JP2007016570A - 圧送吹付け装置及びその装置に使用する吹付け充填材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 法面などの保護工に使用する吹付け充填材料、及び圧送吹付け装置の安定した強度のある吹付けと、長距離圧送吹付けを行なえるようにする混合材料及び圧送吹付け装置を提供する。
【解決手段】
吹付け充填材料の配合が、セメント対砂の重量比１：３〜１：４未満の混合材であって、これに混ぜ合わせるセメント対水の重量比が、５０％〜５５％の混合吹付け充填材料を吹付け現場まで搬送する、ミキサー車と、材料圧送ポンプからなる圧送装置であり、その管路吐出し口に取付ける多枝状のエア圧送合流管によって、圧送距離２０〜２００ｍ間における拡散圧送途上、骨材にセメント類の界面付着を促進させ圧送圧力０．３〜０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２の圧送空気圧で搬送し、吹付面圧力０．０１〜０．１ＭＰａ／ｍｍ^２での吹付けを行ない、圧力検知による材料流量及び、圧送圧力を自動制御する装置を備え、流量、圧送圧力を自動制御することができる圧送吹付け装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、モルタル、コンクリートによる、長距離エア圧送吹付施工を行なう圧送吹付け装置及びその装置に使用する吹付け充填材料に関する。

圧送吹付装置としては、トンネル一次覆工などを行なう圧送距離２０ｍ内外のナトム工法を代表する湿式吹付機により施工されている。

一方、のり面安定工法などでは、吹付用ガン機で現場製造材料による延長１００ｍ（高さ４５ｍ）範囲の吹付け施工が行なわれているが、延長６０ｍを越えた場合圧送が困難となりセメント砂の重量比１：５以上の配合による吹付け充填を行なうことが多く圧送圧力及び吹付け面に対する吹付け充填圧力など定めもなく、経験により実施されている。また、攪拌不良などによる材料の分離吹付け、バッチ切替え方式では圧力変動が多く、間欠圧送吹付けとなることが多い。

吹付け材料としては、セメント：砂の重量比１：４を基本とし、圧送性の困難な面もあり、いわゆる乾式に近い、セメント：水の重量比４５％程度の湿式による、オールエア圧送方式で吹付用ガン機により施工されている。

特許第２７５７３３５号「エア流動物合流圧送管およびそれを使用する流動物圧送装置およびそれらの使用方法」

特許第３５０２５９８号「流動物圧送吹き付け施工方法」

近年では、法枠充填など吹付け施設物の高強度化、長寿命化が叫ばれ、これに伴う配合強度の向上など吹付け材料の粘性は、益々高まる傾向にあり、そのエア圧送性は困難を極め、自然環境への配慮、施工現場における交通障害の緩和など、当該施工場所より離れた場所からの長距離圧送吹付けが求められることが多い。

吹付充填施工においては、その単位水量、平均粗粒率、セメント配合比などにより亀裂の発生することが多く、更に、流動性により隙間への充填性、補強鉄筋背後の充填性など大きく左右される課題がある。

従来の吹付工法においては、現場配合により吹付材料を製造しこれを吹付ける方法あるいは、ポンプを介して三又管により空気を連行して吹付ける方法などあるが、空気搬送距離において６０ｍ内外とその施工延長範囲は極限られる。

モルタル、コンクリートの練り混ぜ攪拌においては、ＪＩＳ８６０３においてその練り混ぜ時間が規制され製品管理が行なわれている。
しかし、圧送方法などにおいては定めもなく、延長６０ｍにおいて圧送圧力０．７Ｍｐａ／ｍｍ^２以上となることが多く、また、過剰攪拌などによる骨材セメントペーストの剥離現象など強度を低下させる要因となっている。

吹付け構造物においては締固めを必要としない特異性があり、反面その吹付け圧力が品質に及ぼす影響が多大となり、吹付け圧力を常時監視、調整を行なわなくてはならない課題がある。

吹付充填材料においては、充填性、付着性、締固め性などにより、その流動性は極めて低く、また、圧送ポンプ連続吸引圧力は、真空圧４５０〜６００ｍｍ／Ｈｇ程度であり吸引性を助成する必要がある。

