JP2019177655A - 注液機構 - Google Patents

Abstract

【課題】吹付工法において、簡易に確実にムラ無く注液混合できる注液機構を提供する。【解決手段】注液機構３は、セメント系材料が圧送される圧送管２と、圧送管２の先端に設けられてセメント系材料を噴射する噴射ノズル６と、の間に設けられ、セメント系材料に液体を添加する。注液機構３は、液圧調整機構を備える。注液機構３は、外部から液体を供給する液体供給部３０と外管３１と内管３２とを備える。外管３１は、液体を管周方向に展開する外周流路３１ｃを有し、外周流路内壁に周方向に複数設けられる第１連通孔３３を有する。内管３２は外管３１に内接される。内管３２は第２連通孔３４を有する。第２連通孔３４は第１連通孔３３と連通してセメント系材料のメイン流に液体を注液する。液圧調整機構は、外管３１が内管３２に対し摺動されることにより、第１連通孔３３と第２連通孔３４との連通面積を調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、モルタル・コンクリートの吹付施工に使用する吹付装置の注液機構に関する。

地中掘削面の崩壊・崩落防止、地山補強、法面の補強、建築物の壁面構築、建築物や構造体の補修や防災機能付与等々の目的で、セメントスラリー、セメント系モルタル又はコンクリートを対象面に吹付けることが行われている。

この施工は、予め水を加えて混練したモルタルスラリーやコンクリートスラリー等のスラリーをポンプ圧送し、圧送途中で必要に応じて急結剤等の凝結・硬化調整用混和剤を添加し、吹付モルタルやコンクリートを圧送経路先端側に取り付けたノズルの吐出孔から吹き付けるもの（湿式吹付工法）と、水や液体溶剤類が加えられていない予混合乾粉であるドライモルタルやドライコンクリートをポンプ圧送し、ノズル流入手前で水や液状添加剤を加え、これをノズル吐出孔から吹き付けるもの（乾式吹付工法）である。

湿式吹付工法、乾式吹付工法、何れの工法においても、多くの場合、吹付装置内のモルタル・コンクリート圧送経路中に、環状の注液機構（シャワーリング）が組み込まれている。

湿式吹付工法では、圧送体はセメントスラリーやフレッシュコンクリートであり、圧送体の外周から液体急結剤などの液状混和剤が添加され、ノズル端にある吐出口までの輸送距離中に混練が行われ、これが吹き付けられる。

乾式吹付工法では、圧送体はドライモルタル・コンクリートであり、圧送体の外周から水が添加され、ノズル端にある吐出口までの輸送距離中に混練が行われ、これが吹き付けられる（例えば特許文献１参照）。

注液機構において注液後の混練時間もかなり短く、混合・混練が不十分になり易い。特に、供給される液体の圧力が低下した場合、液体が圧送体の内部まで十分入り込み難くなって、混合・混練が不十分になり易い。その結果、吹付けられたコンクリートやモルタルに品質・性能上のバラつきが生じることになる。さらに、混合不足で十分に水が行き届かないと、吹付施工時に、粉塵が発生し易い。

このような不具合を防止するには、注液量を多くする、または、シャワーリングからノズル端までの距離を長くする（例えば、特許文献２参照）ことが行われている。

特開２００７−１６８２２４号公報 特開２００７−１６５７０号公報

しかしながら、乾式工法において、過剰の水を加えると、本来得られるべき強度が発現されず、付着性や耐久性等の性能ロスが生じていた。また、湿式工法において、過剰の液体急結剤を加えると、想定より早く固結しはじめ、ノズル詰まりをおこすおそれがある。

また、液量調整機構は一般的に上流側（ポンプ側）に設けられており、操作性がよくない。

一方、シャワーリングからノズル端までの長さを長くすると、吹付施工時の作業性が悪く、また、圧送圧力も高くする必要があって、ランニングコストの上昇に繋がる。

逆に、供給される液体の圧力が過剰な場合も、別の不具合が発生する。

本発明は上記課題を解決するものであり、吹付工法において、圧送体に添加する液体の液圧を調整することで、簡易に確実にムラ無く注液混合できる注液機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の注液機構は、セメント系材料が圧送される圧送管と、前記圧送管の先端に設けられて前記セメント系材料を噴射する噴射ノズルと、の間に設けられ、前記セメント系材料に液体を添加する。前記注液機構は、液圧調整機構を備える。

