JP2013186026A - 可塑性流動体の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可塑性流動体の性状を定量的に評価することが可能な可塑性流動体の評価方法を提供する。
【解決手段】可塑性グラウトの性状を評価するための可塑性グラウトの評価方法である。そして、上端と下端が開口されたシリンダー容器に製造後からの経過時間が既知の可塑性グラウトを充填して供試体を作製するステップと、容器を上方に引き上げて供試体を露出させるステップと、供試体の上面に荷重を加えるステップと、供試体の上面の下がり量であるスランプ値を測定するステップと、スランプ値をせん断応力の降伏応力に換算するステップと、それによって図示された降伏応力曲線ＴＹに基づいて可塑性グラウトの性状を評価するステップとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空隙充填や水中での充填などで使用される可塑性グラウトなどの可塑性流動体の評価方法に関するものである。

トンネル覆工の裏込め、地盤や構造物周辺の空洞などを充填したり、海や河川などの水中に沈埋トンネルや防波堤の基礎などを構築したりするに際して、可塑性グラウトが使用されることが知られている（特許文献１，２など参照）。

可塑性グラウトなどの可塑性流動体は、一定水準以上のせん断力が加わると流動性を発現し、せん断力が加わらなければ流動性を発現しない性状を有している。このため、ポンプによって圧力をかけると流動化して搬送が可能になるうえに、ポンプ圧がかからない充填後には流出することがないので、上述したような箇所の充填材に適している。

特開２０１０−１１２０２４号公報 特開２００２−１４４３２４号公報 特開２０００−１９３５７９号公報 特許第４４９１６８０号公報 特許第４２６２１６７号公報

しかしながら、可塑性流動体は、ポンプの圧力などが作用することによって発生するせん断応力が降伏応力に達した後に流動を始めることから、通常のスランプフロー試験（JIS A 1101）などでは適切な評価をおこなうことができず、新たな評価方法が求められている。

ここで、特許文献３には、圧入工法に使用されるコンクリートの流動性評価方法が開示されている。この文献には、逆さまにしたスランプコーンの中にコンクリートを充填し、コンクリートが流れ落ちるまでの流出時間を測定することで、コンクリートの流動性の良否という定性的な判定をおこなうことが記載されている。

一方、特許文献４には硬練りコンクリートのフレッシュ性状評価方法に関する発明が開示され、特許文献５には高流動コンクリートの評価パラメータ推定方法に関する発明が開示されている。このように、材料の性状に合わせて適切な評価方法を開発することが求められている。

そこで、本発明は、可塑性流動体の性状を定量的に評価することが可能な可塑性流動体の評価方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の可塑性流動体の評価方法は、可塑性流動体の性状を評価するための方法であって、上端と下端が開口された容器に製造後からの経過時間が既知の可塑性流動体を充填して供試体を作製するステップと、前記容器を上方に引き上げて前記供試体を露出させるステップと、前記供試体の上面に荷重を加えるステップと、前記供試体の上面の下がり量であるスランプ値を測定するステップと、前記スランプ値をせん断応力の降伏応力に換算するステップと、その降伏応力に基づいて可塑性流動体の性状を評価するステップとを備えたことを特徴とする。

ここで、製造後からの経過時間が異なる複数の可塑性流動体を使ってそれぞれ前記供試体を作製し、各供試体の上面に加える荷重の大きさを一定にしてスランプ値を測定し、スランプ値を換算した降伏応力と経過時間との関係を導き出して可塑性流動体の性状の評価をおこなうことができる。

また、前記供試体を複数作製し、各供試体の上面に加える荷重の大きさを変化させてスランプ値を測定し、スランプ値を換算した降伏応力と経過時間との一義的な関係を導き出して可塑性流動体の性状の評価をおこなうこともできる。

