特許 7499213 粘性密度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-05

(45)【発行日】2024-06-13

(54)【発明の名称】粘性密度測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 9/00 20060101AFI20240606BHJP

   G01N 11/00 20060101ALI20240606BHJP

   G01N 11/04 20060101ALI20240606BHJP

【ＦＩ】

G01N9/00 Z

G01N11/00 C

G01N11/04 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021080926

(22)【出願日】2021-05-12

(65)【公開番号】P2022174895

(43)【公開日】2022-11-25

【審査請求日】2023-07-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000206211

【氏名又は名称】大成建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】池上 浩樹

(72)【発明者】

【氏名】石井 裕泰

【審査官】外川 敬之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１５００９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１３３６２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３０６３３１７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭５３－０１９０６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ９／００

Ｇ０１Ｎ １１／０４

Ｇ０１Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上部に流入口が形成されているとともに下部に排出口が形成された中空の貯留体と、
前記貯留体の高さ方向に沿って並設されて、前記貯留体内に貯留された懸濁流体材料の圧力を測定する複数の圧力計と、
前記貯留体内の前記懸濁流体材料の液面高さを測定する距離計と、を備えていることを特徴とする、粘性密度測定装置。

【請求項2】

貯泥槽から前記流入口に至る流入管と、
前記排出口から前記貯泥槽に至る排出管と、
前記流入口に設けられた流入弁と、
前記排出口に設けられた排出弁と、をさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載の粘性密度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、懸濁流体材料の粘性密度測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

建設分野においては、セメントミルク、グラウト、泥水、ベントナイト溶液、流動化処理土等の懸濁流体材料を地盤改良材、埋め戻し材、空洞等の充填材等として用いる場合がある（例えば、特許文献１参照）。また、トンネル掘削時や縦孔の削孔時において、地山の安定を図ることを目的として、懸濁流体材料を注入する場合がある（例えば、特許文献２参照）。施工時に必要な流動性や施工後の強度など、懸濁流体材料の使用目的に応じた性能品質を確保するにあたり、懸濁流体材料の密度や粘性が所定の範囲になるように管理する必要がある。例えば、セメントミルクや流動化処理土等は、粘性を適切な水準に収めることで、運搬、注入または打設、養生までの過程における材料分離抵抗性を確保し、また、密度を適切な水準に収めることで、硬化後の必要な強度を確保する。また、トンネル工事や掘削工事などで使用するベントナイト溶液等は、掘削面で接する地山に対して、浸透、浸潤しない程度の粘性と、地下水の密度より高い密度に調整することにより、周辺地山への流出や地下水の流入を防止する。
懸濁流体材料の粘性・密度は、通常、現場で採取した試料を試験室に持ち込んで測定する必要があるため、粘性・密度を算出するまでに手間と時間がかかる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－０２７１３４号公報

【文献】特開２０１５－０８６５３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、懸濁流体材料の粘性および密度を製造現場において簡易に特定することを可能とした粘性密度測定装置を提案することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するための本発明の粘性密度測定装置は、上部に流入口が形成されているとともに下部に排出口が形成された中空の貯留体と、前記貯留体の高さ方向に沿って並設されて前記貯留体内に貯留された懸濁流体材料の圧力を測定する複数の圧力計と、前記貯留体内の前記懸濁流体材料の液面高さを測定する距離計とを備えている。
また、本発明の粘性密度測定装置を利用した粘性密度測定方法は、貯留体に懸濁流体材料を貯留する材料貯留工程と、前記貯留体の下部から前記懸濁流体材料を排出するとともに前記懸濁流体材料の流下速度を測定する材料排出工程と、前記懸濁流体材料の粘性および密度を算出する粘性密度算出工程とを備えている。前記貯留体には複数の圧力計が異なる高さ位置に配設されており、前記粘性密度算出工程では複数の圧力計により測定された圧力分布および前記流下速度を利用して前記懸濁流体材料の粘性および密度を算出する。
かかる粘性密度測定方法によれば、複数の圧力計により測定された圧力分布を利用して密度を算出するとともに、材料の流下速度により粘性程度を把握できる。粘性密度測定装置は、比較的簡易な装置であるため、例えば懸濁流体材料の製造タンクの近傍などに設置することができる。そのため、性状を現地で確認しながら懸濁流体材料を製造できる。

