低透水性材料の測定方法及び測定装置並びに止水材
【課題】合理的な時間の範囲内で低透水性材料の透水性を測定することが可能な測定方法を提案する。
【解決手段】同じ試料の透水性を所定の載荷圧力で測定する一回以上のメインステップで構成される。各メインステップは、予め決定した一定の基準圧力を載荷して上記試料の透水性を測定することを３回以上繰り返す第１のサブステップと、第１のサブステップで測定された透水性の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップと、上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行することを決定する第３のサブステップとを含む。
【解決手段】同じ試料の透水性を所定の載荷圧力で測定する一回以上のメインステップで構成される。各メインステップは、予め決定した一定の基準圧力を載荷して上記試料の透水性を測定することを３回以上繰り返す第１のサブステップと、第１のサブステップで測定された透水性の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップと、上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行することを決定する第３のサブステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低透水性材料の測定方法及び測定装置並びに止水材に関する。低透水性材料とは、主として１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）の範囲の透水性を有する材料をいう。
【背景技術】
【０００２】
従来の測定方法は、水供給部から試料収納部を経て流量測定部へ至る流路を含む透水性測定装置を用いて、その試料収納部の上流側及び下流側の水圧の圧力差を計測することで行っている。圧力の計測のために上記上流側及び下流側に大気圧に開放された開口部を設け、各開口部での水頭差を測定できるようにしている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３８１９９１号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ISO A 1218:2009 日本工業規格「土の透水試験方法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、コンクリートやセメント系改良土などの低透水性材料の透水性を正確に求めることが要求されている。外部に漏れてはならない物質を密閉する場合に、従来では実質的に非透水性と見なされていた材料で周囲を囲って密閉していた。しかしながら、こうした材料でも透過性が０ではないため、透水性の定量評価の必要性が指摘されている。
【０００６】
上記材料の透水性は非常に小さいので、非特許文献１の方法で測定しようとすると膨大な時間を要する。試験時間を合理的な範囲で短くするためには、試料への載荷圧力を大きくすることが考えられるが、それでも水位管理方式で所定の圧力を得ようとすると、試料収納セルの上流側に非常に高い水柱を立てなければならず、実用的ではない。
【０００７】
こうした低透水性材料の合理的な測定方法はこれまで確立されていない。例えば特許文献１は、低透水性測定材料の透水性測定に関して２種類の方法（定水位透水測定方法及び変水位測定方法）で測定が可能なことを特徴とする測定装置を提案しており（段落0034〜0035,0040）、また試料収納セルと試料との間に止水材としてベントナイトを用いることやベントナイトと試料との膨張率を同じとすることなども開示されている（段落0014）。
【０００８】
しかしながら、大量の低透水性材料の試験体を適正に一定の時間に処理するためにはどうすればよいかということには開示していない。
【０００９】
止水材に関しては、ベントナイトは膨潤性が大きいので、膨潤による試料との体積変化の差により試料から止水材が外れることを防止するために両者の膨張率を同じにするということを提案しているだけであって、低透水性材料を測定する場合に好適な止水材の性能に関しては開示していない。
【００１０】
本発明の第１の目的は、合理的な時間の範囲内で低透水性材料の透水性を精度よく測定することが可能な測定方法を提案することである。
【００１１】
本発明の第２の目的は、給水圧力の調整によって１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）の低透水性領域内で透水係数が高い材料から低い材料まで対応可能な範囲が広い測定装置を提案することである。
【００１２】
本発明の第３の目的は、ベントナイトの高膨潤性を利用して正確な透水流量を求めることができる止水材を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の手段は、低透水性材料の透水性測定方法の発明であり、
高圧水供給部から試料収納部を経て流量測定部へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有する透水性測定装置を用いて、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した方法であって、
同じ試料の透水性を所定の載荷圧力で測定する一回以上のメインステップで構成され、
各メインステップは、
予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップと、
第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップと、
上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行することを決定する第３のサブステップと
を含む。
【００１４】
本手段は、一定の圧力で透水性試験を繰り返すメインステップを少なくとも一回以上行い、かつ２回以上のメインステップを実施する場合には、図１に示す如くその回を経るごとに試料への載荷圧力を階段状に高くしていく方法を提案している。例えば試験時間Ｔ内に試験結果を得なければならない場合に、その試験時間Ｔを想定するメインステップの数ｎで等分割して、さらに各メインステップ内での測定操作の数ｍ（３以上の適当数とする）で割って個々の測定時間とする。そして各測定時間内に得られた測定流量のばらつきを評価する。ばらつき量が小さいときには測定結果を良として試験を終了し、ばらつき量が大きいときには測定結果を不良とし、載荷圧力を上げて次のメインステップを繰り返す。測定数を３以上とした理由は、図２に示す如く回帰分析を行うときに測定点が２点だけでは試験時間と流量との関係を表す直線が決まるだけでばらつき量が測定できないからである。
【００１５】
「ばらつき量」は実施形態では回帰分析の決定係数Ｒ２で評価しているが、これに限られるものではない。ばらつき量が大きいことの原因の一つは、試験固有の測定誤差に比べて測定値（流量）が小さ過ぎるからである。換言すれば誤差が大き過ぎるので、こういう場合には時間をかけても良好な結果は得られない。他の原因は、試料の粒子が内部で移動することで水みちができたりして、流れの状態が変化することである。この場合も流量自体を大きくして流れの状態が安定しないと信頼性のある試験結果が得られない。ゆえにばらつき量が大きい場合に測定結果を不良と判断している。
【００１６】
第２の手段は、第１の手段を有し、かつ
透水性を測定する各メインステップの前に、上記試料収納部が有する流路の一部である周壁の内面と試料との間に試料より透水性が低い止水材を充填するメインステップを行う。
【００１７】
本手段は、図６に示すように試料収納部20の内面を止水材26でシールすることを提案している。これにより止水材に水みちなどが発生することを防止し、試料の透水性を精密に測ることができる。止水材の透水係数は試料の透水係数より低くするものとし、具体的には表２に従う。
【００１８】
第３の手段は、
高圧水供給部から試料収納部を経て流量計へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有し、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した透水性測定装置であって、
高圧水供給部は、空気圧送器から制御弁付きの空気管を経て密閉水槽の上部へ高圧空気を送り込み、かつ密閉水槽内から試料収納部へ高圧水を供給するように形成しており、
上記試料収納部は、上記一端が上記高圧水供給部にかつ他端が水管を経由して流量計にそれぞれ連通されている周壁を有する試料収納セルとして形成され、試料収納部内にその周壁との間に間隙を存して試料を配置するとともに、これら試料の外面と周壁内面との間隙に止水材を充填しており、
圧力測定部は、少なくとも制御弁下流の空気管部分又は密閉水槽内の圧力を測定可能な第１圧力計を有する。
【００１９】
本手段は、図５に示す如く試料収納部20への載荷圧力を測定するための圧力測定部40を設け、かつエアコンプレッサーにより圧縮された空気を利用して試料収納部20の上流側の水を高圧化させる透水性測定装置を提案している。圧縮空気を利用して上流側の水を高圧化させるので加圧手段の負荷が過剰に高くなることがない。なお、圧力測定部40は試料収納部20の上流側及び下流側の双方の圧力を測定してもよいが、下流側の圧力計を省略してもよい。上流側に加わる圧力が高いからである。
