JP7352395B2

JP7352395B2 - セメント系材料の押出性評価装置及び評価方法

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Publication number: JP7352395B2
Application number: JP2019120656A
Authority: JP
Inventors: 志向深津; 秀幸梶田; 和樹宮野; 浩司寺西
Original assignee: Maeda Corp
Current assignee: Maeda Corp
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: JP2021006766A

Description

本発明はセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法に関するものであり、特に、３Ｄプリンターにおいてセメント系材料を圧送する際の押出性能を評価するための装置及び方法に関するものである。

近年、建設分野において、３Ｄプリント技術を用いて構造物を積層しながら造形する構築方法である建設用３Ｄプリンターが開発されている。この３Ｄプリンターでは種々の材料を使用することができるが、建築分野においては基本的にセメント系材料を用い、ミキサーで練り上げたモルタルをポンプ圧送し、３次元造形装置（３Ｄプリンター）に供給している。

建設用３Ｄプリンターを用いた施工は、型枠なしで構造体を積層造形することができ、省人化、デザインの自由度、安全性などの点で従来のコンクリート施工に比べて高い優位性をもつものと期待される。今後、このような施工方法を実用化するためには、３Ｄプリンターの開発や改良などのほかにも、３Ｄプリンターで輸送管内を通ってきた材料をノズルから押し出す際の押出性や、ノズルから構造体に吐出された直後の材料の自立性などについても検討しておく必要がある。

特許文献１（特開２００１－１７４３９９号公報）にセメント系材料の押出性を評価するための技術が開示されている。特許文献１に記載されたセメント混練物の押出成形性評価方法は、押出成形試験を繰り返すことなくセメント混練物の押出成形性を評価するための技術であり、動的粘弾性測定装置でセメント混練物試験体に歪みを与えて貯蔵弾性率を測定する貯蔵弾性率測定ステップと、対象とする押出成形機に関して予め求めている動的粘弾性測定装置での貯蔵弾性率と押出成形機での成形圧力との相関関係に基づいて、貯蔵弾性率測定ステップにおいて測定された貯蔵弾性率からセメント混練物の押出成形機での成形圧力の推定値を求める成形圧力推定ステップとを含んでいる。

また、特許文献１に記載されたセメント混練物の押出成形性評価装置は、セメント混練物試験体に歪みを与えて貯蔵弾性率および損失角を得ることが可能な動的粘弾性測定装置と、動的粘弾性測定装置に電気的に接続される情報処理手段とを備えている。そして、情報処理手段には、動的粘弾性測定装置での貯蔵弾性率と対象とする押出成形機での成形圧力との相関関係および動的粘弾性測定装置での損失角と押出成形機でのたわみ量との相関関係が予め記憶されており、貯蔵弾性率と成形圧力との相関関係および損失角とたわみ量との相関関係に基づいて、動的粘弾性測定装置により測定された貯蔵弾性率および損失角からセメント混練物の成形圧力の推定値およびたわみ量の推定値を求められるようにプログラムが組み込まれている。

また、特許文献２（特開昭５４－４１７９０号公報）には、セメント系材料ではないが、プラスチック材料の流動性を測定するための装置が開示されている。特許文献２に記載された流動性測定装置は、プラスチック材料押出用のノズル盤と長さ及び断面積が等しく、断面形状の異なる複数本のノズルを設けた装置である。この流動性測定装置を用いてプラスチック材料の押出量を定量的に計測することにより、プラスチック材料の異形押出成形における台からの流れのバランスを評価することができるとしている。

特開２００１－１７４３９９号公報特開昭５４－４１７９０号公報

ところで、施工精度が高い構造物の造形には、主に自立性能が高い材料開発を行うとともに、ノズルの位置精度及び移動速度、吐出量等の機械開発を行う必要がある。また、造形された構造物（構造形式）には、様々な外力に対して十分な強度を発揮できるための構造性能が要求される。

