JP6192445B2 - 物体の表面破砕方法 - Google Patents

Description

本発明は、放電破砕工法を用いてコンクリート、岩盤などの物体の表面を破砕する方法に関する。

放電破砕工法により、コンクリート、岩盤などの物体を、所定範囲に亘って破砕する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この破砕方法は、破砕する表面に溝部により破砕領域を設定し、そしてこの破砕領域内に放電破砕を行い得る放電用孔（破砕用孔）を複数個形成するとともにこの放電用孔内に放電用電極を配置しておき、この放電用電極に電気エネルギーを供給して放電させることにより、その衝撃波により破砕領域全体を破砕する方法である。

特許第４７２７２５６号公報

上記破砕方法によると、破砕領域が広い場合、当然ながら、複数個ずつ並列に放電用孔（破砕用孔）を形成する必要があり、或る程度の領域を破砕しようとすると、少なくとも、２個ずつで２列でもって、つまり合計４個の放電用孔を形成する必要がある。しかし、物体を破砕する場合、放電用孔すなわち破砕用装置の設置個数は、できるだけ少ない方が経済的である。

そこで、本発明は、物体を放電により破砕する際に、経済的に行い得る物体の表面破砕方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る物体の表面破砕方法は、金属細線が配置されるとともに自己反応性の破砕用物質が充填された破砕用容器と、この破砕用容器の金属細線に接続されて電気エネルギーを供給し得る電気エネルギー供給手段とから成る破砕装置を用いて物体の表面を破砕する方法であって、
１個の上記破砕用容器内に充填された破砕用物質が、当該１個の破砕用容器で厚さｈの物体を破砕し得る量であり、
物体の表面に矩形状の破砕領域を想定するとともにこの破砕領域の外周に沿って溝部を形成する溝部形成工程と、
上記溝部により囲まれた破砕領域内に、３個の破砕用容器を三角形の頂点に位置するように埋設する埋設工程と、
次にこれら各破砕用容器の金属細線に電気エネルギー供給手段にて電流を流して溶融気化させることにより、当該破砕用容器内に充填された破砕用物質を自己反応させて破砕領域を破砕させる破砕工程とを具備し、
少なくとも埋設工程において、
外周が矩形ＤＥＦＧで表される破砕領域内に破砕用容器を三角形ＡＢＣの各頂点に対応する位置に埋設するとともに、点Ａを点Ｄに対応する位置に、点Ｂを点Ｅに対応する位置に、点Ｃを辺ＦＧに対応する位置にそれぞれ配置し、
点Ａから辺ＧＤまでの最短距離および点Ａから辺ＤＥまでの最短距離がｈ以下となるようにするとともに、点Ｂから辺ＥＦまでの最短距離がｈ以下となるようになし、且つ点Ｃから辺ＦＧまでの最短距離がｈ以下となるようになし、
さらに各埋設位置同士の最短距離が２ｈ以下となるように、各埋設位置を決定する方法である。

また、本発明の請求項２に係る物体の表面破砕方法は、請求項１に記載の表面破砕方法の少なくとも埋設工程において、
点Ｂから辺ＤＥまでの最短距離がｈ以下となるように、各埋設位置を決定する方法である。

また、本発明の請求項３に係る物体の表面破砕方法は、請求項１または２に記載の表面破砕方法において、辺ＡＢが辺ＤＥと平行となるように埋設位置を配置する方法である。
また、本発明の請求項４に係る物体の表面破砕方法は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面破砕方法において、三角形ＡＢＣが正三角形または二等辺三角形となるように埋設位置を配置する方法である。

さらに、本発明の請求項５に係る物体の表面破砕方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載の表面破砕方法において、破砕用物質としてニトロメタンを用いる方法である。
また、本発明の請求項６に係る物体の表面破砕方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載の表面破砕方法において、物体は鉄筋コンクリートであり、
深さｈは、鉄筋の上面からコンクリート表面までのはつり高さである方法である。

