特許 7641814 コンクリート締固め方法、コンクリート締固め装置およびコンクリート締固め装置用針アタッチメント

(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】2025-02-27

(45)【発行日】2025-03-07

(54)【発明の名称】コンクリート締固め方法、コンクリート締固め装置およびコンクリート締固め装置用針アタッチメント

(51)【国際特許分類】

   E04G 21/08 20060101AFI20250228BHJP

   B28B 11/00 20060101ALI20250228BHJP

【ＦＩ】

E04G21/08

B28B11/00

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021081089

(22)【出願日】2021-05-12

(65)【公開番号】P2022174994

(43)【公開日】2022-11-25

【審査請求日】2023-08-08

(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】鈴木 三馨

(72)【発明者】

【氏名】伊東 稔明

(72)【発明者】

【氏名】木ノ村 幸士

(72)【発明者】

【氏名】張 文博

【審査官】眞壁 隆一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１２９６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１５２６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９９９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０３６７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５０２８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３６５３６５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０４Ｇ ２１／００－２１／１０

Ｅ０４Ｇ ２１／１６

Ｅ０４Ｂ １／３５

Ｂ２８Ｂ １／００－ １／５４

Ｂ２８Ｂ １１／００－１９／００

Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セメント系材料により積層体を製造する製造工程と、
前記積層体の層間の面に直交する方向から前記積層体に複数の針を挿入する針挿入工程と、
前記複数の針を前記積層体に挿入した状態で前記複数の針に振動を加える振動工程と、
を含むことを特徴とするコンクリート締固め方法。

【請求項2】

前記製造工程において、材料押出方式の付加製造装置を用いて前記積層体を製造することを特徴とする請求項１に記載のコンクリート締固め方法。

【請求項3】

前記複数の針における針と針との間隔Ｄおよび前記セメント系材料の押出し幅ＷがＤ＜Ｗであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンクリート締固め方法。

【請求項4】

前記振動工程における振動が鉛直方向の振動であり、当該振動は、最大加速度９０～１３９ｍ／ｓ^２、振動幅０．２～０．４ｍｍ、周波数８０～１２０Ｈｚ、１０～３０秒間の条件で行われることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のコンクリート締固め方法。

【請求項5】

セメント系材料で製造された積層体を締固めるコンクリート締固め装置であって、
振動を発生させる振動機と、
一方の面で前記振動機に固定される固定板と、
前記固定板の他方の面に固定された複数の針と、
を備え、
前記固定板は、前記振動機と対向する前記一方の面に磁石が固定されており、
前記振動機と前記固定板との固定が、前記磁石によってなされる
ことを特徴とするコンクリート締固め装置。

【請求項6】

前記振動機で発生させる振動が鉛直方向の振動であり、当該振動は、最大加速度９０～１３９ｍ／ｓ^２、振動幅０．２～０．４ｍｍ、周波数８０～１２０Ｈｚ、１０～３０秒間の条件で行われることを特徴とする請求項５に記載のコンクリート締固め装置。

【請求項7】

前記複数の針における針と針との間隔Ｄおよび前記セメント系材料の押出し幅ＷがＤ＜Ｗであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のコンクリート締固め装置。

【請求項8】

セメント系材料で製造された積層体を締固めるコンクリート締固め装置に取り付けて使用される針アタッチメントであって、
前記コンクリート締固め装置が備える振動機に一方の面が固定される固定板と、
前記固定板の他方の面に固定された複数の針と、
を備え、
前記固定板は、前記振動機と対向する前記一方の面に磁石が固定されており、
前記振動機と前記固定板との固定が、前記磁石によってなされる
ことを特徴とするコンクリート締固め装置用針アタッチメント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３Ｄプリンタにより製造したセメント系の積層体の締固めを行うコンクリート締固め方法、コンクリート締固め装置およびコンクリート締固め装置に用いられる針アタッチメントに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、建設分野においても、セメント系材料を対象とした３Ｄプリンティング技術の開発が進められている。当該３Ｄプリンティング技術の一つに、高チクソトロピー性を有するセメント系材料を吐出して積層させる形式の建設用コンクリート３Ｄプリンタ（以下、建設３Ｄプリンタ）がある。建設３Ｄプリンタには、時間短縮、コスト削減、省力化、省人化、２４時間施工、危険作業の無人化による安全性向上などの様々な利点が見込まれるため、その研究は益々盛んに行われている。ここで、建設３Ｄプリンタによる積層体の問題として、層間に生じるコールドジョイントのような不連続層の存在と、層間に生じる粗大な空隙の存在と、それらによる強度低下が挙げられる。