その中でもノズルから吐出されるセメント系材料は、輸送管内をスムーズに流れる流動性と、吐出後直ちに自立して強度を発現する形状安定性を兼ね備えた物性が要求されるため、水添加率、練り上がりからの経過時間、輸送管径などの諸条件に対して、その物性が大きく左右される。

しかし、建設用３Ｄプリンターに用いられるセメント系材料の物性評価方法は未だ確立されていないのが現状である。特に、実施工で使用する３Ｄプリンターに対して１対１対応のセメント系材料しか使用できず、建設用３Ｄプリンター広域で使用可能なセメント系材料が存在しないことが課題である。

なお、上述した特許文献を含めて従来の技術では、実施工で使用する３Ｄプリンターにおけるセメント系材料の押出性を適切に評価するには、さらなる工夫の余地があり、装置の小型化や評価方法の簡便化等、種々の課題を有していた。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、小型な装置を用いた簡便な方法により、実施工で使用する３Ｄプリンターにおけるセメント系材料の押出性を評価することが可能なセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法を提供することを目的とする。

本発明に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法は、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、本発明に係るセメント系材料の押出性評価装置は、実施工と同じ条件で、セメント系材料の押出性を評価するための装置であって、セメント系材料を充填する管状部材と、管状部材の基端側から挿入し、当該管状部材の内部に充填されたセメント系材料を先端側へ向かって押し出す押出部材と、押出部材に駆動力を付与する駆動部材とを備えている。そして、管状部材は、実施工で使用する３Ｄプリンターの輸送管を模擬的に再現したものであり、管の中心軸が水平方向となるように設置され、かつ、管の内径が均一であることを特徴とするものである。

また、上述した構成に加えて、押出部材は、管状部材内に挿入可能なピストンからなり、駆動部材は、ピストンの基端側に接続され、当該ピストンを管状部材内に押し込む台車と、台車に接続されたロープを牽引する重錘とから構成することが可能である。

また、上述した構成に加えて、管状部材及び押出部材は、セメント系材料の輸送管の内径に対応させた内径を有する複数種類とし、重錘は、実施工時の輸送管におけるセメント系材料の押出力に対応させた重量を有する複数種類とすることが可能である。

本発明に係るセメント系材料の押出性評価方法は、実施工と同じ条件で、セメント系材料の押出性を評価するための方法であって、実施工で使用する３Ｄプリンターの輸送管を模擬的に再現するとともに、管の中心軸が水平方向となるように設置され、かつ、管の内径が均一である管状部材の内部にセメント系材料を充填し、管状部材内に挿入可能な押出部材に駆動力を付与して、当該管状部材の内部に充填されたセメント系材料を管状部材の先端側へ向かって押し出し、管状部材の内部に充填されたセメント系材料の押出時間を測定することにより、セメント系材料の押出性を評価することを特徴とするものである。

上述した構成に加えて、管状部材及び押出部材は、セメント系材料の輸送管の内径に対応させた内径を有する複数種類を用い、実施工時の輸送管におけるセメント系材料の押出力に対応させて駆動力を変化させることにより、セメント系材料の輸送管の内径及び押出力に対応させて、セメント系材料の押出性を評価することが可能である。

本発明に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法によれば、実施工で用いる３Ｄプリンターを実際に使用することなく、小型な装置を用いた簡便な方法により、実施工で使用する３Ｄプリンターにおけるセメント系材料の押出性を評価することが可能となる。

本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置の説明図。本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価方法のフローチャート。本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法の試験結果の説明図。本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法の試験結果の説明図。本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法の試験結果の説明図。本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法の試験結果の説明図。実機３Ｄプリンターの圧送部分の模式図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法を説明する。図１～図６は本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置及び評価方法を説明するもので、図１は押出性評価装置の説明図、図２は押出性評価方法のフローチャート、図３～図６は試験結果の説明図である。また、図７は実機３Ｄプリンターの圧送部分の模式図である。