【００２０】
第４の手段は、第３の手段を有し、かつ
上記第１圧力計及び流量計の計測値に応じて、高圧水供給部が供給する水によって試料収納部に載荷圧力を調整するための制御部を有し、
この制御部は、一定の基準圧力の下で予め設定された測定時間内で流量計の出力を分析して流量測定操作を実行する機能と、ある測定時間内に測定された流量が基準値以上であれば当該測定値を記憶し、測定された流量が基準値未満であるときには上記基準圧力に予め設定された増加巾を加えて新たな基準圧力として、次の流量測定操作を繰り返す機能とを有する。
【００２１】
本手段では、図５に示すように第１圧力計42及び流量計36の測定値に応じて測定方法及び圧力の制御を行う制御部50を提案する。その制御の特徴は、試料収納部20への載荷圧力を制御するために、流量（試料収納部20の下流側の流量）を用いることである。低透水性材料の透水性試験では、試料収納部20への載荷圧力として予め設定した基準圧力Ｐｎ（但しｎはｎ番目の流量測定操作の意味）が低過ぎると、水が殆ど流れないことがある。そこで流量ｑが或る基準値ｑ０に満たない場合には、上記基準圧力Ｐｎに予め設定された増加分ΔＰを加えたものを新たな基準圧力Ｐｎ＋１として、次の操作を行うものとしている。流量の基準値ｑ０は適宜定めることができるが、例えばその流量計の最小目盛ｑｍｉｎとすることができる。
【００２２】
第５の手段は、第４の手段を有し、かつ
上記制御部は、次の（ａ）から（ｃ）のサブステップを含むメインステップを一回以上実行することを特徴とする。
（ａ）予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップ。
（ｂ）第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップ。
（ｃ）上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として制御部に記憶し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する第３のサブステップ。
【００２３】
本手段では、或る基準圧力の下で測定した流量の測定値のばらつきを評価し、例えば決定係数Ｒ２で評価したばらつきの程度が基準値以上であるときに、基準圧力を増大させる制御装置を提案している。前述の如くばらつき量が大きいときには適切な測定値が期待できないからである。図７には、本手段の制御方式と前の手段の制御方式とを組み合わせた制御のアルゴリズムが記載されている。すなわち、次の表１に示すように流量ｑが基準値ｑ０以上である、かつばらつき量が基準値以下（決定係数Ｒ２が閾値ａ以上）のときのみその測定値を採用し、それ以外の場合には基準圧力を上げて再度流量測定操作を繰り返すのである。
【００２４】
【表１】
【００２５】
第６の手段は、第２の手段の透水性測定方法又は第３の手段から第５の手段の何れかの透水性測定装置への適用に適した止水性材料であって
水とベントナイトとを混合してなり、（{水の質量}／{ベントナイトの質量}）×100[％]で定義される水ベントナイト比を58〜83％とした。
【００２６】
本手段は、先の手段に係る透水性測定方法又は透水性測定装置への適用に適した止水材を提案している。すなわち、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性を測定する際に透水性測定装置の試料収納部内面と試料外面との間に充填するための止水材である。この止水材の透水係数は測定前の状態で１×10−１2（ｍ／ｓ）以下とすることが好適である。この止水材は、水とベントナイト原料（ベントナイト粉体）との重量割合が塑性限界に近いベントナイトで形成する止水材を提案する。水ベントナイト比は、58〜83％とするとよく（図４参照）、好適には58％〜73％、さらに好適には63％とするとよい。重量割合が塑性限界に近いのでシール材の充填作業性が良く、多量の水を吸収することができ、充分に膨張し、試料と試料収納部との間のシール性能を向上できる。図３に実線で示すようにベントナイトは３．５時間以上経過すると、この止水係数は１×10−１２以下に低下し、その後は一定の値に留まるので、密着性が向上し、正確に試料の透過係数が測定できる。
【発明の効果】
【００２７】
第１の手段に係る方法によれば、予備試験や推定によらず、試験期間内で供試体に見合った給水圧力を導き出し、適切に制限時間内で透水係数を得られ、かつ低透水性の材料においても、透水量の時間毎のバラツキや、通水の空気溶解等の影響を受けない短時間での試験により信頼性の高い試験結果を得られる。
第２の手段に係る発明によれば、試料収納部の内面と試料との間のシール性を確実に確保できる。
第３の手段に係る測定装置の発明によれば、給水圧力の調整によって透水係数が高い材料から低い材料までの幅が広い対応が可能である。
第４の手段に係る発明によれば、測定時の試料への適当な載荷圧力を見つけて一定に維持することで透水性のばらつき量を精密に観測できる。
第５の手段に係る発明によれば、透水性のばらつき量に応じた制御手順を自動化したから、使い勝手がよい。
第６の手段に係る止水材の発明によれば、止水材として充填するベントナイトの高膨張性による高い漏水防止効果で、正確な透水流量を求めることが出来るので、試験精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の測定方法での載荷圧力と試験時間との関係を示す概念図である。
【図２】上記方法での流量と試験時間との関係を表す図である。
【図３】上記方法で止水材として使用されるベントナイトの養生期間と透水係数の関係を表すグラフである。
【図４】上記水ベントナイト比（Ｗ／Ｂ）と透水係数（ｋ）との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の測定装置の全体図である。
【図６】図５の装置の要部横断面図である。
【図７】図５の装置の制御部のアルゴリズムの説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１から図４は、本発明に係る透水性測定方法の実施形態を示す。この方法では、次の数式１で表されるダルシーの法則を利用した実験装置を用いる。但し、Ｐ１、Ｐ２は或る流路の上流側及び下流側の各圧力、Ｑは計測時間ｔの間に流路を通る透過水量、Ｌは流路長さ、Ａは試料断面積（流路面積）、γＷは水の単位体積質量、ｔは計測時間、ｋは透水係数である。この実験装置は、水の流入口と流出口とを有する試料収納セルを有し、その流入口に圧力Ｐ１の高圧水を流し込み、流出口の下流での圧力Ｐ２と透過水量Ｑとを測定するように構成したものである。上記ダルシーの法則により透水係数ｋを決定することができる。なお試料収納セルの内面は止水材で覆うものとする。
【００３０】
【数１】
【００３１】
まず本発明の透水性測定方法の準備手順（１）〜（３）を説明する。
【００３２】
（１）測定試料の製作
被測定対象である低透水性材料（コンクリートやセメント系改良土など）が存在する現場から所定形状の試料を切り出すか、あるいはその現場の材料と同じ成分のものを実験室で配合して製作する。一般に低透水性材料は固いので、予め試料収納セルの内面に対応する形状（例えば円柱形）に形成するとよい。
【００３３】
（２）脱気水の準備
本発明の測定方法では、空気を除去した脱気水を使用するので、所定量の脱気水を予め用意する。なお、脱気水を使用する理由は、飽和状態での透水係数を正確に測定できるようにするためである。
【００３４】
（３）止水材の調合
止水材の透水係数は試料の透水係数より低くなければならない。そうしないと試料ではなく止水材の透過係数を測定してしまうことになるからである。具体的には後述の表２に従うとよい。本発明の測定方法は透水係数が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）と予想される試料を対象としており、その範囲内で後述の表２に従うとよい。
【００３５】
止水材はベントナイトであることが望ましく、これは水とベントナイト紛体とを混合させて一定時間養生させることで調整する。両者の重量割合は、水ベントナイト比（Ｗ／Ｂ）を58％〜73％、好ましくは63％程度とするとよい。この数値はベントナイトの塑性限界（塑性を獲得し得る限界）に近く、これにより低透水性が達成できるとともに、水を通水することで止水材の膨張が期待できるからである。この膨潤性は後述の通り止水材のシール性に寄与する。63％の混合比率で4.0〜6.0程度の膨潤度が得られる。膨潤度は膨潤の前後での質量比である。
【００３６】
図４は、水とベントナイト粉体とを混合してなる止水材の重量比率と透水係数との関係について出願人が行った実験結果を表している。この実験によると、水ベントナイト比が０％であるときの透水係数が5.5×10−１０（ｍ／ｓ）であり、水ベントナイト比が58〜73％であるときの透水係数が1.2〜2.3×10−12（ｍ／ｓ）であり、また水ベントナイト比が350％であるときの透水係数が5.2×10−９（ｍ／ｓ）程度であった。なお、水ベントナイト比に対する透水係数が極小値を示す理由は、混合比率が多過ぎると流動性が大となり、混合比率が少な過ぎると塑性を発揮できない紛体の状態となるからと理解される。
