特開 2023-126176 粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性の測定方法、試験装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023126176

(43)【公開日】2023-09-07

(54)【発明の名称】粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性の測定方法、試験装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 11/06 20060101AFI20230831BHJP

   G01N 11/04 20060101ALI20230831BHJP

【ＦＩ】

G01N11/06 Z

G01N11/04 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027603

(22)【出願日】2023-02-24

(31)【優先権主張番号】P 2022029490

(32)【優先日】2022-02-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000236610

【氏名又は名称】株式会社不動テトラ

(71)【出願人】

【識別番号】504196300

【氏名又は名称】国立大学法人東京海洋大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002538

【氏名又は名称】弁理士法人あしたば国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】興井 みのり

(72)【発明者】

【氏名】谷 和夫

(72)【発明者】

【氏名】野村 瞬

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 亮彦

(72)【発明者】

【氏名】矢部 浩史

(72)【発明者】

【氏名】梅田 洋彰

(57)【要約】      （修正有）

【課題】簡単な構造で粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性を高精度に測定できる粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法を提供する。
【解決手段】非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、縦方向に延びるとともに投入口を上端に有する縦管部２５と、縦管部の下端と連通する一方の端部３１と、排出口を構成する他方の端部と、を有するとともに横方向に延びる横管部２６と、流量を測定可能な第１測定部１８と、を備える試験装置１１を用いる。粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、他方の端部３２を閉塞した状態で投入口２４から非ニュートン流体を投入して、充填する充填工程と、他方の端部３２を開放して前記非ニュートン流体を排出させ、第１測定部１８により他方の端部３２から排出された非ニュートン流体の流量を測定する測定工程と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

縦方向に延びるとともに粒状体を含む非ニュートン流体の投入口を上端に有する縦管部と、
前記縦管部の下端と連通する一方の端部と、前記非ニュートン流体が排出される排出口を構成する他方の端部と、を有するとともに横方向に延びる横管部と、
前記他方の端部の近傍に設けられ、前記他方の端部から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定可能な第１測定部と、
を備える試験装置を用いる粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法であって、
前記他方の端部を閉塞した状態で前記投入口から前記非ニュートン流体を投入して、前記縦管部内と前記横管部内とに前記非ニュートン流体を充填する充填工程と、
前記他方の端部を開放して前記非ニュートン流体を排出させ、前記第１測定部により前記他方の端部から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定する測定工程と、
を備える粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法。

【請求項2】

前記試験装置は、前記縦管部の前記投入口付近を加圧する加圧ユニットを備え、
前記加圧ユニットは、前記充填工程が完了後に作動して前記投入口付近を加圧するとともに、前記測定工程においても前記投入口付近を加圧する請求項１に記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法。

【請求項3】

前記加圧ユニットは、エアポンプを含む請求項２に記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法。

【請求項4】

前記横管部は、前記横管部の長さよりも長い第２横管部と交換可能である請求項１～３のいずれか１項に記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法。

【請求項5】

前記第１測定部は、質量計を含む請求項１～４のいずれか１項に記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法。

【請求項6】

縦方向に延び、粒状体を含む非ニュートン流体の投入口を上端に有するとともに前記非ニュートン流体を内部に充填可能な縦管部と、
前記縦管部の下端と連通する一方の端部と、前記非ニュートン流体が排出される排出口を構成する他方の端部と、を有するとともに横方向に延び、且つ前記非ニュートン流体を内部に充填可能な横管部と、
前記他方の端部に対して着脱可能に構成され、前記他方の端部を閉塞可能な閉塞具と、
前記他方の端部の近傍に設けられ、前記閉塞具が前記他方の端部から離脱された際に前記他方の端部から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定可能な第１測定部と、
を備える試験装置。

【請求項7】

前記縦管部の前記投入口付近を加圧する加圧ユニットであって、前記閉塞具が前記他方の端部から離脱された際に前記非ニュートン流体を前記他方の端部から押し出す加圧ユニットを備える請求項６に記載の試験装置。

【請求項8】

前記加圧ユニットは、エアポンプを含む請求項７に記載の試験装置。

【請求項9】

前記横管部は、前記横管部の長さよりも長い第２横管部と交換可能である請求項６～８のいずれか１項に記載の試験装置。

【請求項10】

前記第１測定部は、質量計を含む請求項６～９のいずれか１項に記載の粒状体を含む試験装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性を測定できる非ニュートン流体の粘性特性の測定方法、同方法に用いられる試験装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高流動コンクリートの流動特性の試験方法（Ｊ型フロー試験）が知られている（非特許文献１、２参照）。この試験方法では、Ｊ型フロー試験を用いて、高流動コンクリートの流動性を測定している。この試験装置以外にも、材料の粘性特性を調べる試験方法には、回転式、フロー式、落球式、等の様々な方法がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【非特許文献1】山本 康弘、他２名、高流動コンクリートの流動特性の試験方法（Ｊ型フロー試験）に関する研究、日本建築学会構造系論文報告集、第４８９号、p.9-26、1996.11