さらに詳細に説明すると、図１（ａ）は押出性評価装置を上方から見た状態、図１（ｂ）は押出性評価装置を側方から見た状態、図１（ｃ）は管状部材と押出部材を拡大した状態を示す図である。図３は本実施形態における押出圧力損失と押出速度の関係を示す説明図、図４は実機における押出圧力損失と押出速度の関係を示す説明図、図５は本実施形態における押出最小圧力損失の輸送管径２５ｍｍの結果に対する比と輸送管径の関係を示す説明図、図６は実機と本実施形態における押出最小圧力損失の関係を示す説明図である。

＜セメント系材料の押出性評価装置＞
本発明の実施形態に係るセメント系材料の押出性評価装置は、図１に示すように、管状部材１０と、押出部材２０と、駆動部材３０とを主要な構成要素としている。この押出性評価装置は、実施工に使用する３Ｄプリンター（実機）におけるセメント系材料の輸送部分を模擬的に再現したものである。セメント系材料とは、例えばモルタルのことである。なお、図１（ｃ）において、符号６０はセメント系材料である。また、本実施形態では、管状部材１０の内部に充填されたセメント系材料の押出時間を測定するための押出時間測定手段４０を備えている。

実機３Ｄプリンターの圧送部分は、図７に示すように、セメント系材料を圧送するポンプ１００と、ポンプ１００にセメント系材料を供給するホッパー１１０と、ポンプ１００に接続された輸送管１２０とを備えており、輸送管１２０の先端部にはセメント系材料を吐出するためのノズル（図示せず）が設けられている。また、ポンプ１００と輸送管１２０との間にはセメント系材料の流量を計測するための流量計測計１３０と、セメント系材料の圧送圧力を測定するための圧力計１４０が設けられている。

管状部材１０、押出部材２０、駆動部材３０を構成する台車３１は基台５０上に載置されており、駆動部材３０を構成する重錘３３は台車３１に接続したロープ３２の先端に取り付けて、基台５０の下方に向かって吊り下げられている。

＜管状部材＞
管状部材１０は、セメント系材料を充填するための部材からなり、本実施形態では塩化ビニルパイプを管状部材１０として使用している。また、管状部材１０は透光性を有しており、内部に充填したセメント系材料を外部から目視できるようになっている。本実施形態では、長さ１ｍで、内径が２５ｍｍと３０ｍｍの２種類のものを使用している。なお、管状部材１０の長さ及び内径は、実施工に使用する３Ｄプリンター（実機）に対応させて適宜変更することができる。

＜押出部材＞
押出部材２０は、管状部材１０の基端側から挿入し、管状部材１０の内部に充填されたセメント系材料を先端側へ向かって押し出すための部材からなる。本実施形態では管状部材１０の内径よりも小径の外径を有するピストンを押出部材２０として使用している。なお、押出部材２０の外径は、管状部材１０の内径に合わせて適宜変更することができる。

＜駆動部材＞
駆動部材３０は、押出部材２０に駆動力を付与するための部材からなる。本実施形態では、押出部材２０であるピストンの基端側に接続され、ピストンを管状部材１０内に押し込む台車３１と、台車３１に接続されたロープ３２を牽引する重錘３３により駆動部材３０を構成している。台車３１は、基台５０上に敷設されたレール３５上に載置されており、レール３５上を走行することにより管状部材１０内にピストンを押し込むようになっている。

台車３１には、ロープ３２が接続されており、ロープ３２は基台５０上に設けた滑車３４を介して基台５０の下方に至り、ロープ３２の先端には重錘３３が吊り下げられている。なお、重錘３３は、セメント系材料の押出力に対応させた重量を有する複数種類となっている。重錘３３の重量を変更するには、ロープ３２の先端に結びつけた袋状部材の内部に、粒状の錘（例えば、散弾）を所望重量となるように詰め込めばよい。

＜押出時間測定手段＞
押出時間測定手段４０は、管状部材１０の内部に充填されたセメント系材料の押出時間を測定するための手段であり、例えば、ストップウォッチ等を使用することができる。また、押出時間測定手段４０による時間測定の開始及び終了をピストンの駆動や台車３１の移動に連動させることにより、自動的に測定を行うことができる。さらに、測定信号を出力可能な電子ストップウォッチを使用することにより、コンピュータに測定信号を取り込んで、各種データを自動的に計測及び集計することができる。

