JP6262026B2 - フレッシュコンクリート締固め状態報知システム及び品質管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、棒状バイブレータを用いたフレッシュコンクリートの締固めにおいて、その締固め特性を判定して、当該締固め特性に応じてフレッシュコンクリートの締固め状態を報知するためのシステム及びフレッシュコンクリートの品質管理方法に関するものである。

建設施工現場において、コンクリートを打設する際の空洞（未充填）や気泡、ジャンカやコールドジョイント等の発生を抑制するためには、内部振動機（例えば、棒状バイブレータ）による締固め作業が重要である。この締固め作業では、内部振動機による締固め間隔や締固め時間が、最終的なコンクリート構造物の品質を左右する。

しかし、土木学会コンクリート標準示方書等に代表される基準では、バイブレータにより締固め間隔や締固め終了時間の目安が記述されているのみである。このため、実際の施工現場では、締固め間隔や締固め終了時間の判断は作業員に委ねられることが多く、十分な施工管理を行っているとはいえ、作業員の経験や勘に頼るところがあった。

内部振動機による締固め効果については、従来より数多くの研究が行われており、振動機の周波数や振動時間、コンクリートの特性などの要因と締固め範囲との関連性が研究されている。これらの研究成果から、フレッシュコンクリート内の加速度（締固めエネルギー）を用いた締固め管理方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特許文献１に記載された技術は、コンクリートバイブレータにより、コンクリートの締固めが有効に行われているか否かを判別するためのコンクリートバイブレータの有効運転管理装置に関するものである。このコンクリートバイブレータの有効運転管理装置は、コンクリートバイブレータ運転時の負荷と相関関係を有する電流、力率、周波数、音量などの運転状況データを検出するセンサと、当該センサにより検出された値を閾値と比較する比較回路と、比較の結果を表示する表示装置とからなり、検出された値が閾値を超えたときに、有効運転表示が表示装置に表示される。

特許文献２に記載された技術は、コンクリート又はモルタルの打設後のバイブレーションかけ忘れを防止するためのバイブレータかけ検知装置に関するものである。このバイブレータかけ検知装置は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するセンサ素子を型枠内に設置し、このセンサ素子に機械振動が印加されることで発生する電気信号を検出し、検出した機械振動の大きさに応じた電気信号を所定の基準データと比較し、その比較結果に基づいてコンクリート又はモルタルへのバイブレータかけ状況を判定する。

特許文献３に記載された技術は、コンクリートの締固め施工域全体の締固め程度の評価、締固め完了の範囲の判定を行うためのコンクリートの締固め判定方法に関するものである。このコンクリートの締固め判定方法は、コンクリートの締固め施工域の地図をＧＰＳ対応のモニターに表示し、締固め施工域においてバイブレータにより締固めを行う位置毎に、ＧＰＳ測量によりバイブレータの挿入位置を求めて地図上に特定し、当該位置についてバイブレータの挿入位置からの距離と振動時間を考慮して評価した締固めの及ぶ範囲、程度及び締固め完了と判定した範囲を地図上に記録する。

特開２００２−３２２８１２号公報 特開２００４−２１８３６９号公報 特開２０１３−１５９９３９号公報

上述した従来の技術は、フレッシュコンクリート内に加速度計を設置する必要がある等、フレッシュコンクリートの締固め状態を管理するためには、バイブレータに付属しなければならない機器が多く、当該機器の設置や撤去に時間とコストがかかるという問題があった。

また、特許文献１に記載された技術は、バイブレータ運転時の負荷と相関関係を有する電流、力率、周波数、音量などの運転状況データを検出することにより、バイブレータが有効に運転されているか否かを管理している。しかし、フレッシュコンクリートは、施工対象に合わせてスランプ値等の性状を決定しなければならず、バイブレータ運転時の負荷と運転状況データとを比較して有効な運転を行っているか否かを判定するためには、使用するフレッシュコンクリートと運転状況データとの関係を予め測定する較正作業（キャリブレーション）を行わなければならない。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、フレッシュコンクリートの締固め特性を判定して、当該判定結果に基づいて締固め状態を報知することにより、適切な締固めを行って施工品質を向上させることが可能なフレッシュコンクリートの締固め状態報知システム及び品質管理方法を提供することを目的とする。

本発明のフレッシュコンクリート締固め状態報知システム及び品質管理方法（以下、締固め状態報知システム、品質管理方法と略記することがある）は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明のフレッシュコンクリートの締固め状態報知システムは、フレッシュコンクリート内に棒状バイブレータを挿入して締固めを行う際に、当該フレッシュコンクリートの締固め特性を判定して、当該締固め特性に応じて締固め状態を報知するための装置であって、フレッシュコンクリートの締固め特性を判定する演算装置と、当該演算装置における判定結果に基づいて、締固め状態を報知する報知装置とを備えたことを特徴とする。

演算装置は、加速度・角速度演算手段と、流体力演算手段と、粘性係数演算手段と、判定手段とを含んでいる。報知装置は、報知信号生成手段と、報知手段とを含んでいる。

加速度・角速度演算手段は、棒状バイブレータの電流値に基づいて、当該棒状バイブレータの振動加速度及び振動角速度を求めるための手段である。流体力演算手段は、振動加速度と振動角速度とを用いて、当該棒状バイブレータが受ける流体力を求めるための手段である。粘性係数演算手段は、流体力を用いてフレッシュコンクリートの粘性係数を求めるための手段である。判定手段は、演算装置における各演算結果データと、予め定めた基準値とを比較して、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を判定するための手段である。

報知信号生成手段は、判定手段における判定結果に基づき、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知するための報知信号を生成するための手段である。報知手段は、報知信号に基づいて、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知するための手段である。

