、通常の構造用炭素鋼に形成されるものよりも微細で緻密な腐食層の形成を促すことがありますが、すべての場所で同一の鉱物構造を生じさせることはできません。

さび安定化さび安定化 さび層と環境が、定められた期間にわたり、比較的一貫した、通常はより低い腐食速度をもたらす状態。腐食が終了したことを意味するものではない。

この違いは鋼材表面において重要です。緩く、ひび割れがあり、または付着性の低い層では、水と酸素が新しい金属に繰り返し到達します。より緻密な層では物質移動が制限され、容易に反応できる金属の面積が減少するため、腐食速度が低下する可能性があります。これは反応条件の変化であって、表面が不透過性の障壁へ変化することを意味しません。ひび割れ、衝撃損傷、切断端部、隙間、堆積した異物の下にある領域では、隣接する広い面が成熟して見える場合でも腐食が継続することがあります。

ASTM G101-04(2010)は、短期間の曝露データから長期的な大気腐食損失を推定する方法、および化学成分から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を規定することで、この時間依存の挙動を反映しています。ただし、その使用によって曝露条件に即した判断が不要になるわけではありません。化学成分は傾向を示すことはできますが、漏水する接合部、塩化物の堆積、または恒常的に湿った下面を、それだけで考慮することはできません。

湿潤と乾燥の繰り返し曝露

パティナは、湿潤と乾燥の繰り返しによって形成されます。湿潤期間中には、雨、結露、飛沫、または堆積した水分が電解質を形成します。イオンの移動と酸素還元が腐食を進行させる一方、可溶性の鉄化合物は湿潤層内を移動することがあります。乾燥時には、蒸発によって残存塩類の濃度が上昇し、酸素の到達状況も変化します。一部の生成物は細孔や欠陥の内部に析出し、別の生成物は洗い流されます。この溶解と析出の繰り返しにより、曝露条件が適切であれば、当初は緩く堆積していたさびが、より構造化された層へと変化します。

「繰り返し」という言葉は重要です。表面が継続的に濡れたままの場合、腐食層の緻密化を助ける同様の乾燥段階は生じません。SteelConstruction Institute Guidance Note 1.07は、常時湿潤または湿った状態、高濃度の塩化物または塩水噴霧への曝露、濃縮された工業排煙、埋設状態を、無塗装の耐候性鋼に適さない、または適用が制限される条件として挙げています。National Steel Bridge Allianceも、保護性パティナの形成には湿潤と乾燥の繰り返しが必要であると述べています。

乾燥したからといって、腐食が恒久的に停止するわけではありません。表面が乾いて見えた後も、細孔、接合部、粗い領域には薄い水分膜が残ることがあります。塩化物は水分を引き寄せ、湿潤時間を延長するため、清浄な表面であれば腐食が生じないような、より低い相対湿度でも腐食が再開する可能性があります。二酸化硫黄その他の工業汚染物質は、表面水分を酸性化したり、腐食反応を変化させる堆積物を生成したりすることがあります。ISO 9223:2012は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気腐食性を分類し、温度・湿度の影響、二酸化硫黄による汚染、空気中の塩分を主要な環境因子として特定しています。これらの変数は、同じ鋼種記号の材料で製作された2つの構造物が、目視上異なるさび層を形成する理由を説明するのに役立ちます。

気候と同様に、形状も湿潤・乾燥サイクルを左右します。水平な張り出し部、継手板、補剛材の隙間、ボルト接合部、部分的に密閉された空洞部では、水や土砂が滞留することがあります。風雨から遮られた面は乾燥が遅くなる一方、風にさらされた面では短時間の降雨と急速な蒸発が生じることがあります。ある鋼材表面から流れ出た水が鉄分を含んだ状態で別の表面に流れ込み、同等の保護を形成することなく、しみを生じさせる場合があります。コンクリート、亜鉛めっき部材、または汚染された表面からの流水も、局所的な腐食を変化させる物質を運び込む可能性があります。

したがって、FHWAの指針では、無塗装の耐候性鋼を選定する前に、湿潤時間、塩化物への曝露、工業汚染物質、排水、形状、維持管理を評価することが求められています。適切に排水される橋桁に形成されたパティナが、漏水する床版継手の下や、異物で満たされた接合部の内部でも同じように形成されると想定することはできません。

パティナの安定化と定常状態の腐食

「安定化」とは、腐食が終了したことを意味しません。これは、さび層と環境が、一定期間にわたり比較的一貫した、通常はより低い腐食速度を生じさせる状態を指します。平均的な金属損失が定常状態の傾向に近づいている間も、層は厚くなり、ひび割れ、緻密化し、鉱物形態を変化させ続けることがあります。安定化に要する時間は普遍的な一定値ではありません。合金の化学成分、表面処理、向き、降雨、湿度、汚染、塩分濃度、温度、排水、湿潤と乾燥の頻度によって異なります。

大気腐食に関するレビューでは、安定化に要する時間と定常状態の腐食速度を区別することが特に重視されています。短期間の曝露では、さび層が再編成される前の、腐食性が高い初期段階が捉えられる可能性があります。また、異常に降雨の多い季節や、一時的な汚染物質の発生と重なる場合もあります。したがって、長期予測モデルでは、一時的な腐食とその後の腐食速度を分離し、予測が依拠する曝露条件を明示しなければなりません。ASTM G101-04(2010)は推定方法を提供しますが、損失を過小評価した場合の影響が重大な場所では、現地検査が依然として必要です。

達成可能な性能の上限の一部は、合金の組成によって決まります。FHWAが2011年に行った改良型耐食鋼に関する研究では、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101腐食指数は6～7の範囲にあった一方、塩化物を含む大気中で大幅に改善された耐食性を得るため、9.5前後またはそれ以上の値が目標とされました。この結果は、場所に依存しない耐用年数を確立するものではありません。組成に基づく指標と、塩化物を対象とした試験が重要である理由を示すものです。

また、成熟したように見えるパティナによって、構造設計上の義務がなくなるわけでもありません。孔食は局所的な断面欠損と応力集中を生じさせます。FHWAの疲労に関する指針では、孔食を理由として、AASHTOが無塗装の耐候性鋼母材に、同等の非耐候性鋼よりも1段階低い疲労カテゴリーを割り当てていると説明されています。したがって、検査では、水がたまりやすい箇所、隙間、端部、締結具周辺、ならびにさびスケールや異物が鋼材を覆い隠す領域を調べなければなりません。湿潤が継続し、塩化物が蓄積し、または排水が機能しない場合、予想される低い定常状態の腐食速度が決して形成されない可能性があります。パティナが保護性を持つのは、適合した化学成分、曝露条件、詳細設計の結果として条件付きで生じる場合に限られ、自動的かつ恒久的な被覆として機能するからではありません。

合金化学成分と腐食メカニズム

耐候性鋼は低炭素・低合金鋼であり、大気中での性能は、曝露後に形成される錆層に左右されます。この錆層は工場で塗布された被覆ではなく、母材を腐食から免疫状態にするものでもありません。適切な条件下では、腐食生成物が比較的緻密で母材に密着し、通常の炭素鋼に形成される脆く剥がれやすい錆よりも透過性が低くなります。その結果として得られるのは長期的な腐食速度の低下であり、腐食がゼロになるわけではありません。

合金の化学成分は錆層の組成、構造および密着性に影響しますが、化学成分を曝露条件から切り離して考えることはできません。ISO 9223:2012は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気腐食性を分類し、温度・湿度条件、二酸化硫黄汚染および空気中の塩分を主要な影響因子として示しています。農村大気中で安定化する鋼でも、海洋の飛沫帯、堆積物の下、または濡れた状態が続く継手内部では、断面減少が継続する可能性があります。

従来の合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Cu、MoおよびP

従来の耐候性鋼では、1つの元素に依存するのではなく、複数の合金元素を少量ずつ添加します。FHWAの研究では、従来から重視されてきた元素として、マンガン（Mn）、ケイ素（Si）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）、モリブデン（Mo）およびリン（P）が挙げられています。これらの作用は、鋼の清浄度、偏析、相の形成、腐食生成物の化学組成を通じて相互に重なり合います。

マンガンは、強度および加工性を向上させるための添加元素として一般的に含まれ、硫黄を硫化マンガン介在物として固定します。これらの介在物は、特に形状や分布が好ましくない場合、局所的な電気化学反応性や孔食に影響を及ぼす可能性があります。ケイ素は主として脱酸剤として作用し、強度にも寄与します。また、シリカを含む腐食生成物の構成成分や、その緻密性にも影響を与える可能性があります。ただし、いずれの元素も単独では、橋梁の主桁に安定したパティナが形成されるかどうかを予測できません。

クロムは、より緻密で溶解しにくい腐食生成物と関連しており、鋼材と錆の界面における保護性の酸化物相またはオキシ水酸化物相の濃化を促進する可能性があります。その効果は濃度と曝露条件に依存します。ニッケルは多くの耐候性鋼の組成において特に重要です。というのも、他の一部の合金元素を過剰に添加した場合に生じ得る溶接性の低下や脆化の問題を同程度に引き起こすことなく、大気腐食に対する抵抗性を向上させられる可能性があるためです。塩化物を含む環境では、ニッケル含有鋼が局部腐食の深刻度を低減し、錆層の組成を変化させる能力について研究されています。

銅は耐候性を付与する代表的な添加元素です。腐食が進行すると金属と錆の境界付近に濃化する傾向があり、より密着性が高く、透過性の低い層の形成を促進する可能性があります。銅は酸化の初期段階を防止するものではなく、水分が存在すれば鉄のアノード溶解は始まります。銅の寄与が重要になるのは、腐食生成物が蓄積し、繰り返される湿潤と乾燥によってその構造が変化する段階です。

モリブデンは、鉄オキシ水酸化物や孔食部の化学的性質に影響を与えることにより、塩化物に起因する腐食を含む局部腐食への抵抗性を向上させる可能性があります。ただし、塩分堆積物が濡れた状態にとどまる場所での孔食を保証するものではありません。リンは、耐候性鋼の一部で歴史的に使用されてきました。大気腐食に対する抵抗性を高め、緻密な錆層の形成を助ける可能性があるためです。しかし、リン含有量が高いと、靭性、溶接性または破壊性能が低下する可能性があります。そのため、許容含有量は鋼材規格および設計要件によって制限されます。

したがって、そのメカニズムは段階的です。湿潤時には、電解質膜によって鉄の溶解と酸素のカソード還元が可能になります。乾燥時には、溶存イオンが濃縮し、腐食生成物が変化し、錆の導電性と透過性が低下することがあります。合金元素は、これらの反応の速度と生成物を変化させます。繰り返しサイクルは不可欠です。National Steel Bridge Allianceは、保護性パティナの形成には湿潤と乾燥が必要であり、鋼材が継続的に湿った状態にあると、安定化に必要な乾燥段階を錆が経験できないため、活発な腐食が続く可能性があると述べています。

この区別は疲労にも影響します。平均的な腐食による損失が小さい場合でも、孔食は応力集中部となります。FHWAの疲労設計指針によれば、AASHTOは、孔食を理由として、無塗装の耐候性鋼母材に対し、同等の通常鋼よりも1段階低い疲労カテゴリーを割り当てています。合金の化学成分は腐食損傷を低減できる可能性がありますが、疲労の詳細検討、孔食の点検、ならびに溶接部、接合部およびフランジ縁部における水の滞留防止が不要になるわけではありません。

W、Ti、Alおよび希土類元素の添加に関する新たな研究

研究では、錆層の核生成、イオン輸送および孔食の発達を変化させる方法として、タングステン（W）、チタン（Ti）、アルミニウム（Al）および希土類元素の添加が検討されています。これらの研究によって、従来の耐候性鋼の化学成分に代わる普遍的な組成が確立されたわけではありません。各添加元素は、腐食だけでなく、介在物、析出、溶接挙動、靭性および製造方法にも影響を与える可能性があります。

タングステンは、特に塩化物曝露下で、より緻密で化学的安定性の高い錆層の形成に寄与する可能性について研究されています。チタンは結晶粒を微細化し、安定した炭化物、窒化物または炭窒化物の粒子を形成する可能性があります。この微細化は腐食の均一性に影響を与える可能性がありますが、制御の不十分な介在物は局所的な電気化学セルを形成することがあります。アルミニウムは脱酸生成物や酸化物の化学的性質を変化させる可能性があります。希土類元素は、介在物の形状や分布を変化させ、鋼の清浄度を向上させ、または腐食生成物の付着状態や形態を変化させる可能性があります。その効果は、使用する元素の種類、濃度および製造工程に大きく依存します。

腐食抵抗性を向上させた鋼に関するFHWAのプログラムは、実務上の違いを明確に示しています。従来の耐候性鋼はMn、Si、Cr、Ni、Cu、MoおよびPを中心に開発されたのに対し、その後の研究では、塩化物を含む大気中での性能向上を目的として、W、Ti、Alおよび希土類元素の添加が検討されました。FHWAは2011年、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101腐食指数が6～7であったのに対し、研究対象では9.5前後またはそれ以上の値が目標とされたと報告しています。この目標値は、塩化物に対する抵抗性を大幅に向上させるための研究上の基準であり、無塗装部材がすべての沿岸部または凍結防止塩の使用場所に適していることを証明する一般的な閾値ではありません。

