(57)【要約】【課題】適用範囲の拡張を図りうる人工材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の人工材料は、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成されている。岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの質量比が３成分系相図において所定範囲Ｓ１，Ｓ２に含まれるように調節されることにより、強度が地盤材（路盤材）に要求される基準値以上になるように構成されている。【選択図】  図３
2013159522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成されていることを特徴とする人工材料。
【請求項２】
請求項１記載の人工材料において、
岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの質量比が３成分系相図において所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が地盤材に要求される基準値以上になるように構成されていることを特徴とする人工材料。
【請求項３】
請求項２記載の人工材料において、
岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれとして珪藻土、溶融スラグ及びセメントのそれぞれが選択され、岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの質量比が、３成分系相図において４つの点Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）、Ｐ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）、Ｐ３＝（０．４４，０．４４，０．１２）及びＰ４＝（０．４３５，０．４３５，０．１３）を頂点とする四角形により画定される前記所定範囲としての第１所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が下層路盤材に要求される前記基準値である９８０［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする人工材料。
【請求項４】
請求項３記載の人工材料において、
岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において３つの点Ｐ０＝（０．３０，０．５７，０．１３）、Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）及びＰ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）を頂点とする三角形により画定される前記所定範囲としての第２所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が上層路盤材に要求される前記基準値である２９００［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする人工材料。
【請求項５】
請求項１記載の人工材料の製造方法であって、
粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料を準備する工程と、
前記混練材料から成形体を作製する工程と、
前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セメントが添加された珪藻土及び溶融スラグの混練材料を成形し、当該成形体を養生させた後、焼成することによって軽量の人工骨材を製造する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２１４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、人工骨材のサイズ及び形状が、成形体の焼成が可能であるという条件によって制限されるため、人工骨材の適用範囲が制限されてしまう可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、適用範囲の拡張を図りうる人工材料及びその製造方法を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明の人工材料は、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成されていることを特徴とする。