また、上述した構成に加えて、演算装置に、加速度分布演算手段と、締固め有効範囲演算手段とを含ませることが可能である。加速度分布演算手段は、棒状バイブレータの振動加速度と、コンクリートの粘性係数とに基づいて、フレッシュコンクリート内を伝播する棒状バイブレータの振動加速度の分布を求めるための手段である。締固め有効範囲演算手段は、棒状バイブレータの電流値の変化と、フレッシュコンクリート内を伝播する棒状バイブレータの振動加速度の分布とに基づいて、フレッシュコンクリートの締固め時間及び締固め有効範囲を求めるための手段である。

このような構成とした場合に、判定手段は、締固め有効範囲演算手段により求めたフレッシュコンクリートの締固め時間及び締固め有効範囲について、基準値との比較に基づく判定を行う。また、報知装置は、判定手段の判定結果に基づき、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固めについて、締固め時間及び締固め範囲が適切であるか否かを報知する。

また、上述した構成に加えて、演算装置に、棒状バイブレータの実際の仕様諸元を計測して求めた補正値を入力する補正値入力手段を含ませることが可能である。このような構成とした場合に、各演算手段は、当該補正値を用いて補正演算を行う。

また、上述した構成に加えて、演算装置及び報知装置の少なくとも一方を、棒状バイブレータに内蔵することが可能である。

本発明のフレッシュコンクリートの品質管理方法は、フレッシュコンクリート内に棒状バイブレータを挿入して締固めを行う際に、当該フレッシュコンクリートの粘性係数を求めて、当該粘性係数に応じて当該フレッシュコンクリートの品質管理を行うための方法に関するものである。

このフレッシュコンクリートの品質管理方法は、棒状バイブレータの電流値に基づいて、当該棒状バイブレータの振動加速度及び振動角速度を求める工程と、振動加速度と振動角速度とを用いて、当該棒状バイブレータが受ける流体力を求める工程と、流体力を用いてフレッシュコンクリートの粘性係数を求める工程と、粘性係数に基づいて当該フレッシュコンクリートの品質管理を行う工程とを含むことを特徴とする。

なお、棒状バイブレータの電流値とは、棒状バイブレータを駆動する際にＤＣモータに流れる電流値のことであり、この電流値はフレッシュコンクリート内に挿入した棒状バイブレータ（バイブレータ棒部）の負荷（フレッシュコンクリートとの間に生ずる抵抗力）に応じて変化する。

本発明のフレッシュコンクリートの締固め状態報知システムによれば、棒状バイブレータを用いたフレッシュコンクリートの締固め作業において、フレッシュコンクリートの材料特性（粘性係数）や締固め時間、締固め範囲が、品質管理上必要な規定値を満足しているか否かをリアルタイムに判定して、これを報知する。これにより、管理者や作業者がフレッシュコンクリートの締固め特性をリアルタイムに監視して、締固め特性に応じた適切な対応をとることができ、構造物等の品質が向上するとともに、製造コストを低減することが可能となる。

特に、棒状バイブレータの電流値のみを測定して、フレッシュコンクリートの締固め特性を判定するための演算に用いることにより、従来技術のような加速度計等の機器を設置する必要がない。さらに、事前の実験により、フレッシュコンクリートの締固め特性を求める必要がなく、適切かつ確実に、現状の締固め状態が、品質管理上必要な規定値を満足しているか否かを把握することができる。

締固め状態報知システムの構成を示すブロック図。 棒状バイブレータの模式図。 棒状バイブレータにおける鉛直方向断面の加速度分布を示す説明図。 棒状バイブレータにおける水平方向断面の運動と力の釣り合いを示す説明図。 バイブレータ棒部の近傍における微少要素を示す説明図。 棒状バイブレータの力の釣り合いを示す説明図。 粘性係数と角速度の関係を示す説明図。 波速と空気量の関係の比較を示す説明図。 棒状バイブレータにおける加速度の減衰を示す説明図。 乱れの領域における加速度減衰を示す説明図。 粘性係数と角速度の関係を示す説明図。 せん断応力とせん断ひずみ速度の関係を示す説明図。

以下、図面を参照して、本発明に係るフレッシュコンクリートの締固め状態報知システムの実施形態を説明する。図１〜図１２は本発明の実施形態に係るフレッシュコンクリートの締固め状態報知システムを説明するもので、図１は締固め状態報知システムの構成を示すブロック図、図２は棒状バイブレータの模式図、図３は棒状バイブレータにおける鉛直方向断面の加速度分布を示す説明図、図４は棒状バイブレータにおける水平方向断面の運動と力の釣り合いを示す説明図、図５はバイブレータ棒部の近傍における微少要素を示す説明図、図６は棒状バイブレータの力の釣り合いを示す説明図、図７は粘性係数と角速度の関係を示す説明図、図８は波速と空気量の関係の比較を示す説明図、図９は棒状バイブレータにおける加速度の減衰を示す説明図、図１０は乱れの領域における加速度減衰を示す説明図、図１１は粘性係数と角速度の関係を示す説明図、図１２はせん断応力とせん断ひずみ速度の関係を示す説明図である。

本発明の実施形態に係る締固め状態報知システムは、フレッシュコンクリート内に棒状バイブレータを挿入して締固めを行う際に、当該フレッシュコンクリートの締固め特性を判定して、当該締固め特性に応じて締固め状態を報知するための装置に関するものである。この締固め状態報知システム１００は、図１に示すように、演算装置２００と報知装置３００を備えている。また、演算装置２００は、加速度・角速度演算手段２０６、流体力演算手段２０７、粘性係数演算手段２０８、判定手段２０９を含んでおり、さらに、加速度分布演算手段２１０、有効範囲演算手段２１１、補正値入力手段２１２を含むことが可能である。