この違いが重要なのは、従来の耐候性鋼の化学成分と、腐食抵抗性を向上させた鋼に関する研究とでは、対象とする曝露限界が異なるためです。FHWAの設置場所選定指針では、濡れ時間、塩化物曝露、工業汚染物質、排水、形状および維持管理の評価が求められています。2015年に発行されたSCI Guidance Note 1.07は、常時濡れている、または湿った環境、高濃度の塩化物または塩水噴霧への曝露、濃縮した工業排ガス、ならびに埋設状態を、無塗装の耐候性鋼にとって不適切または制限される用途として示しています。水と道路塩を無期限に滞留させる細部構造を、合金元素の添加で補うことはできません。

ASTM G101に基づく組成による腐食指数

ASTM G101-04(2010)は、2つの異なる用途を持つ推定の枠組みを示しています。1つは短期曝露データから長期的な大気腐食損失を推定する用途であり、もう1つは化学成分から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する用途です。組成に基づく腐食指数は、規定された合金元素の含有量を、鋼種間の比較を目的とした経験的指標に変換します。これは、橋梁部材の供用寿命を直接計算するものではありません。

この指数が有用なのは、化学成分を測定可能な予測値と関連付けられるためです。一般に、値が高いほど、その関係が確立された範囲および条件内では、大気腐食に対する抵抗性が高いことを示します。FHWAの値、すなわち既存の耐候性鋼の大半でおよそ6～7、研究対象となった塩化物抵抗性組成で9.5前後またはそれ以上という値は、この指数が合金開発の指針となり得ることを示しています。しかし、これは9.5を超えるすべての鋼が塩分を含む隙間で安定したパティナを形成することや、9.5未満のすべての鋼が乾燥した内陸大気中で破損することを意味しません。

ASTM G101には、入力データに起因する限界もあります。化学成分だけでは、流出水の経路、隙間の形状、堆積物、乾燥時間、二酸化硫黄濃度、飛沫への曝露、または維持管理状況を記述できません。漏水する伸縮継手によって濡れた状態が続くフランジ下面を表現することもできません。ISO 9223:2012は大気腐食性の枠組みを示し、FHWAの指針は設置場所と細部構造に関する検討事項を示しますが、いずれの規格も、化学成分によって曝露条件の評価を代替することを認めていません。

橋梁建設に使用される鋼材については、材料規格も引き続き重要です。ASTM A709/A709Mは、耐候性鋼の鋼種を含む橋梁用構造用鋼を規定しています。一方、設計上の検討では、断面減少、接合部、溶接部、破壊靭性および疲労を扱う必要があります。ASTM G101から導かれる適切な結論は、限定的ではあるものの有用です。すなわち、合金の化学成分は錆層が安定化する可能性を高めたり低下させたりすることができ、候補となる組成間の比較を支援できます。しかし、パティナは適切な湿潤と乾燥によって形成され、持続的な汚染から保護され、点検によって確認されなければなりません。

ASTM G101と化学成分に基づく予測の限界

ASTM G101-04(2010)は、関連するものの異なる2つの作業を扱っている。1つは、短期曝露データから長期の大気腐食減耗量を推定する方法を示すことであり、もう1つは、低合金鋼の化学成分からその相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を示すことである。いずれの方法も、鋼材の規格表示から保証された供用期間を導くものではない。

この区別は、ASTM A588のような耐候性鋼や、ASTM A709が対象とする耐候性鋼の鋼種において重要である。これらの耐食性は、比較的緻密で鋼材表面に密着したさび層が形成され、保持されることに依存する。合金が腐食に対して不感になるわけではなく、パティナも、あらゆる曝露条件下で保護性を維持する恒久的な被覆ではない。ASTM G101は工学的評価を支援できるが、現地条件の特性評価、細部設計の検討、曝露試験、または点検計画に取って代わることはできない。

短期曝露から長期減耗量を推定する

短期曝露は、より長期の腐食記録を推定するための出発点となり得るが、その推定は、当該曝露がモデル化対象の環境および腐食段階をどの程度代表しているかに左右される。初期腐食は、表面が繰り返し濡れ、乾燥し、さびが形成され、緩い腐食生成物が剥落する間は、比較的速く進行することがある。その後、より安定したさび層が形成されるにつれて、腐食速度が低下する場合がある。この移行は瞬時に起こるものではなく、すべての場所で同一でもない。

したがって、ASTM G101は、長期減耗量を、月数から数十年への固定的な換算ではなく、曝露データと腐食挙動に基づく推定問題として扱う。開放状態で曝露した試験パネルの短期的な質量減少測定値からは、漏水する継手の下で湿潤状態が続く橋梁の添接板について、ほとんど情報が得られない可能性がある。通気性の良い試験架台で得られた結果も、鳥の排泄物、道路じん、または蓄積した塩分で覆われた主桁フランジとは異なるものになり得る。

曝露期間に重要な季節条件が含まれていない場合、不確実性はさらに大きくなる。冬季の凍結防止塩、夏季の結露、海塩粒子、および産業排出物は、短期間の試験では捉えられない腐食事象を生じさせることがある。逆に、汚染物質が通常の供用状態を代表していない場合、汚染の著しい施工期間によって長期平均が過大に評価される可能性もある。

ISO 9223:2012は、大気腐食性に関するより広範な枠組みを示している。同規格は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて腐食性を分類し、温度・湿度の影響、二酸化硫黄汚染、および大気中の塩分濃度を主要因子として特定している。その分類は大気環境を表すものであり、特定の耐候性鋼部材の正確な減耗量を表すものではない。サイト分類は材料選定の参考となるが、局所的な隙間、棚状部、および排水経路によって、標準的な分類が示唆するよりも厳しい微小環境が形成されることがある。

したがって、長期予測では、可能な限り曝露記録、比較可能な腐食データ、および実際の部材形状を用いるべきである。特に、通常とは異なる産業環境、沿岸環境、または凍結防止塩環境では、クーポン試験によって信頼性を高められる可能性がある。それでも、測定された断面減少量は設計上の問題の一部にすぎない。平均板厚の減少が大きくなる前に、孔食、ラミネーションの露出、ボルト孔の拡大、または疲労に敏感な切欠きが支配的となる場合がある。

化学成分から相対的な腐食抵抗性を推定する

ASTM G101の化学成分法は、規定された合金元素から腐食指数を算出する。この指数は比較のためのものである。大気曝露下で、ある低合金鋼が別の低合金鋼と比較してどのように性能を示す可能性があるかを判断するのに役立つが、現地固有のモデルと同じ精度で、プロジェクトの腐食速度を1年当たりのミリメートル単位で予測するものではない。

従来の耐候性鋼の化学成分設計では、マンガン、シリコン、クロム、ニッケル、銅、モリブデン、およびリンが重視される。これらの元素は、さび層、電気化学反応、および腐食生成物がより緻密で密着性の高い状態になる傾向に影響を及ぼす。Federal Highway Administrationが2009年に実施した耐食鋼に関する研究では、タングステン、チタン、アルミニウム、および希土類元素の添加も検討された。この研究は重要な点を示している。すなわち、化学成分を設計することで耐食性を向上させることはできるが、腐食指数は、結果として生じる腐食機構を間接的に示す指標にすぎない。

Federal Highway Administrationは2011年、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101腐食指数が6～7の範囲にあった一方で、その研究では塩化物を含む大気中で耐食性を大幅に向上させるため、9.5前後またはそれ以上の値が目標とされたと報告した。これらの数値は、候補となる化学成分を比較するうえで有用である。しかし、腐食指数9.5が、凍結防止塩を散布する道路沿いで無塗装のまま許容可能な性能を保証することを意味するものではなく、腐食指数6の鋼材が、すべての内陸サイトで破損することを意味するものでもない。

腐食指数が高いことは、より望ましい合金バランスを示す可能性がある。しかし、化学成分だけでは、表面汚染、溶接部、ミルスケールの状態、流水、または湿潤状態の継続時間を表すことはできない。また、合金元素と大気との間に生じるすべての相互作用を捉えることもできない。同じ鋼種の成分規定を満たす2つの溶鋼であっても、微量な成分差、製造履歴、表面処理、および曝露方向の違いにより、さび層の形成状態が異なることがある。

また、腐食指数は鋼種表示とは区別しなければならない。ASTM A588は、化学的および機械的要求事項が定められた耐候性鋼製品を規定するものであり、すべての環境に対して単一の腐食減耗曲線を保証するものではない。ASTM A709は、橋梁用鋼の鋼種および関連要求事項を含んでいるが、規格に適合する鋼種を選定しても、曝露条件と細部構造を評価する必要性がなくなるわけではない。材料規格への適合は、指定された鋼材に必要な条件であって、腐食設計の代替ではない。

なぜ曝露条件が依然として結果を左右するのか

耐候性鋼が保護性のあるパティナを形成するには、濡れと乾燥が交互に生じる必要がある。表面が継続的に湿潤状態にあると、腐食生成物は安定化せず、多孔質で活性な状態にとどまる可能性がある。SCI Guidance Note 1.07は、継続的に濡れている、または湿潤した環境、高濃度の塩化物または塩水噴霧への曝露、濃縮された産業性ガス、および埋設状態を、無塗装の耐候性鋼に適さない、または適用が制限される条件として示している。これらの条件は、良好な化学成分指数が示唆する利点を上回る腐食を引き起こす可能性がある。

塩化物は、堆積物中で濃縮し、保護性のあるさび層を破壊する可能性があるため、特に有害である。海塩粒子、車両によって運ばれる凍結防止塩、漏水する床版継手、および汚染された流水は、一般的な大気環境が中程度に見える場所でも、局所的に厳しい曝露条件を生じさせる可能性がある。二酸化硫黄その他の産業汚染物質は、電解質の酸性度を高めたり、さびの化学的性質を変化させたりすることがある。雨による洗浄を受けにくく、乾燥も遅い被覆された表面は、露出面より速く腐食する可能性がある。

パティナが安定化できるかどうかは、排水と形状によって決まることが多い。添接板、補剛材端部、接合部のポケット、密閉されていない重ね部、および水平な棚状部に水が滞留すると、繰り返し、または継続的な湿潤状態が生じる。堆積物は水分と塩化物を保持する。床版下や箱形断面内部の換気不良も同じ影響を及ぼす。細部構造では、水が鋼材上を流れて影響を受けやすい接合部に達し、その下に滞留することを許すのではなく、鋼材から遠ざかるように排水させなければならない。

設計上の影響は、平均的な大気腐食減耗量にとどまらない。孔食は応力集中を生じさせる。また、FHWAの疲労設計指針によれば、AASHTOは、同等の非耐候性鋼と比較して、平滑な無塗装耐候性鋼の母材に対し、孔食を理由に疲労等級を1段階低く設定している。そのため、一般腐食による算定減耗量が小さく見える場合でも、構造物では疲労への配慮が必要となることがある。

ASTM G101は、その結果を保証ではなく証拠として読み取る場合に価値を持つ。信頼できる判断には、腐食指数に加えて、ISO 9223による大気環境情報、塩化物および汚染物質の評価、湿潤時間、排水の検討、形状、維持管理のためのアクセス、および点検のための措置を組み合わせる必要がある。こうした条件によって、繰り返し乾燥し、安定したさび層が形成される環境を確保できない場合は、鋼材の算定腐食指数にかかわらず、塗装、防護措置、または別の防食対策が必要となる可能性がある。

設計上の意思決定における ISO 9223 の腐食性分類

ISO 9223:2012 は大気腐食性を表す共通言語を提供するものですが、無塗装耐候性鋼の使用承認証明書ではありません。この規格は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気を分類し、その結果を環境パラメータ、特に温度と相対湿度、二酸化硫黄汚染、および浮遊塩分と関連付けます。これらの入力値は、基準金属に対する大気の腐食性を示すものです。しかし、それだけで、構造物に使用されるすべての合金、接合部、隙間、溶接部、または排水ディテールの状態を予測できるわけではありません。

標準試験片の初年度腐食速度

初年度腐食速度の上限（μm/year）

通常の炭素鋼標準試験片について、ISO 9223:2012 は初年度腐食速度を次の範囲に分類しています。

これらの数値は分類上の限界値であり、供用期間中の構造用鋼材の板厚減少量を保証するものではありません。また、初年度は特殊な期間です。裸鋼は暴露開始時により速く腐食することが一般的ですが、同時にさび層が形成され、酸素、水、汚染物質が金属表面へ到達する状況が変化します。耐候性鋼は、比較的緻密で密着性の高い腐食層を形成するよう設計されているため、その後の腐食速度は、普通炭素鋼の基準試験片の腐食速度と大きく異なる場合があります。

この違いによって ISO の分類が無意味になるわけではありません。ISO の分類は、環境条件の出発点を定めるものです。例えば、C3 の大気が耐候性鋼に自動的に不適となるわけではありませんが、内陸部の C2 の大気とは異なる評価が必要です。同様に、CX の分類は、塩化物の堆積、海洋エアロゾル、持続的な湿潤、または腐食層の安定化を妨げる激しい工業汚染が存在する可能性を示します。

ISO 9223 は、環境測定および推定値と併せて、標準化された試験片の挙動を用います。実務上、ある地点には、温度・湿度条件および汚染データに基づく初期分類が与えられ、その後、現地の暴露特性を考慮して、実際の腐食の厳しさに応じたより高い、または低い分類が割り当てられる場合があります。覆われた表面、下面のディテール、道路に近い場所では、暴露された試験架台よりも有害な微小環境が形成される可能性があります。塩化物を含む飛沫帯では、広域的な地域分類が中程度に見える場合でも、腐食性が高い状態が続くことがあります。