【００３７】
なお、この実験に用いたベントナイトの養生時間は２時間である。実験例で得られた止水材の透水係数は１×10−12（ｍ／ｓ）よりも大きいが、前述の如く養生時間を長くすることで１×10−12未満のベントナイトを得ることが可能である。
【００３８】
上記の実験結果を基に透水係数の増減に対応する２本の近似直線を作図し、本発明が適用される測定範囲を１×10−12〜１×10−８（ｍ／ｓ）を1ケタ毎の４つの範囲に分けて各測定範囲毎に所要の水ベントナイト比を類推すると次の表となる。適用範囲１の欄のＷ／Ｂ比（37.2〜127.7％)は２本の近似直線とｙ＝１×10−11との交点の間の範囲であり、適用範囲２の欄のＷ／Ｂ比（15.4〜211％)は２本の近似直線とｙ＝１×10−10との交点の間の範囲である。
【００３９】
【表２】
【００４０】
（４）測定装置への試料及び止水材の適用
まず上記試料収納セルの底部上にその試料収納セルの周壁から一定の間隙を存して設置し、その間隙全体に上記止水材を充填する。この充填作業により、止水材は試料の外周面を覆うことになる。そして試料収納セルごと試料及び止水材を水槽の中において、その状態で一定時間止水材を養生させると、ベントナイトは膨潤する。
ここで図３には、養生時間と養生中のベントナイトの透水係数との関係を表している。同図中の点線は理論値、実線は実験値をそれぞれ示している。ベントナイトは、その養生期間中、図３に示す通り膨潤が進行し、透水量が減少し、試料収納セルとの密着性が向上し、止水材の透水係数が低下する。ベントナイトは、少なくとも２時間養生させるものとし、さらに３．５時間以上養生させることが望ましい。ベントナイトの膨張による試料面の流出はなく、加圧された状態のため１週間程度は横（半径方向）への膨張が卓越する。
【００４１】
本発明の透水性測定方法は、次のサブステップからなるメインステップ（ｉ＝１，２，３…）を少なくとも一回実行することで行われる。図２の例では、１〜３番目のメインステップは一定の短い時間で行われており、４番目のメインステップは長い時間をかけて行われている。その意味については後述する。
【００４２】
［第１のサブステップ］
予め設定された一定の基準圧力Ｐｉを試料収納部20に対して載荷して上述の流量測定操作を複数回繰り返す。但し、好ましくは第１回目の測定で計測された流量が一定の基準値ｑ０に達しないときには、繰返し操作を打ち切り、基準圧力を増大させて次のメインステップに移行することが好適である。なお、本明細書において、数値に関して「予め設定された」というときには、当該数値は操作者がその都度指定してもよく、また制御部に記憶させた数値を利用してもよい。
【００４３】
各測定操作の測定回数ｍは、３回以上行うものとする。前述の通り２回だけではばらつき量の評価ができないからである。この測定回数は出来るだけ多くすることが好適である。
【００４４】
各測定操作の測定時間ｔは、予め定めた同一の時間とすることが好適である。測定方法全体の測定時間（試験時間Ｔ）が一定の時間内に収まることが重要だからである。メインステップを最大ｎ回繰り返すと想定すると、t＝Ｔ／（ｍ×ｎ）のように各測定操作の測定時間ｔを設定することができる。
【００４５】
［第２のサブステップ］
第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する。評価の方法は、従来公知の回帰分析の決定係数Ｒ２などを利用すればよい。ばらつき量の基準値はたとえば0.95とすることができる。
【００４６】
図２の例では、１番目のメインステップでＲ２＝0.8993,２番目のメインステップでＲ２＝0.8986,３番目のメインステップでＲ２＝0.9476,４番目のメインステップでＲ２＝0.9888であった。４番目のメインステップで基準値に適合している。
【００４７】
［第３のサブステップ］
上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつき量が基準値以下（例えば決定係数が0.95以上）であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用する。具体的には、求めた複数の測定値よりそれぞれの透水係数を求め、それらの平均値を最終の透水係数とすればよい。またばらつき量が基準値を超えるとき（決定係数が0.95未満）には、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する（図７参照）。
【００４８】
図２の実験例では、１〜３番目のメインステップではばらつき量を超えるためにそれぞれ載荷圧力を上げて次のメインステップに移行している。これを仮に調整段階という（図２にＦ１で示す期間）。調整段階では、各メインステップ毎の測定操作の回数は一定である。４番目のメインステップでは、ばらつき量が基準値以下であったために、当該メインステップで観測された測定値を採用している。本測定段階という（図２にＦ２で示す期間）。本測定段階では、ばらつき量が基準値以下と判った時点からさら測定操作を繰り返して、測定の精度を高めるようにするとよい。例えば予めメインステップの数５と設定し、４番目のメインステップでばらつき量の決定係数が0.95以上となったときに、このメインステップで測定点を増やせばよい。
【００４９】
上記操作の結果、複数のメインステップが実行される場合には、試料収納セルへの載荷圧力は、図１に示すように段階的に増大することになる。載荷圧力は、例えば試料の透水係数が１×10−８であると想定されるときには基準圧力（Ｐ１）を１（ｋＮ／ｍ２）程度、試料の透水係数が１×10−１２（ｍ／ｓ）程度と想定されるときには基準圧力（Ｐ１）を150（ｋＮ／ｍ２）程度が好適である。圧力の増加幅ΔＰに関しては後述の表３に好適例を示す。
【００５０】
この方法によれば、従来適切な測定法が確立していない低透水性材料に関して、予め設定された時間内に透水性を計測できる。
【００５１】
図５から図６は、本発明に係る透水性測定装置を示している。この装置は、高圧水供給部2と試料収納部20と流量測定部30と圧力測定部40と制御部50とで構成している。
【００５２】
高圧水供給部2は、本実施形態では高圧発生部4と密閉水槽12とで構成している。
【００５３】
上記高圧発生部4は、空気圧送器であるエアコンプレッサー6から制御弁10付きの空気管8を経由して密閉水槽12の上部へ高圧空気を送っている。
【００５４】
なお、加圧手段としてエアコンプレッサーを用いた理由は、長時間の連続加圧に対して、圧力が不足する時のみだけ断続的に稼働するエアコンプレッサー機械への負荷が小さく効果的であるためである。換言すれば従来のポンプでは、長時間の連続運転(連続稼働)となり、機械への負荷が大きかったからである。
【００５５】
上記密閉水槽12は、頂部に入口14を、底部に出口16をそれぞれ有する。密閉水槽12には、頂部との間に一定の空隙を存して水を充填してある。上記入口14には上記空気管８を気密に接続する。
【００５６】
上記密閉水槽12内には試料収納部20を配置しており、試料収納部20から流量測定部30の水管32を介して流量計36に接続している。装置全体としてエアコンプレッサー6から空気管8を経て密閉水槽12の上部に至る空気流路Ｒ２と、密閉水槽12の下部から水管32を介して流量計36に至る液体流路Ｒ１とが、密閉水槽12内で連続しており、これにより異相間での圧力伝達を行うようにしている。
【００５７】
試料収納部20は、上下両端開口の周壁22を有する試料収納セルとして形成されている。その周壁22は、密閉水槽12の出口16の周りの底部分に密着させている。周壁22の下部には基盤24をはめ込み、基盤24の中央部に柱状（例えば円柱状）の試料28を載置する。そして上記周壁22と試料28との間の間隙に止水材26を充填している。
【００５８】
上記周壁22は、図示例では密閉水槽12の底部に一体的に連続している。シール性を確実にするためである。しかし周壁22は密閉水槽12の底部とは別体でもよい。
【００５９】
上記基盤24は、一定厚さで透水性を有する固い材料で形成するものとする。好適な材料はポーラスストーンである。
【００６０】
上記止水材26は、ベントナイト紛体に水を混合させてなるものである。好適な重量割合は水ベントナイト比で58％〜73％である。もっとも図示例では密閉水槽12に水を充填させることで止水材26は吸水し、水の混合比率は増大している。
【００６１】
上記試料28は、前述の通り柱状体であり、基盤24の上に静置可能としている。なお、発明の必須事項ではないが、本実施形態では、試料28を測定装置の構造の一部として扱っている。
【００６２】
流量測定部30は、上記出口16内から延びる水管32の先部に流量計36を付設してなる。
【００６３】
圧力測定部40は、試料収納部20の上流側の圧力を測定する第１圧力計42及び下流側の圧力を測定する第２圧力計44とで形成する。
【００６４】
制御部50は、第１圧力計42及び第２圧力計44、並びに流量計36の各測定値に応じて測定方法の制御を行う。制御部50には測定者が操作するために操作パネル（図示せず）を設けてもよい。
【００６５】