また、報知装置３００は、報知制御手段３０１、報知手段３０２を含んでおり、棒状バイブレータ１０に内蔵することが可能である。報知制御手段３０１は、判定手段２０９における判定結果に基づき、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知するための報知信号を生成するための電子機器及びプログラムからなる。報知手段３０２は、報知信号に基づいて、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知するための機器である。

この報知手段３０２は、例えば、フレッシュコンクリートの締固め状態を報知するための可視データを表示するための液晶表示装置、フレッシュコンクリートの締固め状態に応じて、点灯色、点滅間隔、点灯個数等を変更するランプ類、フレッシュコンクリートの締固め状態に応じて、鳴動回数や音色を変更する音声発生装置（ブザーや、アンプ及びスピーカ）等からなる。

報知手段３０２を液晶表示装置により構成した場合には、現状の締固め状態が、品質管理上必要な規定値を満足しているか否かを文字情報やグラフにより表示し、あるいはランプ類の点灯色、点滅間隔、点灯個数等を変更する。また、報知手段３０２を音声発生装置により構成した場合には、ブザーの鳴動回数により、現状の締固め状態が、品質管理上必要な規定値を満足しているか否かを報知し、あるいは、音声により、現状の締固め状態が、品質管理上必要な規定値を満足しているか否かを報知することができる。さらに、報知手段３０２は、上述した各装置を組み合わせた構成としてもよい。

締固め状態報知システム１００は、加速度・角速度演算手段２０６の機能により、フレッシュコンクリートの締固め特性判定において、棒状バイブレータ１０の電流値に基づいて、当該棒状バイブレータ１０の振動加速度及び振動角速度を求める。続いて、流体力演算手段２０７の機能により、棒状バイブレータ１０の振動加速度と振動角速度とを用いて、当該棒状バイブレータ１０が受ける流体力を求める。続いて、粘性係数演算手段２０８の機能により、流体力を用いてフレッシュコンクリートの粘性係数を求める。

また、加速度分布演算手段２１０の機能により、棒状バイブレータ１０の振動加速度と、コンクリートの粘性係数とに基づいて、フレッシュコンクリート内を伝播する棒状バイブレータ１０の振動加速度の分布を求める。

また、有効範囲演算手段２１１の機能により、棒状バイブレータ１０の電流値の変化と、フレッシュコンクリート内を伝播する棒状バイブレータ１０の振動加速度の分布とに基づいて、フレッシュコンクリートの締固め時間及び締固め有効範囲を求める。

また、補正値入力手段２１２の機能により、棒状バイブレータ１０の実際の仕様諸元を計測して補正値を求め、各演算における補正値を用いて演算を行う。

そして、判定手段２０９の機能により、演算装置２００における各演算結果データと、予め定めた基準値とを比較して、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を判定する。この際、有効範囲演算手段２１１により求めたフレッシュコンクリートの締固め時間及び締固め有効範囲について、基準値との比較に基づく判定を行うことができる。

そして、報知装置３００を構成する報知制御手段３０１及び報知手段３０２の機能により、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知する。現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態とは、予め定めた基準値との比較に基づいて、現状の締固め状態が、品質管理上必要な規定値を満足しているか否かに関する情報のことである。上述したように、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知するには、文字情報、グラフ等を液晶表示装置等の表示画面に表示し、ランプ類の点灯色、点滅間隔、点灯個数等を変化させ、あるいは、締固め状態に応じてブザーの鳴動回数を変化させたり、スピーカから音声を発生させたりして、棒状バイブレータ１０の操作者や管理者等に報知する。

また、棒状バイブレータ１０に、位置情報を取得するためのＧＰＳ装置等を内蔵し、棒状バイブレータ１０の現在位置と締固め範囲との関係を示す情報を取得して、判定装置における判定に利用してもよい。この場合には、報知装置３００を用いて、棒状バイブレータ１０の現在位置と締固め範囲との関係を報知することができる。

また、フレッシュコンクリートの粘性係数と品質には相関関係があるため、演算結果である粘性係数を用いて、フレッシュコンクリートの品質を管理することができる。この場にも、報知装置３００を用いて、フレッシュコンクリートの品質を報知することができる。

なお、演算を行う各演算手段２０６〜２１１は、例えば、パーソナルコンピュータ及び当該パーソナルコンピュータを各手段として機能させるソフトウェア（演算プログラム）により実現される。すなわち、演算を行う各演算手段２０６〜２１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の機能を有するパーソナルコンピュータにソフトウェア（演算プログラム）をインストールし、棒状バイブレータ１０の電流値及びその他の入力値に基づいて所定の演算を行うことにより、フレッシュコンクリートの締固め特性を判定することができる。

演算装置２００として機能するパーソナルコンピュータは、基本的な構成機器として、図１に示すように、ＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３、記憶手段２０４（例えば、ＨＤＤ）、送受信制御手段２０５を備えている。ＣＰＵ２０１は、他の手段を統括的に機能させて各種の演算処理を行うための装置である。ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３は、各種のプログラムデータ、演算データ等を記憶するための装置である。記憶手段２０４は、データベース、テーブルデータ等を記憶するための大容量記憶装置からなる。送受信制御手段２０５は、パーソナルコンピュータ及びその付属機器を含むコンピュータシステムにおいて、各種のデータの送受信を制御するための電気機器及びプログラムからなる。

なお、プログラムとは、ＲＡＭ等に記憶され、ＣＰＵ等のハードウェアで実行されることにより、その機能を発揮するソフトウェアだけではなく、同等の機能を発揮することが可能な論理回路も含む概念である。