さらに、前記スランプ値と前記降伏応力又はそれに基づいた変形指標とを対向する第１方向軸とし、経過時間を第１方向軸に直交する第２方向軸としたグラフに、スランプ値と前記経過時間との関係を示す曲線を図示し、その曲線から前記降伏応力又はそれに基づいた変形指標と前記経過時間との関係を示す曲線を作成するステップを備えた構成であってもよい。

また、前記スランプ値の降伏応力への換算は、所定の関係式を使っておこなうことができる。さらに、前記スランプ値の降伏応力への換算は、予め作成されたスランプ値と降伏応力との関係図を使っておこなってもよい。

このように構成された本発明の可塑性流動体の評価方法は、製造後からの経過時間が既知の可塑性流動体を充填して作製した供試体の上面に荷重を加えることで、供試体を変形させてスランプ値を測定し、測定されたスランプ値を降伏応力に換算して評価をおこなう。

このように降伏応力という物理量に換算されれば、可塑性流動体の性状を定量的に評価することができる。また、経過時間と降伏応力との関係まで導き出せるため、ポンプの性能に合った利用可能時間の算定や経時変化を考慮した解析などを行うことができるようになる。

また、経過時間が異なる複数の供試体に一定の大きさの荷重を載荷してスランプ値を測定することで、ある荷重の大きさにおけるスランプ値と経過時間との関係を示す曲線を作成することができる。

さらに、複数の供試体を使って異なる大きさの荷重を載荷させた測定結果から、作用させる荷重の大きさに影響されない一義的な可塑性流動体の性状を導き出すことができる。

また、スランプ値と降伏応力又は変形指標とを第１方向軸とし、経過時間を第２方向軸とするグラフを作成してスランプ値の曲線を図示することで、それに基づいて降伏応力又は変形指標と経過時間との関係を示す曲線を容易に作成することができる。

さらに、スランプ値から降伏応力への換算を所定の関係式を使って行う場合は、どのような大きさの荷重及びスランプ値に対しても演算をおこなうことができる。

また、予めスランプ値と降伏応力との関係図を作成しておけば、その関係図から読み取ることで、容易にスランプ値から降伏応力への換算をおこなうことができる。

本発明の実施の形態の可塑性流動体の評価方法で使用するスランプ又は変形指標（降伏応力）と経過時間との関係を示した図である。 可塑性グラウトの充填状況を模式的に示した説明図である。 せん断応力とスランプの発生の関係について説明する図であって、（ａ）はひずみ速度とせん断応力との関係を示した図、（ｂ）はスランプの発生と降伏応力との関係を説明する図である。 スランプ試験の状況を説明する斜視図である。 スランプ値を降伏応力に換算する関係式を説明するための図であって、（ａ）は初期状態、（ｂ）は荷重を加えなくてもスランプ値が発生する状態、（ｃ）は荷重を加えたときの状態、（ｄ）は上載荷重によって変形が促進された状態を示している。 関係式を使った計算結果により作成された荷重毎のスランプと降伏応力との関係を示した図である。 スランプ試験によって測定された荷重毎のスランプと経過時間との関係を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態で説明する可塑性流動体の評価方法は、可塑性流動体としての可塑性グラウトの性状を評価する方法である。

ここで、「可塑性流動体」とは、所定以上のせん断力が加わると流動性を発現し、せん断力が所定値に達しなければ流動性を発現しない性状を有する材料をいう。

そして、可塑性グラウトは、セメントと水とベントナイトと可塑材等とを混合することによって製造される。また、可塑材には、珪酸ナトリウムやアルミン酸ナトリウムや炭酸ナトリウム等のアルカリ金属塩、硫酸マグネシウムや硫酸アルミニウム等の硫酸塩などが使用できる。

可塑性グラウトは、ポンプなどによって圧力をかけると流動化するので、図２に示すような充填空間１に充填することができる。この充填空間１の端部には、第１注入管１１と第２注入管１２とが途中で合流して接続される。

第１注入管１１によって注入するＡ液は、例えばセメントと水とベントナイト溶液と混和剤とを混合した流体である。また、第２注入管１２によって注入するＢ液は、例えば可塑材となる珪酸ナトリウム溶液である。