【0003】

この問題に対し、非特許文献１には、層間に金属繊維を埋設し、不連続層による強度低下の抑制を図る旨記載されている。しかし、非特許文献１の結論に記載されているように、金属繊維の挿入が適切に行われない場合には、金属繊維の周囲に空隙を生じさせる場合があるため、力学的特性の低下につながる恐れがあった。
また、前記問題に対し、特許文献１には、セメント系材料を積層することにより積層構造を製造する方法であって、セメント系材料の凝結時間を遅らせる凝結遅延性能を有する凝結遅延剤を層間に設ける工程を有することを特徴とする積層構造の製造方法が記載されている。しかし、当該技術を材料押出（ＭＥ）方式の付加製造装置（建設３Ｄプリンタ）に適用した場合、当該建設３Ｄプリンタは連続的にノズルから押し出される材料を一旦停止し、凝結遅延剤を噴霧等する必要がある。そのため、作業効率が大幅に低下する恐れがあった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－１１９３６０号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】宮田賢優、西脇智哉、古江翔子、深津志向、「建設用コンクリート３Ｄプリンターによる積層構造体の層間補強に関する基礎的研究」、コンクリート工学年次論文集、２０２０年、Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ．１、ｐｐ．１８８８～１８９３．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、作業効率の大幅な低下を招くことなく、力学的特性を向上させることができるコンクリート締固め方法、コンクリート締固め装置およびコンクリート締固め装置用針アタッチメントを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するため、本発明は以下の手段を有する。
本発明は、セメント系材料により積層体を製造する製造工程と、前記積層体の層間の面に直交する方向から前記積層体に複数の針を挿入する針挿入工程と、前記複数の針を前記積層体に挿入した状態で前記複数の針に振動を加える振動工程と、を含むこととした。
また、本発明は、セメント系材料で製造された積層体を締固めるコンクリート締固め装置であって、振動を発生させる振動機と、一方の面で前記振動機に固定される固定板と、前記固定板の他方の面に固定された複数の針と、を備え、前記固定板は、前記振動機と対向する前記一方の面に磁石が固定されており、前記振動機と前記固定板との固定が、前記磁石によってなされることとした。
また、本発明は、セメント系材料で製造された積層体を締固めるコンクリート締固め装置に取り付けて使用される針アタッチメントであって、前記コンクリート締固め装置が備える振動機に一方の面が固定される固定板と、前記固定板の他方の面に固定された複数の針と、を備え、前記固定板は、前記振動機と対向する前記一方の面に磁石が固定されており、前記振動機と前記固定板との固定が、前記磁石によってなされることとした。

【0008】

本発明のコンクリート締固め方法、コンクリート締固め装置およびコンクリート締固め装置用針アタッチメントは、セメント系材料の積層体に対して、積層体の積層間の面に直交する方向から針を挿入し、当該複数の針を振動させることができる。これにより、積層体の層間の少なくとも一部に互いの層間が一体化してなる部分が生じると考えられる。また、針の挿入に伴って互いに接する一方の界面の一部が他方の界面の一部にくい込んでスパイク機能が発揮されると考えられる。これらのうちの少なくとも一方の効果が得られることにより、セメント系材料の積層体の力学的特性、例えば、割裂引張強度が向上すると考えられる。また、複数の針が、積層体の積層間の面に直交する方向から挿入されるので、挿入時に空気を巻き込み難く、積層体中に空隙ができ難い。さらに、複数の針を振動させるので、積層体中の空気を追い出すことができ、これにより、密度を向上させることができると考えられる。従って、これらの効果によっても、セメント系材料の積層体の力学的特性が向上すると考えられる。また、前記固定板が、前記振動機と対向する前記一方の面に磁石が固定されており、前記振動機と前記固定板との固定が、前記磁石によってなされるので、振動機と固定板とを好適にかつ着脱自在に固定できる。さらに、製造工程で製造される積層体はセメント系材料を複数層積層するものであり、針挿入工程や振動工程は針アタッチメントが当該複数層積層されてなる積層体を処理するから、一層ごとに凝結遅延剤を層間に設ける場合や層間に金属繊維を埋設する場合と比較して、作業効率の低下を招き難い。

【0009】

前記製造工程においては、材料押出方式の付加製造装置を用いて前記積層体を製造することが好ましい。このようにすると、積層体を好適に製造できる。
前記複数の針における針と針との間隔Ｄおよび前記セメント系材料の押出し幅ＷがＤ＜Ｗであることが好ましい。このようにすると、ノズルから押し出されたセメント系材料で形成された積層体の層間に確実に振動を加えることができる。よって、前記したセメント系材料の積層体の力学的特性が向上するという効果を確実に得ることができる。

【0010】

前記振動工程における振動または前記振動機で発生させる振動が鉛直方向の振動であり、当該振動は、最大加速度９０～１３９ｍ／ｓ^２、振動幅０．２～０．４ｍｍ、周波数８０～１２０Ｈｚ、１０～３０秒間の条件で行われることが好ましい。ここで、本明細書における「鉛直方向」とは、建設３Ｄプリンタにより、ベースとなる地面や壁面などから離れる方向に積層数が増える積層体を形成する場合において、当該ベースに対して垂直な方向をいう。なお、本明細書における「水平方向」とは、建設３Ｄプリンタにより、ベースとなる地面や壁面などから離れる方向に積層数が増える積層体を形成する場合において、当該ベースと平行な方向をいう。前記した条件で振動を行うと、鉛直方向の振動が、当該鉛直方向の振動に対して垂直な方向の層間に作用して当該層間の一体性が向上するため、確実に積層体の力学的特性を向上させることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明のコンクリート締固め方法、コンクリート締固め装置およびコンクリート締固め装置用針アタッチメントは、作業効率の大幅な低下を招くことなく、力学的特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係るコンクリート締固め方法の内容を示すフローチャートである。