【非特許文献2】宮本 欣明、他１名、Ｊ型フロー試験による高流動コンクリートの流動特性・調合に関する研究、日本建築学会構造系論文報告集、第５４７号、p.9-15、2001.9

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来の試験方法では、粒状体を含み非ニュートン流体の粘性特性（せん断応力とずり速度が比例する関係ではない）を有する材料に適用できるものが存在しない。例えば、回転式の粘度計ではずり速度を制御できるが、粗い粒状体を含む場合に適用できない問題がある。落球試験では、粒状体の最大粒径より数倍以上の径の球を用いれば、粒状体を含み非ニュートン流体の粘性特性を有する材料にも適用できるが、ずり速度を制御することが困難である。なぜなら、密度と径を変えた球を多数用意する必要があり、現実的でないからである。一方、せん断応力とずり速度の関係が求められる方法としてＪ型フロー試験があるが、粘性特性としてニュートン流体を仮定するので整合的でない問題がある。さらに、材料の粘性特性によっては、試験を実施できない問題がある。すなわち、粘性が弱すぎるとＪ型フロー試験装置の排出口で液面が安定せず、計測結果の解析で仮定する準静的なつり合い条件を満足しないために、正確な測定ができない問題がある。また、粘性が強すぎると、試験時間が過度に長くなる問題がある。

【0005】

従って、本発明の目的は、簡単な構造で粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性を高精度に測定できる粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題は、以下の本発明により解決される。すなわち、本発明（１）の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、縦方向に延びるとともに粒状体を含む非ニュートン流体の投入口を上端に有する縦管部と、
前記縦管部の下端と連通する一方の端部と、前記非ニュートン流体が排出される排出口を構成する他方の端部と、を有するとともに横方向に延びる横管部と、
前記他方の端部の近傍に設けられ、前記他方の端部から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定可能な第１測定部と、
を備える試験装置を用いる粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法であって、
前記他方の端部を閉塞した状態で前記投入口から前記非ニュートン流体を投入して、前記縦管部内と前記横管部内とに前記非ニュートン流体を充填する充填工程と、
前記他方の端部を開放して前記非ニュートン流体を排出させ、前記第１測定部により前記他方の端部から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定する測定工程と、
を備える。

【0007】

また、本発明（２）の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、（１）記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法であって、
前記試験装置は、前記縦管部の前記投入口付近を加圧する加圧ユニットを備え、
前記加圧ユニットは、前記充填工程が完了後に作動して前記投入口付近を加圧するとともに、前記測定工程においても前記投入口付近を加圧する。

【0008】

また、本発明（３）の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、（２）記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法であって、
前記加圧ユニットは、エアポンプを含む。

【0009】

また、本発明（４）の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、（１）～（３）のいずれか１項に記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法であって、
前記横管部は、前記横管部の長さよりも長い第２横管部と交換可能である。

【0010】

また、本発明（５）の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、（１）～（４）のいずれか１項に記載の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法であって、
前記第１測定部は、質量計を含む。

【0011】

また、本発明（６）の試験装置は、縦方向に延び、粒状体を含む非ニュートン流体の投入口を上端に有するとともに前記非ニュートン流体を内部に充填可能な縦管部と、
前記縦管部の下端と連通する一方の端部と、前記非ニュートン流体が排出される排出口を構成する他方の端部と、を有するとともに横方向に延び、且つ前記非ニュートン流体を内部に充填可能な横管部と、
前記他方の端部に対して着脱可能に構成され、前記他方の端部を閉塞可能な閉塞具と、
前記他方の端部の近傍に設けられ、前記閉塞具が前記他方の端部から離脱された際に前記他方の端部から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定可能な第１測定部と、
を備える。

【0012】

また、本発明（７）の試験装置は、（６）記載の試験装置であって、
前記縦管部の前記投入口付近を加圧する加圧ユニットであって、前記閉塞具が前記他方の端部から離脱された際に前記非ニュートン流体を前記他方の端部から押し出す加圧ユニットを備える。

【0013】

また、本発明（８）の試験装置は、（７）記載の試験装置であって、
前記加圧ユニットは、エアポンプを含む。

【0014】

また、本発明（９）の試験装置は、（６）～（８）のいずれか１項に記載の試験装置であって、
前記横管部は、前記横管部の長さよりも長い第２横管部と交換可能である。

【0015】

また、本発明（１０）の試験装置は、（６）～（９）のいずれか１項に記載の試験装置であって、
前記第１測定部は、質量計を含む。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、簡単な構造で粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性を高精度に測定できる粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態の試験装置を示す模式図である。

【図2】図１に示す試験装置を用いた第１実施形態の試験手順（粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法）を示すフローチャートである。