特許第２７５７３３５号「エア流動物合流圧送管およびそれを使用する流動物圧送装置およびそれらの使用方法」においても拡散性が低く圧送管路において、固体化した静摩擦物となることが多く、圧送性を欠く課題がある。

特許第３５０２５９８号「流動物圧送吹き付け施工方法」においても、配合１：３の粘性が向上した材料圧送において、搬送距離８０ｍ〜１００ｍ間で圧送圧力が０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２以上に上昇することが認められる。

法枠充填などの吹付けに使用する製品化された、吹付け充填材料を吹付け現場まで搬送するミキサー車と、材料圧送ポンプからなる圧送装置と、該圧送装置の管路吐出し口に取付けるエア圧送合流管であり、従来の吹付工法では吹付現場に、骨材、水、セメントを搬送しそれぞれ計量、攪拌を行なうため１５０ｍ^２程度のプラント設置場所が必要となり、重機類、車輌の出入りなど交通障害も多い。本発明の圧送吹付装置においては吹付充填材料を吹付け現場まで搬送するミキサー車と、材料圧送ポンプからなる、圧送装置とエアコンプレッサー、ミキサー車を含めて３０ｍ^２程度の設置面積で良く交通障害など減らすことができる。

ポンプ圧送管路吐出し口に取付けるエア圧送合流管の上流側に空気の流れを速くする第１テーパー管と、合流する材料に背圧を掛ける補助エア管と、合流下流側に拡散小団粒圧送作用を行なう第２テーパー管を設け、このテーパー管内面に側面視波形形状からなる、環状突起物を複数設けた多枝状のエア圧送合流管であって、空気の流れを速くすることによる気圧低下と拡散により、合流圧力が軽減できる。補助エア管は、背圧作用によりその合流圧力破壊と、ポンプ圧送間の間合いにおける連続流入作用が発現すれば良く複数設置しても良い。

更に、拡散小団粒圧送作用を行なう第２テーパー管の作用により拡散された材料は、質量が半減し、運動エネルギーを蓄え、最初につけた速さのまま前へ飛ぶ。圧送エアにより、摩擦をほとんどなくし、浮き上らせ圧送することにより、材料が速さも、向きもそのままに維持し続けようとする慣性力と一定の圧送流速と、その流速圧力により下流へと圧送され、圧送途上に拡散した水、セメント類の噴化物が掻き回されつつ骨材の回りに再び界面付着し、小団粒魂となり低圧力で下流に圧送される。この時に、拡散性を向上させる作用を行う第２テーパー管内面に、側面視波型形状からなる環状突起を複数設けた多枝状のエア圧送合流管であり、粘性の向上した吹付け材料を長距離２００ｍと安定、低圧力で圧送することが可能となる。この作用を起す環状突起物は、拡散性を向上させる波型形状であれば良い。

拡散した骨材にセメント類の界面付着を促進させつつ、圧送距離２０〜２００ｍ間を、圧送圧力０．３〜０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２の圧送空気圧で搬送し、吹付面圧力０．０１〜０．１Ｍｐａ／ｍｍ^２で吹付け充填することができ、吹付け作業員も特別な技術は必要なく吹付けでき、低圧力で吹付けることにより隙間への充填性など圧送空気の免散性もよく完全な充填が行える。また、法枠補強鉄筋背後に気圧の低いエアポケットが発生し、モルタル類がその背後に巻き上がり鉄筋と平行して盛り上がる形態が発現し背後にピッタリと充填できる。この発現作用を発生させる最適圧力は、ノズル距離３５０〜４５０ｍｍ、吹付面圧力０．０５〜０．１Ｍｐａ／ｍｍ^２がもつと最も良く、密度、曲げ強度においては、吹付面圧力０．０３〜０．０６Ｍｐａ／ｍｍ^２で最大に達し、また、圧縮強度は、圧送距離２００ｍ下流の試験体採取で３０Ｎ／ｍｍ^２上の平均強度が確認されている。