【0006】

前記粘性密度測定装置は、前記貯留体内の前記懸濁流体材料の液面高さを測定する距離計を備えているので、流量計などを使用せずとも、距離計により前記貯留体から前記懸濁流体材料を排出する際の前記懸濁流体材料の液面高さの時間変化を測定できるので、前記粘性密度測定方法を容易に実施できるようになる。
また、粘性密度測定装置は、貯泥槽から前記流入口に至る流入管と、前記排出口から前記貯泥槽に至る排出管と、前記流入口に設けられた流入弁と、前記排出口に設けられた排出弁とをさらに備えているのが望ましい。かかる粘性密度測定装置によれば、流入管を介して供給された懸濁流体材料の粘性および密度を測定した後、流出管を介して製造タンクに戻すことができる。このとき、流入弁と排出弁とを操作することで、懸濁流体材料の供給、排出を行う。

【発明の効果】

【0007】

本発明の粘性密度測定装置によれば、懸濁流体材料の粘性および密度を製造現場において簡易に特定することを可能とし、この結果を用いることで懸濁流体材料の品質の向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る粘性密度測定装置の使用状況を示す概略図である。

【図2】粘性密度測定装置の構成を示す概略図である。

【図3】粘性密度測定方法の手順を示すフローチャートである。

【図4】材料貯留工程の概要を示す側面図である。

【図5】図４に続く材料貯留工程の概要を示す側面図である。

【図6】貯留体内の圧力分布を示す概略図である。

【図7】材料排出工程の概要を示す斜視図である。

【図8】室内試験およびプラントでの測定結果に基づいて作成された流下速度とフロー値の関係の一例を示すグラフである。

【図9】粘性と密度の測定結果の表示方法の一例を示すグラフである。

【図10】他の形態に係る粘性密度測定装置の使用状況を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本実施形態では、懸濁流体材料Ｗの使用目的に見合った性能・品質（例えば流動性や硬化後の強度等）を確保することを目的として、懸濁流体材料Ｗの密度および粘性を測定するための粘性密度測定装置１と、これを利用した粘性密度測定方法について説明する。ここで、懸濁流体材料Ｗとは、地盤改良等に用いる流動性を有した材料であり、例えば、泥水、グラウト、モルタル、流動化処理土等が該当する。図１に本実施形態の粘性密度測定装置１の使用状況を示す。
本実施形態の粘性密度測定装置１は、図１に示すように、懸濁流体材料Ｗを製造するための製造タンク（貯泥槽）Ｔの近傍に設けられている。製造タンクＴは、金属製の箱型容器からなる。製造タンクＴの上面は、貯留物（懸濁流体材料Ｗ）を攪拌するための攪拌手段（例えば、バックホウのバケット）や材料等の投入が可能となるように開口している。本実施形態の製造タンクＴは、直方体状を呈している。

【0010】

図２に粘性密度測定装置１を示す。粘性密度測定装置１は、貯留体２、圧力計３と、距離計４と、流入管５と、流入弁６と、排出管７と、排出弁８とを備えている。
貯留体２は、中空部材からなる。貯留体２の本体部（上部）は、横断面形状が一様な円筒状であり、貯留体２の下部２１は、逆円錐台状に縮径されていて、下部２１の下端中央には排出口２２が形成されている。また、本実施形態の貯留体２の上面２３は開口しており、貯留体２の上部側面（上端から所定高さ低い位置）には、流入口２４が形成されている。貯留体２は、中心軸が鉛直（略鉛直も含む）になるように設置する。

