JP2009150193A - エアモルタル打設工法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気含有率の高いエアモルタルでも、モルタル混練物の製造プラントから例えば１ｋｍを超えるような遠方の打設現場において、連続的に安定して打設することが可能な技術を提供する。更にその打設に際してエアモルタルの品質を一定に保つことを容易にする技術を提供する。
【解決手段】管路内を圧送されてくるベースモルタルと、気泡とを「混合器」によって混合して連続的にエアモルタルを生成させ、これを管路によって打設箇所に供給するに際し、
前記混合器として、圧送されてくるベースモルタルの流れの中に、その流動方向への流動力を付加するように気泡を吐出させてベースモルタルと合流させる「合流機構」と、合流した流動物を撹拌混合する「撹拌機構」を有するものを使用する、エアモルタル打設工法。
【選択図】図１

Description

エアモルタルはトンネル内の充填材や、盛土工事における軽量盛土などに使用されている。本発明は、エアモルタルを打設するための工法に関する。

本明細書でいう「エアモルタル」は、特に断らない限り打設前の混練物の状態のものを意味する。エアモルタル中には気泡が存在しており、硬化後には気泡に由来する空隙を内部に有する硬化体が形成される。「ベースモルタル」はエアモルタルを作るための素材モルタルの混練物であり、界面活性剤を含んだ起泡剤の溶液に空気を吹き込むことによって形成された気泡と、ベースモルタルとを混合することによってエアモルタルが得られる。

エアモルタルの代表的な用途として、シールド工法や推進工法、山岳工法で構築されたトンネル内にガス管などの配管を埋設する場合の、配管とトンネルの空隙を埋めるための充填材料用途が挙げられる。従来、このような用途ではトンネルの坑口にプラントを設置してエアモルタルを作製し、これを坑内に圧送して打設するのが一般的である。ただし、エアモルタルを圧送すると内部の気泡が潰れたり材料分離が生じたりしやすいことから、１００ｍを超えるような距離を圧送するエアモルタルでは、空気含有率（発泡率あるいは気泡率と呼ばれることもある）は６０体積％程度までしか上げられないのが通常である。ガス埋設管の充填材などでは優れた透気性を確保する必要性から、より高い空気含有率（例えば６５体積％以上）のエアモルタルを適用することが望まれている。

最近では安定性の高い気泡が得られる起泡剤が開発され、７０体積％程度の高い空気含有率を有するエアモルタルを圧送することが可能になってきた。しかし、エアモルタルは本来粘性が高く、圧縮性の材料であることから、空気含有率の高いエアモルタルについて１ｋｍを超えるような長距離の圧送を行うことは非常に困難である。

特開平９−２３５１５１号公報 特開２００４−１３１９３２号公報 特開２００４−３５３２７６号公報

本発明は、空気含有率の高いエアモルタルでも、モルタル混練物の製造プラントから例えば１ｋｍを超えるような遠方の打設現場において、連続的に安定して打設することが可能な技術を提供すること、更にその打設に際してエアモルタルの品質を一定に保つことを容易にする技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく本発明者らは、ベースモルタルを打設現場近くまで長距離圧送した後、気泡と混合して連続的にエアモルタルを形成させ、これを打設する工法を採用することを種々試みた。しかしながら、ベースモルタルの長距離圧送を継続しながら、そのライン延長上で連続的に気泡を均一に混合させることは容易でないことがわかった。その大きな要因として混合時に生じる圧力損失（圧損）が考えられた。

そこで詳細な検討の結果、以下のような手法によりこの問題は大幅に軽減されることがわかった。すなわち本発明では、
管路内を圧送されてくるベースモルタルと、気泡を「混合器」によって混合して連続的にエアモルタルを生成させ、これを管路によって打設箇所に供給するに際し、
前記混合器として、圧送されてくるベースモルタルの流れの中に、その流動方向への流動力を付加するように気泡を吐出させてベースモルタルと合流させる「合流機構」と、合流した流動物を撹拌混合する「撹拌機構」を有するものを使用する、エアモルタル打設工法が提供される。