このＡ液とＢ液とが混合されると、１０秒程度でゲル状の可塑性グラウトＧ１になる。そして、図２に示すように、充填空間１の内空（未充填部Ｇ０）に向けて最初の可塑性グラウトＧ１が送り込まれる。

この可塑性グラウトＧ１は、所定以上のせん断力が作用しないと流動化しないため、次の可塑性グラウトＧ２が送り込まれて押し出されることによって前方へ移動することになる。そして、可塑性グラウトＧ２の後方からはその次の可塑性グラウトＧ３が送り込まれ、その分だけ可塑性グラウトＧ１，Ｇ２が前進する。

このように可塑性グラウトＧ１−Ｇ３は、自重によって流動するモルタルとは異なり、後方から注入された可塑性グラウトが先行する可塑性グラウトを押し出すような挙動によって搬送されるため、充填空間に空洞を残すことなく充填することができる。

続いて、可塑性グラウトが流動化する条件について説明する。可塑性グラウトは、図３（ａ）に示すようにせん断応力が降伏応力に至るまでは、ひずみ速度が０で、降伏応力を超えるとひずみ速度はせん断応力の大きさに比例して増加する。よって、可塑性グラウトを流動化させるためには、せん断応力が降伏応力を超える状態にする必要がある。

このように可塑性グラウトは、せん断応力が降伏応力を超えない状態では、変形が発生せずに形状が保持される（図３（ｂ）参照）。このため、供試体２の上部２ａの応力状態が全体になっている場合は、上面２１は下がらずスランプ値は測定できない（図３（ｂ）の二点鎖線参照）。

これに対して供試体２の下部２ｂは、せん断応力が降伏応力を超えた状態となっており、変形が発生して下面２２が広がっている。このように変形が発生すると、上面２１が下がってスランプ値として測定することができる（図３（ｂ）の実線参照）。

ここで、可塑性グラウトは、モルタル（密度1.9）に比べて密度が小さい（1.3程度）ため、自重だけでは供試体２に降伏応力を超える箇所が発生しにくく、そのままではスランプ値を測定することができない場合が多い。

そこで、図４に示すように可塑性グラウトによって形成される供試体２の上面２１に、上部が開放された円筒状の保持容器５１を置き、その中に鉛小球５，・・・を荷重として入れる。１個当たりの重量が小さな鉛小球５，・・・であれば、載せる数によって加える荷重の大きさを容易に調整することができる。

次に、本実施の形態の可塑性グラウトの評価方法の中でおこなうスランプ試験について、図４を参照しながら説明する。

まず、上面に十字の線が描かれたフローテーブル３の上に、上端と下端が開口された円筒状のシリンダー容器（図示省略）を置く。このシリンダー容器は、中心がフローテーブル３の十字線の交点と一致するように設置する。

続いて、シリンダー容器の上端の開口から、製造後からの経過時間が既知の可塑性グラウトを上端の位置まで充填する。そして、シリンダー容器をゆっくり上方に引き上げると、図３（ｂ）の二点鎖線で示すような円柱状の供試体２が形成される。

この状態で、供試体２の上面２１から下面２２に至るまでのすべての箇所でせん断応力が降伏応力を超えていなければ、円柱状の形状は保持されてスランプ値は測定できない。

そこで、供試体２の上面２１に保持容器５１を載せ、予め決めた所定の荷重の大きさになるように鉛小球５，・・・を保持容器５１に入れる。この鉛小球５，・・・による荷重によって供試体２のいずれかの箇所、通常は下面２２付近のせん断応力が降伏応力を超えると、図４に示すように変形してスランプ値が測定できるようになる。

スランプ値の測定は、フローテーブル３の上面に立てた物差し４と帯板状の定規４１とによって行うことができる。すなわち、供試体２の上面２１に水平にした定規４１の下端面を当て、物差し４との交差位置の目盛りを読むことによって、上面２１の初期状態からの下がり量を測定する。