液圧調整機構により、圧送体に添加する液体の液圧を適正範囲に調整することができる。たとえば、液圧不足の場合でも液圧を上げて管中心に近い位置まで注液できる。これにより、短時間に、ムラ無く混合、撹拌される。その結果、良好な性状のモルタルやコンクリートが得られる。

本発明において、好ましくは、前記注液機構は、外部から液体を供給する液体供給部と、前記液体を管周方向に展開する外周流路を有し、外周流路内壁に周方向に複数設けられる第１連通孔を有する、外管と、前記外管に内接され、前記第１連通孔と連通して前記セメント系材料に液体を注液する第２連通孔を有する、内管と、を備える。前記液圧調整機構は、前記外管が内管に対し摺動されることにより、前記第１連通孔と第２連通孔との連通面積を調整する。

外管が内管に対し摺動することで、連通面積を調整できる。その結果、液圧も調整できる。本願注液機構は簡易な構成である。

本発明において、好ましくは、前記外管は内管に対し、管周方向に摺動可能である。

これにより、連通面積を調整できる。

本発明において、好ましくは、前記外管は内管に対し、管軸方向に摺動可能である。

これにより、連通面積を調整できる。

本発明において、好ましくは、乾式吹付工法に用いられ、前記液体は、水である。

本発明において、好ましくは、湿式吹付工法に用いられ、前記液体は、混和剤である。

上記課題を解決する本発明の吹付工法において、上記注液機構を用い、注液不足の場合は、前記液圧調整機構は液圧を上げ、注液過剰の場合は、前記液圧調整機構は液圧を下げる。

本願発明の注液機構によれば、圧送体に添加する液体の液圧を適正範囲に調整することができる。その結果、簡易に短時間に確実にムラ無く注液混合でき、均一性状の吹付モルタル・コンクリートが得られる。

乾式吹付工法の場合は、粉塵発生量を大幅に抑制できる。さらに、液体供給量を過剰に調整する必要がなく、強度低下がない。

湿式吹付工法の場合は、ノズル詰まりを大幅に抑制できる。

従来例と比べてノズル端までの長さを短くでき、長大な吹付装置とならない。その結果、施工作業性が良い。

また、細かい調整は注液機構側で行うため、手元作業により、施工作業性が良い。

吹付装置の全体構成図 注液機構の構成図 注液機構の構成図 注液機構の構成図 連通面積調整に係る動作説明図 注液機構（変形例）の構成図 従来技術との比較による効果の説明図

本願発明は、乾式吹付工法および湿式吹付工法に適用可能であるが、説明の簡略化のため乾式吹付工法として説明する。

〜吹付用装置構成〜
図１は、本実施形態の吹付用装置の概略構成図である。吹付装置は、圧送ポンプ１と、圧送管２と、注液機構３と、注液用ポンプ４と、注液管５と、噴射ノズル６とを備える。

吹付用装置は、ドライモルタルやドライコンクリートをポンプ圧送し、ノズル流入手前で水や液状添加剤を加え、ノズル吐出孔より、セメントスラリー、セメント系モルタル又はコンクリートを対象面に吹付ける。ドライモルタルやドライコンクリートは、水や液体溶剤類が加えられていない予混合乾粉である。

圧送ポンプ１は、従来の乾式吹付工法と同様な圧送ポンプを用いることができるが、粉体の圧送可能なポンプなら特に限定されるものではない。

圧送管２は、圧送ポンプ１の圧力によりドライモルタルやドライコンクリートを空気圧送するものであり、従来の乾式吹付工法と同様な圧送管を用いる。

注液機構３は、圧送管２の途中であって、噴射ノズル６の直前において、ドライモルタルまたはドライコンクリートに水や溶剤を含む液体を供給する。以下、適宜、水の供給を前提に説明する。注液機構３の詳細については後述する。

注液用ポンプ４は、注液管５を介して液体を注液機構３に圧送する。注液管５は注液機構３に接続されている。従来の乾式吹付工法と同様な注液用ポンプや注液管を用いる。

噴射ノズル６は、圧送管２の先端に設けられ、吹付けモルタルまたは吹付けコンクリートを噴射する。従来の乾式吹付工法と同様な噴射ノズルを用いる。一般に先端開口に近づくにつれて連続的に径が小さくなることにより、吹付けモルタルまたは吹付けコンクリートを噴射する。