したがって、規格の腐食速度は大気環境の基準値として理解すべきです。これは、堆積量の測定、類似構造物の点検、または計画する構造形状の検討に代わるものではありません。

腐食性分類を入力条件として使用する方法

この分類は、スクリーニング段階で有用です。無塗装耐候性鋼の概念をさらに評価する価値があるか、保護塗装系を初期段階から検討すべきか、また設計チームが現地固有の暴露データを必要とするかを判断するのに役立ちます。分類は、その根拠および出典とともに記録すべきです。根拠には、実測腐食速度、気候条件に基づく計算、汚染データ、海岸からの距離、または工学的判断などがあります。

分類だけで、無塗装耐候性鋼が許容できるかどうかを決定することはできません。Federal Highway Administration の指針では、無塗装耐候性鋼を選定する前に、濡れ時間、塩化物への暴露、工業汚染物質、排水、形状、および維持管理を評価することが求められています。この項目が重要なのは、保護性のあるさび層が、乾湿の繰返しに依存して形成されるためです。National Steel Bridge Alliance は、保護性のあるさび層の形成には、繰返しの湿潤と乾燥が必要であるとしています。漏水する継手の下で表面が湿ったままになると、名目上は中程度の大気環境であっても腐食が継続する可能性があります。

設計審査では、ISO の分類が何を覆い隠しているかを確認すべきです。部材は海水飛沫、凍結防止塩、または風で運ばれる塩化物にさらされるでしょうか。フランジやガセットプレートから水を排出できるでしょうか。それとも、継手、補剛材、支承の背後に水が溜まるでしょうか。狭い隙間、水平な棚状部、層状さびの滞留部、またはごみを保持するディテールはないでしょうか。工業起源の二酸化硫黄、酸性凝縮水、または異種金属接触によって局部電池が形成されるでしょうか。疲労性能に影響を及ぼす前に孔食を検出できるだけの点検アクセスが確保されているでしょうか。

この判断には合金の化学成分も関係します。耐候性鋼は、Mn、Si、Cr、Ni、Cu、Mo、P などを意図的に添加することで性能を発揮します。研究では、W、Ti、Al、および希土類元素の添加についても検討されています。ASTM G101-04(2010) は、短期暴露データから長期の大気腐食による損失量を推定する方法、および化学成分から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を規定しています。成分に基づく指標は比較を補助できますが、現地条件に対する保証値ではなく、あくまで推定値です。FHWA の研究では、ほとんどの耐候性鋼の ASTM G101 指標値は 6～7 の範囲にあり、一方、塩化物を含む大気環境で大幅に改善された耐食性を得るための研究目標は 9.5 付近またはそれ以上でした。

ただし、材料要件は、選定した製品規格によって管理されなければなりません。橋梁用途では、Steel Bridge Design Handbook が、ASTM A709 の橋梁用鋼材に関する材料および設計上の考慮事項の中で、耐候性鋼に関する規定を示しています。化学成分、機械的性質、溶接性、および製作管理は、ISO の腐食性分類から推定することはできません。

疲労については、別途検討する必要があります。平均的な板厚減少が小さく見える場合でも、孔食によって実効疲労抵抗は低下します。FHWA の疲労に関する指針では、孔食のため、AASHTO は無塗装耐候性鋼の母材に対して、耐候性を持たない同等の鋼材よりも一段低い疲労カテゴリーを割り当てていると報告されています。したがって、腐食性分類は、単なる腐食代の計算だけでなく、疲労検討にも反映させるべきです。

板厚余裕と暴露クラスの解釈

ISO の分類は板厚余裕の設定に役立ちますが、その余裕は、実際の暴露条件、設計供用期間、腐食モデル、および暴露面の数に対応していなければなりません。初年度の名目腐食速度に供用年数を乗じるだけでは、通常、粗すぎる評価になります。さびの形成に伴って腐食速度は変化し、覆われた表面は自由に暴露された表面とは異なる挙動を示し、また、均一な板厚減少が重大になる前に、局部的な孔食が性能を支配する可能性があるためです。

SCI Guidance Note 1.07 は、耐候性鋼の板厚余裕を、暴露クラスおよび鋼材表面の条件に関連付けています。この設計手法では、部材が外部に暴露されているか、覆われているか、またはさび層の形成を妨げる条件にさらされているかを技術者が特定し、そのうえで想定する供用期間に応じた該当の余裕を適用することが求められます。暴露クラスは単なる表示ではありません。想定される腐食需要を変え、その結果、耐力照査に利用できる残存板厚も変化させます。

板厚余裕は、ディテールとも整合していなければなりません。塩分を含む水を長年にわたって保持するフランジを、1 mm の追加板厚で補うことはできません。また、埋設鋼材、常時湿潤する鋼材、または塩水噴霧を受ける表面を、排水の良い暴露表面と同等に扱うこともできません。SCI Guidance Note 1.07 は、連続的に濡れている、または湿潤している環境、高濃度の塩化物または塩水噴霧への暴露、工業排気ガスの集中、ならびに埋設条件を、無塗装耐候性鋼に不適、または適用が制限される条件として挙げています。こうした場所では、より大きな腐食代を設定するのではなく、塗装系、排水の改善、密閉ディテール、または別の材料方針が必要になる場合があります。

設計者は、構造耐力を維持するために用いる板厚余裕と、製作公差、架設時の損傷、または将来の点検に関する不確実性に対応するために必要な金属量を区別すべきです。部材は減肉後の状態で照査し、接合部については、層状さび、断面欠損、および水溜まりを生じる箇所を確認すべきです。排水孔は、ごみや腐食生成物が堆積した後も機能しなければなりません。

実務上の手順は明確です。ISO 9223 の分類を設定し、環境パラメータを確認し、局部的な暴露条件の修正要因を特定し、耐候性鋼の鋼種を選定・確認し、適用される設計指針の暴露条件に応じた板厚規定を適用し、その後、排水、疲労、点検、および維持管理を照査します。ISO 9223 は意思決定の出発点です。意思決定の完了を意味するものではありません。

無塗装耐候性鋼がリスクを伴う場所の選定

無塗装耐候性鋼は、構造物が屋外にあるというだけで適用できるものではない。その大気腐食抵抗性は、特定の曝露パターンに依存する。すなわち、表面が濡れては乾く状態を繰り返し、同時に合金上に比較的緻密で密着性の高いさび層が形成されなければならない。このさび層は、その後の腐食を低減し得るが、自動的かつ恒久的な被覆ではない。鋼材が常に濡れている場所、塩化物が供給される場所、汚染水が滞留する場所、または工業排気が局所的に濃縮する場所では、保護性さびの安定化が妨げられる可能性がある。

したがって、無塗装システムを選定する前に、環境スクリーニングを実施しなければならない。Federal Highway Administration（FHWA）は、無塗装耐候性鋼を選定する前に、濡れ時間、塩化物への曝露、工業汚染物質、排水、形状および維持管理条件を評価するよう設計者に求めている。これらの確認は予備設計段階で行うべきものであり、さび汚れ、断面減少またはひび割れが発生した後に実施するものではない。

ISO 9223:2012は、このスクリーニングに有用な枠組みを提供する。同規格は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気腐食性を分類し、温度・湿度の影響、二酸化硫黄汚染および大気中の塩分を主要な影響因子として扱う。ただし、この分類だけで耐候性鋼の適用が承認されるわけではない。分類は環境に関する証拠を示すものであり、現場における腐食の影響、合金の化学組成および曝露形状と併せて解釈する必要がある。

海洋環境、塩水噴霧および塩化物を含む大気

海洋環境への曝露は、最も明確なリスク条件の一つである。海水飛沫、砕波、風で運ばれる塩分および凍結防止剤は、鋼材上に塩化物イオンを堆積させる。塩化物は、さび層の導電性と化学的活性を高め、水分を保持し、堆積物の下で局部腐食を促進する。比較的均一で密着性の高い保護性さびが形成される代わりに、表面に孔食や剥離しやすい腐食生成物が生じることがある。さび層が暗色で十分に成熟しているように見えても、その下で腐食が継続している可能性がある。

塩分への曝露は海岸線に限られない。橋面やランプには、塩化ナトリウムまたは塩化カルシウムが繰り返し散布され、その飛沫が桁、支承、横構および下フランジに到達することがある。風によって塩分が内陸へ運ばれる場合もある。沿岸の工業施設では、大気中の塩分が硫黄化合物や持続的な高湿度と組み合わさることがある。重要なのは海からの距離だけではなく、鋼材に到達する塩化物の量、堆積頻度、および雨によってそれが洗い流されるかどうかである。

FHWAの制限事項は、海洋環境および塩化物を含む環境を直接対象としている。塩化物汚染が著しい場所、または塩分を含む水分によって表面が繰り返し濡れる一方、十分な洗浄と乾燥が得られない場所では、無塗装耐候性鋼を選定すべきではない。Steel Construction InstituteのSCI Guidance Note 1.07は、高濃度の塩化物または塩水噴霧への曝露を、無塗装耐候性鋼にとって不適または制限すべき条件として挙げている。特に飛沫帯は問題となる。鋼材が浸水、飛沫および酸素への曝露を交互に受ける環境では、通常の大気中で保護性さびが形成されるために必要な安定した乾湿サイクルが得られない。

鋼種の化学組成は重要であるが、化学組成によって過酷な曝露環境を無効にすることはできない。2011年に公表されたFHWAの研究では、大部分の耐候性鋼のASTM G101腐食指数は6～7の範囲にあった。一方、この研究では、塩化物を含む大気中で抵抗性を大幅に改善するため、9.5以上に近い値が目標とされた。ASTM G101-04(2010)は、短期曝露データから長期的な大気腐食減量を推定する方法、および化学組成から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を示している。これらの指数は比較のための根拠となるが、特定の現場を適用対象から除外する根拠にはならない。

疲労設計も、塩化物への曝露を深刻に捉えるべき理由の一つである。孔食は局部的な応力集中を生じさせ、腐食による断面減少は短い距離の間でも大きく変化することがある。FHWAの疲労設計指針によれば、AASHTOは、孔食を理由として、無塗装の普通耐候性鋼母材に対し、同等の非耐候性鋼より一つ低い疲労等級を割り当てている。したがって、塩分に曝露される橋梁では、材料の減肉だけでなく、孔食が疲労抵抗性に及ぼす影響も評価しなければならない。脆弱な表面への塗装、排水の改善、または別の防食システムの選定が必要になる場合がある。

常時湿潤、埋設および換気不良の場所

保護性さびの形成には、乾湿サイクルの繰り返しが必要である。National Steel Bridge Alliance（NSBA）は、保護性さびの発達には繰り返しの湿潤と乾燥が必要であると述べている。常時湿潤の状態は、この過程を妨げる。鋼材に接して滞留する水は、ある領域では酸素の移動を制限する一方、別の領域では電気化学的腐食を支える。堆積物は通気差電池を形成することがあり、その結果生じる腐食生成物は、軟らかく、多孔質で、密着性の低い状態にとどまる可能性がある。

地域の気候が穏やかであっても、設計の細部によってこの状態が生じることがある。水平の張出し部、箱形断面、補剛材の隙間、添接板、折曲げ板、背合わせ山形鋼および詰まった排水口は、雨水や汚染された堆積物を保持する可能性がある。狭い隙間では、露出した縁部が乾燥しても、奥部は濡れたままになることがある。このような不均一な曝露は、大気環境で想定される広範囲にわたる均一な表面変化ではなく、局部腐食を促進する。

FHWAの指針は、排水および形状について現場固有の検討を求めている。水が構造物から速やかに排出されるようにし、細部の形状によってがれきや堆積物が湿潤ポケットを形成しないようにしなければならない。換気も同様に重要である。閉鎖または遮蔽された空間は、特に空気の流動が弱く結露が生じる場所で、露出面が乾燥した後も高湿度の状態が続くことがある。SCI Guidance Note 1.07は、常時湿潤または湿った環境、および換気不良を、無塗装耐候性鋼にとって制限または不適な条件として挙げている。

埋設鋼材は、通常の大気環境への適用とは別の警告事項である。土壌は、持続的な水分、溶解塩、さらに場所によっては酸性または微生物活動の影響を受けた環境を供給する。土壌との接触によって、大気中での耐候性に依存する開放状態の乾湿サイクルも妨げられる。同じ問題は、コンクリート、舗装、埋戻し材または堆積土に部分的に埋め込まれ、その界面が濡れたままになる鋼材にも当てはまる。地下部分、擁壁の細部、埋設ブレースおよび基礎部の鋼材には、大気中で形成される保護性さびに依存するのではなく、土壌または浸漬環境用に設計された防食戦略が必要である。

材料間の境界部でも、水が滞留することがある。シーリング材、膜材、耐火被覆、異種金属および不適切に取り付けられたカバーは、湿った状態が続く隙間を形成する可能性がある。ある部材からの流出水が別の部材に流れ込むと、狭い線状部に塩化物や腐食生成物が集中することがある。漏水する伸縮継手や橋面排水口の下にある飛沫帯には、特に注意が必要である。そこでは、鋼材が汚染水によって繰り返し濡れる一方、有効な乾燥がほとんど得られない可能性がある。