【図2】本発明の一実施形態に係るコンクリート締固め装置の構成を示す斜視図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るコンクリート締固め装置の構成を示す平面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係るコンクリート締固め装置の構成を示す正面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係るコンクリート締固め装置の構成を示す側面図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る針アタッチメントを固定板の一方の面から見た斜視図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る針アタッチメントを固定板の他方の面から見た斜視図である。

【図8】第１試験における針の挿入および振動の態様を説明する概要図である。

【図9】第１試験の割裂引張強度試験におけるコア供試体の配置と押圧力の印加方向との関係を示す概要図である。

【図10】実施例１～４、比較例１、２および参照例１に係る積層体の割裂引張強度（Ｎ／ｍｍ^２）を示すグラフである。

【図11】第２試験で作製した供試材の一部を上方かつ斜め方向から見た斜視図である。

【図12】第２試験で作製した供試材を側方かつ斜め方向から見た斜視図である。

【図13】第２試験の割裂引張強度試験におけるコア供試体の配置と押圧力の印加方向との関係を示す概要図である。

【図14】コア供試体の抜き出し方向が上抜きである参照例２、比較例３および実施例５、６に係る積層体の割裂引張強度の平均値（Ｎ／ｍｍ^２）を示すグラフである。

【図15】コア供試体の抜き出し方向が横抜きである参照例３、比較例４および実施例７、８に係る積層体の割裂引張強度の平均値（Ｎ／ｍｍ^２）を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、適宜図面を参照して本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の名称、符号で表し、重複する説明は省略する場合がある。

【0014】

［コンクリート締固め方法］
はじめに、図１を参照して、本発明に係るコンクリート締固め方法（以下、単に「本方法」ということがある）の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るコンクリート締固め方法の内容を示すフローチャートである。図１に示すように、本方法は、製造工程Ｓ１と、針挿入工程Ｓ２と、振動工程Ｓ３とを含んでいる。

【0015】

（製造工程Ｓ１）
製造工程Ｓ１は、セメント系材料により積層体を製造する工程である。セメント系材料とは、石灰を主成分とし、水と反応して硬化する土木建築用の無機質接合剤をいう。セメント系材料としてはコンクリートが挙げられる。コンクリートとは、一般的に、セメント、細骨材（例、砂）、粗骨材（例、砂利）に水を混合したものをいい、必要に応じて各種の混和材料を混和させることができる。本実施形態においては、混和材料を混和させるなどしてチクソトロピー性を高めた建設３Ｄプリンタ用のセメント系材料（コンクリート）を用いることが好ましい。ここで、チクソトロピー性は、水セメント比を調節して高めることもできる。なお、本実施形態で用いることのできるセメント系材料は前記したものに限定されず、例えば、高チクソトロピー性を有するセメントペースト、モルタルなどを用いることができる。ここで、セメントペーストとは、セメントと水とを練り混ぜたものをいう。モルタルとは、セメントと細骨材とを水で練り混ぜたものをいう。セメントペーストおよびモルタルには、各種の混和材料を混和することができる。セメント系材料には、任意の繊維を添加することができる。繊維は、例えば、長さ１５ｍｍで直径０．３ｍｍのビニロン繊維などを用いることができるが、これに限定されない。繊維の添加量は、例えば、２．５ｖｏｌ％などとすることができるが、これに限定されない。

【0016】

なお、製造工程Ｓ１において、積層体は、材料押出方式の付加製造装置、つまり、前記した建設３Ｄプリンタを用いて製造することが好ましい。このようにすると、積層体を好適に製造できる。建設３Ｄプリンタは、所定の開口幅を有するノズルを備えており、当該ノズルからセメント系材料を吐出する。

【0017】

（針挿入工程Ｓ２）
針挿入工程Ｓ２は、製造工程Ｓ１で製造した積層体の層間の面に直交する方向から、積層体に複数の針を挿入する工程である。針挿入工程Ｓ２では、セメント系材料の積層体に対して積層体の積層間の面に直交する方向から針を挿入する（つまり、例えば、積層間の面に対して直角に針を挿入する）ので、針の挿入時に空気を巻き込み難い。また、針の挿入に伴って互いに接する一方の界面の一部が他方の界面の一部にくい込んでスパイク機能が発揮されると考えられる。これにより、セメント系材料の積層体の力学的特性が向上すると考えられる。力学的特性としては、例えば、割裂引張強度が挙げられる。本実施形態において、針とは、細骨材の粒径（５ｍｍ）以下の金属製の棒状体であり、例えば、直径０．５～４ｍｍ、好ましくは直径１～２ｍｍの金属製の棒状体をいう。針の長さは任意に設定可能であるが、例えば、５～２０ｃｍ、好ましくは５～１５ｃｍ、より好ましくは６～１０ｃｍであり、実施例では７ｃｍとした。

