デュエルビッツ ボーナスで鋼材内部腐食を非破壊で可視化することに成功

• 普通鋼と合金鋼の鋼材塗膜下腐食状態を非破壊で可視化
• 普通鋼に比べて合金鋼は塗装の耐食性に優れる
• 塗膜下の腐食を抑制する新塗装や新鋼材の開発などへ貢献

現存する橋梁などのインフラ構造物の多くは老朽化し、増大する維持管理コストを低減することが重要課題となっています。
インフラ構造物に利用される鋼材はさびが生じやすく、それを防ぐ手段として塗装が最も広く用いられており、わが国の腐食対策費の約6割を占めています（表1）。しかし、塗装した鋼材は時間経過に伴って、塗膜の欠陥部などから塗膜下の腐食が進行し、塗膜劣化が生じてしまうため、定期的な塗り替えが必要です。塗膜下の腐食を遅らせる塗装や合金鋼などの開発が行われていますが、さらに開発を進めるためには、塗膜下の腐食メカニズムの解明が不可欠です。実際の鉄鋼構造物の塗膜下腐食は、降雨や結露によって塗膜下に水が浸入することで進行します。このため、塗膜下の腐食メカニズムの解明には塗膜下における水の出入りの挙動を観察する必要があります。しかし、従来のX線による検査では水に対する感度が低く、また、鋼材に対しての透過能が不足しているため、塗膜下における水の出入りの挙動を可視化した例はありませんでした。
一方、中性子を利用した中性子イメージング法は、X線に比べて透過力が格段に高く、腐食反応に関係する水の検出能に極めて優れています。ただ、中性子イメージングを行うための中性子源は、大強度陽子加速器施設J-PARCなどに大型装置はあるものの、数が少ないことからリソース不足であるといった難点がありました。そこで、理研の研究グループは、産業界や大学などより多くのユーザーが導入、使用できるように簡易・デュエルビッツ ボーナス化した中性子源システム「RANS」を開発しました（図1）。現在、理研の中性子ビーム技術開発チームは、デュエルビッツ ボーナスの中性子源でありながらもインフラ構造物を非破壊検査で健全性診断が行えるシステムの実現化を目指し、RANSの整備・高度化を行っています。今回、共同研究グループは、日本鉄鋼協会の研究会Ⅰの活動の一環として、RANSを用いた塗膜下の腐食の観察に挑みました。

共同研究グループは、一般的な鋼材である炭素鋼（普通鋼）と塗装用鋼として橋梁に実際に使用されている合金鋼それぞれに対して、RANSによる中性子イメージングを行いました。所定の促進腐食試験^[3]により塗膜に人工的に欠陥を作り、そこを起点にできたふくれを成長させてイメージングを行った結果、普通鋼、合金鋼ともに、塗膜下の可視化に成功しました。まず、自然乾燥状態において、塗膜下で生成したさび成分（水酸化鉄）のほか、さび層の欠陥あるいは塗膜や鋼材界面の残存水に由来するコントラスト（中性子線透過率の減衰）が観察されました（図2）。このコントラストは、普通鋼、合金鋼ともに水に浸たすと強まり、逆に、乾燥させると弱まることが分かりました。これらのコントラストの変化は、塗膜下の水分量の変化を反映したものと考えられます。
さらに、普通鋼と合金鋼の腐食過程に違いがあることも分かりました。普通鋼に比べて合金鋼は、さび分布が細かく、水の出入りが人工的に作った塗膜の欠陥付近だけに局在化し、その他の塗膜下には水が供給されていませんでした（図3）。このことは、普通鋼に比べて合金鋼は塗膜下の腐食が進行しづらく、塗装による耐食性が優れることを示唆しています。

今回、RANSによる中性子イメージングで、水の出入りと関連した普通鋼と合金鋼の塗膜下腐食の可視化に、世界で初めて成功しました。この成果は、従来手法では困難であった塗膜下の腐食状態を非破壊で検査可能になることを示しています。
中性子イメージングによる鋼材の塗膜下腐食の可視化研究の進展によって塗膜下の腐食メカニズムが解明されるだけでなく、塗膜下腐食を抑制する新しい塗装法や新しい鋼材の開発が進み、塗装構造物の長寿命化につながると期待できます。また、橋梁を始め、老朽化が急速に進んでいるインフラ構造物の安全の確保や維持管理コストの低減などもはかれます。
デュエルビッツ ボーナス「RANS」が、鉄鋼研究全般を側面から支える分析ツールとして普及し、手軽に、中性子ならではの特徴を生かした研究アプローチが可能になれば、日本の鉄鋼研究、さらには関連する建築・工業分野などのポテンシャルの向上に結びつくと期待できます。

[1]　研究会Ⅰ　

[2]　RANS

[3]　促進腐食試験