工業排気および汚染物質の濃縮

工業環境は、目に見える塩水噴霧がなくても腐食性を示すことがある。燃焼施設や加工工場から排出される二酸化硫黄は、表面水分に溶解し、酸化が進むにつれて亜硫酸および硫酸を含む酸性化合物を形成する。硫化水素、塩化物、窒素酸化物、酸性エアロゾルおよび工程粉じんなどのその他の汚染物質も、さび層の化学的性質を変化させる可能性がある。堆積した粉じんは湿った空気から水分を吸収し、降雨が終わった後も濡れ時間を延長することがある。

ISO 9223:2012は、大気腐食性の分類における因子として、二酸化硫黄汚染を明確に特定している。濃度と堆積パターンが重要である。煙突、製錬所、化学工場、肥料製造施設、廃棄物処理施設または工業化が進んだ港湾の近くでは、地域の監視局が示す値よりはるかに大きな汚染物質負荷を受ける可能性がある。局所的な排煙、遮蔽された凹部および風下側の面によって、一つの構造物の内部に深刻な微小環境が形成されることもある。

そのため、FHWAの制限事項には、注意または適用除外を要する条件として、濃縮した工業汚染物質が含まれている。SCI Guidance Note 1.07も同様に、濃縮した工業排気を無塗装耐候性鋼にとって不適または制限すべき条件として挙げている。問題は、合金に銅、クロム、ニッケル、リンまたはその他の意図的な添加元素が含まれているかどうかだけではない。耐候性鋼は、合金元素によって腐食挙動を調整した低炭素鋼である。FHWAは、従来からMn、Si、Cr、Ni、Cu、MoおよびPに重点が置かれてきたことに加え、その後の研究でW、Ti、Alおよび希土類元素の添加が検討されていることを記録している。合金設計は適切な曝露条件下での抵抗性を高めるが、酸性物質を含み常時湿潤する表面を保護状態に変えるものではない。

妥当性のある現場判断には、大気データと物理的な現地調査を組み合わせる必要がある。調査対象には、塩化物の堆積、汚染物質の発生源、卓越風、結露、排水経路、飛沫領域、閉鎖空間、土壌との接触および点検アクセスを含めるべきである。ASTM G101による計算およびISO 9223による分類は評価の参考となる。また、不確実性のある場所では、曝露試験片または局所腐食モニタリングが妥当となる場合もある。構造物が乾燥できない、点検できない、または高濃度の塩化物や工業排気を受ける場合には、細部の仕様を確定する前に、無塗装耐候性鋼の採用を中止するか、適用を制限すべきである。

詳細設計：排水、異物および換気

水たまりと異物の堆積を防ぐ

耐候性鋼は、不適切な形状設計を補うものではない。適切な合金であっても、比較的緻密で密着性の高いさび層を形成できるのは、表面が繰り返し濡れたり乾いたりする場合に限られる。湿潤状態が続く継手、土砂を保持する継手、または集中した雨水流を受ける継手は、耐食性の低い鋼材で作られた露出表面よりも速く腐食する可能性がある。National Steel Bridge Allianceの入門資料（2010年）は、保護性パティナの形成条件として、湿潤と乾燥のサイクルが交互に生じることを示している。実務上の意味は明確である。公称上の材料選定と同程度に、詳細設計によって腐食を制御できる。

SteelConstruction.infoおよびSCI Guidance Note 1.07は、無塗装耐候性鋼の性能が不十分となる主な原因の一つとして、水や異物の堆積を挙げている。水平な棚状部は特に問題となる。フランジの突出部、スチフナ、ブラケット、支承棚、または建築上の折返し部は、落ち葉、砂粒、鳥の巣材などを捕捉し、雨水を鋼材に接したまま保持することがある。異物は湿潤時間を長くするだけでなく、目視上の表面が乾いた後も、道路からの飛沫や海洋性エアロゾルに含まれる塩化物を保持する可能性がある。狭い棚状部でも、狭いというだけで安全になるわけではない。毛管力によって、その下面や隣接する溶接部が湿潤状態に保たれることがある。

したがって、詳細部は水をためるのではなく、排水する形状とすべきである。上面に勾配を設けること、丸みまたはテーパーを付けた移行部、端部が開放された溝、検査可能な面は、水の滞留を低減する。構造上、棚状部が必要な場合には、その幅、勾配および縁部の処理によって土砂が残らないようにし、下面を検査できるようにすべきである。スチフナを小さな閉鎖ポケットの中で終端させてはならない。板同士の交差部には、水が流出し、検査員が関係する溶接部および母材を目視できるだけのクリアランスを設ける必要がある。

隙間には特に注意を要する。重ね合わせた板、断続溶接、ボルト接合による重ね継手、裏当て材、密封されていない折曲げ縁部は、狭い酸素濃淡電池を形成することがある。開口部から水が侵入する一方、継手内部では蒸発が妨げられる。その結果生じる局部腐食は、一般的な表面腐食より深刻になることがあり、隙間の開口部に孔食を生じさせる可能性がある。公称上、耐食性のある組成であっても、この電気化学的な問題を解消することはできない。

同じ原則は、施工誤差にも当てはまる。図面上は排水できる詳細部でも、板の変形、溶接収縮、沈下、または排水口の閉塞後には水をためることがある。排水孔は、理想化した図面上の最低点に単に示すのではなく、想定される製作および架設の許容差があっても機能を維持できる位置に配置すべきである。小さな孔は、さびのスケールや土砂で詰まる可能性があるため、その大きさと近接性は、そこに到達すると予想される異物を考慮して決定する必要がある。設計記録には、閉塞によって長時間の湿潤状態が生じる箇所を明示し、構造物が完成する前に検査のためのアクセスを確保すべきである。

疲労設計も、この詳細設計から切り離すことはできない。FHWAの疲労指針（2016年）は、孔食のため、AASHTOが無塗装耐候性鋼の平滑な母材に対して、同等の非耐候性鋼より一段低い疲労カテゴリーを割り当てていると報告している。隙間や異物の堆積部は、この局部的な孔食を助長し、平滑な板の計算で想定したものより鋭い応力集中部を形成する可能性がある。したがって、溶接止端、コープ隅角部、ボルト孔、排水口の周辺部には、適切な疲労詳細カテゴリーと腐食検査計画の双方が必要となる。

排水と換気を確保する

排水経路は連続しており、目視可能で、偶発的な閉塞から保護されていなければならない。箱桁、パラペット、標識支持部、伸縮継手のくぼみ、または補剛パネルに侵入した水には、排水口までの明確な経路が必要である。別の鋼材表面に排水するだけの排水口は、問題を移し替えているにすぎない。排水口の位置は、下フランジ、支承、継手、歩行者動線、ならびにさび汚れを受けやすいコンクリート表面を濡らさないようにすべきである。排水が構造面を横切らざるを得ない場合には、流れが継目に沿って広がったり、隙間に入り込んだりしない形状とする必要がある。

閉鎖されたポケットは、繰り返し現れる破損箇所である。密閉された空洞は雨水の侵入を防げる一方、製作時の水分、結露、または検知しにくい小さな漏水を内部に含むことがある。水の侵入を防ぐ密閉も、乾燥のための換気も行われていない空洞は、特に危険である。SteelConstruction.infoおよびSCI Guidance Note 1.07が排水と換気を重視するのは、大気腐食に影響するのが降雨量だけではなく、乾燥に要する時間でもあるためである。通気開口部は、空気の流動と検査を可能にしつつ、雨水や塩分を含む飛沫を直接集めないように配置すべきである。また、鳥の巣、昆虫、堆積した異物に対して適切な大きさと保護を備えなければならない。

換気は排水の代替にはならない。空気の循環では、重ね合わせた板の背後にたまった水を除去できず、開口部から湿った空気や塩化物を含む飛沫が侵入することもある。意図する機構を明確にしなければならない。すなわち、水は重力によって排出し、換気は結露を低減して乾燥を促進する。箱形断面では、空気交換と排水を促すために上部および下部の開口部が必要となる場合があるが、その配置では、風雨の影響や一方の開口部が閉塞する可能性を考慮しなければならない。

曝露評価は、「耐候性鋼」という名称ではなく、現地条件に基づいて行うべきである。ISO 9223:2012は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気腐食性を分類し、温度・湿度条件、二酸化硫黄汚染、空気中の塩分を主要因子として特定している。FHWAの指針（2003年）は、無塗装耐候性鋼を選定する前に、湿潤時間、塩化物、工業汚染物質、排水、形状および維持管理を評価することを求めている。SCI Guidance Note 1.07（2015年）は、常時濡れている、または湿潤状態が続く場所、高濃度の塩化物や塩水飛沫に曝露される場所、工業排気ガスが集中する場所、ならびに埋設条件を、不適切または適用が制限される用途として特定している。

これは、局部環境を変える詳細部において重要である。橋面は一方の面を雨に曝していても、漏水する継手によって別の面が濡れたままになることがある。沿岸部のパラペットは海側で塩水飛沫を受け、上部レールの下に塩分の堆積物を保持することがある。工業構造物では、工程設備の排出口で高濃度の二酸化硫黄やその他のガスに曝露される可能性がある。いずれの場合も、同じ鋼種であって構造物の部位ごとに異なる挙動を示し得る。排水、遮蔽および換気は、腐食が現れてからではなく、環境曝露マップと併せて検討すべきである。

検査には、地上から最も見えにくい箇所を含めなければならない。すなわち、棚状部の下面、ガセットプレートの背後、箱形断面の内部、排水孔の周囲、重ね継手、堆積物の下部などである。検査間隔は、断面欠損が重大になる前に、閉塞した排水口や継続的な湿潤状態を是正できるように設定すべきである。記録では、汚れ、表面的なスケール、進行中の孔食、厚さの減少を区別する必要がある。茶褐色に見えるというだけでは、パティナが安定したことの証明にはならない。

異種金属の接触と汚れの流下経路を避ける

耐候性鋼は、隣接するあらゆる材料と電気化学的に適合すると想定してはならない。電解質が存在する状態で、より貴な金属と接触すると、耐候性鋼にガルバニック腐食が生じる可能性がある。特に、カソードとなる材料の露出面積が大きく、鋼材との接触域が小さい場合に顕著となる。ステンレス鋼製の取付部品、銅を含む部材、青銅製金具、一部のアルミニウムの組合せについては、接触、絶縁、水の滞留および排水を具体的に評価する必要がある。問題となるのは、乾燥した状態での接触だけではない。金属間を橋渡しする、導電性を有する湿潤膜や閉じ込められた溶液が問題となる。

詳細部では、実行可能な場合には異種金属による電池の形成を防止し、または材料同士を電気的に分離するとともに、一方の金属からの流出水が他方の金属に向かわないようにすべきである。締結具、ワッシャー、シム、支承部品、手すり金具、排水部品はすべて、些細な付属品としてではなく、接合部の一部として検討する必要がある。絶縁材自体が水を保持したり、隙間を形成したりすることがあるため、分離を施した後も詳細部が検査可能で、排水できる状態を維持しなければならない。

流出水は、汚れの流下経路も形成する。無塗装耐候性鋼の表面から流れ出るさびを含む水は、コンクリート、石材、モルタル仕上げ、舗装、塗装鋼材に跡を残すことがある。構造上の腐食速度が許容範囲内であっても、その汚れは受け入れられない場合がある。コープ部、パラペット、露出した板端部からの滴下水は、意図的な勾配、滴水縁、管理された排水箇所によって、目視される仕上げ面から離して流すべきである。滴水縁から下部フランジに水が落ちるだけなら、そこに腐食を集中させることになる。濡れる表面から最終的な排水口まで、流下経路全体を考慮しなければならない。

コンクリートとの取合いには注意が必要である。ひび割れ、継目、透水性のある表面は、汚染された水を鋼材に接した状態で保持することがある。SCI Guidance Note 1.07の制限事項にも合致するように、埋設または埋戻しを受ける縁部は、特に無塗装耐候性鋼に適さない。詳細部では、鋼材を乾燥可能な条件に曝した状態に保つか、隠蔽される環境に適した防食方針を設けるべきである。

最後に、図面には、アクセスと将来の検査が必要となる腐食の起こりやすい区域を示すべきである。継手を隠し、排水口を塞ぎ、または流出水を接合部へ導く形状は、維持管理への依存度を高める。耐候性鋼は、依然として条件付きで選択される大気腐食設計材料である。その性能は、合金、曝露環境、詳細設計が一体となって初めて確立される。 (1,047語)

橋梁設計、孔食および疲労

耐候性鋼であっても、橋梁の耐久設計が不要になるわけではない。橋梁に ASTM A709/A709M Grade 50W などの耐候性鋼材を使用していても、水、塩化物、堆積物、または工業由来の付着物が鋼材上に残留すれば、有害な腐食が発生する可能性がある。大気腐食抵抗性は、適切な曝露条件下で腐食速度を低減し、腐食形態を変化させるが、腐食を完全に防ぐものではない。また、疲労に対して重要なディテールを設計し、点検のためのアクセスを確保し、排水を管理する必要性をなくすものでもない。