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の人工材料の製造方法は、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料を準備する工程と、前記混練材料から成形体を作製する工程と、前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることによって得られる硬化成形体が焼成過程を経ることなくそのまま人工材料として適用される。このため、人工材料のサイズ及び形状が焼成条件に制限されることなく、その分だけ適用範囲の拡張が図られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の人工材料の強度に関する説明図。
【図２】本発明の人工材料の応用例に関する説明図。
【図３】本発明の人工材料の原材料の質量比に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の人工材料は「材料準備工程」「成形工程」及び「養生工程」を経て製造される。
【００１１】
まず、材料準備工程において、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材の混練材料が準備される。例えば、岩石及びスラグのそれぞれが別個に粉状になるまで粉砕された上で所定の質量比で混合される。混合及び粉砕の先後関係の別は問わない。岩石粉末及びスラグ粉末の混合物に対して粉状又は粒状の硬化材が添加され、さらに適当量の水が加えられた上で混練されることにより、当該混練材料が得られる。
【００１２】
岩石としては珪藻土、石灰岩又は苦灰岩（ドロマイト）などの生物岩又は化学的沈殿岩のほか、泥岩（シルト）、頁岩（シェール）又は粘板岩（スレート）などの砂屑岩が用いられてもよく、堆積岩のほかに火成岩又は変成岩が用いられてもよい。スラグとしては溶融スラグのほか、鉄鋼スラグなどが用いられてもよい。溶融スラグの由来は廃棄物及び下水汚泥などの種類の別を問わない。硬化材としてはセメント又は消石灰のほか、生石灰などが用いられてもよい。
【００１３】
続いて、成形工程において混練材料が成形される。例えば、混練材料が型に充填された上で加圧されることにより成形体が作製される。特許文献１に記載されている装置によって成形体が作製されてもよい。そして、養生工程において成形体が一定期間にわたり養生されることにより、硬化成形体としての人工材料が得られる。
【００１４】
（実施例）
岩石として秋田県北秋田市から産出された珪藻土が用いられた。スラグとして秋田市の廃棄物処理の結果として出た溶融スラグが用いられた。硬化材として太平洋セメント社製のセメント又は三菱マテリアル社製の消石灰が用いられた。原料に用いられた珪藻土及び溶融スラグのそれぞれの物理的性質及び化学成分が表１及び表２のそれぞれに示されている。
【００１５】
【表１】
2013159522.tif 000003
【００１６】
【表２】
2013159522.tif 000004
【００１７】
後述するように人工材料が路盤材や盛土材などの地盤材に用いられる場合、地盤沈下防止のために原料としては可能な限り軽量な材料が用いられることが好ましい。表１及び表２から、珪藻土が溶融スラグと比較して低密度（軽量）であり、当該珪藻土の採用により人工材料の軽量化が実現されうることがわかる。
【００１８】
珪藻土、溶融スラグ及びセメントのそれぞれ粉末が含まれている混練材料からφ５０［ｍｍ］×ｈ１００［ｍｍ］の略円柱状の硬化成形体が実施例１〜９の人工材料として作製された。また、硬化材としてセメントに代えて消石灰が用いられたほかは、実施例１〜９のそれぞれの人工材料と同様の条件下で実施例１０〜１８のそれぞれの人工材料が製造された。実施例１〜１８のそれぞれの人工材料を構成する（当該人工材料の原材料に含まれる）珪藻土、溶融スラグ及びセメント（又は消石灰）のそれぞれの重量部及び質量比が表３にまとめて示されている。
【００１９】
【表３】
2013159522.tif 000005
【００２０】
（強度試験）
略円柱状の人工材料の当該円柱の軸方向についての一軸圧縮強度が測定された。一軸圧縮強度の試験に際してひずみ速度が１．０［％／ｍｉｎ］に設定された。
【００２１】
実施例１〜９のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が７日（＝１６８［ｈｒ］）に設定され、実施例１０〜１８のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が１０日（＝２４０［ｈｒ］）に設定された。表４には、実施例１〜１８のそれぞれの人工材料の強度の測定結果が示されている。
【００２２】
【表４】
2013159522.tif 000006
【００２３】
