(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用するグラウト材はセメントと水の比率を固定したセメントミルクへの増粘剤の配合量を変化させることで、流動性を変化させることができるグラウト材であり、気泡入りのグラウト材を連続した配管を通じて各材料を順次混合しながら製造し、かつそれをそのまま地盤や構造物の空隙に注入するシステムとして、連続した配管を通じてグラウト材に混合する空気量のフィードバック制御を行い、その結果を混合後のグラウト材の流量に反映することを特徴とするグラウト材注入システム。
【請求項２】
空気量のフィードバック制御は、コンプレッサから気泡発生装置への送気管に圧縮空気制御装置を備えた自動バルブと熱式流量計とからなる圧縮空気計測・制御装置を配設し、熱式流量計の計測値をもとに、自動バルブを調整して行う請求項１記載のグラウト材注入システム。
【請求項３】
セメントと水の比率を固定したセメントミルクへ増粘剤を加える場合に、増粘剤が、スルホン酸基を含有する球状架橋アクリル系高分子粒子からなる粉体またはセルロース系水溶性高分子材料、もしくはこれらの混合体であり、増粘剤の配合量を変化させることで、流動性を変化させることを特徴とする請求項１記載のグラウト材注入システムに使用するグラウト材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤や構造物の空隙、目地、ひび割れ等の間隙に注入して地盤や構造物の遮水性、強度特性を高めることを目的としたグラウト工事。なかでもグラウト材の強度特性に制約のあるグラウト工事を主な対象とするグラウト材注入システムおよびそれに使用するグラウト材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セメントペースト、モルタル、可塑状グラウト等のグラウト材に材料分離抵抗性、流動性を改善し、また軽量化、コスト縮減を達成するために、気泡を混合させたエアグラウト（エアモルタル）とすることがある。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、セメントと鉱物質フィラーと水と気泡とから成るグラウト材が、特許文献２には、可塑性注入材をセメントミルク又はセメントエアミルクと、ベントナイト泥水とを攪拌混合して得られる可塑性注入材が開示されており、また、特許文献３には、セメント、ベントナイト及び水又はセメント、ベントナイト、水に、気泡を含有する注入材料が開示されている。
【特許文献１】特開平９−３６８０４３号
【特許文献２】特開平１１−３１０７７９号公報
【特許文献３】特開２０００−５４７９４号公報
【０００４】
これらの二液を混合させて得られるグラウト材を軽量化する場合、一般的には、セメントミルクに気泡、泡剤又は軽量骨材等を混入して圧送した後、他方の液、例えば粘土泥水等と混合させて、グラウト材を調製している。
【０００５】
気泡の製造には起泡剤を用いる。起泡剤は、大きく界面活性剤系と動物性タンパク系の２種類に分かれる。ただしどちらでも取り扱いの方法はほぼ同じである。
【０００６】
グラウト材に気泡を混合する方法の一つに、起泡剤とグラウト材の材料（原料）をミキサに投入し、泡立てながら（気泡を発生させながら）混合するミックスフォーム方式がある。
【０００７】
しかしミックスフォーム方式では、起泡剤以外の材料が障害となって効率よく空気を取り込むことが難しいため、同じ空気量を得るのに使用する起泡剤の量が少なくて済むプレフォーム方式、すなわち起泡剤を水で希釈した溶液をポンプで、圧縮空気をコンプレッサでそれぞれ気泡発生管に送り、両者を混合することで気泡を発生させて、それをグラウト材の材料に混入する方式を採用するのが通常である。
【０００８】
プレフォーム方式において、ミキサ内に混合する気泡の量は、ポンプやコンプレッサの吐出量を一定として時間に換算して管理される例が多い（流量計で計測、管理される例もある）。
【０００９】
図３に、エアモルタル用の注入システムでのバッチ方式の注入システムを示す。各材料（セメント、砂、水、気泡）を計量してミキサ内にと投入し、混合することによりグラウト材を製造した後、それをモルタルポンプで注入孔へ圧入するシステムで、モルタル流量計で計測管理する。
【００１０】
一般に、混合した気泡の量が設計の範囲内にあることを確かめるために試験練りを行う。すなわち試験的に製造したグラウト材から試料を採取して、下記空気量の測定方法で空気量（大気圧下の値、以下同様）を測定し、その結果に基づいて、ポンプやコンプレッサのバルブの開度を調整しながら混合する空気の量を加減し、適正な値が得られるまで試験練りを繰り返す。以後は、試験練りで計測した空気量をエアモルタル流量計に入力し、エアモルタル流量計はそれに基づいて流量の積算を行う。