〜注液機構構成〜
図２〜４は、注液機構３の概略構成図である。図２は分解斜視図であり、図３は軸方向断面図および軸直角方向断面図であり、図４は部分断面斜視図である。

注液機構３は、液体供給部３０と外管３１と内管３２とを備える。液体供給部３０は、外管外部３１ａに設けられ、注液管５に接続されている。

外管３１は外管外部３１ａと外管内部３１ｂからなる二重管であり、外管外部３１ａと外管内部３１ｂの間には、リング状の空間である外周流路３１ｃが周方向に形成されている。外周流路３１ｃ両端は閉塞されている。

内管３２は円筒状である。円筒内にメイン流路３５が形成される。圧送管２と連続してメイン流路３５では、ドライモルタルやドライコンクリートが圧送ポンプ１の圧力により空気圧送される。内管３２は外管内部３１ｂに内接している。言い換えると、内管３２外径と外管内部３１ｂ内径はほぼ等しい。

外管内部３１ｂには周方向に第１連通孔３３が複数設けられる。内管３２には周方向に第２連通孔３４が複数設けられる。第１連通孔３３と第２連通孔３４とは連通している。

なお、図２〜４では、理解しやすいように、第１連通孔３３、第２連通孔３４を強調して示している。

上記構成により、液体供給部３０、外周流路３１ｃ、第１連通孔３３、第２連通孔３４を介して外部からの液体がメイン流路３５に添加される。なお、液体供給は、メイン流路３５方向に対し、５０〜９０°、好ましくは６５〜７５°程度であることが好ましい。液圧が適正に調整されることにより、液体は滑らかにメイン流路３５に供給される。

外管２１は内管３２に対し、管周方向または管軸方向に摺動可能である。外管３１が内管３２に対し摺動されることにより、第１連通孔３３と第２連通孔３４との連通面積は調整可能となる。連通面積の調整は液圧調整機構を構成する（後述）。

なお、注液機構３において、外管３１と内管３２等は分解可能である。これにより、注液機構３は吹付用装置に装着・脱着可能となる。たとえば、第１連通孔３３と第２連通孔３４などの洗浄・交換等のメンテナンスが容易となる。

〜連通面積調整に係る動作〜
図２〜４に示す例では、第１連通孔３３と第２連通孔３４は同じ大きさであり、それぞれ周方向に等間隔に８箇所ずつ設けられている（４５°ピッチ）。

液圧調整機構に係る動作について説明する。図５は、連通面積調整に係る動作説明図である。

第１連通孔３３と第２連通孔３４とが完全一致するとき、連通面積１００％とする（図示最左）。液体が最も流れやすい状態にある。

第１連通孔３３と第２連通孔３４とが完全不一致であるとき、連通面積０％とする（図示最右）。液体が全く流れない状態にある。

外管２１が内管３２に対し摺動すると、連通面積は０〜１００％の間で変化する。液体供給量を一定と仮定して連通面積を狭くすれば、液体は流れにくくなり、液圧が上がる。逆に、液体供給量を一定と仮定して連通面積を広くすれば、液体は流れやすくなり、液圧が下がる。

液圧を上げたり下げたり適宜調整するためには、連通面積３７．５〜７５％の範囲で調整することが好ましい。

〜変形例〜
図２〜４に示す例では、第１連通孔３３と第２連通孔３４は、円形であった。その場合の孔径は０．３〜０．８ｍｍが好ましい。

円形に変えて、楕円、三角形、正方形、長方形とすることができる。例えば、対向する三角形とすれば、メリハリのある連通面積の変化が可能となる。

図２〜４に示す例では、第１連通孔３３と第２連通孔３４はそれぞれ８箇所ずつであるが、６〜１６箇所の範囲で適宜選択できる。好ましくは、８〜１２箇所である。６未満では周方向均等に液体添加できない。１６超では孔の断面積が狭くなり、目詰まりのおそれがある。

図６は連通面積調整に係る変形例である。

内管３２には周方向に配設された第２連通孔群が軸方向に前後２列ある。前列には８箇所の第２連通孔３４ａが周方向均等に配置されている。後列には、４箇所の第２連通孔３４ｂが周方向均等に配置されている。一方、第１連通孔３３は８箇所である。

外管３１が内管３２に対し軸方向に摺動されることにより、連通孔数が８箇所から４箇所に切り替わり、総連通面積は５０％となる。これにより液圧が上がる。

他にも、第２連通孔（大径）３４ａと第２連通孔（小径）３４ｂが交互に同一周上に形成されていてもよい。外管３１が内管３２に対し管周方向に摺動されることにより、第１連通孔３３と第２連通孔（大径）３４ａとの連通が、第１連通孔３３と第２連通孔（小径）３４ｂとの連通に切り替わる。これにより、連通面積が調整される。