＜棒状バイブレータ加速度と流体力の関係＞
フレッシュコンクリートの締固めに用いる代表的な棒状バイブレータ１０は、図２に示すように、本体部１１の上部に把持部１２を設けるとともに、本体部の下部にバイブレータ棒部１３を設け、本体部１１の内部にＤＣモータ１４を内蔵し、バイブレータ棒部１３内に偏心錘１５を内蔵している。ＤＣモータ１４の回転軸は、フレキシブルジョイント１６及びシャフト１７を介して偏心錘１５に連結している。そして、ＤＣモータ１４によりバイブレータ棒部１３の先端部付近に取り付けた偏心錘１５を高速で回転させ、その起振力によりバイブレータ棒部１３を振動（回転）させることにより、フレッシュコンクリートを締固めることができる。なお、棒状バイブレータ１０の運動を簡易的にモデル化するため、棒状バイブレータ１０の運動が定常状態であると仮定して説明を行う。

まず、バイブレータ棒部の運動を鉛直方向断面で考察する（図３参照）。バイブレータ棒部の運動は、定常状態で運動していると仮定しているため、フレキシブルジョイント付近を支点とした振り子運動となる。また、バイブレータ棒部は非常に硬いため、剛体として捉えることができ、バイブレータ棒部の鉛直方向（ｚ方向）の加速度分布は、図３に示すように、三角形となる。そこで、バイブレータ棒部の先端からフレキシブルジョイント付近の支点（加速度がゼロとなる点）までの長さを棒状バイブレータの有効長Ｌ₀〔ｍ〕として、鉛直方向（ｚ方向）の加速度αの分布を下記式（１）のように置く。

式（１）において、α_Tはバイブレータ棒部の先端の加速度〔Ｇ〕である。バイブレータ棒部に発生する向心力Ｆ〔Ｎ〕は、バイブレータ棒部の全重量（偏心錘の重量も含めた均質な材料と仮定）をｍ_Vとすれば、式（１）より、下記式（２）を求めることができる。

式（２）において、ｇは重力加速度である。なお、向心力Ｆの鉛直方向の作用位置ｚ〔ｍ〕は、図３に示すように、下記式（３）となる。

そこで、バイブレータ棒部に作用する起振力についても、ｚ（＝Ｌ₀／３）の位置を基準にして考える。偏心錘の重量をｍ_w〔ｋｇ〕、アーム半径をｒ_w、角速度をω〔ｒａｄ／ｓ〕とすると、起振力は下記式（４）と表すことができる。

次に、バイブレータ棒部の運動を、向心力Ｆの作用位置ｚ（＝Ｌ₀／３）における水平方向断面（ｘ−ｙ断面）で考える。棒状バイブレータの運動を定常状態と仮定していることから、水平方向の運動は、図４（ａ）に示すような等速円運動となる。無負荷時のバイブレータ棒部の先端の加速度をαT₀〔Ｇ〕、角速度をω₀〔ｒａｄ／ｓ〕とすると、無負荷時の運動方程式は、式（２）及び式（３）を用いて、下記式（５）と表すことができる。

このバイブレータ棒部を、フレッシュコンクリート等の粘性流体中に挿入する。バイブレータ棒部には、速度方向（θ方向）にフレッシュコンクリートの粘性による流体力Ｆ_c〔Ｎ〕が作用し、図４（ｂ）に示すような半径ｒ〔ｍ〕、角速度〔ｒａｄ／ｓ〕、の等速円運動（定常状態）となる。この時、バイブレータ棒部には、下記式（６）に示すような流体力Ｆ_cによるポテンシャルＶが作用していると捉えることができる。

式（６）において、νはバイブレータ棒部の速度（＝ｒω）〔ｍ／ｓ〕である。無負荷時（フレッシュコンクリート挿入時）の運動方程式は、下記式（７）と表すことができる。

式（７）に、式（２）、式（４）及び式（６）を代入すると、下記式（７−１）となる。

また、式（６）より、下記式（７−２）であるから、下記式（８）となる。

式（８）に式（５）を代入して整理すると、バイブレータ棒部が受ける流体力Ｆ_cは、式（５）より、下記式（８−１）となる。一方、式（６）は、下記式（８−２）となり、代入すると、下記式（８−３）となる。これにより、下記式（９）を求めることができる。

＜棒状バイブレータ加速度と電流の関係＞
図４（ａ）に示す無負荷状態から図４（ｂ）に示す負荷状態に変化した場合、ＤＣモータのトルク増分ΔＴ_Mは原点周りのモーメントの増加量と等価であり、バイブレータ棒部が受ける流体力Ｆ_cを用いて、下記式（１０）と表すことができる。

式（１０）において、Δｒは作用位置ｚ（＝Ｌ₀／３）におけるバイブレータ棒部の軌道半径の変化であり、下記式（１０−１）より、下記式（１１）となる。

式（１０）に式（９）及び式（１１）を代入し、バイブレータ棒部の先端の角速度α_Tで整理すると、下記式（１１−１）及び下記式（１１−２）であるから、下記式（１１−３）、下記式（１１−４）、下記式（１１−５）、下記式（１１−６）、下記式（１２）と表すことができる。

一方、ＤＣモータでは、トルクＴ_M〔Ｎ．ｍ〕と電流Ｉ〔Ａ〕は比例関係になることから、ＤＣモータのトルク増分ΔＴ_Mと電流Ｉの関係は、下記式（１３）と表すことができる。

式（１３）において、Ｋ_Tはトルク定数〔Ｎ・ｍ／Ａ〕、ＴM₀は無負荷時のトルク〔Ｎ・ｍ〕、Ｉ₀は無負荷時の電流〔Ａ〕である。また、ＤＣモータの角速度ω〔ｒａｄ／ｓ〕は印加電圧Ｅ〔Ｖ〕を一定とした場合、下記式（１４）と表すことができ、電流Ｉとは逆比例の関係になる。