【0018】

複数の針における針と針との間隔Ｄおよびセメント系材料の押出し幅ＷがＤ＜Ｗであることが好ましい。このようにすると、ノズルから押し出されたセメント系材料で形成された積層体の層間に確実に振動を加えることができる。よって、前記したセメント系材料の積層体の力学的特性が向上するという効果を確実に得ることができる。
なお、前記した間隔Ｄおよび押出し幅Ｗは、Ｄ：Ｗを１：１～２とすることもできる。このようにしても、ノズルから押し出されたセメント系材料で形成された積層体の層間に確実に振動を加えることができる。よって、前記したセメント系材料の積層体の力学的特性が向上するという効果を確実に得ることができる。

【0019】

針と針との間隔Ｄは、例えば、２５ｍｍや５０ｍｍなどとすることができるが、これに限定されない。なお、この例の場合、前記比などの条件を反映して、針と針との間隔Ｄを２５ｍｍ、セメント系材料の押出し幅Ｗを２５～５０ｍｍとすることができる。また、針と針との間隔Ｄを５０ｍｍ、セメント系材料の押出し幅Ｗを５０～１００ｍｍとすることができる。前記した比などの条件は一態様に過ぎないので、それ以外の態様とすることも可能である。例えば、針と針との間隔Ｄを５０ｍｍとした場合にセメント系材料の押出し幅Ｗを１００ｍｍ超などとすることも可能である。
積層体への複数の針の挿入および振動の印加は、コンクリート締固め装置で行うことができる。当該装置については後述する。

【0020】

（振動工程Ｓ３）
振動工程Ｓ３は、針挿入工程Ｓ２で積層体に挿入した複数の針を積層体に挿入した状態で複数の針に振動を加える工程である。振動を加えることにより、積層体の層間の少なくとも一部に（例えば、層間を貫く針の周囲に）互いの層間が一体化してなる部分が生じると考えられる。これにより、セメント系材料の積層体の力学的特性が向上すると考えられる。また、複数の針を振動させるので、積層体中の空気を追い出すことができ、これにより、密度を向上させることができると考えられる。
振動工程Ｓ３は、針挿入工程Ｓ２と同時に行ってもよい。つまり、針を振動させながら積層体に針を挿入させてもよい。また、針を振動させながら積層体から針を引き抜いてもよい。これらによれば、針の挿入時および引き抜き時に空隙が生じるのを防止することができる。

【0021】

振動工程Ｓ３における振動は鉛直方向であり、例えば、最大加速度９０～１３９ｍ／ｓ^２、振動幅０．２～０．４ｍｍ、周波数８０～１２０Ｈｚの振動を１０～３０秒間の条件で行うことが好ましい。このようにすると、振動の条件が適切であるので、鉛直方向の振動が、当該鉛直方向の振動に対して垂直な方向の層間に作用して当該層間の一体性が向上するため、確実に積層体の力学的特性を向上させることができる。なお、最大加速度は、例えば、９９ｍ／ｓ^２や１１１ｍ／ｓ^２や１３３ｍ／ｓ^２などとすることができる。振動幅は、例えば、０．３ｍｍなどとすることができる。周波数は、例えば、１００Ｈｚなどとすることができる。振動時間は、例えば、２０秒間などとすることができる。

【0022】

また、振動工程Ｓ３における振動は水平方向とすることもできる。この場合の振動条件も上記と同様とすることができる。このようにすると、水平方向の振動が、当該水平方向の振動に対して垂直な方向の層間に作用して当該層間の一体性が向上するため、積層体の力学的特性を向上させることができる。なお、水平方向の振動は、振動による作用をより確実に層間に及ぼすため、ノズルから押し出されたセメント系材料の幅方向に対して平行な方向に振動するように設定することが好ましい。

【0023】

針挿入工程Ｓ２および振動工程Ｓ３は、製造工程Ｓ１で所定の積層数を積層させるごとに行うことができる。積層数は、層の厚さと針の長さとにより適宜設定することができる。例えば、針の長さが７ｃｍで一層の厚さが１ｃｍの場合、製造工程Ｓ１で５層形成するごとに針挿入工程Ｓ２および振動工程Ｓ３を１セットで行うとよい。このようにすると、複数層単位で針挿入工程Ｓ２および振動工程Ｓ３を行うことができるため、作業効率の作業効率の低下を招き難い。なお、この場合、針が固定されている固定板と積層体の上面との間に厚さ１ｃｍのスペースを確保しつつ、最下層から針の先端が１ｃｍ突出させることができる。従って、積層数が多い積層体であっても、前回の製造工程Ｓ１～振動工程Ｓ３で形成された積層体の上面と、今回の製造工程Ｓ１で積層された積層体の下面とに対して針の挿入と振動とを行うことができる。これにより、これらの層間の一部を一体化させたり、スパイク機能を発揮させたりすることができるので、積層体の力学的特性を向上させることができる。なお、針が固定されている固定板と積層体の上面との間に厚さ１ｃｍのスペースが確保されており、これらが接触しないので、積層体の表面が荒れることもない。針は、その長さを長くするほど積層数を多くすることができ、作業効率が向上する。

【0024】

［コンクリート締固め装置］
次に、図２～図５を参照して、本発明の一実施形態に係るコンクリート締固め装置（以下、単に「本装置」ということがある）１について説明する。
図２は、本装置１の構成を示す斜視図である。図３は、本装置１の構成を示す平面図である。図４は、本装置１の構成を示す正面図である。図５は、本装置１の構成を示す側面図である。