このスランプ値の測定は、必要に応じて製造後からの経過時間が異なる複数の可塑性グラウトを使っておこなう。例えば、配合が同じで、製造後からの経過時間が、10分、30分、1時間の３つの可塑性グラウトを使って、３体の供試体２，２，２を作製する。

続いて、３体の供試体２，２，２にそれぞれ同じ数の鉛小球５，・・・を載せて、同じ大きさの上載荷重F_Aによるスランプ試験をそれぞれおこなう。そして、それぞれ測定されたスランプ値と経過時間との関係から、図７に示すようなスランプ曲線TS_Aを描く。

要するに、スランプ曲線TS_Aを図示するには、同じ配合の製造後からの経過時間が異なる可塑性グラウトを使って作製した複数の供試体に、一定の大きさの荷重（上載荷重F_A）をそれぞれ載荷してスランプ値を測定する。そして、その結果をスランプ値を縦軸に経過時間を横軸にしたグラフにプロットし、それらのプロット間を結ぶことによって描くことができる。なお、プロットが一点であっても、スランプ曲線TS_Aのおおよその形状が想定できる場合は、図示することができる。

さらに、鉛小球５，・・・を入れる数を変えたそれぞれの荷重の大きさ（上載荷重F_B，上載荷重F_C）毎にスランプ試験を上述したように行えば、図７に示すようなスランプ値と経過時間との関係を示すスランプ曲線TS_B，TS_Cを複数本、描くことができる。

次に、本実施の形態の可塑性グラウトの評価方法の中で使用するスランプ値を降伏応力に換算する関係式について、図５を参照しながら説明する。

図５は、スランプ値を降伏応力に換算するための関係式に使用される符号及び供試体２の状態を説明するための図である。図５（ａ）は、供試体２の作製直後の変形が起きる前の初期状態を示している。また、図５（ｂ）は、供試体２の上面２１に荷重を加えなくても変形が発生してスランプ値が測定できる場合を示している。さらに、図５（ｃ）は、供試体２の上面２１に上載荷重F_bを加えた直後の状態を示している。そして、図５（ｄ）は、上載荷重F_bによってスランプ値が促進された状態を示している。

また、図５の符号は、zが鉛直方向の位置又は変位に関する符号、rが水平方向の位置又は変位に関する符号、Aは供試体２の断面積に関する符号である。さらに、τはせん断応力に関する符号で、τ_fは降伏応力を示している。

一方、S₁，S₂は、供試体２の上面２１の下がり量、すなわちスランプ値を示している。Flow₁，Flow₂は、供試体２の下面２２の広がり、すなわちフロー値を示している。

まず、通常のスランプ値、すなわち供試体２の上面２１に加える荷重が０の場合の関係式について説明する。供試体２の初期状態（図５（ａ））におけるある高さzの圧力P|_z,0は、以下の式で求められる。

P|_z,0＝zρg （１）
ここで、ρは可塑性グラウトの密度を示す。そして、理想的な弾性材料のその位置での最大せん断応力τ|_z,0は、圧力P|_z,0の半分になる。

τ|_z,0＝0.5zρg （２）
このせん断応力が降伏応力τ_fを超えると変形が起きる（図５（ｂ））。

A|_z,1＝A₀・τ|_z,0／τ_f （３）
ここで、A₀は初期状態の供試体２の断面積、A|_z,1は変形後の位置zにおける供試体２の断面積を示す。また、供試体２の容積は変形前後で変化しないので、以下の関係式が成り立つ。

dz₀・A₀＝dz|_z,1・A|_z,1 （４）
そして、dz₀−dz|_z,1の差分を積算すれば通常のスランプ値S₁となる。

S₁＝Σ(dz₀−dz|_z,1) （５）
続いて、供試体２の上面２１に上載荷重F_bを加える場合について説明する（図５（ｃ））。上載荷重F_bが加わると、上記した式（１）−（４）は以下のようになる。