【図3】非ニュートン流体の円管内の流れのモデルである。

【図4】第２実施形態の試験装置を示す模式図である。

【図5】図４に示す試験装置を用いた第２実施形態の試験手順（粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法）を示すフローチャートである。

【図6】第１実施形態の試験装置を用いた実施例にかかるＣＭＣ溶液の計測例を示すグラフである。

【図7】図６の結果をビンガム流体と仮定した場合の粘性特性（せん断応力τとずり速度Ｄとの関係）を示すグラフである。

【図8】図６の結果を非ニュートン流体（擬塑性流体、ダイラタント流体、ただし降伏値τｙの有無は問わない）と仮定した場合の粘性特性（せん断応力τとずり速度Ｄとの関係）を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下図面を参照して、本発明の粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法に用いられる試験装置の実施形態について説明する。
［第１実施形態］

【0019】

図１、図２を参照して、第１実施形態の試験装置１１およびそれを用いた粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法について説明する。なお、ここでいう非ニュートン流体には、擬塑性流体（降伏値τｙの有無は問わない）およびダイラタント流体（降伏値τｙの有無は問わない）が含まれる。より詳細には、非ニュートン流体には、擬塑性流体、ダイラタント流体、ビンガム流体、降伏値を持つ擬塑性流体、および降伏値を持つダイラタント流体が含まれる。
一般に、ニュートン流体の概念には、水やグリセリンが含まれる。ビンガム流体の概念には、塗料、マヨネーズ、ベントナイト溶液が含まれる。擬塑性流体およびダイラタント流体の概念には、CMC溶液や片栗粉が含まれる。

【0020】

試験装置１１は、床１２上に設置された架台１３と、架台１３に支持されるＪ型の管路１４と、同じく架台１３に支持される標尺１５と、管路１４の排出口１６（他方の端部３２）の近傍に設けられる第１測定部１８と、後述する充填工程に先立って管路１４の排出口１６（他方の端部３２）を閉塞する閉塞具２１と、管路１４に隣接して設けられ管路１４内の試料２２（粒状体を含む非ニュートン流体）の液面を記録するための２台のビデオカメラ２３と、経過時間を計測するための図示しないストップウォッチと、を備える。標尺１５は、一般的な長尺の物差し等で構成されている。各ビデオカメラ２３は、市販されている一般的なビデオカメラで構成される。ビデオカメラ２３の一方２３Ａは、上流側（投入口２４側）の試料２２の液面の移動（降下挙動）を記録可能な位置に配置される。ビデオカメラ２３の他方２３Ｂは、排出口１６における試料２２の液面状態（液面形状）を記録可能な位置に配置される。１台のビデオカメラ２３によって、上流側（投入口２４側）の試料２２の液面の移動（降下挙動）と、排出口１６における試料２２の液面状態（液面形状）と、の両方を記録してもよい。ストップウォッチは、試験開始からの経過時間を測定する第２測定部である。この第２測定部は、第１測定部１８内に組み込まれていてもよい。

【0021】

管路１４は、いずれの箇所においても、円形断面のパイプ状に形成されている。管路１４は、例えば、透光性を有する樹脂材料、例えば塩化ビニル樹脂又はアクリル樹脂によって形成されている。管路１４は、例えば、透光性を有するガラス材料によって形成されていてもよい。管路１４の内径および管内（流路内）の断面積は、いずれの箇所でも同一になるように構成されている。管路１４の内径は、例えば、試験対象となる試料２２（粒状体を含む非ニュートン流体）に含まれる粒状体の最大粒径の５倍以上で構成される。管路１４の内径は、試料２２の塑性粘度等に応じて、例えば、１０～２００ｍｍの範囲で適宜に選択される。管路１４は、縦方向に延びる縦管部２５と、横方向に延びる横管部２６と、を有する。ここで、本発明にいう縦方向は、例えば鉛直方向（重力方向）をいうものであるが、鉛直方向から数度から数十度ずれた方向であってもよい。本発明にいう横方向は、例えば水平方向をいうものであるが、水平方向から数度から数十度ずれた方向であってもよい。縦管部２５は、その軸方向にまっすぐ延びる直管である。

【0022】

縦管部２５と横管部２６とは、例えば、ねじ（おねじ、めねじ）による接合を用いて互いに着脱可能に構成されている。或いは、縦管部２５と横管部２６とは、シールのためにＯリング等を介在させたオス部とそれを受容するメス部との嵌合によって、互いに着脱可能に構成されてもよい。縦管部２５は、その上端に、粒状体を含む非ニュートン流体を管路１４内に投入するための投入口２４を有する。投入口２４は、大気に開放されている。縦管部２５は、その軸方向に例えば１～２ｍの長さで構成されている。鉛直方向の縦管部２５の長さは、原理的には制限はない。しかしながら、鉛直方向の縦管部２５の長さが短過ぎると測定できるずり速度の最大値が小さくなり、結果的に求められる塑性粘度の精度が低くなる。一方、鉛直方向の縦管部２５の長さを長くすると、投入口２４への試料２２の投入が困難になる。したがって、鉛直方向の縦管部２５の長さの上限は、投入口２４に対する試料２２の充填のし易さを考慮して、２ｍとすることが好ましい。

