JP2006241905A - 熱伝導性材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラインの熱を凍結対象地盤に効率よく伝導することができる熱伝導性材料を提供する。
【解決手段】 地盤凍結工法を行う際、ボーリング孔Ｈに挿入された凍結管１内に循環循環供給されるブラインの熱を地盤に伝熱する伝熱部２を形成する。伝熱部２を形成する材料として、熱伝導性部材が用いられる。熱伝導部材は、粘土やセメントなどの土質材料を主材料とし、この主材料に主材料よりも熱伝導性の高い金属や炭素繊維などの副材料が混入されて形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱伝導性材料に係り、特に、地中に埋設された後、ブラインを凍結管に流通させ、ブラインの冷熱によって地盤を冷却して凍土を造成する際のブラインの冷熱を地盤に伝達する熱伝導性材料に関する。

いわゆる地盤凍結工法などでは、地盤中に凍結管を埋設し、この凍結管内にブライン（不凍液）を循環供給することにより、地盤を凍結させて凍土を造成する。このような凍土の造成の際、凍結管内を流通するブラインの熱（冷熱）を地盤に効率的に伝熱するために、凍結管と地盤との間に熱伝導性材料を設けることがある。

このような熱伝導性材料を設けた地盤凍結工法として、従来、特開２００４−１７６４４７号公報に開示された凍結工法がある。この凍結工法は、地盤に掘削したボーリング孔にチューブを挿入し、このチューブにブラインを流通させるというというものである。また、チューブとボーリング孔との間の空間に熱伝導性が良い材料を充填し、チューブを流通するブラインとボーリング孔との間の熱伝導性を高めるというものである。
特開２００４−１７６４４７号公報

しかし、上記特許文献１に開示された凍結工法では、熱伝導性が良い材料として、砂や砕石などを用いている。熱伝導性が良い材料として、砂や砕石は、空気よりは熱伝導性が高く、その意味で熱伝導性が良いといえるものの、さほど高い熱伝導性を有するものではなかった。

他方、熱伝導性の高い物質として、一般的に金属や繊維材料が知られているが、これらの金属や繊維材料を単にチューブとボーリング孔との間に介在させるだけでは、チューブとボーリング孔との間に空隙が発生してしまい、高い熱伝導性を発揮することが困難となるという問題があった。

そこで、本発明の課題は、ブラインなどの冷熱を凍結対象地盤に効率よく伝導することができる熱伝導性材料を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る熱伝導性材料は、凍結対象地盤に冷熱を供給して凍結対象地盤を凍結するにあたり、凍結対象地盤に供給された冷熱の熱を凍結対象地盤に伝熱する冷媒となる熱伝導性材料であって、土質材料に液体を加えてなる塑性材料を主材料とし、主材料よりも熱伝導率が高い副材料が主材料に混入されていることを特徴とするものである。

本発明に係る熱伝導性材料においては、土質材料に液体を加えてなる塑性材料を主材料とし、この土質材料に熱伝導率が高い副材料を混入している。このような主材料を用いていることにより、凍結対象地盤との間に隙間をほとんど生じさせることなく、主材料を配置できる。また、この主材料に熱伝導率が高い副材料を混入しているので、この副材料の熱伝導率により、熱伝導性材料全体としての熱伝導率を高くすることができる。したがって、凍結対象地盤との間で隙間がほとんどない状態でかつ高い熱伝導率で冷熱体の熱を凍結対象地盤に伝熱することができるので、冷熱を地盤に効率よく伝導することができる。なお、本発明における冷熱は、たとえばブラインや液化窒素などを循環させることなどによって供給することができる。

ここで、副材料が金属材料または炭素材料である態様とすることができる。金属材料または炭素材料は熱伝導性に優れるので、副材料が金属材料または炭素材料であることにより、熱伝導性材料の熱伝導性をさらに良好なものとすることができる。

また、副材料が粉状、粒状、塊状、および繊維状のいずれかの形状とされている態様とすることもできる。副材料がこれらの形状とされていることにより、主材料に対して副材料を均等に混入しやすくすることができる。