制御部50の第１の機能は、予め設定された測定時間内で流量計36の出力を記憶・集計し、流量測定操作を実行することである。各測定操作の間載荷圧力を一定に保つように制御（載荷圧力に応じてコンプレッサーの出力を調整するフィードバック制御）をするように構成してもよい。
【００６６】
制御部50の第２の機能は、前述の各メインステップにおいて、一定の測定時間ｔ毎に、試料収納部20を透過した水の流量を計算し、流量が基準値に満たないときに、基準圧力を増加させて次のメインステップに移行することである。
【００６７】
制御部50の第３の機能は、前述の各メインステップにおいて、一定の測定時間ｔ毎に、試料収納部20を透過した水の流量を計算し、流量のばらつき量を評価することである。ばらつき量が基準値以下（例えば決定係数が0.95以上）であればそのメインステップでの透水係数のデータを採用し、ばらつき量が基準値を超える（決定係数が0.95未満）ときには、基準圧力を増加させて次のメインステップに移行する。
【００６８】
第２、第３の機能を並行して行う場合に、その操作（前述の第３ステップ）は次のように表現される。
上記第２のサブステップにおいてそれら流量の測定値が基準値以上でありかつそれら流量の測定値のばらつきの程度が基準値以下（例えば決定係数が0.95以上）であるときにはそれらの複数の測定値を最終の測定値として制御部に記憶し、それら流量の測定値が基準値未満である場合あるいはそれら流量の測定値のばらつきの程度が基準値を超えるとき（決定係数が0.95未満）には、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する第３のサブステップ。
【００６９】
この複合機能のアルゴリズムを図７及び表３に示す。
【００７０】
【表３】
【００７１】
表３には、本発明が対象とする透水係数の範囲を一桁単位で５つに分割し、各桁に対応して奨励される基準圧力Ｐ１の数値、奨励される基準圧力の増加分ΔＰの数値、及び奨励される測定時間（前述のｔ）の数値を記載している。この表の内容は制御部50のメモリーに記憶されていることが望ましい。
【００７２】
試料の透水性の大きさについて全く見当が付かない場合には、透水係数が１×１０−８（ｍ／ｓ）から測定を開始するが、ある程度の検討が付く場合には、途中の透水係数から測定を開始しても構わない。
【００７３】
前者の場合には、利用者は、透水係数が１×１０−８（ｍ／ｓ）の場合の初期の基準圧力Ｐ１＝１（ｋＮ／ｍ２）として、この数値及び各メインステップ毎の流量測定操作の繰返し回数を制御部50に入力する。制御部50は、高圧発生部4に対して基準圧力に相当する出力を行うように指示する。第１圧力計42及び第２圧力計44の測定値の差分がＰ１となったときに、制御部50はＰ１に対応する測定時間（10min）をメモリーから取り出して、各測定時間ｔに試料を透過した水量Ｑｔを計測する。
【００７４】
測定時間ｔは、表３に準じて決定する。具体的には、まず流量測定操作で想定した透水係数ｋに対応する測定時間の候補ｔ’を求める。また予定する全体の試験時間Ｔ、予定するメインステップの回数ｎ，各メインステップでの流量測定操作の回数ｍからｔ’’＝Ｔ／（ｍ×ｎ）を求める。スケジュールに余裕のあるｔ’≦ｔ’’の場合であれば、ｔ’を測定時間ｔとして採用し、奨励される測定時間を確保できないｔ’＞ｔ’’の場合であれば、ｔ’’を測定時間ｔとして採用するとともに、測定計画のうちの試験時間Ｔ，メインステップの回数ｎ、各メインステップごとの流量測定操作の回数ｍを見直し、奨励される測定時間ｔを満足するまで繰り返し測定計画を立てる。
【００７５】
一定の測定時間ｔ内での透過水量Ｑｔが所定の基準値Ｑ０未満であるときには、制御部50は、図７に示す如く流量測定操作の繰返しを途中で打ち切る。基準値未満では的確な測定結果が得難いからである。そして基準圧力Ｐ１に予め設定されたΔＰ＝１〜４ｋＮ／ｍ２の範囲の増加分を加えて新たな基準圧力Ｐ２を得る。そして同じ操作を繰り返す。なお、「予め設定された」とは、本明細書において操作前に予め操作者によって設定され或いは事前に制御部に記憶された数値をいうものとする。
【００７６】
上記基準値Ｑ０は流量計における透過係数の最小目盛Ｑminに測定操作の回数ｍを乗じた数とするとよい。
【００７７】
また所定回数の測定操作が終わったときには、制御部50は測定された透過水量のばらつき量の決定係数Ｒ２を計算する。この係数が０．９５以上であればそれらの測定操作で得られた透過水量Ｑｔを採用し、前記ダルシーの法則を利用して透水係数を割り出す。
【００７８】
なお、好適な図１の例では透水係数のばらつき量が基準値より小さかったときに、流量測定操作の回数を増やして、より高い精度の流量が得られるようにしている。この判断及び動作も制御部50が実行するようにすることができる。
【符号の説明】
【００７９】
２…高圧水供給部 ４…高圧発生部 ６…エアコンプレッサー（空気圧送器）
8…空気管 10…制御弁 12…密閉水槽 14…入口 16…出口 20…試料収納部
22…周壁 24…基盤 26…止水材 28…試料
30…流量測定部 32…水管 36…流量計
40…圧力測定部 42…第１圧力計 44…第２圧力計
50…制御部
Ｒ２…空気流路 Ｒ１…液体流路
ｍ…測定操作の回数 ｎ…メインステップの回数
Ｔ…試験時間 ｔ…測定操作の測定時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低透水性材料の測定方法及び測定装置並びに止水材に関する。低透水性材料とは、主として１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）の範囲の透水性を有する材料をいう。
【背景技術】
【０００２】
従来の測定方法は、水供給部から試料収納部を経て流量測定部へ至る流路を含む透水性測定装置を用いて、その試料収納部の上流側及び下流側の水圧の圧力差を計測することで行っている。圧力の計測のために上記上流側及び下流側に大気圧に開放された開口部を設け、各開口部での水頭差を測定できるようにしている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３８１９９１号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ISO A 1218:2009 日本工業規格「土の透水試験方法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、コンクリートやセメント系改良土などの低透水性材料の透水性を正確に求めることが要求されている。外部に漏れてはならない物質を密閉する場合に、従来では実質的に非透水性と見なされていた材料で周囲を囲って密閉していた。しかしながら、こうした材料でも透過性が０ではないため、透水性の定量評価の必要性が指摘されている。
【０００６】
上記材料の透水性は非常に小さいので、非特許文献１の方法で測定しようとすると膨大な時間を要する。試験時間を合理的な範囲で短くするためには、試料への載荷圧力を大きくすることが考えられるが、それでも水位管理方式で所定の圧力を得ようとすると、試料収納セルの上流側に非常に高い水柱を立てなければならず、実用的ではない。
【０００７】
こうした低透水性材料の合理的な測定方法はこれまで確立されていない。例えば特許文献１は、低透水性測定材料の透水性測定に関して２種類の方法（定水位透水測定方法及び変水位測定方法）で測定が可能なことを特徴とする測定装置を提案しており（段落0034〜0035,0040）、また試料収納セルと試料との間に止水材としてベントナイトを用いることやベントナイトと試料との膨張率を同じとすることなども開示されている（段落0014）。
【０００８】
しかしながら、大量の低透水性材料の試験体を適正に一定の時間に処理するためにはどうすればよいかということには開示していない。
【０００９】
止水材に関しては、ベントナイトは膨潤性が大きいので、膨潤による試料との体積変化の差により試料から止水材が外れることを防止するために両者の膨張率を同じにするということを提案しているだけであって、低透水性材料を測定する場合に好適な止水材の性能に関しては開示していない。
【００１０】
本発明の第１の目的は、合理的な時間の範囲内で低透水性材料の透水性を精度よく測定することが可能な測定方法を提案することである。
【００１１】
本発明の第２の目的は、給水圧力の調整によって１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）の低透水性領域内で透水係数が高い材料から低い材料まで対応可能な範囲が広い測定装置を提案することである。
【００１２】
本発明の第３の目的は、ベントナイトの高膨潤性を利用して正確な透水流量を求めることができる止水材を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の手段は、低透水性材料の透水性測定方法の発明であり、
高圧水供給部から試料収納部を経て流量測定部へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有する透水性測定装置を用いて、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した方法であって、
同じ試料の透水性を所定の載荷圧力で測定する一回以上のメインステップで構成され、
各メインステップは、