前記混合器の合流機構としては、ベースモルタルが流れる管路の内部に、周囲をベースモルタルが流れるように配置した管の開口端から気泡を吐出するタイプのものが好適な対象となる。また、前記混合器の撹拌機構としては、流動物をせん断する障害部材を有し、合流した流動物の流動力を利用して前記障害部材によって当該流動物を撹拌混合するタイプのものが適用できる。

また、連続的に生成させるエアモルタルの空気含有率を許容範囲に安定して維持するために有効な手法として、上記のエアモルタル打設工法において、少なくとも、管路内を流れるエアモルタルの流量Ｑ₀およびゲージ圧Ｐ₀を測定し、これらの測定値を用いて打設箇所に供給されるエアモルタルの空気含有率（体積％）を推定し、空気含有率の前記推定値が設定目標範囲を外れる場合に、その目標範囲となるように混合器に導入されるベースモルタル流量Ｑｂと気泡流量の比率を調整する操作を行う手法が提供される。

特にエアモルタルの空気含有率を精度良くコントロールするために有効な手法として、上記のエアモルタル打設工法において、起泡剤溶液と空気を混合して気泡を発生させる「発泡器」を前記混合器の前段に配置し、少なくとも、管路内を流れるエアモルタルの流量Ｑ₀およびゲージ圧Ｐ₀、混合器に導入されるベースモルタルの流量Ｑｂの３項目あるいはさらに発泡器に導入される起泡剤溶液の流量Ｑｋを含めた４項目をモニターして、これらの測定値を用いて打設箇所に供給されるエアモルタルの空気含有率（体積％）を推定し、空気含有率の前記推定値が目標値に近づくように、少なくとも発泡器に送り込む空気の流量Ｑａを調整する自動制御をリアルタイムで行う手法が提供される。

本発明によれば、長距離を圧送してきたベースモルタルを用いて打設現場近くでエアモルタルを連続的に製造することが可能であり、以下のようなメリットが得られる。
（１）ベースモルタルの状態で長距離圧送するので、従来は困難であったモルタルプラントから数ｋｍあるいは１０ｋｍ以上と非常に離れた位置での打設が可能となる。
（２）エアモルタルとしての圧送距離を短くすることができるので、エアモルタルの材料劣化が大幅に軽減される。このため空気含有率が例えば６５％以上と高いエアモルタルでも長大トンネルの打設現場に適用できる。
（３）エアモルタルの空気含有率の変動が小さくなるようにコントロールすることが可能であり、ベースモルタル圧送開始初期の脈動や、温度等による圧送中の圧損変動が生じた場合でも、より品質の安定したエアモルタルを打設することができる。
（４）本発明に規定される混合器を用いると、混合性が向上し、気泡の均質性の面でも品質が向上する。

図１に、本発明の工法を適用する場合の代表的なライン構成を例示する。ラインは大きくＡ〜Ｄの４つのセクションに分けることができる。
セクションＡは、打設箇所から離れた位置でベースモルタルを作り、送り出す部分である。ベースモルタルプラント１１でセメント、骨材、水等の原料を調合してベースモルタルの混練物を作り、それをポンプ１２によってベースモルタル管路１３の中へ送り出す。打設箇所がトンネル内である場合、セクションＡは通常、トンネルの坑口付近に設けられる。

セクションＢは、セクションでＡから送り出されたベースモルタルを打設箇所の近くまで圧送するパイプラインの役割を担う。そのパイプラインはベースモルタル管路１３を主体とするが、パイプライン延長が例えば数１００ｍ以上と長い場合は、途中にベースモルタルを撹拌するアジテータ１４、再度圧送力を付与する中継ポンプ１５が、１組または２組以上設けられる。長距離圧送性に特に優れた組成のベースモルタルを使用すれば、セクションＢのパイプライン長は数ｋｍ以上あるいは１０ｋｍ以上にも延長することが可能である。