さらに、土質材料が膨潤性ベントナイトであり、液体が可塑剤である態様とすることもできる。

このように、土質材料が膨潤性ベントナイトであると、塑性となるために多量の水を必要とすることから、主材料の熱伝導性が低下することが懸念される。そこで、土質材料が膨潤性ベントナイトである場合に、液体が可塑剤であることにより、必要な水分量減少させることができ、もって熱伝導性の低下を防止することができる。なお、本発明の「可塑剤」としては、アルカリ金属塩を含む水溶液、エタノールなどを例示することができる。

また、主材料に固化材、補強繊維材、および増粘材のうちの少なくとも１つが混入されている態様とすることもできる。このように、固化材、補強繊維材、および増粘材のうちの少なくとも１つが混入されていることにより、主材料の強度、ひいては熱伝導性材料の強度を増加させることができる。

なお、本発明にいう「固化材」としては、セメント系固化材、石膏系固化材、薬液系固化材、および酸化マグネシウム系固化材などを例示することができる。また、「繊維材料」としては、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、ポリ塩化ビニルなどを例示することができる。さらに、「増粘材」としては、セルロース誘導体、ポリアクリルアミド類、ポリビニルアルコール、増粘多糖類（グアガム）、β−１，３グルカンなど、コンクリート技術で用いられる一般的な増粘材を例示することができる。

本発明に係る熱伝導性材料によれば、ブラインなどの冷熱を凍結対象地盤に効率よく伝導することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。まず、本発明の実施形態に係る熱伝導性材料を用いた地盤凍結工法について説明する。図１（ａ）は、地盤凍結工法が行われる地盤の平面図、（ｂ）はその側断面図である。

図１に示すように、地盤凍結工法では、凍結対象地盤となる地盤Ｇを凍結するにあたり、ボーリング孔Ｈを掘削した後、このボーリング孔Ｈに凍結管１を配管し、凍結管１内にブラインを循環供給する。このブラインの循環供給を行うことにより、ブラインの冷熱が地盤Ｇに伝熱されて地盤Ｇが凍結させられる。

また、ボーリング孔Ｈの内壁面と凍結管１との間には、熱伝導材料が固化して形成された熱伝導部２が設けられている。熱伝導部２を構成する熱伝導性材料は、土質材料に液体を加えてなる塑性材料を主材料としている。この主材料に主材料よりも熱伝導率が高い副材料が混入されて熱伝導性材料が構成されている。

土質材料としては、たとえばセメント、石灰、粘土、砂等が用いられ、ここではたとえばセメントが用いられる。この土質材料に液体、たとえば水を加えるとともに、副材料を混入する。副材料としては、土質材料よりも熱伝導性の高い材料、たとえば金属材料や炭素材料が用いられ、ここでは金属材料である鉄が用いられる。表１に各種材料の熱伝導率を示す。表１から判るように、鉄、銅、アルミなどの金属は、モルタルやコンクリートよりも高い熱伝導率を示す。

また、副材料の形状としては、粉状、粒状、塊状、繊維状などとされており、ここではたとえば粉状とされている。さらに、熱伝導性材料には、適宜固化材、補強繊維材、および増粘材が混入されている。

この熱伝導性材料は、土質材料に液体を加えてなる塑性材料を主材料としており、この主材料は、固化するまでの間は流動性を維持している。主材料に混入される副材料は、たとえば固形の金属材料となるが、流動性を有する主材料に混入されることにより、主材料にほぼ均等に混合される。

熱伝導部２をボーリング孔Ｈ内に形成する際には、まず、ボーリング孔Ｈ内に凍結管１を配管する。このとき、ボーリング孔Ｈの開口部に凍結管１の開口部を位置し、凍結管１にブラインを循環供給するための供給口をボーリング孔Ｈの開口部に配置する。こうしてボーリング孔Ｈに凍結管１を配管したら、凍結管１を配管したボーリング孔Ｈの余掘り部となるボーリング孔Ｈと凍結管１との間に流動性を有する状態にある熱伝導性材料を流入する。このとき、熱伝導性材料は流動性を有していることから、ボーリング孔Ｈと凍結管１との間に充填され、両者の間の隙間を非常に少ない状態としている。その後、時間の経過とともに熱伝導性材料が固化し、熱伝導部２が形成される。