＜セメント系材料の押出性評価方法＞
本発明の実施形態に係る押出性評価方法は、上述した押出性評価装置を用いてセメント系材料の押出性を評価するための方法である。すなわち、図２に示すように、セメント系材料を管状部材１０の内部に充填し（Ｓ１）、管状部材１０内に挿入可能な押出部材２０に駆動力を付与して（Ｓ２）、当該管状部材１０の内部に充填されたセメント系材料を管状部材１０の先端側へ向かって押し出し（Ｓ３）、管状部材１０の内部に充填されたセメント系材料の押出時間を測定する（Ｓ４）ことにより、セメント系材料の押出性を評価する（Ｓ５）。

このような押出性評価方法において、管状部材１０及び押出部材２０は、セメント系材料の輸送管１２０の内径に対応させた内径を有する複数種類を用いる。そして、セメント系材料の押出力に対応させて駆動力を変化させることにより、セメント系材料の輸送管１２０の内径及び押出力に対応させて、セメント系材料の押出性を評価することができる。

＜具体的な試験＞
以下、上述した押出性評価装置を用いた具体的なセメント系材料の押出性評価試験について説明する。押出性評価試験では、まず、３Ｄプリンターの輸送管１２０を模擬した透明な塩化ビニルパイプ（長さ１ｍ）の後方３０ｃｍの部分に試料を詰める。続いて、台車３１に接続したロープ３２の先端部に取り付けた錘受けに錘（散弾）を投入し、ピストンに荷重を加えて試料を押し出す。そして、塩化ビニルパイプ内を試料が７０ｃｍ移動する時間を測定し、測定結果に基づいて、試料の押出速度を求める。

また、錘の質量を変化させて上述した手順を３回繰り返す。なお、塩化ビニルパイプの内部抵抗を均一にするため、予め少量の試料を押し出して、塩化ビニルパイプの内壁に試料を付着させてから試験を行うことが好ましい。

＜試験によるセメント系材料の押出評価＞
プレミックスモルタル材と水を、モルタルミキサーにより練り混ぜて試料とした。実験要因は水添加率（添加する水のプレミックスモルタル材に対する質量比率）、練置き時間、輸送管径とした。試験装置は、３Ｄプリンターの輸送管１２０を模擬した本実施形態に係る押出性評価装置と、実施工に使用する３Ｄプリンター（実機）の圧送部分を用いた。

本実施形態に係る押出性評価装置を用いた「押出性評価試験」では、実機の輸送管１２０内を圧送されるセメント系材料の押出性を評価した。一方、実機の圧送部分を用いた「実機押出試験」では、押出性評価試験を並行して実施し、実機による押出性を予測する方法について検討した。

図３に押出性評価試験から得た水添加率１５％、輸送管径３０ｍｍの押出圧力損失（押出圧力の輸送管１ｍ当たりの損失）と押出速度の関係を示す。図中の押出圧力損失の回帰直線の切片を下回ると、セメント系材料を押し出すことができなくなると仮定し、本試験では回帰直線の切片の値を押出最小圧力損失とし、押出性を評価する指標とした。

図４に実機押出試験から得た、押出圧力損失と押出速度の関係を示す。実機においても両者の関係は押出性評価試験と同様の結果が得られた。このことから実機の場合も押出最小圧力損失（回帰直線の切片の値）を指標とした。

図５に押出性評価試験から得た押出最小圧力損失の輸送管径２５ｍｍに対する比と輸送管径の関係を示す。この試験結果は、ばらつきが大きいが、押出最小圧力損失が図中の回帰直線に従って変化するものと考えると、輸送管径１ｍｍの増大に対して押出最小圧力損失を２．４４％減じることで所要の輸送管径に応じた値に換算することができる。

図６に実機押出試験と押出性評価試験で得られた押出最小圧力損失の関係を示す。ここで、押出性評価試験の押出最小圧力損失は、輸送管径３０ｍｍから２０ｍｍへ換算している。両者はおおむね比例関係にあり、実機の押出最小圧力損失は、押出性評価試験の結果を０．３９倍することで予測可能であることが解る。