式（１４）において、Ｋ_Eは逆起電力定数〔Ｖ・ｓ／ｒａｄ〕、ＲはＤＣモータの内部抵抗〔Ω〕である。式（１３）及び式（１４）に式（１２）を代入すると、加速度α_Tと電流Ｉの関係は、下記式（１５）のように求めることができる。

なお、式（１５）に示す加速度α_Tと、電流Ｉの関係式は非常に複雑である。既往の研究によると、フレッシュコンクリートに棒状バイブレータを挿入しても角速度（周波数）にはあまり変化がみられないことから、下記式（１６）において角速度ωをω₀と表しても、実務上は問題ないと考えられる。

＜棒状バイブレータの検定実験＞
実際にフレッシュコンクリートの締固めに用いる棒状バイブレータは、ベアリングやジョイント部分でトルク損失があるため、上述した理論式と必ずしも一致しないと考えられる。そこで、棒状バイブレータの検定試験を行い、棒状バイブレータの加速度、角速度と電流の関係を近似することが望ましい。検定試験では、式（１６）よりバイブレータ棒部の先端の加速度α_Tと電流の関係式を下記式（１７）とする。また、式（１４）より、角速度ωと電流Ｉの関係式を下記式（１８）と近似して、校正係数Ｃ₁〜Ｃ₄を求める。

＜粘性係数の推定＞
図５及び図６を参照して、バイブレータ棒部の表面におけるフレッシュコンクリートの微少要素を取り上げる。バイブレータ棒部に作用する流体力は、フレッシュコンクリート等の粘性流体に作用する力の反作用である。微少要素の単位面積当たりに作用する力をｆc〔Ｎ／ｍ²〕、ｘ方向及びｙ方向の成分をｆ_cx，ｆ_cy〔Ｎ／ｍ²〕とすると、下記式（１９）となる。

ここで、フレッシュコンクリートを非圧縮性ニュートン流体と仮定し、下記式（２０）のようにモデル化する。

なお、フレッシュコンクリートは非ニュートン流体であり、一般的にビンガム流体等でモデル化されることが多いが、ここでは棒状バイブレータが高周波の振動を与えることから、流動曲線における降伏値は低減し、ニュートン流体に近い挙動になると考える。式（２０）において、τはせん断応力〔Ｎ／ｍ²〕、μは粘性係数〔ｐａ・ｓ〕、γ（傍点）はせん断ひずみ速度（ずり速度）〔Ｓ^-1〕である。式（２０）より、式（１９）に示したｘ方向及びｙ方向の成分ｆ_cx，ｆ_cyを下記式（２１）とし、ｘ方向及びｙ方向のせん断ひずみ強度γ_xy（傍点），γ_yx（傍点）を、粘性流体の振動平板流れの解を基に、それぞれ下記式（２２）のように定義する。

式（２２）において、ρはフレッシュコンクリートの密度〔ｋｇ／ｍ³〕である。また、ｕ₀及びν₀はバイブレータ棒部の表面におけるｘ，ｙ方向の速度振幅であり、フレッシュコンクリートとバイブレータ棒部の接触面における加速度振幅をα_c（傍線）とすると、下記式（２３）と表すことができる。

なお、フレッシュコンクリートとバイブレータ棒部の接触面における加速度振幅α_c（傍線）は、フレッシュコンクリートを挿入したバイブレータ棒部の長さをＬ〔ｍ〕とすれば、式（１）より、下記式（２４）となる。また、バイブレータ棒部とフレッシュコンクリートの接触面積Ｓ〔ｍ²〕は、バイブレータ棒部の先端が丸くなっているため、バイブレータ棒部の先端の底面積は無視している。

よって、式（１９）に示すフレッシュコンクリートの単位面積当たりに作用する力ｆ_c〔Ｎ／ｍ²〕は、式（２１）〜式（２３）を代入することで、下記式（２４−１）、下記式（２４−２）、下記式（２４−３）、下記式（２５）と表すことができる。

ここで、バイブレータ棒部とフレッシュコンクリートの接触面積をＳ〔ｍ²〕（πφ・Ｌと同形。φは棒状バイブレータ径〔ｍ〕）とすれば、バイブレータ棒部に作用する流体Ｆ_c’〔Ｎ〕は、下記式（２６）となる

また、図７に示すように、流体力Ｆ_c’の作用位置ｚ_c〔ｍ〕は、加速度分布が台形であることから、下記式（２７）となる。ここで、向心力Ｆの作用位置（ｚ＝Ｌ₀／３）での流体力Ｆ_cは、モーメントの釣り合いから、下記式（２７−１）、下記式（２８）と求めることができる。

式（２８）に式（２５）〜式（２７）を代入すると、下記式（２８−１）となる。式（２８−１）において、下記式（２８−２）とすると、下記式（２８−３）、下記式（２８−４）、下記式（２８−５）、下記式（２９）、下記式（３０）となる。

さらに、式（２９）に式（９）を代入して粘性係数μについて整理すれば、式（２８）より、下記式（３０−１）となり、両辺を二乗して下記式（３０−２）となり、下記式（３０−３）となる。

また、式（９）より、下記式（３０−４）であるから、代入して、下記式（３０−５）、下記式（３０−６）、下記式（３１）となり、粘性係数μをバイブレータ棒部の先端の加速度α_T及び角速度ωから推測することが可能となる。

＜コンクリート中の振動伝播式＞
既往の研究によると、棒状バイブレータがフレッシュコンクリートを締固める振動波は、フレッシュコンクリート中を伝播する縦波であると考えられており、その振動伝播特性（加速度分布式）は、波動方程式を解くことにより指数関数的に減衰することが知られている。本発明では、振動伝播特性（加速度分布式）として、既往の研究において提案されている式に対してバイブレータ棒部の径による影響を考慮した式を適用することで、フレッシュコンクリート内の加速度分布式を下記式（３２）のように表す。