セクションＣは、打設箇所の近くにおいて、圧送されてきたベースモルタルと気泡を混合して連続的にエアモルタルを生成させるところである。発泡器２４と混合器１７を備えている。発泡器２４は起泡剤溶液に空気を吹き込んで気泡を生成させるものである。起泡剤溶液は起泡剤（界面活性剤主体の原液）を水で稀釈したものであり、起泡剤溶液タンク２１から添加ポンプ２２によって発泡器２４に送られる。空気はエアコンプレッサ２５で作った圧縮空気を空気流量調整弁２８により適度に減圧したのち、発泡器２４に送られる。発泡器２４によって作られた気泡は気泡管路２９を通り混合器１７に連続的に導入される。一方、圧送されてきたベースモルタルも混合器１７に連続的に導入され、ベースモルタルと気泡が混合される。このようにして得られたエアモルタルは、連続的にエアモルタル管路２０の中へ圧送される。

セクションＤは、打設箇所である。混合器１７を打設箇所５０の近くに設置しているので、エアモルタル管路２０のライン長は概ね１００ｍ以内と短くすることができる。このため圧送中に気泡が潰れにくく、品質の良いエアモルタルが打設箇所に連続的に供給される。

本発明の打設工法は特にセクションＣでの「混合」に特徴がある。具体的には混合器の構成、さらには気泡含有率のコントロールに特徴がある。以下これらについて説明する。

〔混合器〕
本発明で適用する混合器１７は、前段にベースモルタルと気泡を合流させる「合流機構」を有し、そのすぐ後段に合流した流動物を撹拌混合する「撹拌機構」を有するものである。

合流機構は、圧送されてくるベースモルタルの流れの中に、その流動方向への流動力を付加するように気泡を吐出させる構造になっている。この付加された流動力（推進力）によって、気泡が混合されたことに起因する新たな圧損、すなわち、エアモルタルとベースモルタルの流動抵抗の差による圧損と、後段の撹拌機構で必然的に生じる圧損のかなりの部分が相殺される。

このような合流機構の構造としては、ベースモルタルが流れる管路の内部に、周囲をベースモルタルが流れるように配置した管の開口端から気泡を吐出するタイプのものが好適である。つまり、ベースモルタルが流れる管の壁面に設けられた吐出口からではなく、ベースモルタルが流れる管の内部にある別の管の開口端を吐出口として、ベースモルタルの流れにほぼ一致する方向に気泡を吹き込むことが望ましい。そうすることにより、気泡の吹き込みによる加圧力がベースモルタルに効率良く伝達され、合流した流動物（まだ十分に混合されていない状態のベースモルタル＋気泡）としての流動力増大に大きく寄与する。より具体的には、二重管構造とすることができる。

次に撹拌機構の構造としては、上記合流した流動物をせん断する障害部材を管路内に有し、合流した流動物の「流動力」を利用して前記障害部材によって当該流動物を撹拌混合する構造が好適に採用できる。障害部材は例えばフィン状の邪魔板などであり、これを管路の流路方向に複数設置することによって流動物が流れる間に撹拌混合されるようにする。障害部材自体を回転等させても構わないが、その場合は機構が複雑になる。そこで、障害部材は固定しておき、流動物の流動力（圧送されてきたベースモルタルの推進力＋合流機構で吹き込まれた気泡による推進力）を利用して、流動物を障害部材によってせん断し、ベースモルタルと気泡を均一化することが望ましい。前段の合流機構で流動力が付与されているので、障害部材であるフィンの数を増やすなど、流動抵抗の大きい構造を採用することも容易となる。すなわち、撹拌機構の設計自由度が拡大することによって、より均一性の高いエアモルタルを得ることができる。

図２に、本発明に適用できる混合器の内部構造を模式的に例示する。混合器１は合流機構２の直後に撹拌機構３を有している。合流機構２は、ベースモルタル管路１３の延長上にある外管８の内部に、気泡管路２９から繋がる内管４を内蔵した「二重管構造」になっている。内管４の周囲には、ベースモルタル管路１３から導入されるベースモルタル１０１が流れている。内管４は開口端５を有しており、開口端５から気泡１０２がベースモルタル１０１の流れの方向に勢いよく吐出される。これにより、ベースモルタル１０１に流動力が付与される。