構造上および疲労上の懸念としての孔食

FHWA の疲労に関する指針では、湿潤と乾燥が交互に生じる期間を通じて、保護性さび（パティナ）が形成されることが想定されている。初期の酸化によってさび層が形成され、繰り返し曝露されることで、その層は比較的緻密で付着性の高い表面皮膜へと変化し、さらなる腐食を遅らせることがある。この過程には乾燥が必要である。表面が常に湿った状態にある場合、塩水飛沫を受ける場合、または汚染された流出水が集まる場合、その表面は開放され、自由に排水される鋼板と同じ曝露履歴を受けない。

この違いが重要なのは、耐候性鋼の腐食が必ずしも板厚の均一な減少として進行するとは限らないためである。孔食は、平均的な腐食減量から予想されるよりも急激な表面形状の変化を伴う局所的なくぼみを形成することがある。平均板厚の減少は小さく見えても、残存鋼材の一部では著しく深い侵食が生じている可能性がある。疲労に敏感な箇所では、孔食は切欠きとして作用し、局部応力を増大させ、応力勾配を変化させ、疲労き裂の発生起点となり得る。

孔食孔食 周囲の全般腐食よりも深く侵入し、空洞またはくぼみを形成する局部腐食。

孔食を起点とするき裂は、滑らかで公称上は全板厚を有する母材であれば、き裂を発生させなかったような応力範囲の下でも進展する可能性がある。このリスクは、フランジ縁、孔、溶接止端、断続的な接触面、ダイアフラム接合部、継手部、およびその他の幾何学的な応力集中がすでに存在するディテールで高くなる。孔食は超音波板厚測定も複雑にする。不規則な空洞の最深部を、単一の測定値では見落とす可能性があるためである。したがって、測定では平均的な減肉量だけでなく、腐食の分布と最大深さを特定しなければならない。

FHWA マニュアルの警告は明確である。孔食は、耐候性鋼に対する疲労の扱いに影響する。したがって、パティナを、厚さや性能が保証された恒久的な塗膜として説明すべきではない。パティナは環境によって形成される生成物であり、その品質は合金、曝露履歴、表面形状、および湿潤時間に左右される。塩化物の付着物は特に重要である。塩化物は吸湿性を保つことがあり、表面の湿潤状態を長期化させ、安定したさび層の形成に必要な条件を阻害するためである。

合金の化学成分は結果に影響するが、化学成分だけで不適切なディテールを補うことはできない。2009 年に公表された FHWA の研究では、耐候性鋼におけるマンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、銅、モリブデン、およびリンの従来からの使用について説明するとともに、タングステン、チタン、アルミニウム、希土類元素の添加についても検討している。2011 年の改良型耐食鋼に関する研究では、ほとんどの耐候性鋼の ASTM G101 腐食指数が 6～7 の範囲にあると報告されており、塩化物を含む大気中で大幅に改善された耐食性を得るため、9.5 前後またはそれ以上の値が目標とされた。これらの数値は比較指標であり、橋梁の曝露環境を無視してよいことを意味するものではない。

ASTM G101-04(2010) は、短期間の曝露データから長期的な大気腐食減量を推定する方法、および化学成分から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を示している。ISO 9223:2012 は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気腐食性を分類し、温度・湿度の影響、二酸化硫黄による汚染、および空気中の塩分を主要因子として特定している。いずれの規格も、場所に依存しないパティナの仮定を構造設計の根拠に変えるものではない。

AASHTO 疲労カテゴリーの扱い

橋梁ディテールに割り当てられる疲労カテゴリーは、繰返し応力サイクルに対する抵抗性を示すが、そのカテゴリーは公称鋼材等級だけで決まるものではない。溶接形状、接合形式、孔、付属部材、表面状態、残留応力、および腐食曝露は、いずれも疲労性能に影響する。耐候性鋼では、局部腐食によって疲労設計の前提となる表面状態が変化し得るため、特有の懸念が生じる。

FHWA の Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue は、引用されている AASHTO の扱いに基づき、無塗装の耐候性鋼母材には、孔食を理由として、同等の非耐候性鋼より一段低い疲労カテゴリーが与えられると説明している。これは材料状態に対する設計上の低減であり、すべての耐候性鋼接合部に単一の普遍的なカテゴリーが適用されるという主張ではない。適用される AASHTO LRFD の疲労カテゴリーは、実際のディテールと、それを支配する応力範囲によって決まる。

この区別によって、相反する二つの誤りを防ぐことができる。さび層が十分に成熟しているように見えるというだけで、通常の裸鋼材と同じ疲労性能を割り当てるのは誤りである。一方、AASHTO のディテール分類を確認せずに、すべての溶接またはボルト接合ディテールについて恣意的な低減を行うのも誤りである。ASTM A709/A709M Grade 50W の鋼板を単純な母材として使用する場合と、同じ仕様の鋼材で製作した溶接付属部材とでは扱いが異なる。後者の溶接ディテールには、固有の疲労挙動と応力集中があるためである。

疲労設計では、交通荷重、風、温度作用、二次的な変形、および拘束によって生じる応力範囲を考慮しなければならない。公称応力範囲を正しく計算していても、孔食、溶接止端、コープ、孔、または腐食溝における局部応力範囲は、はるかに大きくなる可能性がある。腐食によって板厚が減少している場合には、同じ力によって公称応力も増大する。これらの影響は組み合わさることがある。断面減少によって公称応力が増加する一方、孔食によって局部応力集中係数が増加するためである。

破壊に関する検討も、同じ評価の中に含める必要がある。小さな疲労き裂は、一定期間安定した状態にとどまることがあるが、残存正味断面が減少した場合、または脆性破壊上重要な領域で、き裂進展を停止させる能力が限られている場合には、急速に進展する可能性がある。低温、引張残留応力、および不利なき裂方向は、安全余裕をさらに低下させる可能性がある。したがって、耐候性鋼は、橋梁の破壊制御要件、靭性仕様、疲労カテゴリー、および点検計画を相互に関連づけて選定・詳細設計しなければならない。

腐食、応力範囲および点検の相互作用

現場条件に関する判断は、鋼材を指定する前に始まる。2003 年の FHWA 指針は、無塗装の耐候性鋼を選定する前に、湿潤時間、塩化物曝露、工業汚染物質、排水、形状、および維持管理条件を評価することを求めている。凍結防止塩が散布される道路上の橋梁、空気中の塩分に曝露される沿岸構造物、短時間で乾燥する農村部の橋梁は、同じ腐食環境にはない。ISO 9223:2012 は分類の枠組みを示すが、プロジェクト固有の曝露データと現地に適したディテール設計は依然として必要である。

水たまりやすい箇所は、疲労ディテールであると同時に腐食ディテールでもある。水平な張出し部、補剛材端部、適切に密閉されていない狭い隙間、密閉状態の悪い継手界面、堆積物がたまるポケット、および詰まった排水口は、周囲の表面が乾燥した後も鋼材を長時間湿潤状態に保つ可能性がある。ある部材からの流出水が、別の部材に塩化物を集中させることもある。SteelConstruction.info および SCI Guidance Note 1.07 は、連続的に湿潤または湿った環境、高濃度の塩化物または塩水飛沫への曝露、工業排気ガスの集中、および地中条件を、無塗装の耐候性鋼の適用に不適または制限すべき条件として示している。異種金属の接触や換気不良は、局部的な腐食電池をさらに形成する可能性がある。

応力履歴は、想定される腐食パターンと関連づけるべきである。低サイクルで高応力のディテールでは、少数の厳しい荷重事象が支配的となる可能性がある。一方、数百万回のトラック荷重サイクルを受ける橋梁桁では、疲労抵抗性のわずかな変化にも敏感である。接合部で孔食が予想される場合、減肉が均一であるかのように、公称腐食代だけに依存した設計を行うべきではない。排水の改善、隙間の密閉、交換可能な部材、特定区域への保護塗装、または鋼材と維持管理を組み合わせた別の戦略の方が適切な場合がある。

その後の点検によって、設計上の仮定が引き続き妥当であるかを確認する。点検員は、活性さび、剥離性スケール、孔食深さ、水分保持、塩化物付着物、膨れさび、断面減少、き裂状の兆候、および溶接部や付属部材における変化を記録すべきである。目視による色だけでは、根拠として不十分である。暗色または層状の表面は、形成途上のパティナを示している可能性があるが、最大孔食深さや疲労安全性を明らかにするものではない。

点検間隔と方法は、影響度、ディテールカテゴリー、交通荷重、曝露の厳しさ、およびアクセスの困難さを反映させるべきである。疲労に敏感な箇所では、近接目視点検に加えて、超音波による板厚マッピング、孔食深さゲージ、磁粉探傷試験、浸透探傷試験、またはその他のき裂検出方法が必要になる場合がある。調査結果は構造モデルに反映しなければならない。実測された断面減少によって応力範囲が変化する可能性があり、き裂が検出されれば、破壊評価および耐荷力評価も変わる可能性があるためである。

したがって、大気腐食設計は疲労設計の一部である。適切な湿潤・乾燥条件の下では、パティナが継続的な腐食を低減できる可能性がある。しかし、橋梁は依然として、局部的な応力集中部、繰返し交通荷重、および点検義務を有する荷重支持システムである。健全な耐候性鋼設計では、合金と AASHTO の疲労上の扱いを明確にし、水と汚染物質を管理し、孔食を予測し、点検結果から補修または補強へ実際に移行できる手順を確保する。

ASTM A709橋梁用鋼材の実務における耐候性鋼

ASTM A709材料および設計上の考慮事項

ASTM A709/A709Mは橋梁用鋼材の材料規格であり、無塗装の耐候性構造物を一律に指定する規格ではない。その鋼種には、該当する版で規定されるASTM A709 Grade 36、Grade 50、Grade 50W、HPS 50W、HPS 70Wなどが含まれる。「W」の表示は耐候性鋼に関する要求事項を示すが、それだけで、あらゆる立地において橋梁を無塗装のまま維持できることを意味するものではない。鋼種の選定、追加要求事項、溶接性、靭性、破壊制御、製作および構造耐力については、プロジェクトの設計において引き続き検討しなければならない。

Steel Bridge Design Handbookは、ASTM A709橋梁用鋼材に関する、より広範な材料・設計体系の中に、大気腐食抵抗性および耐候性鋼の要求事項を位置付けている。この位置付けは重要である。橋梁技術者は、まず耐候性鋼種を選定し、その後に腐食を別個の塗装上の判断事項として扱うのではない。鋼種の表示は要求される強度および靭性に対応しなければならず、大気腐食に関する規定が意図どおり機能するかどうかは、曝露環境の評価によって判断される。塗装系を指定しない場合でも、接合部の設計、疲労抵抗、溶接詳細および点検アクセスは、依然として構造上の問題である。

耐候性鋼は、繰り返される湿潤と乾燥の下で、比較的緻密で密着性の高いさび層を形成することを意図した低炭素合金鋼である。この層は不透過性の被膜ではなく、大気腐食抵抗性は腐食に対する免疫を意味しない。水分が鋼材に到達すると、初期酸化が生じる。表面が湿潤期間の間に乾燥すれば、パティナによってその後の減肉が抑制される可能性があるが、その結果は、合金組成、汚染物質負荷、塩化物の付着、温度、湿度および部材形状に左右される。

したがって、化学成分については、一般化された想定上の配合ではなく、該当するASTM A709/A709M鋼種およびプロジェクト仕様の要求事項に基づいて扱うべきである。FHWAの研究では、歴史的に重視された合金元素として、マンガン、シリコン、クロム、ニッケル、銅、モリブデンおよびリンが挙げられている。その後の腐食研究では、タングステン、チタン、アルミニウムおよび希土類元素の添加についても検討された。ASTM G101-04(2010)は、短期曝露データから長期的な大気腐食減量を推定する方法、および化学成分から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を示している。これらの方法は比較および予測に役立つが、実際の橋梁環境を検討する必要性をなくすものではない。

FHWAの改良型耐食鋼プログラムでは、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101腐食指数が6～7の範囲にあった一方、塩化物を含む大気中で大幅に改善された抵抗性を得るため、研究では9.5前後またはそれ以上の値が目標とされた。この結果は、あらゆる耐候性鋼の表示を供用時に同等とみなすことへの警告である。成分は性能に影響するが、腐食指数が良好であっても、常時湿潤するフランジ、塩分を捕捉する接合部、または汚染された排水経路を補うことはできない。

橋梁仕様における大気腐食抵抗性

無塗装のASTM A709耐候性鋼を採用する前に、大気曝露環境を分類すべきである。ISO 9223:2012は、標準試験片の初年度腐食速度に基づいて腐食性を分類し、温度・湿度の影響、二酸化硫黄による汚染および空気中の塩分を主要な要因として特定している。この分類は環境を整理するための枠組みであり、特定の橋梁部材の供用期間を保証するものではない。特に、融雪塩が使用される道路、海岸線、工業施設、および塩分を含む飛沫を発生させる交通車線の近傍では、局所的な曝露環境が大まかな立地条件から想定されるものより厳しくなる可能性がある。

FHWAの指針では、無塗装の耐候性鋼を選定する前に、濡れ時間、塩化物への曝露、工業汚染物質、排水、形状および維持管理について、立地固有の評価を行うことが求められている。これらの要因は相互に作用する。開放型床版の下にある桁は速やかに乾燥する可能性がある一方、漏水する継手の下にある継手板は長時間湿潤状態にとどまることがある。全般的には穏やかな農村大気中にある橋梁でも、異物が排水口を塞いだ箇所や、補剛材端部に流出水が集中する箇所では、有害な腐食が発生する可能性がある。