予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップと、
第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップと、
上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行することを決定する第３のサブステップと
を含む。
【００１４】
本手段は、一定の圧力で透水性試験を繰り返すメインステップを少なくとも一回以上行い、かつ２回以上のメインステップを実施する場合には、図１に示す如くその回を経るごとに試料への載荷圧力を階段状に高くしていく方法を提案している。例えば試験時間Ｔ内に試験結果を得なければならない場合に、その試験時間Ｔを想定するメインステップの数ｎで等分割して、さらに各メインステップ内での測定操作の数ｍ（３以上の適当数とする）で割って個々の測定時間とする。そして各測定時間内に得られた測定流量のばらつきを評価する。ばらつき量が小さいときには測定結果を良として試験を終了し、ばらつき量が大きいときには測定結果を不良とし、載荷圧力を上げて次のメインステップを繰り返す。測定数を３以上とした理由は、図２に示す如く回帰分析を行うときに測定点が２点だけでは試験時間と流量との関係を表す直線が決まるだけでばらつき量が測定できないからである。
【００１５】
「ばらつき量」は実施形態では回帰分析の決定係数Ｒ２で評価しているが、これに限られるものではない。ばらつき量が大きいことの原因の一つは、試験固有の測定誤差に比べて測定値（流量）が小さ過ぎるからである。換言すれば誤差が大き過ぎるので、こういう場合には時間をかけても良好な結果は得られない。他の原因は、試料の粒子が内部で移動することで水みちができたりして、流れの状態が変化することである。この場合も流量自体を大きくして流れの状態が安定しないと信頼性のある試験結果が得られない。ゆえにばらつき量が大きい場合に測定結果を不良と判断している。
【００１６】
第２の手段は、第１の手段を有し、かつ
透水性を測定する各メインステップの前に、上記試料収納部が有する流路の一部である周壁の内面と試料との間に試料より透水性が低い止水材を充填するメインステップを行う。
【００１７】
本手段は、図６に示すように試料収納部20の内面を止水材26でシールすることを提案している。これにより止水材に水みちなどが発生することを防止し、試料の透水性を精密に測ることができる。止水材の透水係数は試料の透水係数より低くするものとし、具体的には表２に従う。
【００１８】
第３の手段は、
高圧水供給部から試料収納部を経て流量計へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有し、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した透水性測定装置であって、
高圧水供給部は、空気圧送器から制御弁付きの空気管を経て密閉水槽の上部へ高圧空気を送り込み、かつ密閉水槽内から試料収納部へ高圧水を供給するように形成しており、
上記試料収納部は、上記一端が上記高圧水供給部にかつ他端が水管を経由して流量計にそれぞれ連通されている周壁を有する試料収納セルとして形成され、試料収納部内にその周壁との間に間隙を存して試料を配置するとともに、これら試料の外面と周壁内面との間隙に止水材を充填しており、
圧力測定部は、少なくとも制御弁下流の空気管部分又は密閉水槽内の圧力を測定可能な第１圧力計を有する。
【００１９】
本手段は、図５に示す如く試料収納部20への載荷圧力を測定するための圧力測定部40を設け、かつエアコンプレッサーにより圧縮された空気を利用して試料収納部20の上流側の水を高圧化させる透水性測定装置を提案している。圧縮空気を利用して上流側の水を高圧化させるので加圧手段の負荷が過剰に高くなることがない。なお、圧力測定部40は試料収納部20の上流側及び下流側の双方の圧力を測定してもよいが、下流側の圧力計を省略してもよい。上流側に加わる圧力が高いからである。
【００２０】
第４の手段は、第３の手段を有し、かつ
上記第１圧力計及び流量計の計測値に応じて、高圧水供給部が供給する水によって試料収納部に載荷圧力を調整するための制御部を有し、
この制御部は、一定の基準圧力の下で予め設定された測定時間内で流量計の出力を分析して流量測定操作を実行する機能と、ある測定時間内に測定された流量が基準値以上であれば当該測定値を記憶し、測定された流量が基準値未満であるときには上記基準圧力に予め設定された増加巾を加えて新たな基準圧力として、次の流量測定操作を繰り返す機能とを有する。
【００２１】
本手段では、図５に示すように第１圧力計42及び流量計36の測定値に応じて測定方法及び圧力の制御を行う制御部50を提案する。その制御の特徴は、試料収納部20への載荷圧力を制御するために、流量（試料収納部20の下流側の流量）を用いることである。低透水性材料の透水性試験では、試料収納部20への載荷圧力として予め設定した基準圧力Ｐｎ（但しｎはｎ番目の流量測定操作の意味）が低過ぎると、水が殆ど流れないことがある。そこで流量ｑが或る基準値ｑ０に満たない場合には、上記基準圧力Ｐｎに予め設定された増加分ΔＰを加えたものを新たな基準圧力Ｐｎ＋１として、次の操作を行うものとしている。流量の基準値ｑ０は適宜定めることができるが、例えばその流量計の最小目盛ｑｍｉｎとすることができる。
【００２２】
第５の手段は、第４の手段を有し、かつ
上記制御部は、次の（ａ）から（ｃ）のサブステップを含むメインステップを一回以上実行することを特徴とする。
（ａ）予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップ。
（ｂ）第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップ。
（ｃ）上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として制御部に記憶し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する第３のサブステップ。
【００２３】
本手段では、或る基準圧力の下で測定した流量の測定値のばらつきを評価し、例えば決定係数Ｒ２で評価したばらつきの程度が基準値以上であるときに、基準圧力を増大させる制御装置を提案している。前述の如くばらつき量が大きいときには適切な測定値が期待できないからである。図７には、本手段の制御方式と前の手段の制御方式とを組み合わせた制御のアルゴリズムが記載されている。すなわち、次の表１に示すように流量ｑが基準値ｑ０以上である、かつばらつき量が基準値以下（決定係数Ｒ２が閾値ａ以上）のときのみその測定値を採用し、それ以外の場合には基準圧力を上げて再度流量測定操作を繰り返すのである。
【００２４】
【表１】
【００２５】
第６の手段は、第２の手段の透水性測定方法又は第３の手段から第５の手段の何れかの透水性測定装置への適用に適した止水性材料であって
水とベントナイトとを混合してなり、（{水の質量}／{ベントナイトの質量}）×100[％]で定義される水ベントナイト比を58〜83％とした。
【００２６】
本手段は、先の手段に係る透水性測定方法又は透水性測定装置への適用に適した止水材を提案している。すなわち、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性を測定する際に透水性測定装置の試料収納部内面と試料外面との間に充填するための止水材である。この止水材の透水係数は測定前の状態で１×10−１2（ｍ／ｓ）以下とすることが好適である。この止水材は、水とベントナイト原料（ベントナイト粉体）との重量割合が塑性限界に近いベントナイトで形成する止水材を提案する。水ベントナイト比は、58〜83％とするとよく（図４参照）、好適には58％〜73％、さらに好適には63％とするとよい。重量割合が塑性限界に近いのでシール材の充填作業性が良く、多量の水を吸収することができ、充分に膨張し、試料と試料収納部との間のシール性能を向上できる。図３に実線で示すようにベントナイトは３．５時間以上経過すると、この止水係数は１×10−１２以下に低下し、その後は一定の値に留まるので、密着性が向上し、正確に試料の透過係数が測定できる。
【発明の効果】
【００２７】
第１の手段に係る方法によれば、予備試験や推定によらず、試験期間内で供試体に見合った給水圧力を導き出し、適切に制限時間内で透水係数を得られ、かつ低透水性の材料においても、透水量の時間毎のバラツキや、通水の空気溶解等の影響を受けない短時間での試験により信頼性の高い試験結果を得られる。
第２の手段に係る発明によれば、試料収納部の内面と試料との間のシール性を確実に確保できる。
第３の手段に係る測定装置の発明によれば、給水圧力の調整によって透水係数が高い材料から低い材料までの幅が広い対応が可能である。
第４の手段に係る発明によれば、測定時の試料への適当な載荷圧力を見つけて一定に維持することで透水性のばらつき量を精密に観測できる。
第５の手段に係る発明によれば、透水性のばらつき量に応じた制御手順を自動化したから、使い勝手がよい。
第６の手段に係る止水材の発明によれば、止水材として充填するベントナイトの高膨張性による高い漏水防止効果で、正確な透水流量を求めることが出来るので、試験精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の測定方法での載荷圧力と試験時間との関係を示す概念図である。