【0023】

横管部２６の長さＬは、試料２２の粘性の大きさを考慮して、適宜に選択することができる。すなわち、試料２２の粘性が大きい場合には、横管部２６の長さを小さくし、試料２２の粘性が小さい場合には、横管部２６の長さを大きくできる。一例として、横管部２６の長さＬは、０．２ｍで構成される。横管部２６は、試料２２の粘性との関係で排出口１６での液面形状が不安定になる場合には、後述するように横管部２６をそれよりも長さの長い第２横管部２６に交換することができる。

【0024】

横管部２６は、縦管部２５の下端と連通する一方の端部３１と、試料２２が排出される排出口１６を構成する他方の端部３２と、一方の端部３１と他方の端部３２とを連通する横管部本体３３と、を有する。他方の端部３２は、鉛直上方に向けて折れ曲がり解放されている。すなわち、横管部２６は、上流側の一方の端部３１と下流側の他方の端部３２とが１８０度回転した曲管をなしている。他方の端部３２は、その先端に試料２２を排出するための排出口１６を有する。横管部本体３３は、その軸方向にまっすぐに延びる直管をなしている。ここで、「排出口１６が横管部本体３３から上方に突出する突出長さ」は、「縦管部２５の投入口２４が横管部本体３３から上方に突出する突出長さ」よりも著しく小さい。排出口１６は、他方の端部３２から排出された試料２２を第１測定部１８に向けて排出されるように、第１測定部１８側の高さを低く形成してもよいし、或いは、第１測定部１８側の高さを低くするように第１測定部１８側に切れ込みを有していてもよい。或いは、後述する第１測定部１８（計量容器３５）を他方の端部３２の下方に配置して、どの方向に排出された試料２２についても第１測定部１８（計量容器３５）で回収可能な配置としても当然によい。

【0025】

閉塞具２１は、管路１４の排出口１６に対して着脱可能に構成された栓で構成されている。閉塞具２１は、例えば、円錐台形状をなしたゴム栓で構成され、その先細りした側の先端を管路の排出口１６に対して差し込むことで、排出口１６を閉塞することができる。或いは、閉塞具２１は、横管部２６の排出口１６に対して固定具を介して着脱される蓋状に形成されていてもよい。

【0026】

第１測定部１８は、質量計３４と、質量計３４の上側に載置された桶状の計量容器３５と、を有する。計量容器３５は、他方の端部３２から排出された試料２２を受け止めて、内部に貯留することができる。質量計３４は、計量容器内に貯留された試料２２の質量を測定できる。質量計３４は、一般的な秤（重量計）で構成されている。第１測定部１８は、ストップウォッチで得られた経過時間や試料２２の密度との関係から、他方の端部３２（排出口１６）から排出された試料２２の流量を測定可能である。なお、水頭差ｈを計測している場合には、第１測定部１８を省略してもよい。

【0027】

管路１４内に充填され、試験対象の試料２２である「粒状体を含む非ニュートン流体」は、例えば、モルタルやフレッシュコンクリート、削孔や掘削に使用する泥水、或いは海底の有用鉱物を揚鉱する際に利用されるキャリア物質で構成される液状成分と、粒状体で構成される固体成分と、の混合物で構成される。粒状体としては、鉱石又は岩石であってよく、より好ましくは、海底にあって揚鉱の対象となる有価鉱物の鉱石又は岩石であってもよい。また、試験対象の試料２２は、「粒状体を含まない非ニュートン流体」であってもよく、それは、例えば、モルタルやセメントミルク、削孔や掘削に使用する泥水、或いは海底の有用鉱物を揚鉱する際に利用されるキャリア物質等で構成される。

【0028】

キャリア物質である粘性流動物質は、水系、油系及びエマルジョン系であってもよいが、水系及びエマルジョン系が好ましく、特に高分子溶液等の水系が、安価で、取り扱いにおいて都合がよい点で好ましい。高分子溶液は、懸濁液を含む。高分子溶液における高分子は、天然物又は合成物いずれも使用できる。事故によりキャリア物質が漏洩した時の周辺海域への環境影響を考慮すると天然物が好適であるが、合成物は少ない配合量で流動化物を得ることができる利点がある。また、エマルジョン系としては、油又は水と乳化剤の混合物であるマヨネーズが挙げられる。