【0011】

圧力計３は、貯留体２の内部に設けられている。圧力計３は、貯留体２内に貯留された懸濁流体材料Ｗの圧力を測定する。本実施形態では、複数の圧力計３，３，…が貯留体２の一般部（下部２１より上の断面積が一定の部分）２５の高さ方向に沿って所定の間隔をあけて並設されている。圧力計３の数および圧力計３同士の間隔は、限定されるものではなく、適宜決定すればよい。圧力計３の高さ位置は、貯留体２の下端（排出口２２）からの距離が既知である。すなわち、各圧力計３は、貯留体２に貯留された懸濁流体材料Ｗの最下点からの高さが既知な状態で鉛直方向に並べられている。本実施形態の圧力計３は、有線または無線により図示しないデータ処理手段（例えば、パーソナルコンピュータ等）９に接続されており、圧力計３の測定データは、データ処理手段９に送信される。

【0012】

距離計４は、貯留体２の上方に設けられていて、貯留体２の上面２３（開口部）から、貯留体２内の懸濁流体材料Ｗの液面高さを測定する。距離計４は、貯留体２の上端から予め設定された距離の位置に固定されている。距離計４は、貯留体２に固定してもよいし、他の部材（例えば、製造タンクＴや別途設けた支持部材等）に固定してもよい。本実施形態の距離計４は、非接触式の距離計の一種であるレーザー距離計であって、懸濁流体材料Ｗの液面（上面）に対してレーザー光を照射して反射したレーザー光を受信するまでの時間により懸濁流体材料Ｗまでの距離を算出する。本実施形態の距離計４は、有線または無線により図示しないデータ処理手段（例えば、パーソナルコンピュータ等）９に接続されており、距離計４の測定データは、データ処理手段９に送信される。距離計４は、製造タンクＴの側面に固定してもよいし、別途設けられた支持部材により支持してもよい。

【0013】

流入管５は、図１に示すように、製造タンクＴから貯留体２に至る管路である。流入管５は、図２に示すように、流入弁６を介して流入口２４に接続されている。流入管５は、製造タンクＴ内の懸濁流体材料Ｗを貯留体２に輸送する。図１に示すように、流入管５は、製造タンクＴ内の懸濁流体材料Ｗが貯留体２に流下するように、製造タンクＴの上部の懸濁流体材料Ｗの液面よりも低い位置に設けられている。
流入弁６は、図２に示すように流入口２４に設けられていて、貯留体２と流入管５との連通・非連通を制御する（流入口２４を開閉する）。流入弁６を開くと、流入管５を介して輸送された懸濁流体材料Ｗが貯留体２内に供給される。一方、流入弁６を閉じると、貯留体２への懸濁流体材料Ｗの供給が停止される。

【0014】

排出管７は、図２に示すように、貯留体２から排出された懸濁流体材料Ｗを輸送する管路である。排出管７は、排出弁８を介して排出口２２に接続されている。本実施形態では、図１に示すように、貯留体２の下に仮受けタンクＴ２が設けられており、貯留体２から排出された懸濁流体材料Ｗは、排出管７を介して仮受けタンクＴ２に流下する。
排出弁８は、図２に示すように、排出口２２に設けられていて、貯留体２と排出管７との連通・非連通を制御する（排出口２２を開閉する）。排出弁８を開くと、貯留体２内の懸濁流体材料Ｗが貯留体２の排出口２２から排出されて、排出管７を介して製造タンクＴに輸送される。
本実施形態では、仮受けタンクＴ２から製造タンクＴに至る返送管７１が配管されている。返送管７１は、仮受けタンクＴ２内に設けられたポンプ７２を介して貯留体２から排出されて仮受けタンクＴ２に貯留された懸濁流体材料Ｗを製造タンクＴに圧送する。
本実施形態の流入弁６および排出弁８は、制御手段９１からの制御信号により開閉する。