【図２】上記方法での流量と試験時間との関係を表す図である。
【図３】上記方法で止水材として使用されるベントナイトの養生期間と透水係数の関係を表すグラフである。
【図４】上記水ベントナイト比（Ｗ／Ｂ）と透水係数（ｋ）との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の測定装置の全体図である。
【図６】図５の装置の要部横断面図である。
【図７】図５の装置の制御部のアルゴリズムの説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１から図４は、本発明に係る透水性測定方法の実施形態を示す。この方法では、次の数式１で表されるダルシーの法則を利用した実験装置を用いる。但し、Ｐ１、Ｐ２は或る流路の上流側及び下流側の各圧力、Ｑは計測時間ｔの間に流路を通る透過水量、Ｌは流路長さ、Ａは試料断面積（流路面積）、γＷは水の単位体積質量、ｔは計測時間、ｋは透水係数である。この実験装置は、水の流入口と流出口とを有する試料収納セルを有し、その流入口に圧力Ｐ１の高圧水を流し込み、流出口の下流での圧力Ｐ２と透過水量Ｑとを測定するように構成したものである。上記ダルシーの法則により透水係数ｋを決定することができる。なお試料収納セルの内面は止水材で覆うものとする。
【００３０】
【数１】
【００３１】
まず本発明の透水性測定方法の準備手順（１）〜（３）を説明する。
【００３２】
（１）測定試料の製作
被測定対象である低透水性材料（コンクリートやセメント系改良土など）が存在する現場から所定形状の試料を切り出すか、あるいはその現場の材料と同じ成分のものを実験室で配合して製作する。一般に低透水性材料は固いので、予め試料収納セルの内面に対応する形状（例えば円柱形）に形成するとよい。
【００３３】
（２）脱気水の準備
本発明の測定方法では、空気を除去した脱気水を使用するので、所定量の脱気水を予め用意する。なお、脱気水を使用する理由は、飽和状態での透水係数を正確に測定できるようにするためである。
【００３４】
（３）止水材の調合
止水材の透水係数は試料の透水係数より低くなければならない。そうしないと試料ではなく止水材の透過係数を測定してしまうことになるからである。具体的には後述の表２に従うとよい。本発明の測定方法は透水係数が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）と予想される試料を対象としており、その範囲内で後述の表２に従うとよい。
【００３５】
止水材はベントナイトであることが望ましく、これは水とベントナイト紛体とを混合させて一定時間養生させることで調整する。両者の重量割合は、水ベントナイト比（Ｗ／Ｂ）を58％〜73％、好ましくは63％程度とするとよい。この数値はベントナイトの塑性限界（塑性を獲得し得る限界）に近く、これにより低透水性が達成できるとともに、水を通水することで止水材の膨張が期待できるからである。この膨潤性は後述の通り止水材のシール性に寄与する。63％の混合比率で4.0〜6.0程度の膨潤度が得られる。膨潤度は膨潤の前後での質量比である。
【００３６】
図４は、水とベントナイト粉体とを混合してなる止水材の重量比率と透水係数との関係について出願人が行った実験結果を表している。この実験によると、水ベントナイト比が０％であるときの透水係数が5.5×10−１０（ｍ／ｓ）であり、水ベントナイト比が58〜73％であるときの透水係数が1.2〜2.3×10−12（ｍ／ｓ）であり、また水ベントナイト比が350％であるときの透水係数が5.2×10−９（ｍ／ｓ）程度であった。なお、水ベントナイト比に対する透水係数が極小値を示す理由は、混合比率が多過ぎると流動性が大となり、混合比率が少な過ぎると塑性を発揮できない紛体の状態となるからと理解される。
【００３７】
なお、この実験に用いたベントナイトの養生時間は２時間である。実験例で得られた止水材の透水係数は１×10−12（ｍ／ｓ）よりも大きいが、前述の如く養生時間を長くすることで１×10−12未満のベントナイトを得ることが可能である。
【００３８】
上記の実験結果を基に透水係数の増減に対応する２本の近似直線を作図し、本発明が適用される測定範囲を１×10−12〜１×10−８（ｍ／ｓ）を1ケタ毎の４つの範囲に分けて各測定範囲毎に所要の水ベントナイト比を類推すると次の表となる。適用範囲１の欄のＷ／Ｂ比（37.2〜127.7％)は２本の近似直線とｙ＝１×10−11との交点の間の範囲であり、適用範囲２の欄のＷ／Ｂ比（15.4〜211％)は２本の近似直線とｙ＝１×10−10との交点の間の範囲である。
【００３９】
【表２】
【００４０】
（４）測定装置への試料及び止水材の適用
まず上記試料収納セルの底部上にその試料収納セルの周壁から一定の間隙を存して設置し、その間隙全体に上記止水材を充填する。この充填作業により、止水材は試料の外周面を覆うことになる。そして試料収納セルごと試料及び止水材を水槽の中において、その状態で一定時間止水材を養生させると、ベントナイトは膨潤する。
ここで図３には、養生時間と養生中のベントナイトの透水係数との関係を表している。同図中の点線は理論値、実線は実験値をそれぞれ示している。ベントナイトは、その養生期間中、図３に示す通り膨潤が進行し、透水量が減少し、試料収納セルとの密着性が向上し、止水材の透水係数が低下する。ベントナイトは、少なくとも２時間養生させるものとし、さらに３．５時間以上養生させることが望ましい。ベントナイトの膨張による試料面の流出はなく、加圧された状態のため１週間程度は横（半径方向）への膨張が卓越する。
【００４１】
本発明の透水性測定方法は、次のサブステップからなるメインステップ（ｉ＝１，２，３…）を少なくとも一回実行することで行われる。図２の例では、１〜３番目のメインステップは一定の短い時間で行われており、４番目のメインステップは長い時間をかけて行われている。その意味については後述する。
【００４２】
［第１のサブステップ］
予め設定された一定の基準圧力Ｐｉを試料収納部20に対して載荷して上述の流量測定操作を複数回繰り返す。但し、好ましくは第１回目の測定で計測された流量が一定の基準値ｑ０に達しないときには、繰返し操作を打ち切り、基準圧力を増大させて次のメインステップに移行することが好適である。なお、本明細書において、数値に関して「予め設定された」というときには、当該数値は操作者がその都度指定してもよく、また制御部に記憶させた数値を利用してもよい。
【００４３】
各測定操作の測定回数ｍは、３回以上行うものとする。前述の通り２回だけではばらつき量の評価ができないからである。この測定回数は出来るだけ多くすることが好適である。
【００４４】
各測定操作の測定時間ｔは、予め定めた同一の時間とすることが好適である。測定方法全体の測定時間（試験時間Ｔ）が一定の時間内に収まることが重要だからである。メインステップを最大ｎ回繰り返すと想定すると、t＝Ｔ／（ｍ×ｎ）のように各測定操作の測定時間ｔを設定することができる。
【００４５】
［第２のサブステップ］
第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する。評価の方法は、従来公知の回帰分析の決定係数Ｒ２などを利用すればよい。ばらつき量の基準値はたとえば0.95とすることができる。
【００４６】
図２の例では、１番目のメインステップでＲ２＝0.8993,２番目のメインステップでＲ２＝0.8986,３番目のメインステップでＲ２＝0.9476,４番目のメインステップでＲ２＝0.9888であった。４番目のメインステップで基準値に適合している。
【００４７】
［第３のサブステップ］
上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつき量が基準値以下（例えば決定係数が0.95以上）であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用する。具体的には、求めた複数の測定値よりそれぞれの透水係数を求め、それらの平均値を最終の透水係数とすればよい。またばらつき量が基準値を超えるとき（決定係数が0.95未満）には、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する（図７参照）。
【００４８】
図２の実験例では、１〜３番目のメインステップではばらつき量を超えるためにそれぞれ載荷圧力を上げて次のメインステップに移行している。これを仮に調整段階という（図２にＦ１で示す期間）。調整段階では、各メインステップ毎の測定操作の回数は一定である。４番目のメインステップでは、ばらつき量が基準値以下であったために、当該メインステップで観測された測定値を採用している。本測定段階という（図２にＦ２で示す期間）。本測定段階では、ばらつき量が基準値以下と判った時点からさら測定操作を繰り返して、測定の精度を高めるようにするとよい。例えば予めメインステップの数５と設定し、４番目のメインステップでばらつき量の決定係数が0.95以上となったときに、このメインステップで測定点を増やせばよい。
【００４９】