【００１１】
こうした煩雑な方法を取るのは、混合する気泡の量と製造されたグラウト材に含まれる空気量の差異が大きいことによる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の注入システムが備えているのは、モルタル流量計やエアモルタル流量計による計測と記録の機能のみでフィードバック制御の機能は備えていない。
【００１３】
それは、従来のいわゆる空洞充填に用いるグラウト材（モルタルやエアモルタルを始めとするいわゆる可塑状グラウト）においては、各材料（原料）の配合比率を変更すると、所定の性能、特に強度特性が確保できなくなる。そのため注入中に各材料の配合比率を変更することは想定外のこととなるからである。
【００１４】
このような従来のグラウト材に対して、増粘剤の量を調整することによって、流動性が変化しても、固化後の強度特性がほとんど変化しないグラウト材の使用が想定されるが、従来の注入システムでは、注入状況に応じて、注入中にグラウト材の材料（原料）の配合比率を変更することはできない。
【００１５】
図3に示すような、従来のバッチ式の注入システムでは、バッチ単位で各材料の配合比率を変更することは可能である。しかしそれらを注入状況に応じてリアルタイムに実施することはできない。
【００１６】
図４にインライン・ミキシング式の注入システムをしめす。各材料（図４ではモルタル、起泡剤、圧縮空気、可塑剤）をポンプ等で一定の流量で圧送し、これらを順次、配管内で混合することによって製造したグラウト材を注入孔へ圧入するシステムである。
【００１７】
従来のインライン・ミキシング式の注入システムでは、各ポンプの吐出量を手動で調整することで、各材料の配合比率を変更することは可能である。しかし注入中に各材料の流量の計測値を目標値に合わせて調整する（フィードバック制御する）機能を備えていない。したがって増粘剤の量を調整することによって、流動性が変化しても、固化後の強度特性がほとんど変化しないグラウト材にこの注入システムを使用しても、その長所である、固化後の強度を変えないで、注入状況に応じてその流動性を変えることができるという特徴を活かした注入を行うことはできない。
【００１８】
本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、増粘剤の量を調整することによって、流動性が変化しても、固化後の強度特性がほとんど変化しないグラウト材を使用するに際して、注入状況に応じてその流動性を変えることができるグラウト材注入システムおよびグラウト材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するため本発明のグラウト材注入システムは、使用するグラウト材はセメントと水の比率を固定したセメントミルクへの増粘剤の配合量を変化させることで、流動性を変化させることができるグラウト材であり、気泡入りのグラウト材を連続した配管を通じて各材料を順次混合しながら製造し、かつそれをそのまま地盤や構造物の空隙に注入するシステムとして、連続した配管を通じてグラウト材に混合する空気量のフィードバック制御を行い、その結果を混合後のグラウト材の流量に反映すること、および、空気量のフィードバック制御は、コンプレッサから気泡発生装置への送気管に圧縮空気制御装置を備えた自動バルブと熱式流量計とからなる圧縮空気計測・制御装置を配設し、熱式流量計の計測値をもとに、自動バルブを調整して行うことを要旨とするものである。
【００２０】
また、請求項１記載のグラウト材注入システムに使用するグラウト材としては、セメントと水の比率を固定したセメントミルクへ増粘剤を加える場合に、増粘剤が、スルホン酸基を含有する球状架橋アクリル系高分子粒子からなる粉体またはセルロース系水溶性高分子材料、もしくはこれらの混合体であり、増粘剤の配合量を変化させることで、流動性を変化させることを要旨とするものである。
【００２１】
