This dissertation proposes a new concept in corrosion modeling approach which is based on the existing scientific corrosion laws and is also verified by experimentation. An enhanced simulation tool has been developed for the coupled effects of mass and energy transport through porous media of reinforced concrete using cutting edge corrosion modeling techniques. A comprehensive enhancement of finite element model for predicting the rate of steel corrosion in concrete structures under the effect of various environmental actions is developed. Deep investigations were concluded for the effects of various environmental actions namely, chloride, temperature, oxygen, carbonation and moisture on corrosion of reinforcing steel in concrete through extensive experimentation and the environmental variables that have been overlooked in the past research works were further explored and understood properly.

A semi-empirical-theoretical approach was adopted for modeling. The enhanced corrosion model being in close agreement with the experiment results predicts the corrosion rate and potential of steel in concrete for the mass and energy transport through porous media with good accuracy and precision. Influential parameters on prediction of corrosion in RC structures involving the severe environmental loadings are experimentally determined and numerically discussed through parametric study. Appropriate parameters for material modeling of corrosion on the basis of present computational scheme are successfully identified.

Chloride induced corrosion model is enhanced by revising chloride-tafel parameters and re-defining boundary conditions with more clear and conceptual physical meanings. The temperature induced corrosion model was extended from normal constant temperature to variable temperature environmental conditions. For this purpose a detailed and most appropriate numerical methodology has been developed for the application of Arrhenius Law within the frame structure of Tafel's Law based on activation energy calculations. This semi-empirical-analytical calculation methodology is rather new and has not been adopted so far in the previous research works. Yet, it is interesting to note here that the overall Arrhenius plot method used for parameter identification is in accordance to what has been done in the past. The model being in close agreement with the experiment results predicts the corrosion rate and potential for the effect of temperature with good accuracy and precision.

This research also aims at investigation of the influence of coupled effect of limited oxygen and moisture diffusion on the corrosion process of RC structures under various defined conditions qualitatively as well as quantitatively for which the previous research data is limited. A series of experiments was conducted in this research to deal with the coupled effect of oxygen and moisture on corrosion. Altogether, 100 so-called "concrete corrosion cells", i. e. reinforced concrete specimens with locally separated as well as fused together anode-cathode steel bars and different concrete compositions (W/C, concrete cover and chloride concentration) as well as four different environmental conditions (air dry, submerged, 95% R.H and alternating wetting-drying) have been used for the laboratory tests. The experimental measurements consist of oxygen consumption rate, cathodic current density, half-cell potential and gravimetric corrosion mass loss. The following facts and figures were obtained from the experiment results.

The diffusion of oxygen is a vital limiting factor for corrosion only when the concrete is either submerged under water or is in high relative humidity environment. It was found that concrete cover does not affect the penetration of oxygen in normal dry air conditions. In case of wetting/drying cyclic exposure conditions, the experiment results are variable case by case and depend on the relative relation between the concrete cover and wetting drying cycle duration. The half-cell potential values for specimens submerged under water and having low to medium chloride concentration rise suddenly on the negative side after the specimens are submerged and then falls gradually until it gets constant but still remains much higher than the air dry value. Therefore, it can be said that the underwater potential measurements are not the true representative values of corrosion and should be re-calibrated using the experiment results of this dissertation. Using the experiment results (half-cell potential, gravimetric corrosion mass loss, macro-cell corrosion current and oxygen consumption rate) and a simplified equivalent electro-chemical oxygen diffusion controlled model, it was possible to calculate the influence of oxygen on the corrosion rate of the reinforcement under defined conditions. The modeling task has been incorporated by the use of concrete durability model 'DuCOM' developed by our research group at The University of Tokyo as a finite element computational approach on which the corrosion based reinforced concrete performance and quality at early age and throughout the life of concrete structure is being examined in both space and time domains for the effect W/C, concrete cover, chloride concentration, temperature, carbonation and various environmental humidity conditions. In this thermodynamic approach, reinforced concrete is treated as a composite material consisting of growing micro-scale pores in geometry, which governs basic mechanical and physical features of concrete with respect to long-term durability. On this line, the electro-chemical modeling of concrete forms the fundamental core of the theoretical approach to achieve both the scientific knowledge and engineering simulations of altering materials.

The experimental half-cell potential values of corroding rebars in concrete fluctuate with the time and depth of carbonation due to increase in resistivity and reduction in the electrolytic conductivity. The carbonation induced corrosion model can predict the behavior of corrosion for air dry relative humidity conditions. The model also shows fair qualitative simulation for various pH levels.

Summarizing the all above it can be concluded that in this dissertation, chloride induced corrosion model is enhanced, temperature induced corrosion model is developed, carbonation induced corrosion model is verified and modeling for the effect of oxygen on corrosion is investigated for authenticity by carrying out very original multi-variable experiments exploring maximum possible scenarios.