撹拌機構３は、軸棒６に取り付けられた複数のフィン状の障害部材７有している。軸棒６は管体９に固定されており、障害部材７自体は動かない。この混合器は前記合流機構２のすぐ後段に撹拌機構が設けられていることに特徴がある。前記合流機構２で合流して流動力が付与された流動物が、高い流動力を有した状態のまま撹拌機構３に導入される。流動物は、その流動力を利用して複数の障害部材に順次せん断されながら管体９内を進行する過程で撹拌され、ベースモルタル１０１と気泡１０２は均一性の高い状態に混合される。このようにしてエアモルタル１０３が連続的に作られ、エアモルタル管路２０の中へ圧送される。

図３には、ベースモルタルと気泡を連続的に混合する場合に用いられている従来一般的な構造の合流機構を備え、その直後に図２と同様の撹拌機構を有するタイプの混合器の内部構造を模式的に示す。発明者らはこのようなタイプの混合器と、図２のタイプの混合器を用いてエアモルタルの作製実験を種々行ってきた。その結果、例えば、混合器１の管体９の内径を２.５インチ、混合器１につながるベースモルタル管路１３とエアモルタル管路２０の内径をともに２インチ、気泡管路２９の内径を１インチとし、ベースモルタルを１５０Ｌ／ｍｉｎの流量でベースモルタル管路１３から導入し、空気含有率６５体積％のエアモルタルを連続的に作る条件において、混合器１の前後における圧力の差、すなわち混合器１での圧損を調べたところ、図３のタイプ（比較例）では圧損が３ｋｇ／ｃｍ²程度生じた。これに対し図２に示すタイプ（本発明例）では、圧損はほとんどゼロか、あるいはマイナス側となった。

このように、ベースモルタルの流動方向へ流動力を付加するように気泡を吐出させる構造の「合流機構」と、その直後に配置された「撹拌機構」との組合せによって、圧損をほとんど生じさせずにエアモルタルを連続生成させることができる。このような混合器を採用したことによって初めて、打設現場近傍において、長距離を圧送してきたベースモルタルの流動力を利用して高品質のエアモルタルを生成させることが可能になる。

〔気泡含有率のコントロール〕
打設箇所に供給されるエアモルタルの空気含有率は、混合器１７に導入されるベースモルタル流量Ｑｂと気泡流量の比率を調整することによってコントロールすることができる。図１に示されるように、ベースモルタル流量Ｑｂは、例えばベースモルタル管路１３の途中に設けた流量計１６によって把握することができる。ただし、このベースモルタル流量Ｑｂを変動させるにはポンプ１２や中継ポンプ１５の出力を変化させる必要があり、そのような操作を頻繁に行うと特に長距離圧送では脈動が生じやすくなる。このため、ベースモルタル流量Ｑｂは定常状態を保つようにして、気泡管路２９から混合器１７に導入される気泡の流量の方を変化させることによって、ベースモルタル流量Ｑｂと気泡流量の比率を調整する方が制御は容易である。具体的には、空気流量調整弁２８で発泡器２４に送る空気量を調整することにより気泡導入量を変化させることができる。

エアモルタルの空気含有率を適正範囲にコントロールするには、エアモルタル管路２０の中を流れるエアモルタルの流量Ｑ₀およびゲージ圧Ｐ₀を測定することが極めて有効である。これらの値は図１に例示した流量計１８および圧力計１９によって計測される。予め、実際に使用するシステム（セクションＡ〜Ｄの構成）について、エアモルタルの流量Ｑ₀、ゲージ圧Ｐ₀、ポンプ１２あるいは中継ポンプ１５の出力、空気流量調整弁２８の弁開度と、エアモルタル中の空気含有率の相関関係（マップ）を求めておくことにより、エアモルタルの流量Ｑ₀およびゲージ圧Ｐ₀の測定値を用いて打設箇所に供給されるエアモルタルの空気含有率を推定することができる。そして、空気含有率の前記推定値が設定目標範囲を外れる場合に、その目標範囲となるように混合器１７に導入される定常状態のベースモルタル流量Ｑｂと気泡流量の比率を調整する操作を行うことで、エアモルタルの空気含有率をコントロールできる。この場合、オペレーターによる弁開度の手動調整も可能であるが、マップに基づいた弁開度の指示値を出力する自動制御とすることもできる。なお、「エアモルタル中の空気含有率を推定する」とは、空気含有率の値そのものを算出することは必須要件ではなく、空気含有率に対応するパラメータを使用して空気含有率の適否を判断する場合を含む。