請求項１記載の圧送吹付け装置で使用する法枠充填などの吹付け充填材料の配合が、セメント対砂の重量比、１：３〜１：４未満の混合材であって、これに混ぜ合わせる、セメント対水の重量比が５０〜５５％の混合吹付け材料を圧送吹付け施工するにあたり、本願発明者等の試験によると、配合１：３、水セメント比５０％の吹付け材料を、エア圧送圧力０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２以下において、１２０ｍのエア合流圧送が可能であることが判明した。
更に、配合１：４、水セメント比５０％の吹付け材料を、エア圧送圧力０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２以下において２００ｍのエア合流圧送が可能であることも判明している。更に、水、セメント比５５％である流動性の向上した吹付け材料を、ポンプによる配管圧送２００〜３００ｍ程付加し、管路の先でエア圧送合流を行なうことで３００〜４００ｍの長距離圧送吹付け充填が実施できる。

更に，水セメント重量比５０％の吹付け充填材料においては吹付面より流出、あるいはブリーデング水の免散による収縮亀裂など低く抑えることができ、隙間への充填性、法枠充填など鉄筋背後の充填性など大きく改善できる。

請求項１記載の吹付け装置に使用するエア圧送合流管において、多枝状エア圧送合流管上流部に圧送圧力検知部を設け、圧送圧力検知により材料流量及び圧送圧力を自動制御することができ、精度の良い品質を得ることができる請求項１記載の圧送吹付け装置となる。

請求項１記載の圧送吹付け装置において材料を圧送するポンプ装置の材料投入ホッパーが吸込み圧入性の向上と、材料全体を揺動できる球形であってその吸込み管路がテーパー状管からなり吸引抵抗性を減少し流動性の低い吹付け材料を吸込み圧送することができる請求項１記載の圧送吹付け装置となる。

本発明によれば、概略以下のような効果を奏する。
（１）セメント対砂の重量比１：３〜１：４未満、セメント対水の重量比５０〜５５％の吹付け充填材料を、従来と比較して非常に長距離に圧送でき、この実施形態では圧縮空気による材料圧送を２０〜２００ｍ程度の圧送が可能となると共に、圧送圧力が０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２以下となり、吹付け面における圧接圧力は、０．０１〜０．１Ｍｐａ／ｍｍ^２と安定し、その吹付け面において小団粒状の流速衡撃と、圧送空気の免散過程で起こる。吹付け材料のランダムな二次元構成による微蜜な圧接充填が行なえる。

（２）本発明に使用する吹付け充填材料及び、圧送吹付け装置での吹付けにおいては、製造工場で製品化された吹付け充填材料をミキサー車で搬送し、吹付け圧送装置により低圧力で、２０〜２００ｍ間をエア圧送することができ、民家裏山の傾斜地であるとか、交通障害の多い道路のり面施工において、遠距離のプラント設置場所からの圧送吹付けが可能となると共に、３０Ｎ／ｍｍ^２以上の強度が発現した法枠構築物が提供できる。

（３）また、配合重量比の上限、配合１：３のモルタル吹付け充填では、圧縮強度、３７Ｎ／ｍｍ^２以上が確認でき、従来工法の要求強度、１５〜１８Ｎ／ｍｍ^２を大きく上回ることが可能で、設計強度において、３０％以上向上でき、施設物の長寿命化、耐用年数の向上、更には、密度、曲げタフネスの向上により、社会環境に安心、安全の提供が行える。

（４）ＪＩＳ製造工場で製品化された吹付け充填材料をミキサー車により搬入し、ポンプホッパーに投入し、揺動攪拌圧送をポンプ装置により行ない、圧送管路に取付けたエア圧送合流管の作用により、空気圧送途上、拡散噴化した、水、セメントが再び細骨材の回りに界面付着し、その骨材の表層粘着性が向上しているため吐出し分離もない。従来ではその分離、跳ね返り物の発生量は２４％程度とされ大量の分離物の処理、また、分離物を挟み込むことが多く強度の乏しい吹付け充填を実施したが、発明で使用する吹付け充填材料及び圧送吹付け装置においては、その分離物といわれる跳ね返り物の発生量は３％以下となり小資源化、小力化が行なえ強度のある社会環境に誇れる構造物の提供ができる。