コンクリート構造物の耐久性を大きく損なう現象に鋼材腐食現象がある。アルカリ性を有するコンクリートは、内部の鋼材表面に不動態皮膜を形成させ、通常環境では腐食進行から保護しているが、一旦内部に塩化物イオンなどが浸透すると、それまで安定して存在していた不動態皮膜は破壊され鋼材腐食が開始される。海用から水や融雪剤などの作用を受ける場合、塩化物イオンの浸透に伴う鋼材腐食により構造物の寿命が大きく左右されるのである。近年、コンクリート構造物の耐久性能照査の枠組みが、国内外の設計コードにおいて整いつつある。例えば2007年に改訂されたコンクリート標準示方書【設計編】では、構造物内部の腐食発生を限界状態として設定し、中性化ならびに塩化物イオン浸透に起因する腐食発生に対する照査を明示するに至っている。中性化深さが鋼材位置に達しないこと、または鋼材位置の塩化物イオン濃度が規定量に達しないことで構造物の耐久性を担保しているが、鋼材腐食発生を限界状態としているため極めて大きいかぶり厚が要求されるなど、過度に安全側の評価になっているとの問題点が指摘されている。従って、任意の使用材料、配合、部材断面寸法・形状、あるいは様々な環境条件のもとで、鋼材腐食速度を予測する精度の高い一般化手法が照査技術として設計において強く求められている現状にある。本博士論文は、系統的な実験を通じて、温度、塩化物イオン濃度、空隙水pHならびに酸素供給量によって変化する鋼材腐食速度を定量的に捉え、熱力学・電気化学理論に基づく既存の鋼材腐食モデルを修正することによって、一般性の高い数値解析手法の提案に成功したものである。

本研究で得られた第一の成果として、塩化物イオンならびに系内の温度に強く影響を受ける鋼材腐食速度を与える数理モデルの高度化に成功した点が挙げられる。既存モデルでは、塩化物イオンの増加に伴いアノード側のTafel勾配が減少することのみで腐食速度の増大を表現していたが、塩化物イオンの増大に伴いアノード側の電位が減少することを新たにモデルに組み入れ、高塩化物イオン濃度領域(結合材に対して5.0質量%以上)を含む広範囲な条件に適用可能な数理モデルの提案に成功した。更に、20℃、40℃、60℃の三水準で実施した実験結果をベースとして、交換腐食電流密度にアーレニウス則に基づく温度依存型モデルを組み入れた鋼材腐食予測モデルの提案にも成功している。中東地域あるいは東南アジアなど、熱帯地域における鋼材腐食の進行が早いことが広く知られているが、温度依存性を適切に考慮可能な予測手法が提案されたことで、広範な地域・条件に対して鋼材腐食照査が可能となった工学的意義は大きい。

第二の成果として、コンクリートの配合、かぶり厚、内在塩分量および水分に関する境界条件を体系的に変化させ、腐食電位、鋼材腐食速度、ならびに半年、1年後の腐食減量を測定することで、酸素供給量と鋼材腐食速度の関連を明らかにしたことが挙げられる。鋼材腐食現象が酸素供給で決定される反応か否か(酸素拡散律速反応か否か)については、現時点において未だ定説をみない論点である。本研究では、酸素拡散現象と鋼材腐食の関連を、マイクロ~ナノメートルの寸法を有する空隙構造、空隙内部の含水状態、あるいは微細構造の酸素拡散現象に着目し、酸素供給と酸素消費(鋼材腐食速度)の両者のバランスを、実験的に見ることによって明らかにしたものである。かぶり厚や配合といった巨視的な工学的パラメータのみで現象を捉えるのではなく、常時水中浸漬、95%RH暴露、乾湿繰り返し、および常時室内設置といった4種類の環境条件に暴露し、系内の酸素供給量を制御することで酸素拡散律速の条件を抽出した点に、大きな学術上の価値が認められる。更に、水分平衡・移動モデル、空隙構造形成モデル、酸素拡散移動モデルと連成させた鋼材腐食進行解析により、実験結果との比較検討を行っている。氏の提案するモデルは概ね現象を追従しており、鋼材腐食モデルの妥当性が検証された。

第三の成果は、中性化の進行に伴う鋼材腐食現象を実験的に明らかにし、既存モデルとの検証を行ったことである。中性化残りが5mmに達した時点で、腐食電位は卑の方向に移動し腐食の開始を示す結果となった。またpH低下により増大する腐食速度についても解析モデルの検証に資するデータを提供し、モデルの妥当性を示すに至っている。

以上のように本研究では、温度、水分、塩化物イオン濃度、酸素供給量、および空隙水のpHなど、多くの要因によって支配される鋼材腐食進行について、多くの体系だった実験により現象を明らかにし、それに基づく一般化モデルの提案、検証に成功した。工学的な貢献は大きいと認識され、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。