【0029】

高分子溶液における高分子としては、一般に増粘剤、吸水剤と称されるものが使用でき、例えば、メチルセルロース（ＭＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリルアミド（ＰＡＡＭ）、ポリアクリル酸ナトリウム、デンプン、ガム類、ペクチン、アルギン酸金属塩、アルギン酸エステル等が挙げられる。ガム類としては、グアーガム、キンサンタンガム、ジェランガム、ダイユータンガム等が挙げられる。また、アルギン酸金属塩としては、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カルシウム、アルギン酸カリウム等が挙げられる。これらの化合物は、１種類又は２種類以上を組み合わせて使用することができる。

【0030】

続いて、図１、図２を参照して、第１実施形態の試験装置１１を用いた粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法について説明する。

【0031】

まず、作業者は、図１に示すような試験装置１１を組み立てる（ステップＳ１１）。続いて、適当な水頭差をもつように試料２２（粒状体を含む非ニュートン流体）を管路１４内に充填する（充填工程、ステップＳ１２）。その際、Ｊ型の管路１４内に空気が残存しないように試料２２を充填する。充填の手順は、最初に、投入口２４を介して、縦管部２５を経由するように横管部２６に試料２２（粒状体を含む非ニュートン流体）を充填する。その後に、横管部２６の他方の端部３２（排出口１６）に、閉塞具２１を装着して、他方の端部３２を閉塞する。そして最後に、投入口２４を介して縦管部２５に試験開始時の水頭差の高さまで試料２２を充填する。管路１４の内径（内直径）を２Ｒとする。横管部２６の長さをＬとする。縦管部２５の試料２２の上流側の液面と排出口１６との水頭差をｈとする。

【0032】

続いて、排出口１６から閉塞具２１を除去して（ステップＳ１３）、ビデオカメラ２３によって試料２２の上流側の液面の降下と下流側の液面の変動の経過の記録を開始するとともに、ストップウォッチによって経過時間ｔを測定する。また、質量計３４による質量の指示値の計測を開始する（測定工程、ステップＳ１４）。また、必要に応じて、作業者は、標尺１５に基づき経過時間ｔ毎の水頭差ｈを計測してもよい。本測定方法（試験）では、排出口１６における液面が概ね平坦で安定していることが必要である。もし、試料２２の粘性が低く排出口１６における試料２２の液面が平坦でなく安定しない場合には、後述するように、横管部２６に代えて第２横管部２６を取り付けて、管路１４の横方向の長さを長くして本測定方法（試験）を行ってもよい。

【0033】

試料２２の上流側の液面の降下が停止し、排出口１６から試料２２の排出が停止した場合には（ステップＳ１５）、計測を終了する（ステップＳ１６）。試料２２の上流側の液面の降下が停止せず、液面の降下が続いている場合には（ステップＳ１５）、計測を継続する（ステップＳ１４）。

【0034】

計測を終了した場合には、経過時間ｔ、質量計の質量の指示値、および試料２２の密度から、試料２２が排出口１６から排出される流量Ｑを算出する（ステップＳ１７）。流量Ｑと経過時間ｔの関係から、管路１４の断面積πＲ^２を考慮して水頭差ｈと経過時間ｔの関係を算出する。水頭差ｈを計測している場合には、必ずしも流量Ｑを計測する必要はない。

【0035】

続いて、試料２２の管壁に作用するせん断応力τ（Ｒ）と管壁位置におけるずり速度Ｄ（Ｒ）を算出する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８において、試料２２が、非ニュートン流体のうち、擬塑性流体、ダイラタント流体、降伏値を持つ擬塑性流体、および降伏値を持つダイラタント流体である場合には、コンピューターを用いた数値解析、すなわち最小二乗法等での最適化を行って、ずり速度Ｄ（Ｒ）を算出する。一方、試料２２が、非ニュートン流体のうち、ビンガム流体である場合はτ(R)-D(R)関係、r₀/R-t関係から、ずり速度Ｄ（Ｒ）を算出する。
せん断応力τ（Ｒ）は、以下の式から算出される。

【0036】

【数1】

式中、ρは試料２２の密度である。

【0037】

ずり速度Ｄ（Ｒ）は、以下の式から算出される。

【数2】

【0038】

同様に、試料２２の栓流の半径ｒ_０も下記式から算出される。

【数3】

式中、ｈ^*は、図１に示すように試料の液面の降下が停止した際の水頭差である。
なお、試料の流れの流況が理想状態となるまでに一定の時間を要するため、試験の開始直後の結果は無視するようにする。

【0039】

また、ｒ_０は、図３に示す管路１４（円管路）内の粘性流体の流れのモデル中に示される栓流の半径である。図３中、ｕ（ｒ）は、流速分布であり、τ（ｒ_０）は、栓流の外縁に作用するせん断応力である。ｐ_１は、上流側の断面１に作用する圧力であり、ｐ_２は、下流側の断面２に作用する圧力である。