上記の各表面破砕方法によると、矩形状の破砕領域内に、３個の破砕用容器を三角形の各頂点に対応する位置で配置して当該破砕領域を破砕するようにしたので、従来のように、少なくとも２個ずつで２列でもって、つまり合計４個の放電用孔を形成する場合に比べて、破砕用容器の設置個数が少なくて済み、したがって物体の表面を経済的に破砕することができる。

本発明の実施例に係る表面破砕方法に用いられる破壊装置の概略構成を示すブロック図である。 同表面破砕方法における破砕領域と破砕用容器との配置関係を示す平面図である。 同表面破砕方法の手順を説明する要部平面図である。 図３のＩ−Ｉ断面図である。 同表面破砕方法による破砕状態を示す要部平面図である。 同表面破砕方法に対する比較用として配置された破砕用容器により発生する衝撃力を示す平面図である。 同比較用として配置された破砕用容器からの衝撃力により発生する引張力を示す平面図である。 本実施例の表面破砕方法により配置された破砕用容器にて発生する衝撃力を示す平面図である。 同実施例の表面破砕方法により配置された破砕用容器からの衝撃力により発生する引張力を示す平面図である。 同表面破砕方法の変形例における破砕領域と破砕用容器との配置関係を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る物体の表面破砕方法を具体的に示した実施例に基づき説明する。
本実施例に係る表面破砕方法は、例えばコンクリート、岩盤などの物体（以下、被破砕物と称す）の表面を、放電破砕工法により、予め想定された破砕領域に亘って破砕する方法である。

まず、放電破砕を行うための破砕装置を図１に基づき説明する。
この破砕装置１は、被破砕物Ｍに形成された装着用孔２に装着し得る有底筒状の破砕用容器（破砕用カートリッジともいう）３と、この破砕用容器３内に且つ当該破砕用容器３の蓋部４を挿通して容器内に配置される一対の電極５，６と、これら両電極５，６同士間に例えば上下方向で接続されて電気エネルギーの供給により瞬時に溶融気化する材料（例えば、銅、タングステンなどが用いられる）から成る金属細線７と、上記破砕用容器３内に充填される自己反応性物質である破砕用物質８と、一対の電極５，６に接続されて電気エネルギーを瞬間的に金属細線７に供給し得る電気エネルギー供給手段９とから構成されている。上記破砕用物質８としては、自己反応性が強いニトロメタンなどが用いられ、またアルコールなどに少なくともニトロメタンが６０％以上含んだものを用いてもよい。

なお、上記電気エネルギー供給手段９は、商用の交流電源（１００ＶのＡＣ電源）１１と、この交流電源１１の電圧を数千ボルト（例えば３０００Ｖ程度）に上昇させる昇圧回路１２と、この昇圧回路１２により昇圧された交流電気を直流に変換する整流回路１３と、この整流回路１３にて直流に変換された電気を蓄えるコンデンサ１４と、このコンデンサ１４に蓄えられた電気エネルギーを電気配線１５を介して上記一対の電極５，６に供給し得る放電制御回路１６とから構成されている。なお、この放電制御回路１６には、破砕操作部（図示せず）からの指示信号により操作される放電スイッチ１７が設けられている。

したがって、コンデンサ１４に所定量の電気エネルギーが蓄積された状態において、放電スイッチ１７を作動させて、この電気エネルギーを瞬間的に電極５，６を介して金属細線７に供給すると、金属細線７が溶融気化しその際に発生する高温・高圧により破砕用物質であるニトロメタンが燃焼する。このニトロメタンの瞬間的な自己反応によって発生した高圧により被破砕物Ｍが破砕される。

次に、上記破砕装置１を用いて、被破砕物Ｍとして鉄筋コンクリートの表面を、所定の深さｈでもって且つ深さｈに基づき予め想定（設定）された破砕領域Ｓを破砕する（はつる）場合について説明する。なお、深さｈは鉄筋Ｒの上面からコンクリート表面までの距離（はつり高さ）である。