【0025】

本装置１は、セメント系材料で製造された積層体ＬＰを締固める装置である。本装置１は、強度試験の供試体を締め固める装置として使用できる。
図２～図５に示すように、本装置１は、振動を発生させる振動機２と、一方の面で振動機２に固定される板状の固定板３と、固定板３の他方の面に固定された複数の針４とを備えている。本装置１は架台５を備えている。架台５は、４本の柱と、これらの柱の上部に設けられた４本の横架材と、これらの柱の下部において互いに対向するように設けられた２本の横架材とで形成されている。架台５は移動機構５１を有している。移動機構５１は、高さ方向（Ｚ方向）移動機構５２および平面方向（Ｙ方向）移動機構５３のうちの少なくとも一方を備えている。なお、図２～５では、高さ方向移動機構５２および平面方向移動機構５３の両方を備えている様子を図示している。図示はしないが、架台５は、積層体ＬＰの形状に応じて適宜設定すればよい。例えば、平面方向移動機構５３は、Ｙ方向およびＸ方向の両方向に移動可能なものであってもよい。また、架台５は、コンクリートを積層するノズルの架台であってもよい。

【0026】

振動機２は移動機構５１に固定されており、高さ方向移動機構５２および平面方向移動機構５３により、本装置１における高さ方向（Ｚ方向）および平面方向（Ｙ方向）に、振動機２を自在に移動させることができる。
本装置１の場合、平面方向移動機構５３によって振動機２を移動させることにより、締固めの対象物である積層体ＬＰの所定の位置の上に複数の針４を配置することができる。そして、高さ方向移動機構５２により振動機２およびこれに固定された複数の針４を下方に移動させ、積層体ＬＰの層間の面に直交するようにして、積層体ＬＰに複数の針４を挿入することができる。その後、振動機２を稼働させることにより、複数の針４を積層体ＬＰに挿入した状態で複数の針４に振動を加えることができる。振動を加え終わったら、本装置１は、高さ方向移動機構５２により振動機２およびこれに固定された複数の針４を上方に移動させて、積層体ＬＰから複数の針４を引き抜く。

【0027】

振動機２で発生させる振動は鉛直方向の振動であり、当該振動を、例えば、最大加速度９０～１３９ｍ／ｓ^２、振動幅０．２～０．４ｍｍ、周波数８０～１２０Ｈｚ、１０～３０秒間の条件で発生させることができるものであれば、どのようなものも使用できる。なお、振動機２は前記したものに限定されず、セメント系材料（例えば、コンクリート）の力学的特性を向上させることができるものであれば、どのようなものも使用できる。

【0028】

本装置１においては、複数の針４における針４と針４との間隔Ｄおよびセメント系材料の押出し幅ＷがＤ＜Ｗであることが好ましい。このようにすると、ノズルから押し出されたセメント系材料で形成された積層体ＬＰの層間に確実に振動を加えることができる。よって、前記したセメント系材料の積層体ＬＰの力学的特性が向上するという効果を確実に得ることができる。
なお、前記した間隔Ｄおよび押出し幅Ｗは、Ｄ：Ｗを１：１～２とすることもできる。このようにしても、ノズルから押し出されたセメント系材料で形成された積層体ＬＰの層間に確実に振動を加えることができる。よって、前記したセメント系材料の積層体ＬＰの力学的特性が向上するという効果を確実に得ることができる。

【0029】

なお、押出し幅Ｗは、建設３Ｄプリンタのノズルの吐出口と同じ寸法であるが、ノズルからのセメント系材料の押出し圧力・流量やセメント系材料の物性などによって増減する場合がある。前記したように、針４と針４との間隔Ｄは、例えば、２５ｍｍや５０ｍｍなどとすることができる。なお、この例の場合、前記比などの条件を反映して、針４と針４との間隔Ｄを２５ｍｍ、セメント系材料の押出し幅Ｗを２５～５０ｍｍとすることができる。また、針４と針４との間隔Ｄを５０ｍｍ、セメント系材料の押出し幅Ｗを５０～１００ｍｍとすることができる。前記した比などの条件は一態様に過ぎないので、それ以外の態様とすることも可能である。例えば、針４と針４との間隔Ｄを５０ｍｍとした場合にセメント系材料の押出し幅Ｗを１００ｍｍ超などとすることも可能である。
複数の針４の本数は、例えば、１６本などとすることができるが、これに限定されることなく、任意に設定できる。
固定板３への複数の針４の固定は、例えば、固定板３に設けられた針固定用の穴に針４を挿入してかしめることにより行うことができる。

【0030】

また、固定板３と振動機２との固定は、固定板３の一方の面に磁石６（図６参照）を固定しておき、当該磁石６の磁力による吸着力を利用して行うことができる。この場合における磁石６の磁力の吸着力は、例えば、７８４Ｎ（８０ｋｇｆ）などとすることができる。このようにすると、前記した条件の振動を加えた場合であっても固定板３および複数の針４を脱落等させることなく、好適に振動を積層体ＬＰに伝えることができる。なお、固定板３と振動機２との固定はこれに限定されず、例えば、結束バンドなどを使用して、または併用して固定することもできる。針４の材質としては、例えば、ＪＩＳ Ｇ ４４０３：２０１５に規定の高速度工具鋼鋼材、具体的には、ＳＫＨ５１などが挙げられる。また、固定板３の材質としては、例えば、ＪＩＳ Ｈ ４０００：２０１４に規定のアルミニウム合金板、具体的には、Ａ２０１７などが挙げられる。なお、針４および固定板３の材質はそれぞれ前記したものに限定されない。