【0015】

次に、粘性密度測定装置１を利用した粘性密度測定方法を説明する。図３に粘性密度測定方法の手順を示す。粘性密度測定方法は、準備工程Ｓ１と、材料貯留工程Ｓ２と、圧力測定工程Ｓ３と、材料排出工程Ｓ４と、粘性密度算出工程Ｓ５と、調整工程Ｓ６を備えている。
準備工程Ｓ１では、まず、粘性密度測定装置１を所定の位置に設置する。粘性密度測定装置１は、製造タンクＴの近傍に、中心軸が鉛直になるように設置する。また、流入管５の一端を製造タンクＴに接続し、流入管５の他端を貯留体２の流入口２４に流入弁６を介して接続して、貯留体２へ懸濁流体材料Ｗを流入する経路を確保する。また、排出管７の一端を製造タンクＴに接続するとともに、排出管７の他端を貯留体２の排出口２２に排出弁８を介して接続して、懸濁流体材料Ｗの排出経路を確保する。

【0016】

材料貯留工程Ｓ２では、貯留体２に懸濁流体材料Ｗを貯留する。図４および図５に材料貯留工程を示す。図４に示すように、材料貯留工程Ｓ２では、排出弁８を閉じた状態で、流入弁６を開くことで、貯留体２内に懸濁流体材料Ｗを供給する。貯留体２内において、懸濁流体材料Ｗの液面が所定の高さに到達したら、図５に示すように、流入弁６を閉めて、懸濁流体材料Ｗの供給を停止する。本実施形態では、懸濁流体材料Ｗの液面が、最も高い位置に配設された圧力計３と貯留体２の上面２３との間の位置になるまで懸濁流体材料Ｗを供給する。貯留体２への懸濁流体材料Ｗの供給は、製造タンクＴ内での懸濁流体材料Ｗの製造が進行し、懸濁流体材料Ｗの濃度が製造タンクＴ内で均一になるよう攪拌したタイミングで行う。本実施形態では、流入弁６および排出弁８の開閉の制御を、制御手段９１により自動的に行う。すなわち、粘性密度測定装置１を起動すると、制御手段９１から排出弁８を閉じる信号および流入弁６を開く信号が送信されるとともに、距離計４による測定を開始する信号が送信される。距離計４により貯留体２内の懸濁流体材料Ｗの液面が所定の高さに達したことが確認されたら、制御手段９１から流入弁６を閉める信号が送信される。

【0017】

圧力測定工程Ｓ３では、圧力計３により、貯留体２内の懸濁流体材料Ｗの圧力を測定する。図６に圧力測定工程Ｓ３を示す。高さ方向に列状に配設された複数の圧力計３，３，…により圧力を同時に測定することで、図６に示すように、貯留体２内の深度方向に対する圧力分布を特定する。圧力計３による測定は、流入弁６が閉じられた段階で、制御手段９１により測定開始の信号が送信されることにより開始する。圧力計３の測定結果は、データ処理手段９に送信される。

【0018】

材料排出工程Ｓ４では、貯留体２から懸濁流体材料Ｗを排出する。図７に材料排出工程Ｓ４を示す。図７に示すように、懸濁流体材料Ｗは、排出弁８を開くことで、貯留体２の下部２１に形成された排出口２２から排出する。圧力計３による貯留体２内の懸濁流体材料Ｗの圧力の測定が終了したら、排出弁８を開く信号が制御手段９１から送信されて、貯留体２から懸濁流体材料Ｗの排出が開始される。自然流下により排出口２２から排出された懸濁流体材料Ｗは、排出管７を介して仮受けタンクＴ２に輸送される（図１参照）。このとき、距離計４を利用して、懸濁流体材料Ｗの液面の高さの時間変化を測定する。液面の時間変化と、貯留体２の内空形状により流下速度を算出できる。距離計４の測定データは、データ処理手段９に経過時間とともに送信される。なお、仮受けタンクＴ２内に排出された懸濁流体材料Ｗは、適宜、返送管７１を介して製造タンクＴへポンプ圧送する。