式（３２）において、ｘはバイブレータ棒部の中心からの距離〔ｍ〕、φはバイブレータ棒部の径〔ｍ〕、ξは負荷減衰係数、χは幾何学減衰係数、βは材料減衰係数、γは境界減衰係数である。また、加速度α（ｚ）は、式（１）に示すように深度方向（ｚ方向）で三角形に分布するため、加速度分布をどの深度で評価するのかが必要である。ここでは、フレッシュコンクリートに作用する加速度が平均値となる深度位置（ｚ＝Ｌ／２）で評価することとし、下記式（３３）を用いる。

＜負荷減衰係数＞
負荷減衰係数ξは、バイブレータ棒部をフレッシュコンクリートに挿入した際の加速度比であり、無負荷時のバイブレータ棒部の先端の加速度をα_T0〔Ｇ〕、負荷時（フレッシュコンクリート挿入時）のバイブレータ棒部の先端の加速度をα_T〔Ｇ〕とすると、下記式（３４）で定義することができる。なお、バイブレータ棒部の先端の加速度α_Tは、電流Ｉより式（１８）を用いて求めることができるため、深度負荷減衰係数ξも電流Ｉを計測することにより直接求めることが可能である。

＜幾何学減衰係数＞
幾何学減衰係数χは、バイブレータ棒部で発生した振動が水平３６０°方向に拡散することを考慮した係数である。この幾何学減衰係数χは、エネルギーの拡散から下記式（３５）のように近似することができる。なお、平面波を仮定した場合には、χ＝０となる。

＜材料減衰係数＞
材料減衰係数βは、フレッシュコンクリートの粘性によって生じる減衰を表す係数である。平面波の場合、圧縮による体積変化を無視すれば、材料減衰係数βと粘性係数μの関係は、波動方程式より下記式（３６）のように導かれる。

ここで、バイブレータ棒部の運動が高周波（２００Ｈｚ、１２００ｒａｄ／ｓ）であるため、β≪ｋと考えると、式（３６）は下記式（３６−２）のように近似でき（図７参照）、式（３７）となる。式（３６−２）を導くには、β≪ｋより式（３６）の分母を下記式（３６−１）と近似する。

よって、材料減衰係数βは、粘性係数μを用いて下記式（３７−１）のように求めることができ、式（３８）となる。

ここで、ｃはフレッシュコンクリート内を伝播する振動の速度〔ｍ／ｓ〕であり、下記式（３９）を用いて推定する。

式（３９）において、Ａは体積比で表した空気量、ρ_cは、空気を含まないフレッシュコンクリートの密度〔ｋｇ／ｍ³〕、Ｋ_Aは空気の体積弾性率〔Ｎ／ｍ²〕（ここでは、Ｋ_Aを１．４３×１０^５と近似する）、ｎ_Kは空気を含まないフレッシュコンクリートの体積弾性率Ｋ_c〔Ｎ／ｍ²〕と空気の体積弾性率Ｋ_Aとの比である。フレッシュコンクリートの体積弾性率Ｋ_cは空気に比べてかなり大きく、体積弾性率の比ｎ_Kは非常に大きな値となるため、既往の研究では、式（３９）を近似して下記式（４０）を提案している。

しかし、式（４０）は、空気を含まない材料（空気量ゼロ）では波速の計算ができないため、ここでは体積弾性率の比ｎ_Kを１．５３×１０^４と仮定し、式（３９）を適用する。図８（ａ）は、式（３９）と式（４０）の比較であるが、波速に差はほとんど見られない。

なお、厳密には空気量Ａがゼロに近いほど式（３９）と式（４０）の間に差が生じ、フレッシュコンクリートの物性を考慮した場合、図８（ｂ）に示すように、空気量が０．１％以下程度から徐々に差が生じ始める。体積比を考慮した場合、弾性率の比ｎ_K＝１．５３×１０⁴は、体積弾性率Ｋ_cに対して表１に示す水の体積弾性率を適用した値である。フレッシュコンクリートの体積弾性率Ｋcは水よりも大きいと考えられるが、フレッシュコンクリート内の空気量が０．１％以下になることは現実にないと考えられ、実務においてｎ_K＝１．５３×１０⁴としても十分問題ないと考えられる。なお、水の体積弾性率を適用した理由は、棒状バイブレータのキャリブレーションとして水を想定しているためである（式（３８）に、水の物性値ρ_c＝１．０００ｇ／ｃｍ³及びＡ＝０．０％を代入すると、波速ｃは、１４８０ｍ／ｓに近似する）。

＜境界減衰係数＞
バイブレータ棒部の近傍では、フレッシュコンクリートの乱れ等の影響により振動の伝播が妨げられる。図９に、バイブレータ棒部の表面のＰ点における加速度の経時変化を示す。ここでは、乱れの領域を、せん断により横波の影響が強い領域であると仮定し、その範囲ａ〔ｍ〕を振動平板の境界層（Ｓｔｏｃｋｅｓ層）の厚さ（９９％厚）から以下のように定義する。

振動平板解による速度分布は、下記式（４１ａ）である。ここで、下記式（４１ｂ）とすると、下記式（４１ｃ）より、下記式（４１）となる。

この式（４１）に示すせん断による横波の影響範囲ａ〔ｍ〕を乱れの領域と定義する。また、乱れの領域内では境界層理論を基に、加速度の減衰式が１／ｎ乗則に従うものと仮定すると、下記式（４２）となる。