SCI Guidance Note 1.07は、継続的に湿潤または湿った環境、高濃度の塩化物または塩水噴霧への曝露、濃縮された工業排ガス、および埋設条件を、無塗装の耐候性鋼に適さない、または適用が制限される用途として挙げている。塩分は特に問題となる。塩化物の付着は電解質としての水分を維持し、パティナの安定化を妨げる可能性があるためである。二酸化硫黄その他の工業汚染物質も、腐食速度を高める可能性がある。曝露環境を制御できない場合には、防護塗装系、耐食性の高い詳細、代替材料、またはこれらを組み合わせた対策が必要となる場合がある。耐候性鋼の表示だけでは、十分な仕様とはいえない。

National Steel Bridge Allianceの入門資料は、防護性を有するパティナの形成には、繰り返される湿潤と乾燥が必要であると述べている。このことは、橋梁の露出したウェブ面に美観上好ましい褐色酸化物が見られる一方で、遮蔽された棚部、継手の接触面または下フランジでは腐食が継続する可能性がある理由を説明する。大気腐食データに関するレビュー文献では、安定化に要する時間、定常腐食速度、曝露条件および長期予測の不確実性も、別個の問題として特定されている。数シーズン後にさび層が均一に見えることは、腐食が停止した証拠ではない。また、外観上の色によって設計腐食代が決まるわけでもない。

疲労設計では、材料固有の別の懸念も生じる。FHWAの疲労指針は、耐候性鋼が交互に繰り返される湿潤・乾燥サイクルによってパティナを形成すると説明している一方、AASHTOが、孔食を理由として、無塗装耐候性鋼の母材に対し、同等の非耐候性鋼より1段低い疲労等級を割り当てていることも報告している。この低減は、局所的な表面損傷および応力集中を考慮したものである。つまり、腐食に関する選定は、応力範囲の計算、詳細分類および点検計画から切り離すことができない。

材料選定と構造詳細の調整

耐候性鋼橋が機能するためには、材料選定と排水性に配慮した形状を適合させる必要がある。詳細設計では、水や異物が滞留しないようにし、閉鎖空間または部分的に閉鎖された空間から排水できるようにするとともに、部材が乾燥し、点検員が重要な表面を視認できるようにすべきである。隙間、狭い棚部、密閉されていない重ね合わせ部、および換気の悪い空隙は、パティナの形成に必要な環境条件を損なう可能性がある。また、さび色の流出水がコンクリート、支承、伸縮継手または隣接する property に影響を及ぼす可能性がある場合には、流出による着色も抑制すべきである。

排水孔は常に利用可能な状態に保ち、別の鋼材表面を濡らさずに排水できるようにしなければならない。床版継手には特に注意が必要である。漏水によって、桁端部や横構接合部に塩化物が集中する可能性があるためである。端部ダイヤフラム、補剛材の詳細および継手部については、水の滞留、塩分の蓄積および清掃アクセスを検討すべきである。異種金属はガルバニック作用を生じさせる可能性があり、埋設または部分的に埋め込まれた鋼材表面は、自由に大気へ曝露される表面とは異なる水分環境に置かれる。

同じ検討では、将来の維持管理についても評価すべきである。洗浄、点検または補修ができない詳細は、管理可能な曝露環境を持続的な腐食箇所へと変えてしまう可能性がある。点検間隔は、パティナが恒久的なものであるという固定的な想定に依存するのではなく、塩化物の使用状況、工業汚染、排水性能および確認された断面減少を踏まえて設定すべきである。

したがって、Steel Bridge Design Handbookのより広範な枠組みからは、明確な設計上の立場が導かれる。すなわち、ASTM A709/A709Mの鋼種表示、材料要求事項、曝露環境の分類、腐食予測、疲労への対応および構造詳細は、相互に調整しなければならない。無塗装の耐候性鋼は、条件付きのシステムである。合金、気象環境、排水および点検に関する規定がパティナの形成を支える場合には、塗装への依存を低減できるが、環境評価や適切な橋梁設計の代替にはならない。

塗装、無塗装およびハイブリッド腐食対策

耐候性鋼を用いても、腐食設計が不要になるわけではない。変わるのは、保護を提供する方法である。すなわち、製造時に施された塗膜に主として依存する代わりに、設計者は、繰り返される湿潤と乾燥の過程で形成される、合金組成に依存したさび層に依存できる場合がある。ただし、この選択には条件がある。環境が安定した保護性さび（パティナ）の形成を支えられない場合には、塗装系、局部的な腐食防護、形状の変更、またはこれらを組み合わせた対策が必要となることがある。

この3つの対策は、互換可能な単なる呼称ではない。無塗装設計では、鋼材の化学成分、曝露環境の評価および排水に対する要求がより高くなる。塗装設計では、素地調整、塗装仕様、端部処理、補修および検査に対する要求がより高くなる。ハイブリッド設計では、これらの要求を分散させ、水、塩分または汚染物質によって許容できない腐食リスクが生じる区域を保護しつつ、適切な表面は無塗装のままにする。

無塗装の耐候性鋼を検討する場合

無塗装の耐候性鋼が妥当となるのは、供用環境と提案する細部設計を一体として評価した後に限られる。鋼材が、比較的緻密で密着性の高いさび層を形成するのに十分な、湿潤と乾燥の繰り返しを伴う大気曝露を受けなければならない。National Steel Bridge Allianceのプライマー（2010年）は、保護性パティナの形成条件として、湿潤と乾燥の繰り返しを挙げている。持続的な湿潤状態では、同じ曝露サイクルは得られない。

材料の鋼種指定も重要である。大気腐食抵抗性は、単に「耐候性鋼」という名称によって決まるのではなく、合金の化学成分に依存する。従来の耐候性鋼の組成では、マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、銅、モリブデンおよびリンが重視されている。Federal Highway Administrationの研究では、タングステン、チタン、アルミニウムおよび希土類元素の添加についても検討された。ASTM G101-04(2010)は、化学成分から相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法、および短期間の曝露記録から長期的な損失を推定する方法を示している。これは評価方法であり、特定の構造物が許容可能なパティナを形成することを保証するものではない。

ISO 9223:2012は、有用な環境評価の枠組みを示している。同規格の大気腐食性区分は、標準試験片の初年度腐食速度を用い、温度・湿度の影響、二酸化硫黄による汚染および大気中の塩分を考慮する。したがって、一般的な気候だけで分類した現場では、重要な局所差が見落とされる可能性がある。1つのプロジェクト内でも、風雨から遮られた下面、道路からの飛沫を受ける区域、海側に面した立面および工業汚染物質の煙流にさらされる区域では、腐食条件が異なることがある。

FHWAの指針（2003年）は、無塗装の耐候性鋼を選定する前に、濡れ時間、塩化物への曝露、工業汚染物質、排水、形状および維持管理を具体的に検討するよう求めている。これらの要因は、細部設計のレベルで検討すべきである。スプライスプレートの背面、補剛材の内部、堆積した異物の下、または排水不良のフランジに閉じ込められた水は、隣接する表面が乾燥した後も長時間にわたって鋼材を濡れた状態に保つ可能性がある。その結果生じる腐食は、一般的な大気曝露モデルが想定する比較的均一な表面酸化ではなく、局所に集中した状態で残ることがある。

形状が結果を左右することがある。傾斜面、開放端、アクセス可能な棚および適切な寸法の排水経路は、水が構造物から流出するのを助ける。狭いすき間、水平なポケット、漏水経路を有する密閉空洞、ならびに砂や落ち葉が集積する箇所は、パティナの安定化を妨げる。異種金属の接触にも注意が必要である。異種金属接触によるガルバニック作用が局部的な腐食挙動を変化させる可能性があるためである。

無塗装の選定には、構造上の影響を含めなければならない。孔食は、比較的均一な板厚減少よりも大きな応力集中を生じさせる可能性がある。FHWAの疲労に関する指針では、孔食を理由として、AASHTOが無塗装の普通耐候性鋼の母材に対し、同等の非耐候性鋼より1段階低い疲労カテゴリーを割り当てていると報告している。したがって、疲労に敏感な細部を、一般腐食速度が低下するという想定だけで正当化することはできない。溶接接合部、取付部、ボルト孔および繰り返し応力を受ける区域には、それぞれ独自の疲労評価と検査評価が必要である。

周囲の空気が清浄に見える場合でも、その合金が適さないことがある。2011年に公表されたFHWAの研究では、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101腐食指数が6～7の範囲にあった一方、塩化物を含む大気中で抵抗性を大幅に改善するため、研究では9.5前後またはそれ以上の値が目標とされた。この知見は、明確な設計上の立場を支持する。すなわち、通常の耐候性鋼の化学成分を、塩分で汚染された曝露環境に対する普遍的な解決策として扱ってはならない。

環境上の制約により追加の保護が有利となる場合

環境によって信頼性のあるパティナ形成が妨げられる場合、または局部腐食の結果が重大となる場合には、塗装を採用する方が妥当性を持つ。SCI Guidance Note 1.07（2015年）は、継続的に濡れている、または湿った状態、高濃度の塩化物もしくは塩水噴霧への曝露、濃縮された工業排気ガス、および埋設状態を、無塗装の耐候性鋼に不適または適用が制限される条件として示している。こうした制約は、開放された海洋環境への曝露だけに限られない。道路の融雪剤、交通による飛沫、漏水する設備、閉鎖空間内の結露および汚染された流出水も、同様の問題を引き起こす可能性がある。

追加の保護は、部材全体に施すことも、選択した区域だけに施すこともできる。塩化物の堆積、二酸化硫黄または持続的な結露が大部分の曝露表面に影響する場合には、全面塗装が適切となることがある。局部塗装は、飛沫区域、床版排水経路、桁端部、接合部の凹部、隠れた面および伸縮継手付近の区域に施すことができる。塗装部と無塗装部の境界は、水が保護されていない端部へ流れ込んだり、塗装の終端部に閉じ込められたりしないように設計しなければならない。

ハイブリッド対策では、耐候性鋼の部材と、塗装した接合部品、密閉した接触面、または耐食性ファスナーを組み合わせることもできる。ただし、ガルバニック適合性および適用される材料規格を満たすことが条件となる。塗装した鋼板によって、ボルト接合部、すき間または損傷した端部の周辺にあるすべてのリスクがなくなると考えてはならない。保護システムは、なお検査可能で、補修可能なものでなければならない。

塗装を追加することと同程度の効果を、細部設計の変更によって得られる場合もある。排水性を高める、異物がたまる箇所をなくす、換気可能な囲いを開放する、異種金属を分離する、または塩分を含む流出水が直接かからないようにすることにより、無塗装鋼材がより予測可能に機能できる条件を回復できることがある。反対に、視認性の高い表面であっても、汚染物質が集中して付着する位置にある場合は、塗装が必要となることがある。外観は曝露区分ではない。

塗装の選定は、検査間隔、予想される損傷および補修方法と結び付けなければならない。素地調整、溶接ビード形状、鋭い端部、ボルト、現場継手および塗膜厚は、いずれも供用性能に影響する。塗膜の損傷箇所に安全に到達できない場合には、無塗装、または異なる細部設計による解決策の方が、維持管理上扱いやすい負担となることがある。したがって、適切な比較対象は「パティナ対塗料」ではなく、計画供用期間全体にわたる完全な腐食制御システムである。

維持管理の前提および検査可能性

すべての対策には、維持管理上の前提が伴う。無塗装の耐候性鋼は、検査員がさび層の形成が均一に進んでいるかを確認し、水分の滞留を特定し、局部腐食が加速する前に異物を除去できることを前提とする。また、流出水による汚れ、さびスケールおよび近接検査のためのアクセスが、設計上許容可能な結果であることも前提となる。

塗装システムでは、ひび割れ、膨れ、剥離、機械的損傷、ならびに端部または欠陥部における腐食について、計画的な検査を行うことが前提となる。補修には、適合する材料、適切な気象条件および清掃・再塗装のためのアクセスが必要である。これらの作業が実施される可能性が低い場合には、設計の唯一の根拠として、名目上の塗膜寿命を用いてはならない。

部材を閉鎖したり、交通、水または設備の上方に配置したりする前に、検査アクセスを確保しなければならない。排水口は、見える状態で、閉塞のないように維持する必要がある。隠れた面、支承区域、スプライス内部および補剛材端部には、専用のアクセス開口部または検査手順が必要となる場合がある。モニタリングでは、断面減少だけでなく、その原因も記録すべきである。原因には、滞留水、塩分の蓄積、塗膜の破損、異物、漏水または不適切な曝露条件の想定が含まれる。

維持管理計画は、疲労設計にも影響する。応力集中部における孔食や腐食には、広い範囲に軽度のさびが生じた表面よりも、綿密な検査が必要となる場合がある。早期発見に依存する設計では、誰が検査を行うのか、どの状態を補修開始の基準とするのか、また補修をどのように実施するのかを明記すべきである。これらの規定がなければ、「無塗装」は維持管理不要の区分ではない。それは、保護の役割を排水、曝露環境の制御および検査へ移す設計である。

試験、曝露データおよび長期腐食予測

実験室試験および大気曝露試験

耐候性鋼の試験は、さびが発生するかどうかを問うものではない。通常の炭素鋼もさびる。重要なのは、現地で実際に生じる、濡れ、乾燥、汚染および洗浄の一連の過程の下で、合金が十分に密着し、比較的透過性の低いさび層を形成するかどうかである。実験室試験によってその傾向を測定することはできるが、あらゆる大気曝露を再現できる単一の促進試験は存在しない。