実施例１〜９のそれぞれ及び実施例１０〜１８のそれぞれの対比から、硬化材としてセメントが用いられた場合よりも、硬化材として消石灰が用いられた場合のほうが人工材料の強度が高いことがわかる。また、実施例ｋ1＋１、ｋ1＋４及びｋ1＋７（ｋ1＝０，１，２，９，１０，１１）の対比から、硬化材の種類及び添加量又は質量比が同じであっても、溶融スラグの質量比が高いほど人工材料の強度が高いことがわかる。
【００２４】
（養生期間と強度との関係）
表５には、実施例１〜１８のそれぞれの人工材料の養生期間と強度の測定結果との関係が示されている。
【００２５】
【表５】
2013159522.tif 000007
【００２６】
表５から、養生期間が長くなるほど人工材料の強度が高くなる傾向があることがわかる。また、実施例ｋ2＋１、ｋ2＋２及びｋ2＋３（ｋ2＝０，３，６，９，１２，１５）の対比から、硬化材の種類が同じであっても、その添加量が多いほど又は質量比が高いほど養生期間に対する強度の増加率が高い蛍光があることがわかる。
【００２７】
（凍結融解処理後の強度試験）
人工材料に包含されている水分を凍結させた後で融解させる凍結融解処理が繰り返された後、略円柱状の当該人工材料の軸方向について一軸圧縮強度が測定された。凍結融解処理は、水で飽和したフェルト製のパットに載せられた状態の人工材料を−２３［℃］以下の温度で２４［ｈｒ］にわたり保存した後、２１［℃］の温度及び相対湿度１００％の環境下で２４［ｈｒ］にわたり保存することにより実行された。
【００２８】
実施例１〜９のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が７日（＝１６８［ｈｒ］）に設定され、実施例１０〜１８のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が１０日（＝２４０［ｈｒ］）に設定された。
【００２９】
図１及び表６には、凍結融解処理の繰り返し回数が「１２」である場合の、実施例１〜１８のそれぞれの人工材料の強度の測定結果が示されている。
【００３０】
【表６】
2013159522.tif 000008
【００３１】
図１及び表６から、凍結融解処理が繰り返された後の実施例１〜１８のそれぞれの人工材料の強度は１００［ｋＮ／ｍ2］以上であって、住宅地盤に必要とされている強度の基準値３０〜５０［ｋＮ／ｍ2］を超えていることがわかる。これは、人工材料中の水分の凍結及び融解が繰り返される寒冷地等の環境下においても、当該人工材料が住宅地盤の構成部材として安定に機能することを意味している。
【００３２】
（凍結融解処理の繰り返し回数と強度との関係）
表７には、凍結融解処理の繰り返し回数と、実施例１０〜１８(消石灰添加)のそれぞれの人工材料の強度の測定結果との関係が示されている。
【００３３】
【表７】
2013159522.tif 000009
【００３４】
表７から、凍結融解処理の繰り返し回数の多少に応じて人工材料の強度が顕著な変化を示さないことがわかる。このことも、人工材料中の水分の凍結及び融解が繰り返される寒冷地等の環境下においても、当該人工材料が住宅地盤の構成部材として安定に機能することを意味している。
【００３５】
（人工材料の応用例）
図２には基本的な道路の構造が示されている。道路は、主として土（自然土）により構成されている「路体」、主として砂により構成されている「路床」、「下層路盤」、「上層路盤」、主にアスファルト合材により構成されている「基層」及び「表層」が下方から順に積層された構造となっている。
【００３６】
本発明の人工材料は、下層路盤及び上層路盤のそれぞれに対して適用される。路盤（道路地盤）には住宅地盤よりも高い強度が要求される。例えば、下層路盤に対しては９８０［ｋＮ／ｍ2］（第１基準値）以上の強度が必要とされ、上層路盤に対しては２９００［ｋＮ／ｍ2］（第２基準値）以上のさらに高い強度が必要とされる。
【００３７】
そこで、各路盤を構成する人工材料における珪藻土、溶融スラグ及びセメントのそれぞれの質量比が、図３に示されている３成分系相図において定義される第１所定範囲Ｓ１に含まれるように調節される。第１所定範囲Ｓ１は、４つの点Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）、Ｐ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）、Ｐ３＝（０．４４，０．４４，０．１２）及びＰ４＝（０．４３５，０．４３５，０．１３）を頂点とする四角形により画定される範囲を意味する。
【００３８】
また、上層路盤を構成する人工材料における珪藻土、溶融スラグ及びセメントのそれぞれの質量比が、図３に示されている相図における第１所定範囲Ｓ１の一部である第２所定範囲Ｓ２に含まれるように調節される。第２所定範囲Ｓ２は、３つの点Ｐ０＝（０．３０，０．５７，０．１３）、Ｐ１及びＰ２を頂点とする三角形により画定される範囲を意味する。