P'|_z,1＝P|_z,1＋F_b/A|_z,1 （６）
τ'|_z,1＝0.5 P'|_z,1 （７）
A|_z,2＝A|_z,1・τ'|_z,1／τ_f （８）
dz|_z,1・A|_z,1＝dz|_z,2・A|_z,2 （９）
そして、上載荷重F_bが加えられた場合のスランプ値S₂は、以下のようになる。

S₂＝S₁＋Σ(dz|_z,1−dz|_z,2) （１０）
上述した関係式を使ってρ＝1.3に対して計算したスランプ値と降伏応力との関係を、図６に示した。この図６は、上載荷重F_bを0.00 kg，0.10 kg，0.25 kg，0.40 kg，0.60 kgと変化させた５ケースのスランプ値と降伏応力との関係図である。

この関係図を使えば、例えば上載荷重F_b＝0.25 kgでスランプ試験を行った場合にスランプ値が40mmと測定されれば、図６の上載荷重F_b＝0.25 kgの曲線を読み取ることで、容易に降伏応力＝190 N/m²と換算することができる。

そして、３種類の上載荷重F_A，上載荷重F_B，上載荷重F_C毎にスランプ試験を行って、測定されたスランプ値と経過時間との関係から図７に示すようなスランプ曲線TS_A，TS_B，TS_Cを図示する。

続いて、図１に示すように左側の縦軸（第１方向軸）にスランプ値を取り、右側の縦軸（第１方向軸）に変形指標としての降伏応力を取り、縦軸に直交する横軸（第２方向軸）に経過時間を取ったグラフに、スランプ曲線TS_A，TS_B，TS_Cを図示する。

ここで、「変形指標としての降伏応力」という表現は、降伏応力の値そのものでも、降伏応力に基づいて算出される変形指標でもよいことを意味している。

そして、スランプ曲線TS_A，TS_B，TS_Cから読み取れるある経過時間のスランプ値を、図６のスランプ値と降伏応力との関係図を使って降伏応力に換算すれば、図１に示すような降伏応力と経過時間との関係を示す右上がりの降伏応力曲線ＴＹを容易に作成することができる。

一方、スランプ値から降伏応力への換算を上述したような関係式を使って行う場合は、どのような大きさの上載荷重F_b及びスランプ値に対しても演算をおこなうことができる。

降伏応力曲線ＴＹは、可塑性グラウトの製造後の経過時間から一義的に降伏応力を導き出す。すなわち、スランプ試験においては、複数の上載荷重F_A−F_Cを使ってスランプ値を測定したとしても、上載荷重F_A−F_Cの大きさなどの試験条件によらない一義的な降伏応力という定量的な結果を得ることができる。

次に、本実施の形態の可塑性グラウトの評価方法の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の可塑性グラウトの評価方法は、製造後からの経過時間が既知の可塑性グラウトを充填して作製した供試体２の上面２１に荷重を加えることで、供試体２を変形させてスランプ値を測定し、測定されたスランプ値を降伏応力に換算して評価をおこなう。

このように降伏応力という物理量に換算されれば、可塑性グラウトの性状を定量的に評価することができる。仮に、可塑性グラウトの性状をスランプ値のみで示した場合、可塑性グラウトが硬い若しくは軟らかい、又は変形し易い若しくは変形し難い、といったような定性的な評価となり、圧送に使用するポンプ性能を導き出したり、解析の物性条件として入力したりというような使い方は難しい。

また、上面２１に荷重を載荷して行うスランプ試験では、上載荷重F_A−F_C毎に異なるスランプ値が測定されるため、そのままでは一つの配合の可塑性グラウトとして適切な評価を行うのは難しい。すなわち、同じ配合の可塑性グラウトであっても、ポンプによって作用させる圧力によってスランプ値が異なるため、一つの材料としての適切な評価を行うことができない。

