放電破砕によるコンクリートの破壊機構

放電破砕によるコンクリートの破壊機構
Mechanism on Concrete Fracture by Using Electric Discharge Impulses
山地宏志

HIROSHI YAMACHI

中森純一郎

JUN-ICHIRO NAKAMORI

放電破砕は，自己反応性溶液を電気放電により膨張させることで，爆破孔内に衝撃的に高圧力を作用させる新しい爆破工法である。その燃焼速度は，爆轟よりも小さく，爆燃領域にあるとされるため，放電破砕により，解体対象の構造物内に衝撃波動が発生するかはつまびらかでない。このため，放電破砕によるコンクリートの破壊が単なる内圧作用によるものであるか，衝撃波動伝播により誘起されるものであるかについても明確ではなく，放電破砕を利用した構造物解体を定量的に計画・設計することは難しい。
本研究において，筆者らは高速度カメラにより，コンクリート供試体の放電破砕・破壊過程を撮影することで，衝撃波の発生を確認するとともに，コンクリート供試体の破壊が衝撃波動の反射，回折，ならびに重ね合わせにより支配されることを明らかにした。
キーワード：放電破砕，衝撃波，構造物解体，高速度カメラ

Electric discharge impulse (EDI) is a new blasting method that evaporates self-reactive liquid andproduce high pressures in blast holes. Because its response velocity is assumed to be smaller thandetonation velocity and within deflagration region, it is not confirmed whether shock wave induced by
EDI is generated in a structure to be dismantled. Also it is not clear whether destruction of concrete by
EDI is due to a mere inner pressure action or by induced shock wave movement. Therefore, a quantitativeplanning or design of structure dismantlement involves difficulties.
In this study detailed observations were conducted utilizing a high-speed digital video camera show
cracks generated in cylindrical concrete columns by means of EDI, and clarify that destruction of aconcrete test piece is dominated by reflection, diffraction, and overlapping of shock wave movement.
Key Words: Electric Discharge Impulse(EDI), Shock Wave Movement ， Structure Dismantle, Highspeed Digital Video Camera

１．はじめにく，部材の飛散なども懸念されるため，わが国では採用されることが比較的少ない工法となっている。

構造部の解体は，ワイヤーソーなどによる切断工法，したがって，打撃工法がわが国の汎用的な解体工法とブレーカーなどによる打撃（衝撃）工法，および火薬になっているが，今日の建設機械では与えられる打撃エネよる爆破工法に大きく大別される。このうち切断工法

ルギーが限定されるため，破砕能率も限定されたものとは，鉄筋の切断が可能なこと，ならびに構造物の損傷部なる。したがって，ブレーカーなどの解体作業は，環境位を限定的できることなどの利点を有するが，適用部位負荷となり得るレベルの騒音と振動が長期にわたり継続が限定され，工期・コスト的にも負担が大きいため，そし，杭打ち作業と並ぶ，建設業の騒音・振動発生源となの適用範囲は限定される。爆破工法は，爆轟エネルギーっている。

が発生させる衝撃波によって，構造物の広範囲に損傷をここに紹介する放電破砕工法は，自己反応性溶液を電瞬間的に与えることが可能であるため，最も効率的な解気放電により膨張させることで，爆破孔内に衝撃的に高体工法であるが，発生する振動・騒音のレベルが大き圧力を作用させる新しい爆破工法であり，打撃工法より

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図-1

第 12 号

均質媒体中の発破による発破孔周辺の応力波伝播の模式図 1)も効率的で，従来の爆破工法よりも騒音・振動，飛散が図-2

放電破砕工法の基本原理 4)

小さい解体工法の実現が期待される。しかしながら，その反応速度は，爆轟よりも小さい爆燃領域にあるとされ以下では，放電破砕工法の概要を示した後，このようるため，放電破砕により構造物内に衝撃波動が発生するな目的で実施した実証実験の概要とその結果，ならびにかはつまびらかでなく，その構造物解体がどのような機これに基づく考察を示す。

構で実現されるかが明らかとされていない。
打撃工法は，衝撃により高いエネルギーを構造物に作

２．衝撃波動確認実験の概要用させることができるが，その作用形態は準静的なものであるため，静力学の基本原理が教えるように，力の作用点近傍にしかエネルギーを及ぼさず，打撃作用により形成される損傷領域は限定される。
一方，爆破工法では，発破孔内の火薬の爆発により，発破孔壁に爆轟圧が高圧でパルス的に作用し，応力波（衝撃波）に変換され，図-1に示す経路を爆速 cd で伝播する