上記操作の結果、複数のメインステップが実行される場合には、試料収納セルへの載荷圧力は、図１に示すように段階的に増大することになる。載荷圧力は、例えば試料の透水係数が１×10−８であると想定されるときには基準圧力（Ｐ１）を１（ｋＮ／ｍ２）程度、試料の透水係数が１×10−１２（ｍ／ｓ）程度と想定されるときには基準圧力（Ｐ１）を150（ｋＮ／ｍ２）程度が好適である。圧力の増加幅ΔＰに関しては後述の表３に好適例を示す。
【００５０】
この方法によれば、従来適切な測定法が確立していない低透水性材料に関して、予め設定された時間内に透水性を計測できる。
【００５１】
図５から図６は、本発明に係る透水性測定装置を示している。この装置は、高圧水供給部2と試料収納部20と流量測定部30と圧力測定部40と制御部50とで構成している。
【００５２】
高圧水供給部2は、本実施形態では高圧発生部4と密閉水槽12とで構成している。
【００５３】
上記高圧発生部4は、空気圧送器であるエアコンプレッサー6から制御弁10付きの空気管8を経由して密閉水槽12の上部へ高圧空気を送っている。
【００５４】
なお、加圧手段としてエアコンプレッサーを用いた理由は、長時間の連続加圧に対して、圧力が不足する時のみだけ断続的に稼働するエアコンプレッサー機械への負荷が小さく効果的であるためである。換言すれば従来のポンプでは、長時間の連続運転(連続稼働)となり、機械への負荷が大きかったからである。
【００５５】
上記密閉水槽12は、頂部に入口14を、底部に出口16をそれぞれ有する。密閉水槽12には、頂部との間に一定の空隙を存して水を充填してある。上記入口14には上記空気管８を気密に接続する。
【００５６】
上記密閉水槽12内には試料収納部20を配置しており、試料収納部20から流量測定部30の水管32を介して流量計36に接続している。装置全体としてエアコンプレッサー6から空気管8を経て密閉水槽12の上部に至る空気流路Ｒ２と、密閉水槽12の下部から水管32を介して流量計36に至る液体流路Ｒ１とが、密閉水槽12内で連続しており、これにより異相間での圧力伝達を行うようにしている。
【００５７】
試料収納部20は、上下両端開口の周壁22を有する試料収納セルとして形成されている。その周壁22は、密閉水槽12の出口16の周りの底部分に密着させている。周壁22の下部には基盤24をはめ込み、基盤24の中央部に柱状（例えば円柱状）の試料28を載置する。そして上記周壁22と試料28との間の間隙に止水材26を充填している。
【００５８】
上記周壁22は、図示例では密閉水槽12の底部に一体的に連続している。シール性を確実にするためである。しかし周壁22は密閉水槽12の底部とは別体でもよい。
【００５９】
上記基盤24は、一定厚さで透水性を有する固い材料で形成するものとする。好適な材料はポーラスストーンである。
【００６０】
上記止水材26は、ベントナイト紛体に水を混合させてなるものである。好適な重量割合は水ベントナイト比で58％〜73％である。もっとも図示例では密閉水槽12に水を充填させることで止水材26は吸水し、水の混合比率は増大している。
【００６１】
上記試料28は、前述の通り柱状体であり、基盤24の上に静置可能としている。なお、発明の必須事項ではないが、本実施形態では、試料28を測定装置の構造の一部として扱っている。
【００６２】
流量測定部30は、上記出口16内から延びる水管32の先部に流量計36を付設してなる。
【００６３】
圧力測定部40は、試料収納部20の上流側の圧力を測定する第１圧力計42及び下流側の圧力を測定する第２圧力計44とで形成する。
【００６４】
制御部50は、第１圧力計42及び第２圧力計44、並びに流量計36の各測定値に応じて測定方法の制御を行う。制御部50には測定者が操作するために操作パネル（図示せず）を設けてもよい。
【００６５】
制御部50の第１の機能は、予め設定された測定時間内で流量計36の出力を記憶・集計し、流量測定操作を実行することである。各測定操作の間載荷圧力を一定に保つように制御（載荷圧力に応じてコンプレッサーの出力を調整するフィードバック制御）をするように構成してもよい。
【００６６】
制御部50の第２の機能は、前述の各メインステップにおいて、一定の測定時間ｔ毎に、試料収納部20を透過した水の流量を計算し、流量が基準値に満たないときに、基準圧力を増加させて次のメインステップに移行することである。
【００６７】
制御部50の第３の機能は、前述の各メインステップにおいて、一定の測定時間ｔ毎に、試料収納部20を透過した水の流量を計算し、流量のばらつき量を評価することである。ばらつき量が基準値以下（例えば決定係数が0.95以上）であればそのメインステップでの透水係数のデータを採用し、ばらつき量が基準値を超える（決定係数が0.95未満）ときには、基準圧力を増加させて次のメインステップに移行する。
【００６８】
第２、第３の機能を並行して行う場合に、その操作（前述の第３ステップ）は次のように表現される。
上記第２のサブステップにおいてそれら流量の測定値が基準値以上でありかつそれら流量の測定値のばらつきの程度が基準値以下（例えば決定係数が0.95以上）であるときにはそれらの複数の測定値を最終の測定値として制御部に記憶し、それら流量の測定値が基準値未満である場合あるいはそれら流量の測定値のばらつきの程度が基準値を超えるとき（決定係数が0.95未満）には、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する第３のサブステップ。
【００６９】
この複合機能のアルゴリズムを図７及び表３に示す。
【００７０】
【表３】
【００７１】
表３には、本発明が対象とする透水係数の範囲を一桁単位で５つに分割し、各桁に対応して奨励される基準圧力Ｐ１の数値、奨励される基準圧力の増加分ΔＰの数値、及び奨励される測定時間（前述のｔ）の数値を記載している。この表の内容は制御部50のメモリーに記憶されていることが望ましい。
【００７２】
試料の透水性の大きさについて全く見当が付かない場合には、透水係数が１×１０−８（ｍ／ｓ）から測定を開始するが、ある程度の検討が付く場合には、途中の透水係数から測定を開始しても構わない。
【００７３】
前者の場合には、利用者は、透水係数が１×１０−８（ｍ／ｓ）の場合の初期の基準圧力Ｐ１＝１（ｋＮ／ｍ２）として、この数値及び各メインステップ毎の流量測定操作の繰返し回数を制御部50に入力する。制御部50は、高圧発生部4に対して基準圧力に相当する出力を行うように指示する。第１圧力計42及び第２圧力計44の測定値の差分がＰ１となったときに、制御部50はＰ１に対応する測定時間（10min）をメモリーから取り出して、各測定時間ｔに試料を透過した水量Ｑｔを計測する。
【００７４】
測定時間ｔは、表３に準じて決定する。具体的には、まず流量測定操作で想定した透水係数ｋに対応する測定時間の候補ｔ’を求める。また予定する全体の試験時間Ｔ、予定するメインステップの回数ｎ，各メインステップでの流量測定操作の回数ｍからｔ’’＝Ｔ／（ｍ×ｎ）を求める。スケジュールに余裕のあるｔ’≦ｔ’’の場合であれば、ｔ’を測定時間ｔとして採用し、奨励される測定時間を確保できないｔ’＞ｔ’’の場合であれば、ｔ’’を測定時間ｔとして採用するとともに、測定計画のうちの試験時間Ｔ，メインステップの回数ｎ、各メインステップごとの流量測定操作の回数ｍを見直し、奨励される測定時間ｔを満足するまで繰り返し測定計画を立てる。
【００７５】
一定の測定時間ｔ内での透過水量Ｑｔが所定の基準値Ｑ０未満であるときには、制御部50は、図７に示す如く流量測定操作の繰返しを途中で打ち切る。基準値未満では的確な測定結果が得難いからである。そして基準圧力Ｐ１に予め設定されたΔＰ＝１〜４ｋＮ／ｍ２の範囲の増加分を加えて新たな基準圧力Ｐ２を得る。そして同じ操作を繰り返す。なお、「予め設定された」とは、本明細書において操作前に予め操作者によって設定され或いは事前に制御部に記憶された数値をいうものとする。
【００７６】
上記基準値Ｑ０は流量計における透過係数の最小目盛Ｑminに測定操作の回数ｍを乗じた数とするとよい。
【００７７】
また所定回数の測定操作が終わったときには、制御部50は測定された透過水量のばらつき量の決定係数Ｒ２を計算する。この係数が０．９５以上であればそれらの測定操作で得られた透過水量Ｑｔを採用し、前記ダルシーの法則を利用して透水係数を割り出す。
【００７８】
なお、好適な図１の例では透水係数のばらつき量が基準値より小さかったときに、流量測定操作の回数を増やして、より高い精度の流量が得られるようにしている。この判断及び動作も制御部50が実行するようにすることができる。
【符号の説明】
【００７９】
２…高圧水供給部 ４…高圧発生部 ６…エアコンプレッサー（空気圧送器）
8…空気管 10…制御弁 12…密閉水槽 14…入口 16…出口 20…試料収納部
22…周壁 24…基盤 26…止水材 28…試料
30…流量測定部 32…水管 36…流量計
40…圧力測定部 42…第１圧力計 44…第２圧力計
50…制御部
Ｒ２…空気流路 Ｒ１…液体流路
ｍ…測定操作の回数 ｎ…メインステップの回数
Ｔ…試験時間 ｔ…測定操作の測定時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧水供給部から試料収納部を経て流量測定部へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有する透水性測定装置を用いて、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した方法であって、