【0040】

また、求められたせん断応力τ（Ｒ）［Ｐａ］とずり速度Ｄ（Ｒ）［１／ｓ］の関係を直線回帰して求められた切片と傾きの値は、試料２２（非ニュートン流体）の降伏値τy［Ｐａ］と塑性粘度η_ｐ［Ｐａ・ｓ］である。
ここで、試料２２がビンガム流体である場合のせん断応力τ（Ｒ）と降伏値τyの関係を表す式は、
τ（Ｒ）＝η_ｐＤ＋τy
である。式中、η_ｐは塑性粘度［Ｐａ・Ｓ］である。
一方、試料２２が、非ニュートン流体、すなわち、擬塑性流体、ダイラタント流体、降伏値を持つ擬塑性流体、および降伏値を持つダイラタント流体である場合のせん断応力τ（Ｒ）と降伏値τyの関係を表す式は、
τ（Ｒ）＝μＤ^ｎ＋τy
である。式中、μ：非ニュートン粘性係数［Ｐａ・ｓ］、ｎ：粘性指数、である。このとき、０＜ｎ＜１であるとき、擬塑性流体又は降伏値を持つ擬塑性流体であり、１＜ｎであるとき、ダイラタント流体又は降伏値を持つダイラタント流体である。

【0041】

一方、試料２２の粘性が小さすぎて、試験装置１１の排出口１６で液面が安定しない場合には、横管部２６に代えて、その長さを横管部２６の長さＬよりも長いＬ２とした第２横管部に交換して試験を行ってもよい。第２横管部の長さＬ２は、例えば、１．２ｍ又は２．２ｍである。第２横管部は、長さのみ横管部２６と異なっており、それ以外は横管部２６と同一の構造を有する。横管部２６を第２横管部に交換した状態で、上記と同様に測定方法を実施してもよい。

【0042】

本実施形態によれば、以下のことがいえる。粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、縦方向に延びるとともに粒状体を含む非ニュートン流体の投入口２４を上端に有する縦管部２５と、縦管部２５の下端と連通する一方の端部３１と、前記非ニュートン流体が排出される排出口１６を構成する他方の端部３２と、を有するとともに横方向に延びる横管部２６と、他方の端部３２の近傍に設けられ、他方の端部３２から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定可能な第１測定部１８と、を備える試験装置を用いる。粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法は、他方の端部３２を閉塞した状態で投入口２４から前記非ニュートン流体を投入して、縦管部２５内と横管部２６内とに前記非ニュートン流体を充填する充填工程と、他方の端部３２を開放して前記非ニュートン流体を排出させ、第１測定部１８により他方の端部３２から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定する測定工程と、を備える。

【0043】

試験装置１１は、縦方向に延び、粒状体を含む非ニュートン流体の投入口２４を上端に有するとともに前記非ニュートン流体を内部に充填可能な縦管部２５と、縦管部２５の下端と連通する一方の端部３１と、前記非ニュートン流体が排出される排出口１６を構成する他方の端部３２と、を有するとともに横方向に延び、且つ前記非ニュートン流体を内部に充填可能な横管部２６と、他方の端部３２に対して着脱可能に構成され、他方の端部３２を閉塞可能な閉塞具２１と、他方の端部３２の近傍に設けられ、閉塞具２１が他方の端部３２から離脱された際に他方の端部３２から排出された前記非ニュートン流体の流量を測定可能な第１測定部１８と、を備える。

【0044】

これらの構成によれば、簡単な構造の試験装置１１によって、粒状体を含む非ニュートン流体の流量と経過時間の関係から、水頭差と経過時間の関係を求めることができる。これによって、液面に現れる粒状体の影響で、粒状体を含む非ニュートン流体の液面の形状が不規則に変化する場合であっても、合理的に水頭差の変化を求めることができる。これによって、当該非ニュートン流体の粘性特性である、せん断応力τとずり速度Ｄの関係、さらにその関係から求められる降伏値τｙおよび塑性粘度ηｐを精度良く求めることができる。

【0045】

横管部２６は、横管部２６の長さよりも長い第２横管部と交換可能である。

【0046】

この構成によれば、粘性が小さい粒状体を含む非ニュートン流体に対しても流量と経過時間の関係から、水頭差と経過時間の関係を求めることができる。これによって、当該非ニュートン流体の粘性特性である、せん断応力τとずり速度Ｄの関係、さらにその関係から求められる降伏値τｙおよび塑性粘度ηｐを精度良く求めることができる。

【0047】

以下の実施形態では、主として第１実施形態と異なる部分について説明し、第１実施形態と共通する部分については、図示又は説明を省略する。
［第２実施形態］

【0048】

以下図４、図５を参照して、第２実施形態の試験装置１１およびそれを用いた粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法について説明する。本実施形態の試験装置１１は、縦管部２５の投入口２４に接続された加圧ユニット４１を有する点で、第１実施形態の試験装置１１とは異なっている。