1)。応力波の伝播は，構造物中の離れた部位に応力を発生させ，損傷域を形成する。

（１）放電破砕工法の概要
図-2は，日立造船株式会社が開発した放電破砕システ
ム EDICS（ Electric Discharge Impulse Crushing System ）の機器構成と基本原理を示すものである。同システムは，筆者らの知る限り，実務に供される唯一の放電破砕システムである。図-2に示されるように， EDICSでは，火薬の代わりに，自己反応性溶液中に電極を挿入したカートリッジ（エコリッジ）を使用する。起爆は，このエコリ

このように，打撃工法と発破工法では，損傷発生機構ッジを装薬孔内に挿入し，放電衝撃発生装置内のコンデが異なり，準静的機構と動的機構とに類別することがでンサーに充電された 1,500 ～6,000Vの電力を数百 sec のきる。その機構の差異は，衝撃波の発生の有無によるも間にエコリッジに放出して行われ，放電を受けた自己反のであるから，放電破砕による構造物破壊機構を論ずる

応溶液は，瞬時に気化し，装薬孔壁にパルス状の高圧をためには，衝撃波動の発生を確認しなければならない。

作用させる。なお，エコリッジ内の溶液は，爆薬ではな

近年，発破孔近傍の媒体に発生する応力波動パターン

く，自己反応性物質であるため，一定量以上の貯蔵に関が，主として爆薬の爆速と媒体中の弾性波速度の比で定する届出を除けば，法的規制を受けないため，施工時に義されるマッハ数 Mによって支配されることが指摘され資格・届出を必要としない。ている2),3)が，衝撃波発生に至るエネルギー変換過程の詳細は未だつまびらかではない。

（２）実験概要

このため，論理的な考察から放電破砕時の衝撃波発生

放電破砕時波動発生確認実験に供した供試体は，図-を論ずることは難しく，実験的にこれを確認することが3 ，写真-1に示す円柱供試体（φ =500 mm, H=500 mm ）望まれる。筆者らは，コンクリート供試体を放電破砕しで，無筋構造とし，コンクリートは 24-12-20N のレディた際のひび割れ発生 ･ 進展過程を高速度カメラで撮影すーミクストコンクリートを使用した。

ることで，衝撃波動発生を確認できるのではないかと考

装薬は，起爆中心がこの円柱供試体中心と一致するよえた。すなわち，衝撃波動が持つ反射，回折，重ね合わう，供試体中央にφ =12 mm の装薬孔を L=280 mm 穿孔せなどの波の特性がひび割れ発生・進展過程に現れるのし，エコリッジ SS （φ10 mm×59 mm， q=2 cc ）を装薬ではないかと考えた。

後，砂を主体とした材で穴を閉塞する（填塞）。また，

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放電破砕によるコンクリートの破壊機構

実験管理ハウス・放電衝撃発生装置
・高速度カメラ制御ユニット
・遠隔ビデオモニター
・高速度カメラ(FASTCAM SA5)・撮影用照明起爆観察ステージ

起爆ピット

防爆シート

図-3

実験に供した破砕モデル

写真-2

起爆設備・実験管理設備外観

専用照明
FASTCAM SA5

防護窓

写真-1

起爆ピット内に設置された円柱供試体
写真-3
表-1

観察ステージ上での高速度カメラの設置衝撃発生装置 ESG-3K1 の仕様

型番
入力電源
放電電圧
出力数
充電時間
エコリッジ最大接続数
装置寸法
操作盤
W× L × H
制御盤

ESG-3K1
AC100V
3,000V140s
3 本× 6 系統増設可能
80 × 240 × 250mm
200 × 500 × 685mm

起爆には表-1に仕様を示す放電衝撃発生装置ESG-3K1を使用することとした。
本来であれば，起爆時に対象構造物を防爆マットなどで囲繞し，飛散対策を施さねばならないが，ここでは放電破砕による供試体のひび割れ発生・進展状況を，直表-2