〜効果〜
図７は、本実施形態の効果を説明する図である。比較例（従来技術）と比較することにより、本実施形態の効果を説明する。図７Ａは比較例の概念図であり、図７Ｂは本実施形態の概念図である。

シャワーリングを介して外周よりドライモルタルやドライコンクリートに注液された場合、比較例のように液圧が低下すると、液体は管中心まで注液されづらく、混合不足が生じやすい。比較例（図７Ａ）では、ノズルまでの距離を長くすることで、混合不足を補っている。

本実施形態においては、液体供給量を適量調整し、かつ、液圧を調整することで、管中心に近い位置までの注液ができ、短時間に、ムラ無く混合、撹拌される。

均質で安定した性状の吹付けモルタルや吹付けコンクリートを製造できる結果、粉塵発生やはね返りを抑制しつつ、初期強度の高い吹付けコンクリートを対象面に吹付けることができる。

粉塵発生を抑制することにより、坑内環境が改善できる。はね返りを抑制することにより、材料ロスを減らし、材料コストを削減できる。

更に、比較例と比較して、ノズルまでの距離を短くできる。これにより取り回しが容易となり、作業性が向上する。また圧力損失も減り、経済性も向上する。

なお、実務上では、液体を過剰供給することにより、混合不足を補うこともある。これに対し、本実施形態では、液体を過剰供給することもなく、均質で安定した性状の吹付けモルタルや吹付けコンクリートを製造できる。

以上の通り、吹付工法において、簡易に確実に注液混合でき、良好な性状の吹付モルタルや吹付コンクリートが得られる。

なお、説明の簡略化のため乾式吹付工法を前提として説明したが、本願注液機構は、湿式吹付工法にも適用可能であり、同様な効果が得られる。

〜試験概要〜
粉塵発生量、モルタル強度について、上記実施形態に係る液圧調整機構を有する注液機構（実施例）と従来型シャワーリング（注水孔１２箇所）（従来例）との比較試験を実施した。従来例は、図７Ａの装置に対しノズルまでの距離を実施例と同程度（短く）とした。注液地点から吹付ノズル端にある吐出孔までの距離は、何れも６０ｃｍである。すなわち、実施例と従来例とは、注液機構以外の構成は共通である。

使用材料として、普通ポルトランドセメント（粉末度約３１００ｃｍ^２／ｇ）；１００質量部と、細骨材３号珪砂；２００質量部とからなる、ドライモルタルを用いた。また、実施例および従来例では、水／セメント比；３０〜４５％まで変化させた。

本実施形態における注液機構の仕様について記載する。
外管 内径；５５ｍｍ 外径；６３ｍｍ
内管 内径；５０ｍｍ 外径；５５ｍｍ
外管外周面に給液口１ヶ所を有する。給液口へはホースを介して水ポンプにより給水した。水ポンプの圧力を１．５ＭＧ（設定圧）とした。
外管連通孔と内管連通孔は全て孔径０．８ｍｍの円形とした。
外管連通孔と内管連通孔は同数であり、６箇所（実施例１）、８箇所（実施例２）、１２箇所（実施例３）、１６箇所（実施例４）とした。
注液機構は、圧送用筒管（ステンレス製）（内径：５０ｍｍ 長さ；６５ｍｍ）に連結した。圧送用筒管の他端は圧送ポンプに通じる輸送ホースと接続した。ドライモルタル圧送ポンプの圧送圧を０．２ＭＧ（無送時点の設定圧）とした。

〜試験方法〜
普通ポルトランドセメントと細骨材をヘンシェルミキサで前記配合割合で乾式混合し、ドライモルタルを作製した。

液圧調整機構を有する注液機構（実施例）と従来型シャワーリング（従来例）を用いて、吹付モルタルとして吹き付けた。試験時の温度は２０℃で、無風環境とした。

実施例では、水の量と水圧を調整して、水／セメント比；３０〜４５％まで変化させた。従来例では、水の量のみ調整し、水／セメント比；３０〜４５％まで変化させた。

吹付モルタルの吹付を行ったときに、発生した粉塵量を市販の粉塵濃度計によって測定した。粉塵量の計測方法や条件は次の通りである。幅４．５ｍ、奥行４．５ｍ、高さ８ｍの閉鎖空間の４．５ｍ×８ｍの壁面（コンクリート製垂直平板）の１つを吹付対象壁面とし、吹付対象壁面と反対側の面のみ外気と通じた開放面にして、吹付対象壁面から１ｍ離れた地点の高さ１ｍの位置に、ノズル端にある吐出孔が配されるように吹付装置を設置した。併せて、前記吹付対象壁面から８ｍ離れ、前記吐出孔から７ｍ後方にあたる位置に、市販の粉塵濃度計を設置した。ノズル吐出口から吹付モルタルを噴射量１０ｍ³／ｈｒで５分間、対象壁面に垂直に吹付けたときの、粉塵濃度を測定した。