最初に考慮すべき変数は組成である。ASTM A242、ASTM A588、およびASTM A709/A709Mで規定される橋梁用鋼には、腐食生成物とその密着性を変化させる意図的な添加元素が含まれている。従来の合金設計では、マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、銅、モリブデンおよびリンが主に用いられてきた。2009年に公表されたFederal Highway Administrationの研究では、タングステン、チタン、アルミニウムおよび希土類元素の添加についても検討された。目的は単に合金元素の含有量を増やすことではなく、溶接性、靭性、強度または疲労性能を損なうことなく、電気化学反応とさび層の構造を変化させることである。

ASTM G101-04(2010)は、相互に関連する2つの方法を規定している。短期曝露の結果から長期的な大気腐食減量を推定することができ、また、化学組成から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定することができる。組成に基づく腐食指数は、溶鋼単位または鋼種を比較するうえで有用であるが、使用場所の承認証明書ではない。FHWAの研究では、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101指数値が6～7の範囲にある一方、後続の合金開発プログラムでは、塩化物を含む大気中で大幅に向上した抵抗性を得るため、9.5前後またはそれ以上の値が目標とされたと報告されている。これらの数値は指数を示すものであり、保証された供用期間をミリメートル単位で示すものではない。

ASM Handbookの章 Corrosion of Weathering Steels は、曝露試験を冶金学と供用条件を結び付けるものとして扱っている。同章では、合金元素の添加、組成に基づく指数、さび層の形成および腐食試験を取り上げるとともに、隙間、堆積物の閉じ込めおよび継続的な湿潤状態といった設計上の問題も強調している。実験室の試験片によって、提案された化学組成が緻密なさび層を形成する傾向を持つかどうかを明らかにすることはできる。しかし、橋梁の継手部が同じ挙動を示すほど十分に乾燥した状態を維持できるかどうかを判断することはできない。

大気曝露試験は、欠けていた環境面の情報を補う。試験片を代表的な場所に設置し、一定の間隔で秤量、洗浄および再秤量を行い、さびの外観、流出水および局部的な腐食を観察する。ISO 9223:2012は、標準試験片の初年度腐食速度を用いて大気腐食性を分類している。その枠組みでは、温度と湿度、二酸化硫黄汚染および大気中の塩分が複合的に及ぼす影響を考慮する。この分類は曝露環境を記述するうえで有用であるが、計画された構造物の検査に代わるものではない。同じ橋梁内でも、風雨から遮られた梁フランジ、雨で洗われるウェブ、および塩分を捕捉する継手部は、異なる腐食性条件に置かれる可能性がある。

塩水噴霧試験またはサイクル腐食試験は、特に塩化物汚染が設計条件に含まれる場合に、材料を迅速に順位付けできる。しかし、試験中に電解質を継続的に供給したり、乾燥過程を省略したりする場合、自然曝露の代替としては不十分である。耐候性鋼が特徴的な保護性さびを形成するには、濡れと乾燥の反復が必要である。常時湿潤状態に置かれた試験片は、排水が良好な大気環境では生じない腐食を受ける可能性がある。一方、乾燥が過度に促進された試験片では、沿岸または工業地域の微気候を適切に再現できない可能性がある。したがって、腐食結果とともに、試験期間、溶液の化学組成、温度、濡れサイクルおよび試験片の向きを報告しなければならない。

短期データと長期挙動の比較

初期の質量減少は、その後の性能を過大評価する場合もあれば、過小評価する場合もある。曝露初期には、裸鋼がアノード部位で急速に反応し、さび層が多孔質、ひび割れ状、または密着性の低い状態になることがある。適切なサイクルが与えられると、腐食生成物はより緻密で保護性の高いものとなり、その後の腐食速度が低下する可能性がある。ただし、この低下は自動的に生じるものではない。塩化物は細孔内に残留することがあり、二酸化硫黄は表面水分を酸性化することがあり、さらに、繰り返される摩耗や流出水によって形成途中のさびが除去されることもある。

本稿で引用した大気腐食に関するレビューでは、安定化時間と、その後の定常腐食速度を別個の量として説明している。試験片は数年後に腐食速度の低下を示すことがあるが、その状態に到達するまでの時間は、気候、汚染物質の負荷、向き、遮蔽および合金組成によって異なる。安定化前に終了する短期曝露では、長期腐食速度を確立することはできない。逆に、塩化物による湿潤を強制する短期試験では、雨で洗われる内陸部表面には適さない腐食減量速度が生じる可能性がある。

ASTM G101は、短期曝露の情報を用いて長期的な減量を推定することで、この問題に対処している。しかし、その推定には、腐食速度が時間とともにどのように変化するかについての仮定が含まれる。曝露履歴が想定される供用環境に類似しており、複数の曝露期間によって傾向が示されている場合、このような外挿はより妥当性を持つ。現地条件が変化している場合、その妥当性は低下する。比較的清浄な曝露が数年間続いた後に、凍結防止塩が導入されることがある。道路の排水構成が変更されることもある。工業排出物が減少する場合もあれば、近隣の発生源が操業を開始する場合もある。その変化以前に較正されたモデルを、変更せずにそのまま延長して使用することはできない。

したがって、FHWAの指針は、濡れ時間、塩化物曝露、工業汚染物質、排水、形状および維持管理について、現地固有の検討を求めている。SCI Guidance Note 1.07は、常時濡れている、または湿った場所、高濃度の塩化物もしくは塩水噴霧に曝される場所、濃縮された工業排煙に曝される場所、および埋設状態を、無塗装の耐候性鋼には不適切または適用が制限される条件として挙げている。SteelConstruction.infoも同様に、排水、換気、ならびに水や堆積物の蓄積防止の重要性を強調している。これらは二次的な細部設計上の好みではない。腐食予測で用いた曝露条件が、鋼材表面において引き続き有効であるかどうかを決定する要因である。

腐食減量は、目視できる変色とも区別しなければならない。暗色で均一な保護性さびが局部的な孔食を隠すこともあれば、オレンジ色の流出水が、対応する断面減少を伴わないまま深刻に見えることもある。測定には、質量減少または厚さ測定値、孔食深さ、隙間腐食、ならびに縁部、接合部および接触面の状態を含めるべきである。疲労に敏感な部材では、平均的な厚さ減少がわずかに見える場合でも、局部的な孔食が重要になる。FHWAの疲労指針は、その設計上の帰結を記録している。AASHTOは、孔食を理由として、平滑な無塗装耐候性鋼の母材に対し、同等の非耐候性鋼より1段階低い疲労カテゴリーを割り当てている。したがって、平均的な減量だけを予測する腐食モデルは、繰返し荷重を受ける細部に対して不完全である。

さび層の安定化と予測モデル

有用な予測では、保護性さびの形成を、製造時に施される恒久的な塗膜ではなく、時間依存の応答として扱う。濡れと乾燥の交互サイクルによって酸化生成物は変態し、緻密化する。排水と換気は、電解質との接触時間を制限する。その結果、さび層はさらなる腐食の速度を低下させることができる。ただし、その性能は、形成をもたらしたのと同じ環境バランスに依存し続ける。

予測モデルでは通常、腐食減量を曝露時間の関数として表し、初期には減量が急速に進み、その後、部分的な安定化を経て速度が低下する形をとることが多い。係数は、比較可能な現地データに基づかなければならない。農村部の試験パネルから構築されたモデルを、塩化物を多く含む沿岸橋梁に直接適用すべきではない。また、ISO 9223の初年度腐食性区分を、供用期間全体にわたる一定値として扱うべきでもない。ISO 9223は標準試験片を通じて初期の大気負荷を記述するものであり、遮蔽されたあらゆる隙間や将来の維持管理の変更を予測するものではない。

したがって、長期予測では、魅力的な単一の数値ではなく、範囲を用いるべきである。そこでは、想定する濡れと乾燥のパターン、汚染物質および塩化物の濃度、清掃または洗浄、流出経路、検査間隔、ならびに再塗装または補修を行う時点を明示すべきである。現地試験片、基準パネルおよび計画的な厚さ調査によって、想定した安定化が実際に生じているかどうかを検証できる。腐食が進行し続ける場合、孔食が深くなる場合、または湿った堆積物が残留する場合には、排水の改善、洗浄、局部塗装、または防食方法の変更が設計上の対応となり得る。

工学上の中心的な区別は単純である。耐候性鋼は、適切な条件下では大気腐食を低減できるが、将来の腐食減量は条件付きであり、見直しが可能なものである。化学組成は、保護性さびを形成する能力を定める。曝露履歴、細部設計および維持管理によって、その能力が実際に発揮されるかどうかが決まる。

点検、維持管理および故障モード

耐候性鋼は、維持管理が不要な材料ではない。その大気腐食抵抗性は、さび層が比較的緻密で付着性を保つことに依存しており、そのためには適切な合金組成と、繰り返される湿潤・乾燥が必要である。水が滞留したり、塩化物の堆積が蓄積したり、工業汚染によって腐食環境が変化したりすると、保護性さび層は多孔質化、ひび割れ、または付着不良を起こすことがある。その結果、目視できる表面の下で腐食が進行し続ける。

したがって、点検は設計の一部である。その目的は、すべての表面が茶色であることを確認することではなく、材料選定および詳細設計の際に想定した曝露条件が、現在も維持されているかどうかを判断することである。

異常な腐食と水の滞留を認識する

安定した保護性さび層は、通常、湿潤と乾燥が交互に生じることによって形成される。2010年に公表されたNSBAのプライマーは、保護性さび層の形成には、湿潤と乾燥の繰り返しが必要であると示している。濡れた状態が続く表面は、露出して自由に排水される表面と同じ環境サイクルを受けない。そのような表面には、比較的均一で付着性のある保護性さび層ではなく、浮いたオレンジ色のさび、暗い湿潤汚れ、剥離する層、腐食瘤、または局所的な孔食が現れることがある。

部材の平均的な外観よりも、水の滞留の方が重要な場合は多い。点検者は、継手の下に生じるさび汁の筋、重なり部に沿った連続的な湿潤帯、水平鋼板上の滞留水、泥で満たされたボルトポケット、接合鋼板の裏側にある湿潤部を確認すべきである。細い漏水経路であっても、部材の他の部分が健全に見える一方で、局所的には深刻な状態を生じさせることがある。乾燥期間の後に生じた新しいさびは、特にひび割れ、排水口、または締結部の周囲に見られる場合、無害な色の変化ではなく、腐食が進行中であることを示している。

排水経路には細心の注意を払う必要がある。小さな開口部は、落ち葉、土砂、鳥の巣材、氷、溶接スパッタ、または腐食生成物によって塞がれることがある。いったん塞がると、断続的な曝露を想定して設計された詳細部が、恒常的な水分貯留部となることがある。同様の故障は、床版の継手から桁上に漏水する場合、パラペットが塩分を含む流水をフランジ上へ導く場合、またはシーリング材の継手が分離して鋼板の裏側へ水を侵入させる場合にも生じる。

周辺大気も変化する可能性がある。ISO 9223:2012は、標準試験片の1年目の腐食速度を用いて大気腐食性を分類し、温度と湿度、二酸化硫黄汚染、および空気中の塩分濃度を主要因子として特定している。構造物の建設時には許容可能であった場所でも、道路への散布塩量が増えた場合、港湾が拡張された場合、工業プロセスが変化した場合、または交通量が増えて汚染物質の付着が増加した場合には、より腐食性の高い環境になることがある。ASTM G101-04(2010)は、短期曝露データから長期的な大気腐食損失を推定する方法、および化学組成から低合金鋼の相対的な大気腐食抵抗性を推定する方法を示しているが、組成の推定値を、構造物上のすべての詳細部に対する保証へと変えるものではない。

孔食は、平均的な板厚減少からは、はるかに小さい局所断面が見えなくなる可能性があるため、特に懸念される。FHWAの疲労指針は、孔食を理由として、AASHTOが平滑な無塗装耐候性鋼の母材に対し、同等の非耐候性鋼より1段階低い疲労カテゴリーを割り当てていると報告している。この低減は、全般的な腐食が軽微に見える場合でも、繰り返し応力を受ける部材において重要である。溶接止端、孔、補剛材端部、または接合部の線上にある深い孔食は、単に写真を撮るだけでなく、測定して評価すべきである。

隠れた詳細部および腐食しやすい詳細部の点検

点検計画は、水、堆積物、汚染物質が構造物内を移動する経路に沿って策定すべきである。継手、継手部、支承部周辺、フランジの形状変化部、補剛材の終端、ウェブ貫通部、ボルト接合部は、排水を妨げたり隙間を形成したりするため、優先的に点検する必要がある。継手板や接合アングルの下側、ガセットプレートの裏側、ボルト頭部とナットの周囲、ならびに密閉または部分的に密閉された部材の端部を確認する。隠れた表面は、露出面から判断することができない。

補剛材は、堆積物を集めて乾燥を妨げる狭い流路を形成することがある。その端部については、滞留水、不完全な溶接、溶接部の隙間、さびによる押し上げを確認すべきである。断続溶接部や、溶接されていない接触線では、毛管作用によって電解質が保持されることがある。水平な張出し面については、土砂や植物の繁茂を確認すべきであり、これらはいずれも湿潤時間を長くする。接近が制限される場合、点検には鏡、ボアスコープ、超音波板厚測定、または慎重に選定した局所的な清掃が必要になることがある。腐食機構を記録する前に証拠を除去しないよう、清掃には注意しなければならない。