高速度カメラ

レンズマウント
撮像方式
濃度諧調
メモリ容量
メモリ分割
電子シャッター
映像出力
トリガ信号
インターフェース
外形寸法
質量

FASTCAM SA5 の仕様

F マウント， C マウント，
EF マウント遠隔レンズ制御
C-MOS イメージセンサー
モノクロ： AD 変換12ビット
カラー： AD 変換36ビット(RGB 各 12bit)
8GB ， 16GB ， 32GB ， 64GB最大64分割
最小 369ns(1/2,713,000 秒 )NTSC ， PAL ， HD-SDI
TTL ，接点
ギガビットイーサネット
165mm×153mm× 242.5mm
7.15kg

接，観察するため，専用ピット（φ =3,500 mm ，H=2,100 mm ）内で起爆することとした。また，高速度

また，撮影に供した高速度カメラは表-2に仕様を示す

デジタルカメラと撮影照明を設置 ･ 保護するため，ピッFASTCAM SA5 を使用し，写真-3のように観察ステージ

ト上に写真-2のように観察ステージを設けたが，観察ス上に，専用照明とともに設置した。なお，撮影に際してテージとピット間の開口部は，写真-2に示すように防爆は高速度カメラ類を，飛散から保護するため保護窓にシートで取り囲み，周辺への飛散防止に万全を期した。

t=10mm のアクリル板を敷設した。

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三井住友建設技術開発センター報告

第 12 号

３．衝撃波動確認実験の概要
写真-4は，放電破砕時のモニタービデオ画像から抽出した円柱供試体破壊過程の例を示したものである。写真-4に示されるように，試体は円周方向に 3 分割する破断面と，上下に 2 分割する破断面とが形成され，これで区切られるコンクリートブロックがそれぞれの方向に飛散する破砕モードを示した。これは，今回，実施した 3供試体に共通する破壊形態である。
当初，上下方向の破断面は飛散後，落下時に形成されたのではないかと思量されたが，モニタービデオを確認したところ写真-4のように飛散以前に破断面が形成されていることが確認された。したがって，上下方向の破断面は放電作用によって形成されたものである。また，円柱方向に 3 分割されたブロックの中心角はいずれもほぼ120 度である。
写真-5に供試体表面の破壊過程を高速度カメラで撮影した画像を示す。高速度カメラ撮影は 1 秒間に 5,000 コマのフレームレート（撮影間隔 20 sec ）で撮影した。起爆直後 20 sec の時点をとらえた写真 -5(a) をみると，非常にひび割れ幅が狭く不明瞭ではあるが，この時点で，装薬孔周辺からだけでなく，外部境界からもひび割れが発生している。当然のことながら，自己反応性溶液気化による体積膨張のみが，当該破砕事象を支配するならば，ひび割れの発生と進展は起爆点側からのみに限定されなければならない。
一方，放電作用によって装薬孔表面に衝撃波が発生するならば，自由境界面に達した応力波は引張に位相を転換させ反射する。一方，衝撃波は任意水平断面内でほぼ同心円状に伝播し，境界形状が円形だからその反射方向は断面中心へと向かう。したがって，反射による引張応力波は，外縁から中心に向かってひび割れも発生・進展することが予想される。写真 -5(b) ～ (e) をみると，果たしてそのように起爆中心側からと，外周側からのひび割れの発生・進展が確認できる。

写真-4

放電破砕による円柱供試体破壊

もちろん，衝撃波の伝播は 3 次元的なものであり，上記のひび割れ発生・進展経路は，より複雑なものであることは否めない。しかしながら，少なくとも写真-5で確議論と，ガスの膨張速度に比べ衝撃波動の伝播速度が 1認された供試体表面のひび割れの発生・進展経路は，衝オーダー以上大きいため，ガス圧はひび割れの発生進展撃波動伝播によらなければ実現されない。すなわち，放にほとんど寄与しないとの議論が交わされてきた。今回

電作用による衝撃波の発生は，合理的に説明された。の実験結果，すなわち写真-5の高速度カメラで確認されまた，図 -5(f) にみられるように，自己反応性溶液のるひび割れ進展とガス漏出の時系列関係からすれば，放気化ガスが大気に漏出し始めるのは，起爆後，おおむね電作用による破砕事象には，ガス圧はほとんど影響しな

2,000 sec 後であり，ひび割れの発生・進展より， 1 オいものと判断する。

ーダー以上遅れるようである。かねてより，発破による破砕では，ガス圧によりひび割れが進展・成長するとの70

放電破砕によるコンクリートの破壊機構(a)

起爆後 20 sec(b)

起爆後 200 sec

起爆後 600 sec

100 mmOutboundcrack(c)