（５）環境基準の２０倍と言われるセメントに含まれる六価クロムなどを、機材洗浄時に融解させる量が６０リットル程度と、その多くは搬出処理ができ完全な処理が行なえる。従来工法の主流であるモルタルガン機の洗浄においては、５００リットルとその材料の多くは機体からの搬出が不可能なため洗浄水と共に融解し吐出される。更に、１日に使用する燃料は半分以下となり、排気汚染の量は５５％消滅でき、自然動植物に与える影響も少ない。

（６）本発明に使用する吹付け材料及び圧送吹付け装置での施工量は、圧送距離１００ｍ間において時間当り５ｍ^３が可能となる。また、圧送距離２００ｍにおいては時間当り３．５^３程度となり、規定施工範囲である延長１００ｍの範囲において４０％程度向上し、更に、１００ｍ以上は延長できなかった吹付けが２００ｍまで延長吹付けできる。更に、圧送ポンプによる配管圧送を２００ｍ〜３００ｍ行ない、その管路の先でエア圧送合流管に接続することでその施工延長は４００ｍ以上となり、従来不可能であった長距離、高揚程圧送吹付けが行なえ、平坦な可住地の限られた我が国では、その災害や対策工において広く貢献できる圧送吹付け装置となる。

（７）また、のり面吹付けにおいては命綱による危険な作業が多く、吹付けにより発生する分離物の処理、流出モルタルの排除を大巾に軽減することができ、圧送圧力においても、従来０．７Ｍｐａ／ｍｍ^２程度と高かったものを、０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２以下と低くすることができ、のり面上の作業においても安全性が向上し、環境面においても大きく改善され、施工上の安全、安心、満足を提供できる。

本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１において、１は吹付材料製造プラント、２は材料搬送ミキサー車、３は圧送吹付装置、４はコンプレッサー、５は合流圧送管、６は材料圧送ホース、７は吹付けノズル、８はのり面、９はのり面構築物である。

次に、エア圧送合流管５に基づいて、図２に示す圧送合流の詳細な説明を行う。
圧送合流管５１の上流側でコンプレッサー４と連結され、５〜６ｍ^３／ｍｉｎ流量分の圧縮空気を、第１テーパー管５２で安定高速エアに絞り込み、その下流においてポンプに加圧された吹付け材料５７と合流する。この材料に背圧を掛ける補助エア管５３により合流圧力を破壊すると同時にポンプ回転間合い、間に流入させることができる。更に、下流側に設けた円錐状の第２ジェット管、５４の内面に側面視波型形状からなる５５の環状突起を設け、段階的にボイルの法則によるバースト現象を発生させ、材料を拡散噴化し、連続的な安定小団粒状の噴化物を慣性の法則により連続して、２０〜２００ｍ下流まで空気に乗せて、間合いなく掻き回しつつ一気に圧送することができ、ノズル７により小団粒魂となり吹付充填される。

更に、多枝状のエア圧送合流管上流部に圧送圧力検知部５８を設け、圧送流量、圧送圧力を検知、電子自動制御装置５９に直結し、圧力、流量を制御する。更に、材料投入ホッパー６０が材料を揺動攪拌できる球形であり、そのポンプ吸込み口管路６１がテーパー状管からなり、流入性を向上させる形状の吹付け圧送装置となる。

次に、図４にこの発明の全体の流れを示す。

圧送吹付けに使用される吹付充填材料は、セメント、砂の動量比１：３〜１：４未満の配合からなり配合の詳細については、従来工法においては１：４を基本とするが、本発明の圧送装置では１：４未満、いわゆる１：３〜１：４未満の限定された配合からなる吹付材料を使用する。また、水セメント比は、従来の吹付工法においては４５〜６０％とされるが、ポンプ圧送性、吹付充填試験により５０〜５５％と限定された混合材となる。