本発明によれば、熱式流量計の計測値（空気量）と、基材（セメントグラウト）の流量の計測値、増粘剤の流量の計測値を合計した値をもとに混合後の流量を求めるもので、連続した配管を通じてグラウト材に混合する空気量のフィードバック制御を行い、その結果を混合後のグラウト材の流量に反映させることで、注入中にグラウト材の材料（原料）の配合比率を変更することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上述べたように本発明のグラウト材注入システムおよびそれに使用するグラウト材は、増粘剤の量を調整することによって、流動性が変化しても、固化後の強度特性がほとんど変化しないグラウト材を使用するに際して、連続した配管を通じてグラウト材に混合する空気量のフィードバック制御を行い、その結果を混合後のグラウト材の流量に反映させることで、注入中にグラウト材の材料（原料）の配合比率を変更することができるので、注入状況に応じてその流動性を変えることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面について本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明のグラウト材注入システムの１実施形態を示す説明図である。
【００２４】
先にこのシステムで使用するグラウト材について説明すると、少なくともセメント、水、増粘剤、起泡剤かららなる見掛け粘度５００〜１００，０００ｍＰａ・ｓのグラウト材である。
【００２５】
増粘剤は、一例として、スルホン酸基を含有する球状架橋アクリル系高分子粒子からなる粉体であり、かつ、前記高分子が（メタ）アクリル基を含有する化合物を原料とし（メタ）アクリル酸もしくはその塩を５モル％以下使用する水不溶性のものであり、（メタ）アクリル基を含有する化合物としては、（ｉ）スルホン酸基含有アクリル系単量体及び、（ii）アクリルアミド系単量体を主成分とした重合体であることが好ましい。
【００２６】
また、増粘剤は、他例として、セルロース系水溶性高分子材料であり、具体的には、セルロースのグルコース環の水酸基に対してヒドロキシアルキル基を導入したヒドロキシアルキルセルロースやヒドロキシアルキルアルキルセルロースが好ましい。
【００２７】
前記スルホン酸基を含有する球状架橋アクリル系高分子粒子からなる増粘剤とセルロース系水溶性高分子材料を増粘剤とを混合させたものでもよい。
【００２８】
前記グラウト材は、セメント、水の混合割合を固定したグラウトにおいて増粘剤の混合割合を変化させることによって、流動性を内径８cm、高さ８cmの硬化プラスチック製シリンダーを使用したフロー試験のフロー値を少なくとも８〜４０cm程度まで変化させることが可能であり、かつ、その操作によってグラウト材に必要な材料分離抵抗性、強度特性が実用上、変動しない。
【００２９】
図中１は基材（セメント、水）を混合するグラウトミキサで、注入ポンプとしてのグラウトポンプ２が接続され、３は前記増粘剤のミキサで、注入ポンプとしてのポンプ４が接続され、５は起泡剤と水の混合を行うミキサで、注入ポンプとしてのポンプ６が接続される。これらのグラウトポンプ２、ポンプ４、ポンプ６はモータにインバータ制御のものを使用する。
【００３０】
グラウトポンプ２は電磁式流量計７を介して静止ミキサ８に接続し、ポンプ４も電磁式流量計９および逆止弁１０を介してこの静止ミキサ８に接続するが、この静止ミキサ８の手前で合流管１１で合流させた。
【００３１】
静止ミキサ８に静止ミキサ１９を接続し、ポンプ６からの配管２３を逆止弁１６を介在させてさらに、気泡発生装置１８と逆止弁２４を経て合流管１１により静止ミキサ１９に接続する。静止ミキサ８や静止ミキサ１９はスタティックミキサと称されている駆動部を持たない管型の混合器であり、円筒状の管と、この管内に設置された複数のエレメントとを備えて構成されている。エレメントの形状は、例えば、長方形の板を左右逆方向に１８０度ひねったもので、このエレメントは左右交互にそれぞれ直交するように管内に設置されている。
【００３２】
図中１２はコンプレッサで、その送気管２２には圧縮空気制御装置１３を備えた自動バルブ１４と熱式流量計１５とからなる圧縮空気計測・制御装置２１と逆止弁１７を介在させて前記配管２３に合流させ、配管２３のこの合流部の流下側には前記気泡発生装置１８や逆止弁２４が介在される。
【００３３】
熱式流量計１５は、図２に示すように下記原理によるものである。金属細管にヒータを巻きつけ、その両側に温度センサを配置すると、流体が流れていないときはヒータの熱が両側に均等に伝わり、両方のセンサの出力が均衡する。流体が流れると上流側センサは冷えて出力が下がり、下流側は逆に上がって出力の均衡が崩れる。この崩れる度合いが流体の質量流量に比例する。質量流量は体積流量のように、圧力や温度の計測をともなう換算の必要がないため、気体の流量計測に適している。
【００３４】
なお、「フレミングの右手の法則」は電磁式流量計の測定原理であり、電動体の体積流量を求めるのに使用され、本発明では基材、増粘剤の流量計測に適用される。
【００３５】