【0019】

粘性密度算出工程Ｓ５では、懸濁流体材料Ｗの粘性および密度を算出する。粘性および密度は、複数の圧力計３，３，…により測定された圧力分布および流下速度を利用して算出または推定する。圧力分布および流下速度の算出は、圧力計３および距離計４からのデータをデータ処理手段９が受信した段階で開始する。
懸濁流体材料Ｗの密度を算出する場合には、まず、上下に配設された圧力計３の測定値の圧力差を高低差で除することにより懸濁流体材料Ｗの単位体積重量を算出し、これを重力加速度（９．８１）で除することで密度を算出する。懸濁流体材料Ｗの密度の算出は、各圧力計３同士の間を層と仮定して、各層毎に行う。

【0020】

懸濁流体材料Ｗの粘性を算出する場合には、まず、液面高さの時間変化に基づいて懸濁流体材料Ｗの流下速度を算出する。本実施形態の貯留体２は、本体部分（下部２１以外の部分）の内空面積が一定のため、液面高さの変化量を時間で除することにより、流下速度（単位時間あたりの液面高さの変化量）を算出する。本実施形態では、室内試験や過去のデータなどに基づいて、懸濁流体材料Ｗの流下速度とフロー値との関係が予め求められているものとする（図８参照）。図８は、室内試験およびプラントでの測定結果に基づいて作成された流下速度とフロー値の関係の一例を示すグラフである。流下速度の測定値を図８のグラフ（近似式）に当てはめることで、懸濁流体材料Ｗの流下速度に対応するフロー値が得られる。なお、流下速度は、貯留体２の内面と懸濁流体材料Ｗとの間に発生する摩擦力の影響を受けるため、液面高さの測定は、摩擦力の影響が一定となるよう内空断面が一定の区間（本実施形態では円筒部分）において実施することが好ましい。

【0021】

調整工程Ｓ６では、懸濁流体材料Ｗの密度および粘性（フロー値）の測定結果（算出結果）により、懸濁流体材料Ｗが所定の品質を有しているかを判断するとともに、必要に応じて懸濁流体材料Ｗの密度および粘性の調整を行う。図９に測定結果の表示方法の一例を示す。調整工程Ｓ６では、懸濁流体材料Ｗの密度および粘性の目標値（図９において点線により囲われた範囲）を予め設定しておき、製造された懸濁流体材料Ｗの密度および粘性が目標値に収まっているか否かを判定する。本実施形態では、図９に示すように、密度と粘性の関係をプロットし、密度および粘性が目標値に収まるように、水分の増加あるいは土砂や固化材等の増加を行う。すなわち、測定密度（粘性密度算出工程Ｓ５において算出された密度）が目標密度に対して過大な場合は、その乖離を縮小するために製造タンクＴへの加水を行う。また、測定粘性（粘性密度算出工程Ｓ５において算出されたフロー値）が目標値に対して過小な場合は、製造タンクＴへの土砂材や固化材等を追加投入する。本実施形態では、製造タンクＴへの加水または土砂材や固化材等の追加投入を、自動的に行うものとする。すなわち、データ処理手段９には、予め懸濁流体材料Ｗの密度の目標値および粘性の目標値が保存されていて、測定結果と目標値との比較をデータ処理手段９が自動的に行い、比較結果に基づいて制御手段９１に信号を送信する。

【0022】

本実施形態の粘性密度測定装置１およびこれを利用した粘性密度測定方法によれば、複数の圧力計３，３，…により測定された圧力分布を利用して密度を算出するとともに、材料の流下速度により粘性（フロー値）を把握できる。そのため、製造タンクＴ内の懸濁流体材料Ｗの性状をリアルタイムで把握し、材料の品質向上を図ることできる。
また、粘性密度測定装置１は、比較的簡易な装置であり、製造タンクＴの近傍に設置することができるため、性状を現地にてリアルタイムに確認しながら懸濁流体材料Ｗを製造できる。
粘性密度測定装置１は、自動的に懸濁流体材料Ｗの性状の測定を行うことを可能としているため、測定者の手間を削減できる。
また、距離計４を利用して貯留体２内の懸濁流体材料Ｗの液面高さを測定することで、、流量計などを使用せずとも、懸濁流体材料Ｗの流下速度を測定できる。