地盤Ｇを凍結するにあたり、凍結管１内にブラインを循環供給すると、ブラインの熱が熱伝導部２を介して地盤Ｇに伝熱される。ここで、熱伝導部２は、土質材料のほかに熱伝導率が高い副材料が混入された熱伝導性材料によって形成されているので、ブラインの熱を効率よく地盤Ｇに伝達することができる。したがって、地盤Ｇを効率よく凍結させることができ、凍結管１の径を大きくする場合と同等の冷却効果を得ることができる。また、補強繊維材を混入することにより、高いせん断抵抗を発揮させることができる。

次に、本発明に係る熱伝導性材料の熱伝導率について説明する。本発明者らは、土質材料として粘土を用いた場合における従来の熱伝導性材料と本発明に係る熱伝導性材料との熱伝導率とを比較するための実験を行った。この実験では、土質材料として３種類の粘土および副材料として砂鉄を準備し、それらと水との混合比を変えて、それぞれの熱伝導率を計測した。また、従来例として副材料としての砂鉄を混合しない場合についての熱伝導率をも計測した。その結果を表２に示す。

表２から判るように、本発明例に係る熱伝導性材料は、同一の土質材料を用いた比較例と比較すると、すべての例において熱伝導率が高くなるという結果となった。また、凍結管１とボーリング孔Ｈとの間に充填することを考慮すると、固化した後の硬度も重要となるが、表１に示すように、土質材料を変えることにより、高い硬度を得ることができるようになる。さらに、同一の土質材料について、粘土を１とした場合の砂鉄の割合と熱伝導率との関係をまとめた。その結果を図２に示す。図２から判るように、ほとんどの場合において、砂鉄の混合割合が高いほど、熱伝導率を高くすることができた。

また、土質材料として粘土ではなくセメントを用いて、主材料をモルタル状とした例についても熱伝導係数を計測した。その結果を表３に示す。表３においては、本発明例として番号１〜４を付し、比較例には番号５を付している。また、比較例では、土質材料に砂鉄を混入する代わりに、砂を混入した。

表３におけるモルタルバージョンに示されるように、副材料として砂鉄を加えた場合、砂鉄を加えない場合よりも熱伝導係数が高くなっている。このことから、土質材料としてセメントを用いた場合でも、粘土を用いた場合と同様、熱伝導率を高くできることが判った。

このように、本発明に係る熱伝導性材料を用いることにより、高い熱伝導率を発揮することができるので、ブラインの熱を地盤に効率よく伝熱することができる。また、土質材料として粘土（粘性土）を用いることにより、高い止水性、可塑性を発揮することができる。したがって、ボーリング孔Ｈ内への地下水の流入やボーリング孔Ｈの崩落を好適に防止することができる。

また、本発明に係る熱伝導性材料は、凍結工法のほか、地山から湧水が突発的に生じた場合などに迅速に湧水を止める応急止水工法にも好適に用いることができる。以下に、応急止水工法について説明する。図３は、応急止水工法を行う状態を示す模式的斜視図、図４はその側断面図である。

図３および図４に示すように、応急止水工法では、凍結装置１０を用いる。凍結装置１０は、たとえば作業員が止水部位に押し当てて簡易に利用する押し当て式簡易凍結装置である。この凍結装置１０は、直方体形状の本体部１１を有している。本体部１１の内部には、図４に示す冷却管１２が配設されており、本体部１１の上部に設けられた取出口１３から冷却管１２の両端部における供給口および排出口が本体部１１の外部に取り出されている。これらの冷却管１２の供給口および排出口は、図示しないブライン供給装置に接続可能とされている。