次に、従来型吹付機の圧送特性と、本発明型圧送吹付け装置による圧送特性を実機、装置により得た性能特性の比較を

表１

表２

表３

に示す。

次に配合１：４における従来型と本発明の圧送吹付け装置で性能特性と空気圧送範囲の概評比較図を表４に示す。

次に、重量比の異なる配合吹付け充填材料の、圧送性における流速圧力と流体摩擦抵抗の概評図を表５に示す。表５の詳細については、モルタル、コンクリート等の混合材料を圧縮空気により圧送するに当っては重量比により粘性、付着性が著しく変化し困難を極め、経験的な判断により実施され、定量的な研究はないに等しい。そこで本願発明者等が吹付充填材料による定量的な研究、試験と、発明の圧送装置で得た配合の異なる吹付け充填材料における圧送特性結果となる。
更に、セメント、水の重量比５０〜５５％ではブリーデング率が２％以下となることも判明し、骨材に界面付着することで、加圧ブリーデング率は１％以下となることも判明している。

次に、本発明者等によるセメント、砂の重量比１：３．５セメント、水の重量比５２％における平均吹付圧力試験結果であり、吹付け充填層の品質を高めるためには、吹付面に作用する流速圧力を高める必要はあるが、この圧力が過大になると却って吹付充填層に変位が生じる可能性があり、更に、吹付充填時に免散する空気の一部が鉄筋背後に溜まり易く空隙の発生が増える。また、曲げ強度、圧接密度においては著しい変位が見られる。本願発明者等の研究、試験により得た概評結果を

表６

表７

表８

に示す。

この発明の実施形態を示す説明図である。 同じくこの発明の装置で使用するエア圧送合流管の平面図である。 同じくこの発明の装置で使用するポンプ材料投入ホッパーの側面図である。 同じくこの発明の流れを示す形態図である。

符号の説明

１ モルタル、コンクリート製造工場
２ 吹付け材料搬送ミキサー車
３ 圧送吹付け装置
４ コンプレッサ
５ エア圧送合流管
６ 材料圧送ホース
７ 吐出しノズル
８ のり面
９ のり面構築物
５１ コンプレッサ接続部
５２ 第１テーパ管
５３ 背圧用補助エア管
５４ 第２テーパー管
５５ 波形環状突起
５６ 材料圧送ホース
５７ 材料合流口
５８ 圧送圧力検知部
５９ 圧力電子制御装置
６０ 材料投入ホッパー
６１ 吸込みテーパー管
６２ ポンプ本体
６３ ポンプ圧送吐出し管路

Claims (5)

1. 製品化された吹付け充填材料を吹付け現場まで搬送するミキサー車と、材料圧送ポンプからなる圧送装置と、該圧送装置の管路吐出し口に取付けるエア圧送合流管の上流側に空気の流れを速くする第１テーパー管と、合流する材料に背圧を掛ける補助エア管と、合流下流側に拡散小団粒圧送作用を行なう第２テーパー管とを設け、この第２テーパー管内面に、側面視波型形状からなる環状突起物を複数設けた多枝状のエア圧送合流管であって、圧送距離２０〜２００ｍ間における拡散圧送途上、骨材にセメント類の界面付着を促進させつつ、圧送圧力０．３〜０．５Ｍｐａ／ｍｍ^２の圧送空気圧で搬送し、吹付け面圧力０．０１〜０．１Ｍｐａ／ｍｍ^２で吹付け充填を行なうことを特徴とする圧送吹付け装置。
2. 請求項１記載の圧送吹付け装置であって、法枠の吹付け充填に用いる事を特徴とする圧送吹付装置。
3. 請求項１記載の圧送吹付け装置で使用する、吹付け充填材料の配合がセメント対砂の重量比１：３〜１：４未満の混合材であって、これに混ぜ合わせるセメント対水の重量比が５０〜５５％の法枠充填を行なう混合吹付け材料。
4. 請求項１記載の吹付け装置に使用するエア圧送合流管において、多枝状のエア圧送合流管上流部に圧送圧力検知部を設け、圧送圧力検知により材料流量及び、圧送圧力を自動制御することを特徴とする請求項１記載の圧送吹付け装置。
5. 請求項１記載の圧送吹付け装置において、材料を圧送するポンプ装置の材料投入ホッパーが吸込み圧入性の向上と、材料全体を揺動できる球形であってその吸込み管路がテーパー状管からなり、吸引抵抗性を減少することを特徴とする請求項１記載の圧送吹付け装置。

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