【0023】

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
前記実施形態では、貯留体２が円筒状の部分を有する場合について説明したが、貯留体２の形状は限定されるものではなく、例えば、角筒状であってもよいし、円錐台状であってもよい。
前記実施形態では、貯留体２を鉛直に設けるものとしたが、貯留体２は傾斜していてもよい。

【0024】

前記実施形態では、貯留体２の内部に圧力計３を設けるものとしたが、圧力計３の設置箇所は限定されるものではない。例えば、圧力計３の感知部のみを貯留体２の内部に面して設けておき、圧力計３の本体部分は貯留体２の外側に設けられていてもよい。
前記実施形態では、複数の圧力計３が所定の間隔で上下に列状に配設されている場合について説明したが、各圧力計３の高さ位置が既知であれば圧力計３の配置および設置方法は限定されるものではない。
圧力計３の数は複数であれば限定されるものではなく、適宜決定すればよい。

【0025】

前記実施形態では、距離計４としてレーザー距離計を使用したが、距離計４はレーザー距離計に限定されるものではなく、例えば、超音波距離計を使用してもよい。
また、距離計４は、必要に応じて設ければよい。例えば、複数の圧力計３による測定結果に基づいて、流下速度を算出してもよい。すなわち、上下に配設された圧力計３の圧力が０になった時点で、懸濁流体材料Ｗの液面が当該圧力計３を通過したと認定することで、懸濁流体材料Ｗの時間毎の液面の位置を把握し、これに基づいて流下速度を算出できる。

【0026】

前記実施形態では、流入管５を介して貯留体２に懸濁流体材料Ｗを供給し、排出管７を介して測定後の懸濁流体材料Ｗを製造タンクＴに戻すものとしたが、流入管５および排出管７は必要に応じて設置すればよい。すなわち、貯留体２への懸濁流体材料Ｗの供給は手作業により行ってもよい。また、貯留体２内の懸濁流体材料Ｗは、別の容器に排出した後、手作業により製造タンクＴに戻してもよい。
前記実施形態では、流入弁６および排出弁８を自動制御するものとしたが、流入弁６および排出弁８は、手作業により開閉してもよい。

【0027】

前記実施形態では、製造タンクＴ内において濃度が均一に攪拌された懸濁流体材料Ｗに対して測定を行うものとしたが、測定のタイミング（材料を貯留体２に供給するタイミング）は限定されるものではなく、例えば、均一に攪拌する前（製造タンクＴ内に材料を投入した直後や製造タンクＴ内での材料攪拌作業中）に行ってもよい。
前記実施形態では、圧力計同士の間を層として、各層毎に密度を算出する場合について説明したが、密度の算出方法は限定されるものではなく、例えば、複数の圧力計の測定値から近似曲線を求めて、この近似曲線の傾きから密度を算出してもよい。

【0028】

前記実施形態では、貯留体２を製造タンクＴの側面に接続して、製造タンクＴ内の懸濁流体材料Ｗを自然流下により貯留体２に流し込むものとしたが、貯留体２と製造タンクＴとの位置関係は限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、貯留体２を製造タンクＴよりも高い位置に配設し、貯留体２から製造タンクＴに至る排出管７を介して、貯留体２から排出した懸濁流体材料Ｗを製造タンクＴに流下させる構成としてもよい。このとき、製造タンクＴから貯留体２への懸濁流体材料Ｗの供給は、製造タンクＴ内に設けられたポンプ５１により、流入管５を介して圧送すればよい。なお、このポンプ５１は、流入弁６の開閉動作と連動して駆動するのが望ましい。

【符号の説明】

【0029】

１ 粘性密度測定装置
２ 貯留体
３ 圧力計
４ 距離計
５ 流入管
６ 流入弁
７ 排出管
８ 排出弁
Ｔ 製造タンク
Ｗ 懸濁流体材料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】