すなわち、破砕領域を矩形状に、具体的には長方形に設定するとともに、この長方形の破砕領域内に埋設される破砕用容器３の個数を３個とし、且つこの３個の破砕用容器３の埋設位置が正三角形の各頂点の位置となるようにする。

上記金属細線７および破砕用物質であるニトロメタンが充填された１個の破砕用容器３の破砕能力について説明する。
この破砕用容器３の破砕能力は、被破砕物Ｍである鉄筋コンクリートの表面を深さｈでもって破砕し得るように設定され、言い換えれば、厚さｈのコンクリートを破砕し得る量のニトロメタンが充填されるような大きさとされる。勿論、コンデンサ１４に充電される電気量についても、ニトロメタンを発火（燃焼を開始）させ得る量またはそれ以上の量とされる。

ここで、１個の破砕用容器３により破砕し得る能力である深さをｈとした場合、破砕領域と当該破砕領域に対する３個の破砕用容器３の埋設位置との関係について説明する。
説明を分かり易くするために、図２に示すように、３個の破砕用容器３の埋設位置である三角形の３つの頂点をＡＢＣで表すとともに、破砕領域Ｓを表す長方形の四隅の頂点をＤＥＦＧで表し、且つ点Ａを点Ｄに対応する位置に、点Ｂを点Ｅに対応する位置に、点Ｃを辺ＦＧに対応する位置にそれぞれ配置するものとする。

具体的には、点Ａから辺ＧＤまでの最短距離ｍ_１および点Ａから辺ＤＥまでの最短距離ｍ_２がｈ以下［好ましくは、（０．７〜１）ｈの範囲］となるようにされるとともに、点Ｂから辺ＤＥまでの最短距離ｍ₃および点Ｂから辺ＥＦまでの最短距離ｍ₄もｈ以下［好ましくは、（０．７〜１）ｈの範囲］となるようにされ、且つ点Ｃから辺ＦＧまでの最短距離ｍ_５がｈ以下［好ましくは、（０．７〜１）ｈの範囲］となるようにされ、さらに各埋設位置同士の最短距離（三角形の一辺の長さ）ｐ_１〜ｐ_３が（１．５〜２）ｈの範囲となるようにされ、また点ＣのＧＦ上での位置は中間点に対して左右へそれぞれ０．１ｈつまり（０〜０．２）ｈの範囲となるようにされる。

また、破砕領域Ｓの大きさについては、例えば正三角形ＡＢＣの一辺の長さを２ｈとするとともに三角形の各頂点から破砕領域Ｓの各辺までの最短距離ｍ_ｉをｈとした場合、この正三角形ＡＢＣの一辺と平行な辺（ＤＥ，ＦＧ）の長さｎ_１は４ｈになるとともにこれらの辺（ＤＥ，ＦＧ）と直交する辺（ＥＦ，ＧＤ）の長さｎ_２は３．７ｈとなる。この破砕領域Ｓの大きさは、三角形の頂角が６０°の場合を例示したもので、例えば三角形が直角二等辺三角形であるような場合には底角が４５°となるため、この角度に応じて三角形の高さが低くなる。底角が４５°の場合、破砕領域Ｓの高さである辺（ＥＦ，ＧＤ）の長さｎ_２は３．４ｈにされる。勿論、三角形の頂点から辺までの最短距離ｍ_ｉがｈよりも短く設定される場合、または三角形の一辺の長さが２ｈよりも短く設定される場合には、これに応じて、破砕領域Ｓの各辺ｎ_ｉの長さが短く設定されることになる。