【0031】

［針アタッチメント］
次に、図６および図７を参照して、本発明に係るコンクリート締固め装置用針アタッチメント（以下、単に「針アタッチメント」ということがある）Ａの一実施形態について説明する。
図６は、本発明の一実施形態に係る針アタッチメントＡを固定板３の一方の面３ａから見た斜視図である。図７は、本発明の一実施形態に係る針アタッチメントＡを固定板３の他方の面３ｂから見た斜視図である。
本実施形態に係る針アタッチメントＡは、前述したコンクリート締固め装置（本装置１）に取り付けて使用される。具体的には、本装置１の振動機２に取り付けて使用される。

【0032】

図６に示すように、針アタッチメントＡは板状の固定板３を備えている。固定板３の一方の面３ａには前記した磁石６が固定されており、これによって針アタッチメントＡは振動機２に着脱自在に取り付けることができる。なお、図示はしないが、振動機２にはこの磁石６と対向する位置に磁石６が吸着し得る鉄製の部材または磁石６と吸着し合う磁石が設けられている。これにより、針アタッチメントＡと振動機２とは強固かつ正確に固定できる。

【0033】

また、図７に示すように、針アタッチメントＡはこの固定板３の他方の面３ｂに複数の針４が固定されている。前記した磁石６は、固定板３の他方の面３ｂから磁石固定ねじ６ａによって固定されている。磁石６をこのようにして固定すると、振動機２による振動でねじが緩み、磁石６や磁石固定ねじ６ａが脱落するのを防ぐことができる。
なお、針アタッチメントＡは、他の手段により振動機２に着脱自在に取り付けることができるのであれば、磁石６や磁石固定ねじ６ａを備えていなくてもよい。

【0034】

以上に説明した本方法、本装置１および針アタッチメントＡは、セメント系材料の積層体ＬＰに対して、積層体ＬＰの積層間の面に直交する方向から針４を挿入し、当該複数の針４を振動させることができる。これにより、積層体ＬＰの層間の少なくとも一部に互いの層間が一体化してなる部分が生じる（一体性が改善される）と考えられる。また、針４の挿入に伴って互いに接する一方の界面の一部が他方の界面の一部にくい込んでスパイク機能が発揮されると考えられる。これらのうちの少なくとも一方の効果が得られることにより、セメント系材料の積層体ＬＰの力学的特性、例えば、割裂引張強度が向上すると考えられる。本方法、本装置１および針アタッチメントＡは、複数層形成した後に、積層体ＬＰに対して針４を挿入し、振動を加えることができるので、一層ごとに凝結遅延剤を層間に設ける場合や層間に金属繊維を埋設する場合と比較して、作業効率の低下を招き難い。また、本装置１および針アタッチメントＡは、層間に金属繊維を埋設しないので、金属繊維の埋設時に空気を巻き込むことがなく、強度が低下し難い。

【実施例】

【0035】

次に、実施例および比較例により、本発明に係るコンクリート締固め方法、コンクリート締固め装置およびコンクリート締固め装置用針アタッチメントについて具体的に説明する。

【0036】

〔１〕第１試験
第１試験は、上層および下層の２層でなる供試材に対して針の挿入と振動とを行う場合について検討した。
第１試験で使用する供試材は、表１に示す配合の建設３Ｄプリンタ用セメント系材料を使用して作製した。なお、表１において、Ｐは結合材を示している。当該結合材は、初期の反応性を高めた速硬性を有するセメントである。Ｗは水を示している。Ｓ１およびＳ２は細骨材を示している。具体的には、Ｓ１は砕砂を示し、Ｓ２は微粉末を示し、Ｖは分離低減剤を示している。砕砂（Ｓ１）の最大粒径は２ｍｍ、微粉末（Ｓ２）は比表面積が８０００ｃｍ^２／ｇ程度の非常に微細なものを使用した。

【0037】

【表1】

【0038】

第１試験では、二軸強制ミキサを用い、表１に示す配合の結合材、細骨材、分離低減剤を低速１５秒空練りし、水を注水した。そして、低速で２分練り混ぜ、かき落としした後、低速でさらに２分練り混ぜた。練りあがったコンクリートの体積、すなわち、練り量は９リットルであった。表１に示すように、繊維は添加しなかった。

【0039】

上記のようにして製造したセメント系材料で供試体の下層となる部分を形成し（厚さ５ｃｍ）、１０分または２０分経過後に供試体の上層となる部分を形成して（厚さ５ｃｍ）、下層と上層の間に不連続面（打継面）を有する２層構造の供試体を作製した。また、参照用として、下層形成直後（０分）に上層を形成することで、打継面を有さない供試材を作製した。供試材の材齢は７日とした。