エアモルタルの空気含有率をより精度良くコントロールするためには、前記のエアモルタル流量Ｑ₀、ゲージ圧Ｐ₀に加え、実際に混合器１７に導入されているベースモルタル流量Ｑｂを測定することが好ましい。これにより、ベースモルタル流量Ｑｂに応じて、気泡流量を調整することが可能になり、ベースモルタル流量が定常状態でない場合、例えばベースモルタル圧送開始初期に脈動が生じている場合や、温度等による圧送中の圧損変動が生じた場合でも、エアモルタルの空気含有率をコントロールすることが可能になる。

発明者らはさらに安定した制御を行うために種々検討したところ、エアモルタルの流量Ｑ₀、ゲージ圧Ｐ₀、ベースモルタル流量Ｑｂの３項目に加え、発泡器１７に導入される起泡剤溶液流量Ｑｋを測定することが極めて有利であることを見出した。すなわち、この４項目の実測データを使うと、下記（１）式により直接、エアモルタル中の空気含有率を算出することができ、システム毎に固有の相関関係を求めておくことは必ずしも必要ではなく、極めて汎用性の高い制御が可能になる。
空気含有率（Ｖｏｌ.％）＝［｛Ｑ₀−（Ｑｂ＋Ｑｋ）｝×（１＋Ｐ₀）］／｛Ｑ₀（１＋Ｐ₀）−（Ｑｂ＋Ｑｋ）Ｐ₀｝×１００ ……（１）
ここで、
Ｑ₀： エアモルタル管路２０を流れるエアモルタルの流量（Ｌ／ｍｉｎ）
Ｑｂ： 混合器１７に導入されるベースモルタル流量（Ｌ／ｍｉｎ）
Ｑｋ： 発泡器２４に導入される起泡剤溶液流量（Ｌ／ｍｉｎ）
Ｐ₀： エアモルタル管路２０を流れるエアモルタルのゲージ圧（ａｔｍ）

上記（１）式により、打設箇所に供給されるエアモルタル中の空気含有率を精度良く推定することができる。この推定値が目標値より低い場合には発泡器２４に送る空気の流量を調整する空気流量調整弁２８の開度を大きくし、逆に上記推定値が目標値より高い場合には空気流量調整弁２８の開度を小さくする、という操作を加えることにより、リアルタイムでエアモルタル中の空気含有率を精度良くコントロールすることができる。

実際には、空気流量調整弁２８に比例弁を用いて、自動制御化することが望ましい。その場合、図１に例示されるように、セクションＣに制御盤４０を設け、Ｑ₀、Ｑｂ、ＱｋおよびＰ₀をそれぞれ流量計１８、流量計１６、流量計２３および圧力計１９により連続的または定期的に測定し、それらの測定値を制御盤４０でモニターし、制御盤４０に内蔵される演算装置で（１）式に基づいてエアモルタル中の空気含有率を推定する。そして、その推定値が目標値に近づくように空気流量調整弁２８の開度を自動制御によりリアルタイムで調整する。なお、「エアモルタル中の空気含有率を推定する」とは、必ずしも（１）式等により空気含有率の値そのものを算出することは必須要件ではなく、空気含有率に対応するパラメータを使用して演算処理しても構わない。

空気流量調整弁２８の開度を調整するだけではなく、さらに添加ポンプ２２の出力を調整することにより発泡器２４に送られる起泡剤溶液の流量Ｑｋを変化させる動作を自動制御に加えてもよい。この場合は、例えば流量計２６による空気流量Ｑａおよび圧力計２７によるゲージ圧Ｐａをモニターし、これらを空気流量調整弁２８の開度調整に反映させることが有効である。さらには、制御盤４０とポンプ１２、アジテータ１４、中継ポンプ１５をつないでこれらの出力を調整することによりベースモルタル流量Ｑｂを変化させる動作を自動制御に加えてもよい。制御手法としては、ＰＩＤ等のフィードバック制御が利用できる。予め得られているマップ（マトリックス）を参照して指示値を出力する制御と、適宜組み合わせることもできる。