ここで、破砕領域Ｓの長さの範囲について纏めると以下のようになる。
三角形が正三角形であり、最短距離ｍ_ｉがｈであり且つ三角形の辺ＡＢ（底辺）の長さが２ｈである場合には、破砕領域Ｓの大きさ（横ｎ_１×高さｎ_２）は、４ｈ（ｈ＋２ｈ＋ｈ）×３．７ｈ（ｈ＋１．７ｈ＋ｈ）となり、また三角形が直角二等辺三角形であり、最短距離ｍ_ｉがｈであり且つ三角形の辺ＡＢ（底辺）の長さが２ｈである場合には、破砕領域Ｓの大きさ（横ｎ_１×高さｎ_２）は、４ｈ（ｈ＋２ｈ＋ｈ）×３．４ｈ（ｈ＋１．４ｈ＋ｈ）となる。これらの場合を纏めると、破砕領域Ｓの大きさは、４ｈ×（３．４〜３．７）ｈとなる。なお、上述した破砕領域Ｓの大きさで、破砕領域Ｓを正方形にする場合、一辺の長さは短い方の辺（ＥＦ，ＧＤ）の長さに等しくされる。つまり、長方形の破砕領域Ｓを正方形にする場合の一辺の長さが、長方形の短辺の長さに一致される。

また、上記の配置状態において、最短距離ｍ_ｉを０．７ｈにした場合には、破砕領域Ｓの大きさは、３．４ｈ×（２．８〜３．１）ｈとなる。
これら正三角形と直角二等辺三角形を纏めると、破砕領域Ｓの大きさは、（３．４〜４）ｈ×（２．８〜３．７）ｈの範囲となる。

さらに、三角形の底辺の長さについても短く、例えば１．５ｈにしてもよい。
以下、破砕用容器の設置作業および破砕方法について詳しく説明する。
まず、図３および図４に示すように、想定された長方形の破砕領域Ｓの外周に沿って、深さｈ（実際には、ｈより少し短く、鉄筋の上側位置となるような深さ）で且つ直線の溝部Ｔを４本形成する（溝部形成工程）。例えば、コンクリートカッタやグラインダなどの研削工具により、溝部Ｔを井桁状（升目状）に形成する。勿論、溝部Ｔにより囲まれる井桁状の内側部分が破砕領域Ｓとなる。

次に、この長方形の破砕領域Ｓ内に、一辺が所定長さ（例えば、２ｈ）の正三角形を想定するとともに、この想定された正三角形の頂点ＡＢＣの位置に、破砕用容器３の装着用孔２を、その表面に対して直交するように掘削する。つまり、水平なコンクリートの表面に対して鉛直方向の装着用孔２を３個形成（掘削）する。

例えば、深さｈを１０ｃｍとした場合、破砕領域Ｓとしては、例えば４０ｃｍ×３７ｃｍの長方形とされ、その中央部に、一辺が２０ｃｍの正三角形が想定される。また、正三角形の一辺が長方形の一辺と平行となるようにされ、この三角形の各頂点の位置に、装着用孔２が深さ１０ｃｍ（ｈに相当）未満でもって形成される。

そして、各装着用孔２に破砕用容器３を挿入した後、その上方の開口部分を急結モルタルなどの封入材Ｑにより封鎖する（埋設工程）。
次に、破砕用容器３の電極５，６に接続された電気エネルギー供給手段９を作動させる。すなわち、昇圧回路１２および整流回路１３により、コンデンサ１４に所定の電気エネルギー（電気量）を蓄積しておき、放電スイッチ１６を作動させる。

すると、コンデンサ１４に蓄積された電気エネルギーが各破砕用容器３内の金属細線７に一気に供給され、この金属細線７の溶融気化により発生したエネルギーによりニトロメタンが燃焼し、高圧が発生してその周囲のコンクリートを少なくとも距離ｈの範囲でもって一気に破砕する（破砕工程）。なお、破砕状態を図５に示す。この図５から分かるように、３個の破砕用容器３により形成される三角形の内側の中央部分が破砕されるとともに発生した応力波が溝部Ｔまで伝播し、溝部Ｔにより囲まれた鉄筋Ｒより上方部分である破砕領域Ｓが全体に亘って破砕されていることが分かる。この破砕状態については、何回もの実験により確認された。