起爆後 400 sec

(d)

(e)

起爆後 800 sec

(f)

写真-5

起爆後2000 sec

高速度カメラによる円柱供試体表面の破壊形成過程

４．まとめ

利用した解体工法の開発が可能であることを示唆するものであるが， PBSD への適用を可能とするためには，放筆者らは，爆破による破砕事象が衝撃波動伝播に支配されることに着目し，衝撃波動の発生と伝播を制御する

電衝撃で生じる衝撃波の伝播と破壊の進展を正しく理解する必要がある。

ことで，ひび割れの発生・進展，ならびに破砕領域を制今回の実験において，供試体が円周方向に 120 °で 3御する爆破解体工法を提唱し， PBSD （ Precise Blasting

分割される事象は，放電破砕の波動伝播特性と破砕特性

and Smart Demolition ）の名称で，その開発を進めてきを把握する上で重要な事象と考えられる。緩やかな冷却た。

履歴を受ける溶岩は，冷却時の体積収縮により一様な引本報文では，放電衝撃の爆燃作用が，火薬の爆轟作用張応力を受け， 120 °の頂点を持つ六角柱状節理を形成に比して，安定した衝撃力を精度よく発生し得る点に着する事象は知られている。この事象から推定すれば，衝目し，放電衝撃により衝撃波が発生するならば PBSD へ

撃放電を受けた供試体は装薬孔を軸として円周方向に一の適用が可能になると考え，その実証実験を実施した。

様な引張応力場が形成された可能性が高い。しかし，図したがって，本実験における最も重要な知見は放電作-3などから推定されるように，当該実験で発生する放電用により衝撃波が発生することが確認されたことにあ衝撃は，起爆中心から球状，あるいは楕円体状に作用する。これは，反射，回折，重ね合わせなどの波の特性をる。したがって，当該実験の円周方向破断面が六角柱状

71三井住友建設技術開発センター報告

第 12 号節理と同様の機構で発生することを確認するためには，謝辞：本報文は三井住友建設株式会社，東京大学，日立

衝撃波の伝播により，装薬孔を軸として円周方向に一様造船株式会社の共同研究「精密放電破砕工法の基礎実証な引張応力場が形成されるかを検証する必要がある。

実験」の成果の一環を紹介したものです。ご指導・ご協

また，供試体を上下に二分割する破断面も，放電衝撃力賜りました東京大学大学院

上西幸司准教授，日立造から，直接，形成されたものとは考え難い。上記のよう

船株式会社

田中幹雄様，飯塚信二様，坂本良様の各位に，放電衝撃は起爆中心から球状，あるいは楕円体状にには深甚の謝意と，今後も変わらぬご指導・ご助力を請作用するから，これにより形成される破壊域はこの形状い，本小文の結びとさせていただきます。と相似したものとならねばならない。一方，供試体の上下で反射する衝撃波は，時間的な遅れを伴うものの，引

参考文献

張波として供試体中央で重ね合わさり，水平な破断面を

1) 上西幸司， H.P.Rossmanith, N.Kouzniak ：爆速および形成することが推定され，今回確認された破断面を強力起爆法が発破孔近傍の岩盤の動的挙動に与える影響的に形成することが期待される。

について，火薬学会誌， Vol.61 ，No.6， pp.254-259,

このように，今回の実験のように単純な破砕事象にお2000．

いても，実験的アプローチだけでは，その破壊機構を検2) Isobe D., M. Eguchi, K. Imanishi K, Z. Sasaki: Develop-

証し得ず，衝撃波動伝播と破壊機構を追跡する数値解析

ment of analytical and experimental systems for blast的アプローチが不可欠となる。
今後，今回の実験結果を再現することのできる 3 次元衝撃波動伝播解析コードの開発とともに，数値上で今回

demolition of framed structures. Journal of StructualEngineering, Vol.612, pp.73–78, 2007．
3) Rossmanith HP, Uenishi K, Kouzniak N. Blast waveの実証実験の再現を進めるものとした。実際の破砕事象

propagation in rock mass –Part I: monolithic medium ．

を再現することのできる数値解析コードは，同時に構造

Fragblast , Vol.1, pp ． 317–59, 1997;

物解体の定量的な設計・計画を可能とするものであり，PBSD の開発に不可欠な技術でもある。

724) 日立造船株式会社； http://www.hitachizosen.co.jp/gps/houden/point/