なお、粉塵発生量が多いほど水との混合性が悪いことを示す。すなわち混合性の指標である。

ついで、壁面に吹き付けずに、吐出口から所定の型枠内に充填させるようにし、２４時間後に脱型した。使用型枠は内寸４０×４０×１６０ｍｍの直方体形型枠である。脱型後のモルタルは２８日間気中養生し、供試体を得た。各供試体の圧縮強度をJIS R 5201に準拠した方法で測定した。

〜試験結果〜
本願実施例の結果を表１に示し、従来例の結果を表２に示し、両者を比較し考察する。

まず、同じ水セメント比において、実施例１と従来例１（３０％）と、実施例２と従来例２（３５％）と、実施例３と従来例３（４０％）と、実施例４と従来例４（４５％）とを比較する。括弧内は水セメント比である。

粉塵発生量は、それぞれ、２６％、２３％、２４％、２９％減となった。水セメント比に関わらず、いずれの実施例でも、混合性が向上していることを示す。

混合性向上に伴い、モルタル強度は、それぞれ、２９％、１２％、４％増となる。なお、水セメント比４５％の例では強度は変わらなかった。水セメント比が低い程、顕著な強度向上効果が得られる。

次に、現場施工実務の観点から検討する。

実施例２と従来例２（３５％）を比較すると、従来例の方が３０％程度、粉塵発生量が多い。粉塵発生量を抑制するために加水することがある。例えば、従来例４（４５％）では、実施例２と同程度の粉塵発生量に抑制できる。一方、加水（従来例２→従来例４）により、１５％程度モルタル強度が低下する。

これに対し、実施例２では、過剰な加水をすることなく、粉塵発生量は２３％程度減り、モルタル強度は１２％程度増える。

以上の結果より、本実施形態は、過剰な加水をすることなく、水圧を調整することで、確実な混合撹拌効果が得られる。その結果、所定の強度が得られる。つまり、均質で安定した性状の吹付けモルタルや吹付けコンクリートを製造できる。

１ 圧送ポンプ
２ 圧送管
３ 注液機構
４ 注液用ポンプ
５ 注液管
６ 噴射ノズル
３０ 液体供給部
３１ 外管
３２ 内管
３３ 第１連通孔
３４ 第２連通孔
３５ メイン流路

Claims (7)

1. セメント系材料が圧送される圧送管と、前記圧送管の先端に設けられて前記セメント系材料を噴射する噴射ノズルと、の間に設けられ、前記セメント系材料に液体を添加する注液機構であって、
   前記注液機構は、液圧調整機構を備える
   ことを特徴とする注液機構。
2. 前記注液機構は、
   外部から液体を供給する液体供給部と、
   前記液体を管周方向に展開する外周流路を有し、外周流路内壁に周方向に複数設けられる第１連通孔を有する、外管と、
   前記外管に内接され、前記第１連通孔と連通して前記セメント系材料に液体を注液する第２連通孔を有する、内管と、
   を備え、
   前記液圧調整機構は、前記外管が内管に対し摺動されることにより、前記第１連通孔と第２連通孔との連通面積を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の注液機構。
3. 前記外管は内管に対し、管周方向に摺動可能である
   ことを特徴とする請求項２記載の注液機構。
4. 前記外管は内管に対し、管軸方向に摺動可能である
   ことを特徴とする請求項２記載の注液機構。
5. 乾式吹付工法に用いられ、
   前記液体は、水である
   ことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の注液機構。
6. 湿式吹付工法に用いられ、
   前記液体は、混和剤である
   ことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の注液機構。
7. 請求項１記載の注液機構を用い、
   注液不足の場合は、前記液圧調整機構は液圧を上げ、
   注液過剰の場合は、前記液圧調整機構は液圧を下げる
   ことを特徴とする吹付工法。