このように、長方形（矩形状）の破砕領域内に、３個の破砕用容器を三角形の各頂点に対応する位置で配置して当該破砕領域を破砕するようにしたので、従来のように、少なくとも２個ずつで２列でもって、つまり合計４個の放電用孔を形成する場合に比べて、破砕用容器の設置個数が少なくて済み、したがって物体の表面を経済的に破砕することができる。

詳しく説明すると、矩形状の破砕領域を破砕する際に、３個の破砕用容器を三角形の各頂点に対応する位置で且つ各頂点からそれに対応する破砕領域の各辺までの最短距離についても破砕用容器の破砕能力を示す深さに基づく所定の値に設定することにより破砕領域全体を破砕することができる。すなわち、破砕領域を従来のように４個の破砕用容器で破砕する場合に比べて、少ない設置個数で破砕領域を破砕することができる。

ここで、破砕用容器３を４個用いた場合と、３個用いた場合との被破砕物であるコンクリートに対する破砕作用について説明する。
図６に示すように、破砕用容器３を４個用いた場合の当該容器にて発生した衝撃力をｆ_ｉ（但し、ｆ_１＝ｆ_２＝ｆ_３＝ｆ_４）とすると、破砕領域Ｓの中心部に想定した正方形の要素に作用する力関係を図示すると、図７のようになる。

衝撃力ｆがコンクリート（要素）に加わると、コンクリートのポアソン比に応じて横ひずみが発生する。すなわち、コンクリートに引張力ｔ_ｉが作用する。したがって、引張力ｔ_１とｔ_３の合力ｔ_Ｒ（＝ｔ_１＋ｔ_３）が圧縮力である衝撃力ｆ_４に対抗する力となり、この合力ｔ_Ｒが破砕用容器３による衝撃力ｆ_４を弱めることになり、４個の破砕用容器の内側部分に破砕されない箇所が残ってしまう事態が発生する。

これに対し、３個の破砕用容器を正三角形の頂点に配置した場合のコンクリートに作用する力を図示すると、図８および図９のようになる。
図９から分かるように、例えば衝撃力ｆ_３に対抗するように作用する衝撃力ｆ_１およびｆ_２により発生する引張力ｔ_１′およびｔ_２′は、ｔ_１×cos30°およびｔ_２×cos30°で表されることになり、４個の場合におけるｔ_１およびｔ_３に比べて小さくなる。したがって、三角形の領域内においては、破砕用容器が４個の場合よりも、３個である場合の方が、破砕能力が大きくなっているのが分かる。

ところで、上記実施例においては、三角形ＡＢＣの底辺における両端の頂点Ａ，Ｂが、四角形ＤＥＦＧの２つの隅部の頂点Ｄ，Ｅに対応するとともに、その頂点を形成する２つの辺に対して、それぞれの最短距離がｈ以下となるようにしたが、例えば図１０に示すように、変形例として、三角形の底辺の一方の頂点Ａに対して、四角形の一方の頂点を形成する２つの辺（ＤＥ，ＧＤ）に対して最短距離がｈ以下［好ましくは、（０．７〜１）ｈの範囲］となるようにするとともに、残りの三角形の頂点Ｂ，Ｃに対しては、それぞれに対応する四角形の辺（ＥＦ，ＦＧ）に対する最短距離がｈ以下［好ましくは、（０．７〜１）ｈの範囲］となるようにしてもよい。

この変形例における表面破砕方法を説明すると、以下のようになる。
この物体の表面破砕方法は、外周が矩形ＤＥＦＧで表される破砕領域内に破砕用容器を三角形ＡＢＣの各頂点に対応する位置に埋設するとともに、点Ａを点Ｄに対応する位置に、点Ｂを点Ｅに対応する位置に、点Ｃを辺ＦＧに対応する位置にそれぞれ配置し、
点Ａから辺ＧＤまでの最短距離および点Ａから辺ＤＥまでの最短距離がｈ以下となるようにするとともに、点Ｂから辺ＥＦまでの最短距離がｈ以下となるようになし、且つ点Ｃから辺ＦＧまでの最短距離がｈ以下となるようになし、
さらに各埋設位置同士の最短距離（三角形の各辺の長さ）が２ｈ以下となるように、各埋設位置を決定する方法である。