【0040】

そして、図２～図５に示す本装置１を使用して、後記する表２に示す種々の条件で針４により鉛直方向の振動を供試体に加えるなどした後、力学的特性を測定した。針４の振動の周波数は、全て１００Ｈｚとした。表２中の「―」は針４の挿入および振動を行っていないことを示す。
針４の振動は、針４の直径１ｍｍ×長さ７ｃｍの針アタッチメントＡ（図６、図７）と、針４の直径２ｍｍ×長さ７ｃｍの針アタッチメントＡ（図６、図７）とを条件に応じて交換して加えた。針アタッチメントＡは、アルミニウム合金板（ＪＩＳ Ｈ ４０００に規定のＡ２０１７）の固定板３に、ＪＩＳ Ｇ ４４０３：２０１５に規定の高速度工具鋼鋼材（ＳＫＨ５１）の針４が固定されている。固定板３への針４の固定は、固定板３に形成した穴に針４を挿入してかしめることによって行った。針アタッチメントＡは、固定板３の一方の面３ａに固定された磁石６（最大磁力吸着力７８４Ｎ（８０ｋｇｆ））により振動機２に着脱自在に固定した。また、今回、針アタッチメントＡは、磁石６とともに結束バンドを使用して振動機２に固定した。固定板３は１００×１００×８６ｍｍの板状であり、他方の面３ｂに針４を縦横それぞれ２．５ｃｍの間隔で合計１６本固定している。

【0041】

前記したように、針４の長さが７ｃｍであるので、図８に示すように、針アタッチメントＡの固定板３と積層体ＬＰの上面とのクリアランスを１ｃｍ確保してこれらが直接接触しないようにした。従って、下層には針４の先端が１ｃｍの深さで挿入される。なお、図８は、第１試験における針４の挿入および振動の態様を説明する概要図である。
表２において、振動時間が１０秒のものは、針４により１０秒間鉛直方向の振動を行った後、前回の針４の振動を行った箇所に重複しないように針アタッチメントＡを完全に移動させて積層体ＬＰに挿入し、次回の針４による鉛直方向の振動を行った。また、振動時間が２０秒のものは、針４により１０秒間鉛直方向の振動を行った後、前回の針４の振動を行った箇所の半分が重複するように針アタッチメントＡを移動させて積層体ＬＰに挿入し、次回の針４による鉛直方向の振動を１０秒間行った。これにより、振動時間が２０秒のものは、両端を除き、振動時間が２０秒となる。

【0042】

力学的特性については、図９に示すように、供試材から打継面が最大径（直径）となる円柱状の試験片（コア供試体）を抜き出して割裂引張強度試験を行い、その強度を測定した。割裂引張強度試験は、ＪＩＳ Ａ １１０８に準拠して行った。当該試験にあたっては、図９に示すように、コア供試体の打継面に対して平行な方向（図９中の矢印方向）となるよう押圧力を印加した（縦目で行った）。なお、図９は、第１試験の割裂引張強度試験におけるコア供試体の配置と押圧力の印加方向との関係を示す概要図である。
この試験は、表２に示す実施例１～４、比較例１、２および参照例１についてそれぞれｎ＝３で行い、その平均を算出した。表２に下層形成後上層形成までの時間、針の直径、針の鉛直方向の振動の条件とともに割裂引張強度の平均値を示す。

【0043】

【表2】

【0044】

図１０は、実施例１～４、比較例１、２および参照例１に係る積層体の割裂引張強度の平均値（Ｎ／ｍｍ^２）を示すグラフである。
図１０に示すように、実施例１～３は、同じ条件の打継面を有する比較例１に対して割裂引張強度が向上していることが確認された。また、実施例４は、同じ条件の打継面を有する比較例２に対して割裂引張強度が向上していることが確認された。今回の実験では、実施例２は、打継面を有さない参照例１と同程度の割裂引張強度が得られていた。振動締固めによって上下層の一体性が改善、具体的には、上下層の水平方向の層間の一体性が改善されたことで、割裂引張強度が向上したものと考えられる。

【0045】

〔２〕第２試験
第２試験は、さらに積層数の多い供試体に対して針の挿入と振動とを行う場合について検討した。
第２試験で使用する供試材は、表３に示す配合の建設３Ｄプリンタ用セメント系材料を使用して作製した。表３中のＷ、Ｐ、Ｓ１、Ｓ２、Ｖは表１と同様である。繊維は、長さ１５ｍｍで直径０．３ｍｍのビニロン繊維を用いた。