異種金属を含む接合部には注意が必要である。耐候性鋼の部材が、導電性のある湿潤膜の下でステンレス鋼、亜鉛めっき鋼、アルミニウム、または別の金属と接触すると、ガルバニック作用によって腐食が局所的に集中することがある。締結材は、指定された鋼材および曝露条件と適合していなければならず、塗装または絶縁システムは接触界面で有効な状態を維持しなければならない。耐候性鋼の保護性さび層が存在していても、適合しない金属の組合せが保護されるわけではない。

埋設部、水中部、または恒常的に湿潤している場所は、通常の大気曝露表面ではなく、個別の曝露条件として扱うべきである。土壌との接触、漏洩するユーティリティ、箱形断面内部の結露、飛沫帯では、保護性さび層の形成に必要な乾燥サイクルが妨げられることがある。2015年に発行されたSCI Guidance Note 1.07は、恒常的に濡れている、または湿潤している環境、高濃度の塩化物または塩水噴霧への曝露、濃縮された工業ガス、ならびに埋設条件を、無塗装耐候性鋼にとって不適切または用途が制限される条件として特定している。

点検では、現在の条件を当初の設計基準と比較すべきである。記録には、腐食形態、孔食深さ、影響範囲、排水状態、汚染物質または塩化物の供給源、ならびにひび割れや変形の変化を記載すべきである。疲労に敏感な詳細部が存在する場合、均一な目視調査だけでは不十分である。

当初設計の一部としての維持管理条件

維持管理のための接近性および清掃設備は、腐食が発生した後に追加するのではなく、製作前に規定しなければならない。設計者は、点検および清掃が可能な排水孔、平坦な水たまりを生じさせない勾配、堆積物による橋渡しを避けるのに十分な幅の隙間、ならびに閉鎖空間内で水分が結露する可能性がある場合の換気を確保すべきである。詳細図には、水が継手からどのように排出され、どこへ流れるかを示すべきである。流水が別の腐食しやすい表面へ向かう場合、名目上の開口部が存在するだけでは排水対策とはいえない。

選定した鋼材の種類と曝露区分も、引き続き関連付けておかなければならない。FHWAの指針は、無塗装耐候性鋼を選定する前に、現場固有の湿潤時間、塩化物曝露、工業汚染物質、排水、形状、および維持管理条件を評価することを求めている。従来の耐候性鋼の化学成分設計では、マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、銅、モリブデン、リンが重視される。2011年に公表されたFHWAの研究では、ほとんどの耐候性鋼のASTM G101腐食指数は6～7の範囲にあった一方、改良耐食鋼の研究では、塩化物を含む大気中で大幅に優れた性能を得るため、9.5前後またはそれ以上の値が目標とされた。この結果は、スクリーニングおよび材料選定を裏付けるものであって、排水不良を容認するものではない。

維持管理計画には、誰が排水孔の清掃、堆積物の除去、漏水の確認、孔食測定値の記録、損傷した詳細部の補修を行うのかを明記すべきである。また、技術的な再検討を開始する条件として、持続的な湿潤、新たな塩化物曝露、浮き上がりまたは層状剥離を起こすさび、予期しない断面欠損、疲労に敏感な詳細部の腐食、あるいは大気曝露から埋設または飛沫曝露への条件変化を定めるべきである。補修には、排水の復旧、ガルバニック対の絶縁、損傷鋼材の交換、漏水の封止、または局所的な塗装の適用などが含まれる場合がある。目視上さびた表面について、水分源を除去せずに塗装しても、通常は故障を隠すだけで、腐食を止めることにはならない。

供用中に、当初の設計想定が成立しなくなることがある。保護性さび層は、条件に依存して形成される腐食生成物であり、恒久的な塗膜ではない。点検と維持管理によって、鋼材、形状、および疲労設計が想定された範囲内に環境条件を維持することができる。

実用的な大気腐食設計ワークフロー

無塗装の耐候性鋼は、鋼種名や想定されるパティナの色だけで選定するのではなく、現地条件、材料およびディテールに関する一連の判断を通じて選定すべきである。この合金は、適切な乾湿交番環境下で、比較的緻密で密着性の高いさび層を形成するよう設計されている。この層はその後の腐食を低減し得るが、自動的かつ恒久的な塗膜ではない。継続的な湿潤、塩分の堆積、産業汚染、排水不良、または風雨から遮蔽された狭隘部では、不均一な表面皮膜の下で腐食が継続する可能性がある。

このワークフローは鋼種の選定前に開始し、点検計画の策定まで継続すべきである。ISO 9223:2012は大気腐食性の枠組みを示し、FHWAの指針は、分類だけでは回答できない現地固有の問題を補足している。

大気を分類し、汚染物質を特定する

まず、地域の気候データだけに依拠せず、鋼材表面における温度および湿度の変動パターンを把握する。季節ごとの温度、相対湿度、降雨、結露、霧、凍結融解サイクル、ならびに表面が目視または微視的に濡れた状態を維持する期間を記録する。ISO 9223:2012は、温度・湿度の影響、二酸化硫黄汚染、および空気中の塩分を主要な大気要因として扱い、標準試験片で測定した初年度の腐食速度を用いて腐食性を分類している。その結果得られるカテゴリーは比較には有用であるが、構造物上のすべての遮蔽されたフランジ、継手、または排水経路を説明するものではない。

濡れ時間は、気候と腐食を結び付ける実務上の橋渡しとなる。降雨後1時間以内に乾燥する部材は、継手板の下に数日間水が滞留する部材とは異なる曝露を受ける。直接降雨、飛沫、結露、霧、漏水する継手、雪の堆積、および洗浄水など、想定される濡れのメカニズムを調査する。次に、風、日射による加熱、囲い、または隣接面によって乾燥が促進されるのか、それとも妨げられるのかを確認する。

塩分については、現地が「海岸付近」であるという記述だけでは不十分である。海岸線からの距離、卓越風向、波または砕波への曝露、塩分を含む飛沫、凍結防止塩の使用、ならびに汚染された流出水の可能性を把握する。平均的な空気中濃度が中程度であっても、塩化物は水平な張り出し部や狭隘部に蓄積する可能性がある。凍結防止塩が散布される道路上の橋梁では、上面よりも下フランジの方が深刻な塩化物問題にさらされることがある。

二酸化硫黄その他の汚染物質についても、発生源に基づく評価が必要である。交通量の多い道路、燃焼設備、化学処理施設、金属処理施設、肥料保管施設、ならびに閉鎖的な産業排出源を地図化する。二酸化硫黄は電解質の酸性度を高め、さび層の形成過程を変化させる可能性がある。粉じんは水分や汚染物質を保持し、すすや工程由来の堆積物は局所的に腐食性の高い電池を形成することがある。短時間であっても反復する汚染物質の流入が遮蔽されたディテールに影響を及ぼし得るため、排出が連続的、季節的、または突発的なものかを確認する。

したがって、ISOカテゴリーは、測定または推定された塩化物の沈着量、二酸化硫黄濃度、濡れ時間、および現地の汚染物質発生源と併記して記録すべきである。ASTM G101-04(2010)は、短期曝露データから長期的な大気腐食減量を推定でき、低合金鋼の化学成分から相対的な耐食性を推定することもできる。これは計算方法であって、曝露に関する証拠の代替でも、選定した部材が保護性パティナを形成する保証でもない。

材料、形状および曝露条件の組合せを審査する

次に、正確な材料規格、製品形状、および適用される規格を確認する。「耐候性鋼」は材料群を示す表現であり、完全な仕様ではない。橋梁工事ではASTM A709/A709Mの鋼種が適用されることがある一方、その他の構造物では国内の製品規格で定められた呼称が用いられる場合がある。化学成分の規定値、機械的性質、厚さの範囲、溶接要件、および納入状態は、適用される規格の版に適合していなければならない。一般的な鋼種表示が、すべての規格において同一の大気性能を意味すると想定せず、ミルシートおよび溶鋼の化学成分を確認する。

合金設計は重要である。従来の耐候性鋼の化学成分設計では、マンガン、ケイ素、クロム、ニッケル、銅、モリブデン、およびリンが重視されてきた。2009年に公表されたFHWAの研究では、タングステン、チタン、アルミニウム、および希土類元素の添加についても検討された。ASTM G101の指数値はスクリーニング比較に利用できる。FHWAは2011年、ほとんどの耐候性鋼の値が6～7の範囲にある一方、同研究では塩化物を含む大気中で耐食性を大幅に向上させるため、9.5前後またはそれ以上の値を目標としたと報告している。これらの数値は、普遍的な合否基準を定めるものではない。成分、汚染物質への曝露、および塩化物条件を総合的に考慮しなければならない理由を示すものである。

続いて、形状を水管理システムとして検証する。すべての表面に、信頼できる乾燥経路がなければならない。水がたまるポケット、密閉されていない重ね合わせ部、上向きの張り出し部、狭い狭隘部、閉塞した水抜き孔、ならびに落葉、泥、鳥の排泄物などを捕捉するディテールを排除する。確実な排水を設け、閉鎖空間には十分な換気を確保する。水が浸入する一方で蒸発できない継手については、シールするか、その他の方法で保護する。補剛材、継手板、支承部、箱形断面、ガセットプレート、接合アングル、およびコンクリートとの境界には特に注意を払う。

視覚的に魅力的なパティナであっても、隠れた表面が保護されていることの証明にはならない。さびの流出汚れは、安定した領域からの流出を示す場合もあるが、湿潤した継手における断面減少を示す場合もある。同様に、オレンジ、褐色、黒色の色調の違いは、信頼できる性能段階ではなく、曝露履歴、汚染、水分保持、または安定化の未完了を反映している可能性がある。

継続的な湿潤または高湿状態、地中接触、持続的な塩分飛沫、濃厚な産業排ガス、または管理されていない凍結防止塩の飛沫にさらされる用途は、採用を見送るか変更する。SCI Guidance Note 1.07は、これらの条件を無塗装の耐候性鋼には不適または使用制限のある条件として示している。曝露条件を変更できない場合は、塗装系、排水の再設計、腐食代、または別の材料戦略が必要になることがある。

この段階で隣接材料も確認する。銅、黄銅、ステンレス鋼、亜鉛めっき部材、およびアルミニウムは、電解質によって異種金属が接続されると、ガルバニック作用を生じさせる可能性がある。リスクは、面積比、電気的接続、汚染物質濃度、および排水条件によって異なる。必要に応じて異種金属を絶縁し、より貴な金属からの流出水が耐候性鋼にかからないようにし、適合するボルト、ナットおよびワッシャーを指定する。

最後に、腐食を単なる外観上の問題として扱わず、構造上の影響を評価する。孔食は有効断面を減少させ、局部的な応力集中を生じさせる。FHWAの疲労指針によれば、AASHTOは、平滑な無塗装耐候性鋼の母材に対し、同等の非耐候性鋼より一段低い疲労カテゴリーを割り当てている。これは孔食によるものである。したがって、疲労に敏感な橋梁、クレーン部材、振動を受ける支持部、および薄肉部材では、孔食の想定、継手の分類、腐食代、ならびに点検アクセスを明確に定める必要がある。

点検および維持管理の前提を文書化する

設計記録には、無塗装で使用するために維持されなければならない条件を記載する。これには、想定される腐食性カテゴリー、塩化物および二酸化硫黄の条件、濡れ時間の前提、排水性能、換気、パティナの安定化期間、ならびに曝露から除外する区域が含まれる。また、継続的に湿潤する継手や道路からの飛沫を受ける区域など、安定化が期待できない表面も特定する。

初回点検を架設後のいつ実施するか、また、その後の点検間隔を、影響度、曝露条件、および不確実性に応じて定める。初期点検では、全体の色だけを見るのではなく、水分保持、予期しない塩分堆積、流出汚れ、施工損傷、溶接部、狭隘部、および不均一な腐食を調査する。代表箇所および疑わしい箇所で孔食深さと断面減少量を測定し、変化を比較できるよう、写真および固定した基準点を保存する。

維持管理の指示には、堆積物の除去、閉塞した排水設備の復旧、漏水する継手の補修、および汚染物質の堆積物の除去を明記する。洗浄を一律に指示してはならない。排水と乾燥が管理されていなければ、滞留した水によって塩化物が新たな狭隘部へ移動する可能性がある。補修塗装を行う場合は、実際の環境および表面状態に適したものを選定し、塗装範囲と素地調整の要件を文書化する。

記録には、対応開始の判断基準も定めなければならない。例として、継続的な湿潤、塩分汚染の反復、設計上の許容値を超える測定可能な孔食、腐食孔におけるき裂、排水の閉塞、または腐食したディテール付近の疲労損傷が挙げられる。その時点での対応には、排水の是正、局部的な清掃、塗装、板厚測定、載荷評価、または部材交換が含まれ得る。

単一の指数、鋼種表示、腐食カテゴリー、またはパティナの色によって、この評価を代替することはできない。大気腐食に対する耐性は、条件付きの性能である。化学成分、曝露、形状、構造上の要求、および将来の点検が相互に整合している場合にのみ、その設計は許容できる。

参考文献

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