この変形例については、点Ａと点Ｂとを入れ替えた場合（勿論、辺ＥＦと辺ＤＧについても入れ替える）にも適用し得る。
なお、上記実施例または変形例においては、三角形の一辺と長方形の一辺とが平行となるように設定したが、必ずしも、平行でなくてもよい。つまり、三角形を少しの角度でもって回転させるように設定してもよい。また、破砕用容器の埋設位置を表す三角形を正三角形と説明したが、これ以外の三角形でもよく、正三角形または二等辺三角形が好ましい。また、二等辺三角形の場合の底角の範囲としては、例えば４５°〜６０°とするのが好ましい。

さらに、上記実施例または変形例においては、破砕領域を長方形として説明したが、正方形でもよい。
また、上記実施例または変形例においては、被破砕物を構造物などの鉄筋コンクリートとして説明したが、それ以外に、例えば岩石などの表面についても、適用し得る。

Ｍ 被破砕物
Ｓ 破砕領域
Ｔ 溝部
１ 破砕装置
２ 装着用孔
３ 破砕用容器
５ 電極
６ 電極
７ 金属細線
８ 破砕用物質
９ 電気エネルギー供給手段
１１ 交流電源
１４ コンデンサ
１６ 放電制御回路
１７ 放電スイッチ

Claims (6)

1. 金属細線が配置されるとともに自己反応性の破砕用物質が充填された破砕用容器と、この破砕用容器の金属細線に接続されて電気エネルギーを供給し得る電気エネルギー供給手段とから成る破砕装置を用いて物体の表面を破砕する方法であって、
   １個の上記破砕用容器内に充填された破砕用物質が、当該１個の破砕用容器で厚さｈの物体を破砕し得る量であり、
   物体の表面に矩形状の破砕領域を想定するとともにこの破砕領域の外周に沿って溝部を形成する溝部形成工程と、
   上記溝部により囲まれた破砕領域内に、３個の破砕用容器を三角形の頂点に位置するように埋設する埋設工程と、
   次にこれら各破砕用容器の金属細線に電気エネルギー供給手段にて電流を流して溶融気化させることにより、当該破砕用容器内に充填された破砕用物質を自己反応させて破砕領域を破砕させる破砕工程とを具備し、
   少なくとも埋設工程において、
   外周が矩形ＤＥＦＧで表される破砕領域内に破砕用容器を三角形ＡＢＣの各頂点に対応する位置に埋設するとともに、点Ａを点Ｄに対応する位置に、点Ｂを点Ｅに対応する位置に、点Ｃを辺ＦＧに対応する位置にそれぞれ配置し、
   点Ａから辺ＧＤまでの最短距離および点Ａから辺ＤＥまでの最短距離がｈ以下となるようにするとともに、点Ｂから辺ＥＦまでの最短距離がｈ以下となるようになし、且つ点Ｃから辺ＦＧまでの最短距離がｈ以下となるようになし、
   さらに各埋設位置同士の最短距離が２ｈ以下となるように、各埋設位置を決定することを特徴とする物体の表面破砕方法。
2. 点Ｂから辺ＤＥまでの最短距離がｈ以下となるようになされたことを特徴とする請求項１に記載の物体の表面破砕方法。
3. 辺ＡＢが辺ＤＥと平行となるように埋設位置を配置することを特徴とする請求項１または２に記載の物体の表面破砕方法。
4. 三角形ＡＢＣが正三角形または二等辺三角形となるように埋設位置を配置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物体の表面破砕方法。
5. 破砕用物質として主成分がニトロメタンであるものを用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の物体の表面破砕方法。
6. 物体は鉄筋コンクリートであり、
   深さｈは、鉄筋の上面からコンクリート表面までのはつり高さであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の物体の表面破砕方法。

Images