また、本体部１１の下面には、止水枠１４が設けられている。止水枠１４は、本体部１１の下面における四辺に沿って形成されており、その止水枠１４の本体部１１とに囲まれるようにした空間が形成される。この止水枠１４の内側辺に接触する形で冷却管１２が配設されており、冷却管１２を流れるブラインの熱は、止水枠１４に直接伝熱される。この止水枠１４を製造する材料として、熱伝導性材料が用いられている。止水枠１４に用いられる熱伝導性材料としては、やはり土質材料に液体を加えてなる塑性材料を主材料とし、主材料よりも熱伝導性が高い副材料が混入されている。また、本体部１１には、図示しない水抜き穴が形成されている。

以上の構成を有する凍結装置１０を用いた応急止水工法について説明する。応急止水工法では、地盤Ｇに湧水が生じた湧水部Ａが発生した場合、この湧水部Ａに凍結装置１０を押し当て、湧水部Ａを止水枠１４で囲むことのよって湧水を一時的に遮る。それと同時に、冷却管１２にブラインを循環供給する。このブラインの熱が止水枠１４を介して地盤Ｇに伝熱され、湧水部Ａの周囲を凍結させることにより、止水枠１４と地盤Ｇとを凍着させて一体化させる。こうして、止水枠１４と地盤Ｇとを一体化させることによって、湧水部Ａから生じる湧水を遮断して止水を図るとともに、地盤Ｇに凍土を形成させる。

ここで、止水を効果的に行うためには、地盤Ｇと止水枠１４との凍着を迅速に行う必要がある。地盤Ｇと止水枠１４とを迅速に凍着させるためには、ブラインの熱を効率的に止水枠１４を解して地盤Ｇに伝熱することが要求される。これに対して、本実施形態に係る止水枠１４には、主材料に熱伝導性が高い副材料が混入された熱伝導性材料が用いられている。このため、地盤Ｇの凍結および地盤Ｇと止水枠１４との凍着を迅速に行うことができる。

また、本発明者らは、止水枠１４と地盤Ｇとの凍着との間の凍着強度を求めるにあたり、−２０℃の条件下における地盤Ｇのせん断応力および直応力との関係を実験により求め。その結果を図５に示す。

図５から判るように、−２０℃の条件下においても、直応力が小さくたとえば上載荷重が０となる場合でも、せん断応力が０．７６Ｎ／ｍｍ２と、比較的大きなせん断応力を有することがわかった。このことから、凍土を造成する通常の温度である−１００℃〜−１２０℃程度の温度よりも高い温度であっても、十分にせん断応力を確保することができることが判った。

（ａ）は、地盤凍結工法が行われる地盤の平面図、（ｂ）はその側断面図である。 粘土を１とした場合の砂鉄の割合と熱伝導係数との関係を示すグラフである。 応急止水工法を行う状態を示す模式的斜視図である。 応急止水工法を行う状態を示す側断面図である。 −２０℃の条件下における地盤Ｇのせん断応力および直応力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…凍結管
２…熱伝導部
１０…凍結装置
１１…本体部
１２…冷却管
１３…取出口
１４…止水枠
Ａ…湧水部
Ｇ…地盤
Ｈ…ボーリング孔

Claims (5)

1. 凍結対象地盤に冷熱を供給して前記凍結対象地盤を凍結するにあたり、前記凍結対象地盤に供給された前記冷熱を前記凍結対象地盤に伝熱する冷媒となる熱伝導性材料であって、
   土質材料に液体を加えてなる塑性材料を主材料とし、前記主材料よりも熱伝導率が高い副材料が前記主材料に混入されていることを特徴とする熱伝導性材料。
2. 前記副材料が金属材料または炭素材料である請求項１に記載の熱伝導性材料。
3. 前記副材料が粉状、粒状、塊状、および繊維状のいずれかの形状とされている請求項１または請求項２に記載の熱伝導性材料。
4. 前記土質材料が膨潤性ベントナイトであり、
   前記液体が可塑剤である請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の熱伝導性材料。
5. 前記主材料に固化材、補強繊維材、および増粘材のうちの少なくとも１つが混入されている請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の熱伝導性材料。
   

Images