【0049】

加圧ユニット４１は、管路１４の縦管部２５の投入口２４に対して着脱可能に構成されている。加圧ユニット４１は、エアポンプ４２と、エアポンプ４２からの空気を送るための送気管４３と、送気管４３を縦管部２５の投入口２４に着脱可能に装着する装着栓部４４と、を有する。エアポンプ４２は、市販されている一般的なエアポンプ（空気ポンプ）で構成されている。エアポンプ４２は、モータ式ダイヤフラムポンプ、ボイスコイルモータ（電磁）式ダイヤフラムポンプ、圧電（ピエゾ）式ダイヤフラムポンプのいずれかであってもよい。装着栓部４４は、例えば、内側に送気管４３を通したゴム栓等で構成されている。

【0050】

続いて、図４、図５を参照して、第２実施形態の試験装置１１を用いた粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性測定方法について説明する。

【0051】

まず、作業者は、加圧ユニット４１を除き、図４に示すような試験装置１１を組み立てる（ステップＳ２１）。また、横管部２６の他方の端部３２（排出口１６）に、閉塞具２１を装着して、他方の端部３２を閉塞する。続いて、適当な水頭差をもつように試料２２（粒状体を含む非ニュートン流体）を管路１４（円管路）内に充填する（充填工程、ステップＳ２２）。その際、Ｊ型の管路１４内に空気が残存しないように試料２２を充填する。このとき、管路１４の内径（内直径）を２Ｒとする。横管部２６の長さをＬとする。縦管部２５の試料２２の液面と排出口１６との水頭差をｈとする。加圧ユニット４１によって管路１４内に加えられた圧力（空気圧）をｐとする。

【0052】

作業者は、縦管部２５の投入口２４に対して、加圧ユニット４１を装着する。すなわち、送気管４３の一端に接続された装着栓部４４を投入口２４に対して装着する。送気管４３の他端には、エアポンプ４２が接続されている。
続いて、エアポンプ４２を駆動して、管路１４内に空気を送って、管路１４の上流側（投入口付近）を加圧する（ステップＳ２３）。

【0053】

続いて、排出口１６から閉塞具２１を除去して（ステップＳ２４）、ビデオカメラ２３によって試料２２の上流側の液面の降下と下流側の液面の変動の経過の記録を開始するとともに、ストップウォッチによって経過時間ｔを測定する。また、質量計３４による質量の指示値の計測を開始する（測定工程、ステップＳ２５）。また、必要に応じて、作業者は、標尺１５に基づき経過時間ｔ毎の水頭差ｈを計測してもよい。

【0054】

試料２２の液面の降下が停止し、排出口１６から試料２２の排出が停止した場合には（ステップＳ２６）、計測を終了する（ステップＳ２７）。試料２２の液面の降下が停止せず、液面の降下が続いている場合には（ステップＳ２６）、計測を継続する（ステップＳ２５）。

【0055】

計測を終了した場合には、経過時間ｔと質量計３４の質量の指示値とから、試料２２が排出口１６から排出される流量Ｑを算出する（ステップＳ２８）。流量Ｑと経過時間ｔの関係から、管路１４の断面積πＲ^２を考慮して水頭差ｈと経過時間ｔの関係を算出する。水頭差ｈを計測している場合には、必ずしも流量Ｑを計測する必要はない。

【0056】

続いて、試料２２のせん断応力τ（Ｒ）とずり速度Ｄ（Ｒ）を算出する（ステップＳ２９）。ステップＳ２９において、試料２２が、非ニュートン流体のうち、擬塑性流体、ダイラタント流体、降伏値を持つ擬塑性流体、および降伏値を持つダイラタント流体である場合には、コンピューターを用いた数値解析、すなわち最小二乗法等での最適化を行って、ずり速度Ｄ（Ｒ）を算出する。一方、試料２２が、非ニュートン流体のうち、ビンガム流体である場合はτ(R)-D(R)関係、r₀/R-t関係から、ずり速度Ｄ（Ｒ）を算出する。