式（４２）において、δは加速度がゼロとなる領域の厚さである。また、ｎはバイブレータ棒部の表面の粗度や骨材材混入料等の影響を受け変化する任意の定数である。ここで、乱れの領域の境界位置（ｘ＝ａ＋φ／２）において、加速度が式（４２）に示す１／ｎ乗則から式（３３）に示す指数関数に移行すると仮定して、下記式（４３）とする。

また、図１０に示すように、乱れの領域において圧縮波によって排除される面積Ｓ₁が面積Ｓ₂に等値されると仮定して、式（４４）とする。なお、式を簡略化するため、面積Ｓ₁，Ｓ₂は微少であると考え、三角形で近似すると下記式（４５）となる。

したがって、境界減衰係数は、下記式（４５−１）より、下記式（４５−２）、下記式（４５−３）となる。

一方、式（４４）に式（４５）を代入すると、下記式（４５−４）、下記式（４５−５）、下記式（４５−６）となる。

ここで、下記式（４５−７）より代入し、下記式（４５−８）とすると、下記式（４６）を求めることができる。

以上のように各減衰係数を求めることで、フレッシュコンクリート内の加速度分布を推定することが可能となる。本発明は、従来のように、フレッシュコンクリート内に加速度計を設置する必要がないため、施工を阻害しないばかりか、経済的でもある。

＜締固め限界範囲の推定＞
本発明では、フレッシュコンクリートのレオロジー特性（せん断応力τ〜せん断ひずみ速度γ（傍点）の関係）を線形と仮定し、ニュートン流体として取り扱ってきた。しかし、実際のフレッシュコンクリートのレオロジー特性（せん断応力τ〜せん断ひずみ速度γ（傍点）の関係）は非線形であり、ビンガム流体のような降伏値を持つことが知られている。このため、降伏値以下の応力状態においてフレッシュコンクリートは変形せず、締固めも進行しないものと考えられる。

式（３６）における粘性係数μと角速度ωの関係を図１１に示す。図１１に示すように、粘性係数μは点Ｐにおいてピークを持ち、粘性係数の最大値μ_maxは下記式（４７）となる。

式（４７）において、ｃ’は締固め完了時における波速の限界値である。粘性係数が最大値μ_maxを持つため、せん断応力τ〜せん断ひずみ速度γ（傍点）の関係は図１２のように表すことができ、フレッシュコンクリートのレオロジー特性は非線形で表される。そこで、この粘性係数の最大値μ_maxを用いて降伏値τ_yを下記式（４８）で定義し、さらに式（２４）を用いて、この降伏値τ_yに対応する加速度の限界値α_limを下記式（４８−１）とすると、下記式（４９）となる。

締固めの限界範囲ｘ_lim〔ｍ〕は、この加速度限界値α_limを式（３３）に代入した下記式（５０）を解くことで求めることができる。

なお、式（５０）は非線形方程式であるため、締固めの限界範囲ｘ_limは解析的に求める必要がある。ここでは、下記式（５１）として、下記式（５２）に示すＮｅｗｔｏｎ法による反復計算を用いて求める。

式（５２）において、添字ｉは反復回数である。また、反復計算に用いる収束条件は、締固めの限界範囲ｘ_limがｍｍ単位の制度で得られれば実務的にも十分であることから、下記式（５３）と定義し、計算の初期値ｘ₀には式（４１）に示す乱れの領域の厚さａを用いる。このような条件でフレッシュコンクリートの締固めの限界範囲を計算した結果、反復回数が５〜１０程度で解はほぼ収束することを確認している。なお、本発明では、締固めの管理をリアルタイムで実施することを前提としているが、この程度の計算負荷であれば、リアルタイムでの評価も十分可能である。

＜締固め完了時間と有効範囲の推定＞
フレッシュコンクリートの締固めが進行することは、フレッシュコンクリートの密実さ（密度）が向上することであり、この密度向上の影響はフレッシュコンクリートの流体力（粘性係数）に反映され、その結果として棒状バイブレータに作用する負荷量が変化する（棒状バイブレータで測定する電流Ｉが変化する）。既往の研究では、棒状バイブレータの電流から求めたトルクの経時変化を用いて、締固めの進行度をモニタリングすることが可能であるとしている。そこで、本発明では、フレッシュコンクリートの締固め完了時間を、測定した電流Ｉの経時変化から双曲線法を用いて次のように求める。双曲線関数を下記式（５４）と定義し、この双曲線関数を下記式（５５）に示すように直線で近似する。

式（５５）において、ｔ₀は測定開始時間、Ｉ₀はｔ₀における電流である。また、近似曲線の係数ａ，ｂは最小二乗法を用いると、下記式（５６）と求めることができる。

式（５６）において、ｊは測定回数である。以上のような双曲線法では、電流が時間経過とともに限界値に収束していく。この時の締固め限界時間をｔ_limとすると、電流の限界値Ｉ_limは式（５４）及び式（５５）より、下記式（５７）となる。

また、フレッシュコンクリートの締固め度Ｕ〔％〕は、下記式（５８）で表すことができる。

また、締固め有効範囲ｘ_Eを締固め限界範囲ｘ_limを用いて、下記式（５９）と定義すれば、締固め度Ｕに対する締固め有効範囲が推定できる。仮に、締固め度９０％を管理基準として定めれば、締固めの完了時間と有効範囲を評価・管理することが可能となる。

＜電流値の計測＞
棒状バイブレータ１０の電流値を計測する電流計は、棒状バイブレータ１０に内蔵させてもよいし、棒状バイブレータ１０の電源コードに取り付けるアタッチメントタイプであってもよい。また、施工現場において、同時に複数の棒状バイブレータ１０を稼働させた際には、棒状バイブレータ１０に印可する電圧が低下することが考えられる。この場合には、電流値も変化するため、適宜な補正を行うことが好ましい。