これに対して可塑性グラウトの性状が降伏応力という物理量で定量的に明示されていれば、ポンプ性能を決めるのに利用することができる。例えば、ポンプ圧送をするに際して、配管内での摩擦抵抗やベンドの数などの搬送損失を差し引いた圧力によって可塑性グラウトが降伏応力に達するか否かを検討することで、搬送に必要なポンプ性能又はポンプ性能に適した可塑性グラウトの配合を導き出すことができる。

また、図１に示すように経過時間と降伏応力との関係がわかっていれば、可塑性グラウトを製造してからどのくらい時間が経過するとどのくらいの降伏応力になるかが一義的に決まるため、現場に設置されたポンプ性能に合った利用可能時間を算定することができる。

特に、上載荷重の有無や上載荷重F_A−F_Cの大きさによって変化しない一義的な経過時間と降伏応力との関係がわかれば、一つの配合の可塑性グラウトに対して統一した一つの評価を与えることができる。

さらに、経過時間によって降伏応力が決まるのであれば、経時変化を考慮した解析などを行うことができるようになる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、可塑性流動体としてセメント系混合材料である可塑性グラウトについて説明したが、これに限定されるものではない。

また、前記実施の形態では、円筒状のシリンダー容器を使用してスランプ試験を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、截頭円錐状のスランプコーンなどを容器としてスランプ試験を行ってもよい。

さらに、前記実施の形態では、３種類の異なる大きさの上載荷重F_A−F_Cによるスランプ試験の結果から降伏応力曲線ＴＹを求めたが、これに限定されるものではなく、２本以下、又は４本以上のスランプ曲線を使って降伏応力曲線ＴＹを求めることもできる。

２ 供試体
２１ 上面
５ 鉛小球（荷重）
F_b，F_A，F_B，F_C 上載荷重
Ｇ１−Ｇ３ 可塑性グラウト（可塑性流動体）
S₂ スランプ値
TS_A，TS_B，TS_C スランプ曲線
τ_f 降伏応力
ＴＹ 降伏応力曲線

Claims (6)

1. 可塑性流動体の性状を評価するための可塑性流動体の評価方法であって、
   上端と下端が開口された容器に製造後からの経過時間が既知の可塑性流動体を充填して供試体を作製するステップと、
   前記容器を上方に引き上げて前記供試体を露出させるステップと、
   前記供試体の上面に荷重を加えるステップと、
   前記供試体の上面の下がり量であるスランプ値を測定するステップと、
   前記スランプ値をせん断応力の降伏応力に換算するステップと、
   その降伏応力に基づいて可塑性流動体の性状を評価するステップとを備えたことを特徴とする可塑性流動体の評価方法。
2. 製造後からの経過時間が異なる複数の可塑性流動体を使ってそれぞれ前記供試体を作製し、各供試体の上面に加える荷重の大きさを一定にしてスランプ値を測定し、スランプ値を換算した降伏応力と経過時間との関係を導き出して可塑性流動体の性状の評価をおこなうことを特徴とする請求項１に記載の可塑性流動体の評価方法。
3. 前記供試体を複数作製し、各供試体の上面に加える荷重の大きさを変化させてスランプ値を測定し、スランプ値を換算した降伏応力と経過時間との一義的な関係を導き出して可塑性流動体の性状の評価をおこなうことを特徴とする請求項１又は２に記載の可塑性流動体の評価方法。
4. 前記スランプ値と前記降伏応力又はそれに基づいた変形指標とを対向する第１方向軸とし、経過時間を第１方向軸に直交する第２方向軸としたグラフに、スランプ値と前記経過時間との関係を示す曲線を図示し、その曲線から前記降伏応力又はそれに基づいた変形指標と前記経過時間との関係を示す曲線を作成するステップを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の可塑性流動体の評価方法。
5. 前記スランプ値の降伏応力への換算は、所定の関係式を使っておこなうことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の可塑性流動体の評価方法。
6. 前記スランプ値の降伏応力への換算は、予め作成されたスランプ値と降伏応力との関係図を使っておこなうことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の可塑性流動体の評価方法。