本発明はこの熱式流量計１５の計測値をもとに、自動バルブ１４を調整してフィードバック制御を行うものとする。
【００３６】
静止ミキサ１９の先は圧力計２０を設け、さらにその先は図示は省略するが注入管の注入孔に送られる。
【００３７】
図中２５はグラウト・コントローラであり、このグラウト・コントローラ２５には、プログラマブルロジックコントローラ（PLC、工場の製造ラインにおける機械の制御などに使われる小型のコンピュータ）を使用した。グラウト・コントローラ２５は圧力計２０、電磁式流量計７、電磁式流量計９、熱式流量計１５からの出力を受け、圧縮空気制御装置１３、グラウトポンプ２、ポンプ４、ポンプ６のインバータに出力してこれらを制御する。
【００３８】
基材であるセメント、水および必要に応じて砂はグラウトミキサ１で混合し、電磁式流量計７で計測しながらグラウトポンプ２で静止ミキサ８に送り、増粘剤はこれがスルホン酸基を含有する球状架橋アクリル系高分子粒子からなる増粘剤とセルロース系水溶性高分子材料を増粘剤とを混合させたものとする時はミキサ３で混合し、電磁式流量計９で計測しながらポンプ４で静止ミキサ８に送り、静止ミキサ８では基材であるセメント、水および必要に応じて砂と増粘剤との混合が行われる。
【００３９】
水、起泡剤はミキサ５で混合され、ポンプ６で送られるがコンプレッサ１２によりエアが供給され、気泡発生装置１８で気泡が作製され、静止ミキサ１９へ送られる。
【００４０】
静止ミキサ１９へは前記静止ミキサ８では基材であるセメント、水および必要に応じて砂と増粘剤との混合物が送られ、これと気泡とが混合される。
【００４１】
本発明では、前記熱式流量計１５の計測値（空気量）と、基材（セメントグラウト）の流量の計測値、増粘剤の流量の計測値を合計した値をもとに混合後の流量を求めるもので、前記グラウト・コントローラ２５での制御でこれが行われる。
【００４２】
下記に本発明のグラウト材の製造手順を示す。
(1)所定の割合でセメント、水を混合し、基材（セメントミルク）を製造する。
(2)所定の割合で増粘剤、水を混合し、増粘材を製造する。
(3)所定の割合で起泡剤、水を混合し、起泡材を製造する。
(4)グラウト・コントローラを起動して以下の設定を行う。
・起泡材と空気の混合割合
・基材、増粘材、気泡の混合割合
・混合液（グラウト材）の流量
(5)グラウト・コントローラの注入開始ボタンを押す。
・基材用のグラウトポンプ、増粘材用のポンプ、起泡材用のポンプ、コンプレッサが自動的に稼動する。
・基材の流量Q1、増粘材の流量Q2、空気の流量Q3を自動的に計測し、(4)で設定した混合割合を目標として、それらの流量を自動的に調整する（フィードバック制御）。
・混合後の圧力を自動的に計測する。
・混合後の流量をQ1＋Q2＋Q3として表示、積算する。
※Q1、Q2の流量計測は電磁式流量計（資料3、フレミングの法則を利用）による。
※Q3の流量計測は熱式流量計による。
※本発明は、ボイルシャルルの法則（従来のエアモルタル流量計の測定原理）を用いていない（熱式流量計による質量流量計測が可能なため）。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のグラウト材注入システムの１実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の熱式流量計の原理を示す説明図である。
【図３】従来のバッチ式の注入システムの説明図である。
【図４】従来のインライン・ミキシング式の注入システムの説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…グラウトミキサ          ２…グラウトポンプ
３…ミキサ                  ４…ポンプ
５…ミキサ                  ６…ポンプ
７…電磁式流量計            ８…静止ミキサ
９…電磁式流量計            １０…逆止弁
１１…合流管                １２…コンプレッサ
１３…圧縮空気制御装置      １４…自動バルブ
１５…熱式流量計            １６,１７…逆止弁
１８…気泡発生装置          １９…静止ミキサ
２０…圧力計
２１…圧縮空気計測・制御装置
２２…送気管                ２３…配管
２４…逆止弁                ２５…グラウト・コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004819584.tif 000004
【図４】
0004819584.tif 000005