＜補正値＞
棒状バイブレータ１０は、構成部品の特性等に基づいて、それぞれ実際の仕様諸元が異なっているのが一般的である。そこで、本実施形態では、予め、棒状バイブレータ１０の検定試験を行い、補正値を求めることが好ましい。この検定試験では、無負荷時の加速度と角速度、バイブレータ棒部の加速度分布（有効長）、電流値と加速度との関係、電流値と角速度との関係、加速度と流体力との関係（流体力は負荷質量として載荷する）等を求める。なお、加速度と流体力との関係を求める場合に最も簡易な方法は、棒状バイブレータ１０に錘を取り付けることである。

＜演算装置／報知装置＞
上述した実施形態では、演算装置２００及び報知装置３００を棒状バイブレータ１０とは別の装置として構成しているが、棒状バイブレータ１０の内部に演算装置２００及び報知装置３００のいずれか一方又は双方を組み込むことが可能である。このような構成とすることにより、棒状バイブレータ１０とは別に、演算装置２００や報知装置３００を設ける必要がなくなり、装置構成がコンパクトなものとなる。

なお、棒状バイブレータ１０の内部に演算装置２００及び報知装置３００のいずれか一方又は双方を組み込んだ場合であっても、棒状バイブレータ１０の内部に組み込んだ報知装置３００における報知と同等の報知を行う報知装置を別途設けることが可能である。このような構成とすることにより、棒状バイブレータ１０の操作者（作業者）がフレッシュコンクリートの締固め状態をリアルタイムに把握することができるだけではなく、管理者もフレッシュコンクリートの締固め状態をリアルタイムに把握することができる。

１０ 棒状バイブレータ
１１ 本体部
１２ 把持部
１３ バイブレータ棒部
１４ ＤＣモータ
１５ 偏心錘
１６ フレキシブルジョイント
１７ シャフト
１００ 締固め状態報知システム
２００ 演算装置
２０１ ＣＰＵ
２０２ ＲＯＭ
２０３ ＲＡＭ
２０４ 記憶手段
２０５ 送受信制御手段
２０６ 加速度・角速度演算手段
２０７ 流体力演算手段
２０８ 粘性係数演算手段
２０９ 判定手段
２１０ 加速度分布演算手段
２１１ 有効範囲演算手段
２１２ 補正値入力手段
３００ 報知装置
３０１ 報知制御手段
３０２ 報知手段

Claims (5)

1. フレッシュコンクリート内に棒状バイブレータを挿入して締固めを行う際に、当該フレッシュコンクリートの締固め特性を判定して、当該締固め特性に応じて締固め状態を報知するためのシステムであって、
   前記フレッシュコンクリートの締固め特性を判定する演算装置と、当該演算装置における判定結果に基づいて、締固め状態を報知する報知装置とを備え、
   前記演算装置は、
   前記棒状バイブレータの電流値に基づいて、当該棒状バイブレータの振動加速度及び振動角速度を求める加速度・角速度演算手段と、
   前記振動加速度と振動角速度とを用いて、当該棒状バイブレータが受ける流体力を求める流体力演算手段と、
   前記流体力を用いてフレッシュコンクリートの粘性係数を求める粘性係数演算手段と、
   前記演算装置における各演算結果データと、予め定めた基準値とを比較して、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を判定する判定手段と、
   を含み、
   前記報知装置は、
   前記判定手段における判定結果に基づき、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知するための報知信号を生成する報知信号生成手段と、
   前記報知信号に基づいて、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固め状態を報知する報知手段と、
   を含む、
   ことを特徴とするフレッシュコンクリートの締固め状態報知システム。
2. 前記演算装置は、
   前記棒状バイブレータの振動加速度と、前記コンクリートの粘性係数とに基づいて、前記フレッシュコンクリート内を伝播する棒状バイブレータの振動加速度の分布を求める加速度分布演算手段と、
   前記棒状バイブレータの電流値の変化と、前記フレッシュコンクリート内を伝播する前記棒状バイブレータの振動加速度の分布とに基づいて、フレッシュコンクリートの締固め時間及び締固め有効範囲を求める締固め有効範囲演算手段と、を含み、
   前記判定手段は、前記締固め有効範囲演算手段により求めたフレッシュコンクリートの締固め時間及び締固め有効範囲について、基準値との比較に基づく判定を行い、
   前記報知装置は、
   前記判定手段の判定結果に基づき、現在実施しているフレッシュコンクリートの締固めについて、締固め時間及び締固め範囲が適切であるか否かを報知する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のフレッシュコンクリートの締固め状態報知システム。
3. 前記演算装置は、
   前記棒状バイブレータの実際の仕様諸元を計測して求めた補正値を入力する補正値入力手段を含み、
   前記各演算手段は、当該補正値を用いて補正演算を行う、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフレッシュコンクリートの締固め状態報知システム。
4. 前記演算装置及び前記報知装置の少なくとも一方は、前記棒状バイブレータに内蔵されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフレッシュコンクリートの締固め状態報知システム。
5. フレッシュコンクリート内に棒状バイブレータを挿入して締固めを行う際に、当該フレッシュコンクリートの粘性係数を求めて、当該粘性係数に応じて当該フレッシュコンクリートの品質管理を行うための方法であって、
   前記棒状バイブレータの電流値に基づいて、当該棒状バイブレータの振動加速度及び振動角速度を求める工程と、
   前記振動加速度と振動角速度とを用いて、当該棒状バイブレータが受ける流体力を求める工程と、
   前記流体力を用いてフレッシュコンクリートの粘性係数を求める工程と、
   前記粘性係数に基づいて当該フレッシュコンクリートの品質管理を行う工程と、
   を含むことを特徴とするフレッシュコンクリートの品質管理方法。

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