同じ試料の透水性を所定の載荷圧力で測定する一回以上のメインステップで構成され、
各メインステップは、
予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップと、
第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップと、
上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行することを決定する第３のサブステップと
を含むことを特徴とする、低透水性材料の透水性測定方法。
【請求項２】
透水性を測定する各メインステップの前に、上記試料収納部が有する流路の一部である周壁の内面と試料との間に試料より透水性が低い止水材を充填するメインステップを行うことを特徴とする、請求項１記載の低透水性試料の透水性測定方法。
【請求項３】
高圧水供給部から試料収納部を経て流量計へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有し、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した透水性測定装置であって、
高圧水供給部は、空気圧送器から制御弁付きの空気管を経て密閉水槽の上部へ高圧空気を送り込み、かつ密閉水槽内から試料収納部へ高圧水を供給するように形成しており、
上記試料収納部は、上記一端が上記高圧水供給部にかつ他端が水管を経由して流量計にそれぞれ連通されている周壁を有する試料収納セルとして形成され、試料収納部内にその周壁との間に間隙を存して試料を配置するとともに、これら試料の外面と周壁内面との間隙に止水材を充填しており、
圧力測定部は、少なくとも制御弁下流の空気管部分又は密閉水槽内の圧力を測定可能な第１圧力計を有することを特徴とする、低透水性材料の透水性測定装置。
【請求項４】
上記第１圧力計及び流量計の計測値に応じて、高圧水供給部が供給する水によって試料収納部に載荷圧力を調整するための制御部を有し、
この制御部は、一定の基準圧力の下で予め設定された測定時間内で流量計の出力を分析して流量測定操作を実行する機能と、ある測定時間内に測定された流量が基準値以上であれば当該測定値を記憶し、測定された流量が基準値未満であるときには上記基準圧力に予め設定された増加巾を加えて新たな基準圧力として、次の流量測定操作を繰り返す機能とを有することを特徴とする、請求項３記載の低透水性材料の透水性測定装置。
【請求項５】
上記第１圧力計及び流量計の計測値に応じて、高圧水供給部が供給する水によって試料収納部に載荷圧力を調整するための制御部を有し、
この制御部は、次の（ａ）から（ｃ）のサブステップを含むメインステップを一回以上実行することを特徴とする、請求項３記載の低透水性材料の透水性測定装置。
（ａ）予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップ。
（ｂ）第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップ。
（ｃ）上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として制御部に記憶し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する第３のサブステップ。
【請求項６】
請求項２の透水性測定方法又は請求項３〜５の透水性測定装置への適用に適した止水性材料であって、
水とベントナイトとを混合してなり、（{水の質量}／{ベントナイトの質量}）×100[％]で定義される水ベントナイト比を58〜83％としたことを特徴とする止水材。
【請求項１】
高圧水供給部から試料収納部を経て流量測定部へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有する透水性測定装置を用いて、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した方法であって、
同じ試料の透水性を所定の載荷圧力で測定する一回以上のメインステップで構成され、
各メインステップは、
予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップと、
第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップと、
上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として採用し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行することを決定する第３のサブステップと
を含むことを特徴とする、低透水性材料の透水性測定方法。
【請求項２】
透水性を測定する各メインステップの前に、上記試料収納部が有する流路の一部である周壁の内面と試料との間に試料より透水性が低い止水材を充填するメインステップを行うことを特徴とする、請求項１記載の低透水性試料の透水性測定方法。
【請求項３】
高圧水供給部から試料収納部を経て流量計へ至る流路を含むとともに試料収納部への載荷圧力を測定するための圧力測定部を有し、透水性が１×10−８〜１×10−１２（ｍ／ｓ）である低透水性材料の透水性の測定に適した透水性測定装置であって、
高圧水供給部は、空気圧送器から制御弁付きの空気管を経て密閉水槽の上部へ高圧空気を送り込み、かつ密閉水槽内から試料収納部へ高圧水を供給するように形成しており、
上記試料収納部は、上記一端が上記高圧水供給部にかつ他端が水管を経由して流量計にそれぞれ連通されている周壁を有する試料収納セルとして形成され、試料収納部内にその周壁との間に間隙を存して試料を配置するとともに、これら試料の外面と周壁内面との間隙に止水材を充填しており、
圧力測定部は、少なくとも制御弁下流の空気管部分又は密閉水槽内の圧力を測定可能な第１圧力計を有することを特徴とする、低透水性材料の透水性測定装置。
【請求項４】
上記第１圧力計及び流量計の計測値に応じて、高圧水供給部が供給する水によって試料収納部に載荷圧力を調整するための制御部を有し、
この制御部は、一定の基準圧力の下で予め設定された測定時間内で流量計の出力を分析して流量測定操作を実行する機能と、ある測定時間内に測定された流量が基準値以上であれば当該測定値を記憶し、測定された流量が基準値未満であるときには上記基準圧力に予め設定された増加巾を加えて新たな基準圧力として、次の流量測定操作を繰り返す機能とを有することを特徴とする、請求項３記載の低透水性材料の透水性測定装置。
【請求項５】
上記第１圧力計及び流量計の計測値に応じて、高圧水供給部が供給する水によって試料収納部に載荷圧力を調整するための制御部を有し、
この制御部は、次の（ａ）から（ｃ）のサブステップを含むメインステップを一回以上実行することを特徴とする、請求項３記載の低透水性材料の透水性測定装置。
（ａ）予め設定された一定の基準圧力を載荷して上述の流量測定操作を３回以上繰り返す第１のサブステップ。
（ｂ）第１のサブステップで測定された流量の測定値のばらつきを評価する第２のサブステップ。
（ｃ）上記第２のサブステップにおいての各測定値のばらつきの程度が基準値以下であるときにそれらの複数の測定値を最終の測定値として制御部に記憶し、ばらつきの程度が基準値以上であるときには、当該ステップの基準圧力よりも大きな新たな基準圧力を採用して、次のメインステップに移行する第３のサブステップ。
【請求項６】
請求項２の透水性測定方法又は請求項３〜５の透水性測定装置への適用に適した止水性材料であって、
水とベントナイトとを混合してなり、（{水の質量}／{ベントナイトの質量}）×100[％]で定義される水ベントナイト比を58〜83％としたことを特徴とする止水材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１５４５６（Ｐ２０１３−１５４５６Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９４５９（Ｐ２０１１−１４９４５９）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者名 第４６回地盤工学研究発表実行委員会 刊行物名 第４６回地盤工学研究発表会 巻数、号数 第６１７〜６１８ページ 発行年月日 平成２３年６月２０日
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【出願人】（０００１５０１１０）株式会社竹中土木 (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 発行者名 第４６回地盤工学研究発表実行委員会 刊行物名 第４６回地盤工学研究発表会 巻数、号数 第６１７〜６１８ページ 発行年月日 平成２３年６月２０日
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【出願人】（０００１５０１１０）株式会社竹中土木 (101)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]