Engineering Verification and Quality Evaluation of Underground Concrete Slipform Paving with Accelerator- Incorporated Side Support

地下の石炭鉱山の狭く暗い通路において、床は単なる地面以上の存在です。それは極めて重要なインフラストラクチャです。これらの道路は、石炭や資材を運ぶ重機や車両の絶え間ない交通による膨大な重量を支えなければなりません。数十年にわたり、これらの床の建設は手作業に頼ってきました。それは、作業員が手作業でコンクリートを成形する、遅くて肉体的に過酷なプロセスでした。その結果、しばしば凹凸が生じ、品質は作業員の熟練度や持久力に大きく左右されました。この作業を近代化するために、エンジニアたちはスリップフォーム・舗装へと目を向けました。これは、機械が前進しながら、湿ったコンクリートを連続的に流し込み、滑らかな路面へと成形していく手法です。しかし、この技術は、鉱山の狭く不規則な空間において、厄介な問題に直面しています。機械が湿ったコンクリートを押し進めると、型が通過した瞬間に側面が支持を失います。硬化が迅速に行われない限り、新鮮なエッジ部分のコンクリートは、沈み込んだり、ひび割れたり、内側に崩壊したりする傾向があり、滑らかな表面と床の構造的完全性を損なってしまうのです。

中国の石炭産業グループと大学の研究者たちは、床全体の強度を犠牲にすることなく、この「エッジの崩落」という特定の問題を解決するために乗り出しました。彼らは、コンクテリアの混合物に対して、巧妙な二部構成の戦略を開発しました。床全体を同じように扱うのではなく、側面を中央部とは異なる扱いにするという決定を下したのです。彼らは、加速剤として知られる特殊な液体化学物質を、両端の2本の細いコンクリートの帯にのみ添加することを提案しました。この化学物質は、コンクリートの硬化時間に「早送りボタン」を押すような役割を果たし、流し込まれた直後にサイドの帯を即座に硬化させます。一方で、最も荷重がかかる広い中央部分は、通常のペースで硬化する標準的な混合物のままとなります。このアプローチは、中央の路面の長期的な強度を維持しながら、エッジに形状を維持するための「立位性能（standing performance）」を与えることを目的としています。

このアイデアが現実の世界で機能するかどうかをテストするため、チームは機材を実際の稼働中の石炭鉱山へと持ち込みました。彼らは、機械が毎分6.0メートルの一定の速度で前進し、内部の回転スクリューが毎分45回転でコンクリートを撹拌するように、機器を精密に調整しました。彼らは、幅14センチメートルのサイドストリップに対して、9パーセントの用量で加速剤を塗布しました。機械が移動するにつれ、連続的なコンクリートの経路が形成されました。結果は即座に、かつ明確に現れました。かつて沈み込み崩れていたエッジの部分が、今ではしっかりと自立していたのです。研究者が側面を測定したところ、コンクリートはほとんど動いておらず、平均的な横方向の変形はわずか1ミリメートルでした。これは、ほとんど気づかないほど小さな距離です。完成した床の幅は機械の型と完璧に一致しており、中央の湿ったコンクリートの圧力に対して、側面がその位置を保持したことを証明しています。

チームは表面の品質についても調査を行いました。彼らは3メートルの定規を床の上で走らせて凹凸をチェックしましたが、平均の隙間は4.6ミリメートルであり、非常に滑らかな表面であることを示しました。さらに詳細な観察を行うため、高解像度の3Dカメラを使用してコンクリートのテクスチャをスキャンしました。床の中央部は極めて滑らかで、平坦さは2.8ミリメートルでしたが、加速剤処理された側面は4.1ミリメートルと、わずかに粗くなっていました。このわずかな差は、側面の急速な硬化によって、表面が滑らかになる前に微細な凹凸が固定されてしまうために起こるものであり、理にかなっています。それにもかかわらず、側面は依然として高品質であるとみなされました。その後、研究者たちはサンプルを切り出して押しつぶすことで、コンクリートの強度をテストしました。中央のコンクリートは最も強く、圧縮強度は43.637メガパスカルでした。加速剤による処理を受けた側面のコンクリートは、33.925メガパスカルとわずかに弱くなっていました。この強度の低下は、高濃度の加速剤を使用する際の既知のトレードオフですが、側面のコンクリートは鉱山の荷重を支えるのに十分な強度を維持していました。

この研究は、この複合的なアプローチが効果的に機能することを裏付けています。加速剤を最も必要とされる場所、すなわち不安定なエッジにのみ使用することで、エンジニアたちは地下舗装を悩ませてきた崩落や変形を食い止めることに成功しました。中央のコンクリートは重荷重を支えるための全強度を保持し、強化された側面は安定した境界を提供します。この手法は、既存の採掘設備を完全に刷新する必要はなく、単に混合物と機械の速度を調整するだけで済みます。これらの知見は、この技術が、困難な手作業を、現代の地下作業の厳しい要求を満たす連続的で高品質なプロセスへと変え、鉱山床建設の機械化に向けた信頼できる道筋を示すものであることを示唆しています。