【0057】

せん断応力τ（Ｒ）は、以下の式から算出される。

【数4】

式中、ρは試料の密度である。

【0058】

ずり速度Ｄ（Ｒ）は、以下の式から算出される。

【数5】

同様に、試料の栓流の半径ｒ_０も下記式から算出される。

【0059】

【数6】

式中、ｈ^*は、図１に示すように試料２２の液面の降下が停止した際の水頭差である。

【0060】

なお、試料２２の流れの流況が理想状態となるまでに一定の時間を要するため、試験の開始直後の結果は無視するようにする。

【0061】

また、求められたせん断応力τ（Ｒ）［Ｐａ］とずり速度Ｄ（Ｒ）［１／ｓ］の関係を直線回帰して求められた切片と傾きの値は、試料２２（非ニュートン流体）の降伏値τy［Ｐａ］と塑性粘度η_ｐ［Ｐａ・ｓ］である。
ここで、試料２２がビンガム流体である場合のせん断応力τ（Ｒ）と降伏値τyの関係を表す式は、
τ（Ｒ）＝η_ｐＤ＋τy
である。式中、η_ｐは塑性粘度［Ｐａ・Ｓ］である。
一方、試料２２が、非ニュートン流体、すなわち、擬塑性流体、ダイラタント流体、降伏値を持つ擬塑性流体、および降伏値を持つダイラタント流体である場合のせん断応力τ（Ｒ）と降伏値τyの関係を表す式は、
τ（Ｒ）＝μＤ^ｎ＋τy
である。式中、μ：非ニュートン粘性係数［Ｐａ・ｓ］、ｎ：粘性指数、である。このとき、０＜ｎ＜１であるとき、擬塑性流体又は降伏値を持つ擬塑性流体であり、１＜ｎであるとき、ダイラタント流体又は降伏値を持つダイラタント流体である。

【0062】

一方、試料２２の粘性が小さすぎて、試験装置１１の排出口１６で液面が安定しない場合には、横管部２６に代えて、長さを横管部２６の長さＬよりも長くした第２横管部に交換して試験を行ってもよい。第２横管部の長さは、例えば、１．２ｍ又は２．２ｍである。第２横管部は、長さのみ横管部２６と異なっており、それ以外は横管部２６と同一の構造を有する。横管部２６を第２横管部に交換した状態で、上記と同様に測定方法を実施してもよい。

【0063】

本実施形態によれば、以下のことがいえる。試験装置１１は、縦管部２５の投入口２４付近を加圧する加圧ユニット４１を備え、加圧ユニット４１は、前記充填工程が完了後に作動して投入口２４付近を加圧するとともに、前記測定工程においても前記投入口２４付近を加圧する。

【0064】

この構成によれば、粘性が大きく自重では排出口１６から排出されない粒状体を含む非ニュートン流体に対しても流量と経過時間の関係から、水頭差と経過時間の関係を求めることができる。これによって、当該非ニュートン流体の粘性特性である、せん断応力τとずり速度Ｄの関係、さらにその関係から求められる降伏値τｙおよび塑性粘度ηｐを精度良く求めることができる。

【0065】

加圧ユニット４１は、エアポンプ４２を含む。この構成によれば、加圧ユニット４１をエアポンプ４２で構成することができ、加圧ユニット４１の構成を極めて簡単な装置によって実現できる。

【0066】

上記した実施形態は、種々の置き換えや変形を加えて実施できる。また、異なる実施形態を適宜に組み合わせて一つの発明を構成することも当然にできる。

【実施例0067】

第１実施形態で説明した試験装置１１を用いて、実際に試料２２の粘性特性を測定する試験（粘性特性測定方法）を行った。管路１４の内径２Ｒ＝４０ｍｍとした。横管部２６の長さＬ＝０．２ｍとした。試料２２は、増粘剤であるＣＭＣ（カルボキシルメチルセルロース）溶液を用いた。ＣＭＣ溶液は、ＣＭＣと水とを、質量比で１：１００で混ぜ合わせて形成された。室温を２０℃で試験を行った。１回目の試験では、初期水頭差ｈ_０を０．３５ｍとした。２回目の試験では、初期水頭差ｈ_０を０．５５ｍとした。

【0068】

試験結果を図６～図８に示す。図７に示す結果は、試料２２をビンガム流体と仮定した場合の結果である。図８に示す結果は、試料２２をビンガム流体以外の非ニュートン流体（擬塑性流体、ダイラタント流体、降伏値を持つ擬塑性流体、および降伏値を持つダイラタント流体）と仮定した場合の結果である。結果は、１回目と２回目において、異なる初期水頭差ｈ_０で開始した場合でも、概ね同様の粘性特性（せん断応力とずり速度の関係）が得られた。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明によれば、非ニュートン流体の粘性特性を調べることができる。特に、粒状体を含む非ニュートン流体の粘性特性を調べることができる点において、有用性が高い。粘性特性が分かれば、以下の項目について検討できる。（１）モルタルやフレッシュコンクリートについては、ポンプの圧送性や型枠内の充填性を把握できる。（２）削孔や掘削に使用する泥水については、ポンプの圧送性やカッティングスの輸送性を把握できる。（３）海底の有価鉱物の揚鉱に利用するキャリア物質については、循環ポンプの圧送性や鉱物の輸送性を把握できる。

【符号の説明】

【0070】

１１ 試験装置
１４ 管路
１６ 排出口
１８ 第１測定部
２１ 閉塞具
２２ 試料
２４ 投入口
２５ 縦管部
２６ 横管部
３１ 一方の端部
３２ 他方の端部
３４ 質量計
４１ 加圧ユニット
４２ エアポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】