〔ベースモルタル〕
ベースモルタルとしては、長距離圧送性に優れた公知の各種モルタルが使用できる。
〔起泡剤〕
起泡剤としては、従来のエアモルタルに使用されている種々のものが適用可能であるが、空気含有率が例えば６５体積％以上と高いエアモルタルを作製する場合は、気泡安定性に優れた界面活性剤を含むタイプの起泡剤を使用することが望まれる。例えば、アミンオキサイド型界面活性剤、フッ素系界面活性剤の一方または双方を配合する起泡剤が挙げられる。なかでもアミンオキサイド型ノニオン系界面活性剤を成分とする起泡剤が好適である。起泡剤は、水で稀釈して起泡剤溶液とし、この溶液に空気を吹き込んで気泡を形成させる。

本発明の工法を適用する場合の代表的なライン構成を例示した図。 本発明に適用できる混合器の内部構造を模式的に例示した図。 合流機構に一般的な手法を採用した混合器の内部構造を模式的に例示した図。

符号の説明

１ 混合器
２ 合流機構
３ 撹拌機構
４ 内管
５ 開口端
６ 軸棒
７ 障害部材
８ 外管
９ 管体
１０１ ベースモルタル
１０２ 気泡
１０３ エアモルタル

Claims (6)

1. 管路内を圧送されてくるベースモルタルと、気泡とを「混合器」によって混合して連続的にエアモルタルを生成させ、これを管路によって打設箇所に供給するに際し、
   前記混合器として、圧送されてくるベースモルタルの流れの中に、その流動方向への流動力を付加するように気泡を吐出させてベースモルタルと合流させる「合流機構」と、合流した流動物を撹拌混合する「撹拌機構」を有するものを使用する、エアモルタル打設工法。
2. 前記混合器の合流機構は、ベースモルタルが流れる管路の内部に、周囲をベースモルタルが流れるように配置した管の開口端から気泡を吐出するものである、請求項１に記載のエアモルタル打設工法。
3. 前記混合器の撹拌機構は、流動物をせん断する障害部材を有し、合流した流動物の流動力を利用して前記障害部材によって当該流動物を撹拌混合するものである、請求項１または２に記載のエアモルタル打設工法。
4. 少なくとも、管路内を流れるエアモルタルの流量Ｑ₀およびゲージ圧Ｐ₀を測定し、これらの測定値を用いて打設箇所に供給されるエアモルタルの空気含有率（体積％）を推定し、空気含有率の前記推定値が設定目標範囲を外れる場合に、その目標範囲となるように混合器に導入されるベースモルタル流量Ｑｂと気泡流量の比率を調整する操作を行う、請求項１〜３のいずれかに記載のエアモルタル打設工法。
5. 起泡剤溶液と空気を混合して気泡を発生させる「発泡器」を前記混合器の前段に配置し、少なくとも、管路内を流れるエアモルタルの流量Ｑ₀およびゲージ圧Ｐ₀、混合器に導入されるベースモルタルの流量Ｑｂの３項目をモニターして、これらの測定値を用いて打設箇所に供給されるエアモルタルの空気含有率（体積％）を推定し、空気含有率の前記推定値が目標値に近づくように、少なくとも発泡器に送り込む空気の流量Ｑａを調整する自動制御をリアルタイムで行う、請求項１〜３のいずれかに記載のエアモルタル打設工法。
6. 起泡剤溶液と空気を混合して気泡を発生させる「発泡器」を前記混合器の前段に配置し、少なくとも、管路内を流れるエアモルタルの流量Ｑ₀およびゲージ圧Ｐ₀、混合器に導入されるベースモルタルの流量Ｑｂ、発泡器に導入される起泡剤溶液の流量Ｑｋの４項目をモニターして、これらの測定値を用いて打設箇所に供給されるエアモルタルの空気含有率（体積％）を推定し、空気含有率の前記推定値が目標値に近づくように、少なくとも発泡器に送り込む空気の流量Ｑａを調整する自動制御をリアルタイムで行う、請求項１〜３のいずれかに記載のエアモルタル打設工法。

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