【0046】

【表3】

【0047】

なお、第２試験における供試体の作製は、既報の論文（村田哲、木ノ村幸士、小尾博俊、山本悠人著、「３Ｄプリンタ技術を応用した新たなコンクリート施工法の開発と展望」、大成建設技術センター報、第５１号、ｐｐ．２３－１～２３－６、２０１８）に記載されている材料押出方式の付加製造装置（建設３Ｄプリンタ）を使用して行った。ここで、当該建設３Ｄプリンタのノズル幅は２５ｍｍであった。建設３Ｄプリンタのノズルを予め設定された順序に従ってＸＹＺ方向に移動させつつセメント系材料を押出して積層体からなる供試材を作製した。当該供試材の作製にあたり、５層形成ごとに（５０ｍｍ形成ごとに）、第１試験と同様に締固め、すなわち、針４の挿入および鉛直方向の振動の印加を行った。針４と針４の間隔は、建設３Ｄプリンタのノズル幅（＝押出し幅）と同じ２５ｍｍとした。なお、振動による形状保持性能を確認するために、光学３Ｄ変形分析（ＡＲＡＭＩＳ）を用いて、３次元的に変形を測定した。供試材の材齢は７日とした。なお、参照用として、針４の挿入および鉛直方向の振動の印加に換えて、突固めを行った供試材を作製した。突固めは、ＪＩＳ Ａ １１３２に準拠して行った。

【0048】

図１１は、第２試験で作製した供試材の一部を上方かつ斜め方向から見た斜視図である。図１２は、第２試験で作製した供試材を側方かつ斜め方向から見た斜視図である。供試材の寸法は、コア供試体の抜き出し方向に応じて異ならせた。図１１および図１２中の円形の点線は、供試材から抜き出すコア供試体の位置を示しており、その位置で円柱状にコア供試体を抜き出した。

【0049】

コア供試体を上方から抜き出す（上抜き）供試材（図１１参照）の寸法は、Ｗ２２５ｍｍ×Ｂ６１０ｍｍ×Ｈ１３０ｍｍとした。なお、この供試材は高さが１３０ｍｍあるので、５０ｍｍ積層するごとに（最後は３０ｍｍ積層した後に）、つまり、高さ方向に３回針を挿入して締固めを行った。これを所定の間隔（８０ｍｍ）あけて平面方向に３か所行った。そして、締固めを行った箇所から円柱状にコア供試体（直径１００ｍｍ）を抜き出した。つまり、１つの供試材からコア試供体を３つ抜き出した（ｎ＝３）。
また、コア供試体を側方から抜き出す（横抜き）供試材（図１２参照）の寸法は、Ｗ１７５ｍｍ×Ｂ６１０ｍｍ×Ｈ２３０ｍｍとした。なお、この供試材は高さが２３０ｍｍあるので、５０ｍｍ積層するごとに（最後は３０ｍｍ積層した後に）、つまり、高さ方向に５回針を挿入して締固めを行った。これを所定の間隔（８０ｍｍ）あけて平面方向に３か所行った。そして、締固めを行った箇所から円柱状にコア供試体（直径１００ｍｍ）を抜き出した。つまり、１つの供試材からコア試供体を３つ抜き出した（ｎ＝３）。
抜き出したコア供試体はいずれもＨ１１０ｍｍになるように両端を研磨した。

【0050】

そして、第１試験と同様にして、力学的特性として割裂引張強度試験（ＪＩＳ Ａ １１０８に準拠）を行い、その平均を算出した。ただし、当該試験にあたっては、図１３に示すように、コア供試体の打継面（層間）に対して平行な方向（図１３中の矢印方向）となるよう押圧力を印加した（縦目で行った）。なお、図１３は、第２試験の割裂引張強度試験におけるコア供試体の配置と押圧力の印加方向との関係を示す概要図である。
第２試験における実施例５～８、比較例３、４、参照例２、３に係る供試体の作製条件（積層体への振動の印加または突固め、および針の鉛直方向の振動の条件）と、コア供試体の抜き出し方向と、割裂引張強度の平均値とを表４に示す。なお、表４中の「―」は振動を加えていないことや、振動を加えていないため該当する数値が存在しないことを示している。

【0051】

【表4】

【0052】

図１４は、コア供試体の抜き出し方向が上抜きである参照例２、比較例３および実施例５、６に係る積層体の割裂引張強度の平均値（Ｎ／ｍｍ^２）を示すグラフである。図１５は、コア供試体の抜き出し方向が横抜きである参照例３、比較例４および実施例７、８に係る積層体の割裂引張強度の平均値（Ｎ／ｍｍ^２）を示すグラフである。なお、図１４および図１５中の割裂引張強度は平均値を示している。

【0053】

図１４に示すように、実施例５、６は、同じ条件の打継面（層間）を有する比較例３に対して割裂引張強度が向上していることが確認された。実施例６は、突固めで積層体を作製した参照例２と同程度の割裂引張強度が得られていた。

【0054】

また、図１５に示すように、実施例８は、同じ条件の打継面（層間）を有する比較例４に対して割裂引張強度が向上していることが確認された。実施例８は、突固めで積層体を作製した参照例３と同程度の割裂引張強度が得られていた。今回の実験では、実施例８は、参照例３を超える割裂引張強度が得られていた。

【0055】

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は、前述の実施形態および実施例に限られず、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。

【符号の説明】

【0056】

Ｓ１ 製造工程
Ｓ２ 針挿入工程
Ｓ３ 振動工程
１ コンクリート締固め装置（本装置）
２ 振動機
３ 固定板
３ａ 一方の面
３ｂ 他方の面
４ 針
５ 架台
５１ 移動機構
５２ 高さ方向移動機構
５３ 平面方向移動機構
６ 磁石
Ａ 針アタッチメント
ＬＰ 積層体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】