上述した評価方法で示した数値結果は、本試験における数値であるが、他の実機の圧送部分（実機押出装置）でも同様の試験を行うことにより、本実施形態に係る押出性評価装置を用いて、実機に用いるセメント系材料の圧送における押出性を評価できる。

＜本発明に係るセメント系材料の押出性評価装置及び押出性評価方法の有利な効果＞
建造物の実施工に用いる３Ｄプリンターは、建造物の大きさに応じて大型となることは避けられず、このような実機を用いてセメント系材料の押出性を評価したのでは、膨大な量の材料が必要となるばかりではなく、大がかりな実験を行わなければならない。この点、本発明に係るセメント系材料の押出性評価装置及び押出性評価方法によれば、実験室等に設置可能な小型な装置を用いることにより、使用する材料の量も少なく、簡便な試験によりセメント系材料の押出性を評価することができる。

発明者らの実験によれば、建造物の実施工に用いる３Ｄプリンターにおける実施工結果と、本発明に係るセメント系材料の押出性評価装置及び押出性評価方法における試験結果とは深い相関関係があり、建造物の実施工に用いる３Ｄプリンターの構成に対応した輸送管１２０の内径及び圧送ポンプ１００の押出力におけるセメント系材料の押出性を的確に評価することができた。

１０管状部材
２０押出部材
３０駆動部材
３１台車
３２ロープ
３３重錘
３４滑車
３５レール
４０押出時間測定手段
５０基台
６０セメント系材料
１００ポンプ
１１０ホッパー
１２０輸送管
１３０流量計測計
１４０圧力計

Claims

実施工と同じ条件で、セメント系材料の押出性を評価するための装置であって、
セメント系材料を充填する管状部材と、
前記管状部材の基端側から挿入し、当該管状部材の内部に充填されたセメント系材料を先端側へ向かって押し出す押出部材と、
前記押出部材に駆動力を付与する駆動部材と、
を備え、
前記管状部材は、実施工で使用する３Ｄプリンターの輸送管を模擬的に再現したものであり、管の中心軸が水平方向となるように設置され、かつ、管の内径が均一である、
ことを特徴とするセメント系材料の押出性評価装置。
前記押出部材は、前記管状部材内に挿入可能なピストンからなり、
前記駆動部材は、前記ピストンの基端側に接続され、当該ピストンを前記管状部材内に押し込む台車と、前記台車に接続されたロープを牽引する重錘とからなる、
ことを特徴とする請求項１に記載のセメント系材料の押出性評価装置。
前記管状部材及び前記押出部材は、セメント系材料の輸送管の内径に対応させた内径を有する複数種類とし、
前記重錘は、実施工時の輸送管におけるセメント系材料の押出力に対応させた重量を有する複数種類とする、
ことを特徴とする請求項２に記載のセメント系材料の押出性評価装置。
実施工と同じ条件で、セメント系材料の押出性を評価するための方法であって、
実施工で使用する３Ｄプリンターの輸送管を模擬的に再現するとともに、管の中心軸が水平方向となるように設置され、かつ、管の内径が均一である管状部材の内部にセメント系材料を充填し、
前記管状部材内に挿入可能な押出部材に駆動力を付与して、当該管状部材の内部に充填されたセメント系材料を管状部材の先端側へ向かって押し出し、
前記管状部材の内部に充填されたセメント系材料の押出時間を測定することにより、セメント系材料の押出性を評価する、
ことを特徴とするセメント系材料の押出性評価方法。
前記管状部材及び前記押出部材は、セメント系材料の輸送管の内径に対応させた内径を有する複数種類を用い、
実施工時の輸送管におけるセメント系材料の押出力に対応させて駆動力を変化させることにより、
セメント系材料の輸送管の内径及び押出力に対応させて、セメント系材料の押出性を評価する、
ことを特徴とする請求項４に記載のセメント系材料の押出性評価方法。