【００３９】
Ｐ１及びＰ４のそれぞれは、実施例３及び６のそれぞれの人工材料における珪藻土、溶融スラグ及びセメントの質量比を表わしている。図３には、実施例１、２、４、５及び７〜９のそれぞれに相当する点も示されている。
【００４０】
Ｐ２は、珪藻土と溶融スラグとの質量比が１：３である場合（実施例１〜３参照）における硬化材（セメント）の添加量（重量部）と人工材料の強度との関係を表わす近似直線Ｌ２（図１上側破線参照）と、上層路盤用の第２基準値を表わす直線（二点鎖線）との交点によりその位置が定められる。
【００４１】
Ｐ３は、珪藻土と溶融スラグとの質量比が１：１である場合（実施例４〜６参照）における硬化材（セメント）の添加量（重量部）と人工材料の強度との関係を表わす近似直線Ｌ１（図１下側破線参照）と、下層路盤用の第１基準値を表わす直線（一点鎖線）との交点によりその位置が定められる。
【００４２】
Ｐ０は、合計１００重量部の珪藻土及び溶融スラグに対して１５重量部のセメントが添加される場合（実施例３、６及び９）における、珪藻土の添加量（重量部）と人工材料の強度との関係を表わす近似直線と、第２基準値を表わす直線との交点により相図における位置が定められている。
【００４３】
当該近似曲線が指数関数等の非線型関数である場合、当該交点の位置が変化するので、相図におけるＰ０、Ｐ２及びＰ３のそれぞれの位置は近似曲線の種類に応じて適宜変更されてもよい。ただし、近似曲線は、当該近似曲線と各測定点との二乗和が所定の閾値以下である又は最小であるという条件を満たすものに制限される。前記のように基準値に基づいて相図における位置が定まる点については、当該基準値の変更に応じてその位置が変更されてもよい。
【００４４】
例えば、実施例６の人工材料により下層路盤が構成され、実施例３の人工材料により上層路盤が構成されうる。この場合、珪藻土、溶融スラグ及びセメントの質量比が０．４３５：０．４３５：０．１３に調節されている第１の混練材料が路床の上に敷均され、タイヤローラー又はマカダムローラーなどの転圧機により転圧される。転圧により成形された第１の混練材料が一定期間（例えば７日間）にわたり養生されることで下層路盤が形成される。
【００４５】
さらに、珪藻土、溶融スラグ及びセメントの質量比が０．２２：０．６５：０．１３に調節されている第２の混練材料が下層路盤の上に敷均され、同様に転圧機により転圧される。転圧により成形された第２の混練材料が一定期間（例えば７日間）にわたり養生されることで上層路盤が形成される。
【００４６】
相図において岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの質量比を表わす所定範囲は、人工材料の用途に応じた基準値に応じて変更されてもよい。岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの種類の組み合わせごとに相図が存在し、共通の基準値が用いられても相図ごとに異なる所定範囲が定義されうる。
【００４７】
例えば、人工材料が路盤（道路地盤）ではなく住宅地盤（特に寒冷地における地盤）を構成する場合、前記のように実施例１〜１８のそれぞれの人工材料の強度は、住宅地盤用の基準値（３０〜５０［ｋＮ／ｍ2］）を超えている。このため、珪藻土、溶融スラグ及びセメントの相図における所定範囲は、図３に示されている実施例１〜９のそれぞれに相当する点を全て包含するように確定される。また、図示されていないが、珪藻土、溶融スラグ及び消石灰の相図における所定範囲は、実施例１０〜１８のそれぞれに相当する点を全て包含するように確定される。
【００４８】
（環境試験）
環境省告示第１９号（環告１９号）及び第４６号（環告４６号）により規定されている土壌含有量調査に係る測定方法にしたがって、実施例３、６、９、１２、１５及び１８のそれぞれの人工材料の原料の混合粉末における鉛及びカドミウムのそれぞれの含有量が測定された。表８にはその環境試験結果が示されている。
【００４９】
鉛については日本工業規格Ｋ０１０２（以下「規格」という。）５４に定める方法（ジフェニルカルバジド吸光法、レーム原子吸光法、フレームレス原子吸光法、ＩＣＰ発光分析法、ＩＣＰ／ＭＳ法）により含有量及び溶出量が測定された。カドミウムについては規格５５に定める方法（フレーム原子吸光法、フレームレス原子吸光法、ＩＣＰ発光分析法、ＩＣＰ／ＭＳ法）により含有量及び溶出量が測定された。
【００５０】
混合粉末と溶媒（所定濃度の塩酸水溶液）とが混合されることにより試料液が調製され、この試料液が振とうされ、かつ、遠心分離された後に上澄みがろ過されることで得られたろ液が検液として用いられる。
【００５１】
【表８】
2013159522.tif 000010
【００５２】
表８から、当該実施例の人工材料の原料混合粉末における鉛及びカドミウムの含有量及び溶出量が環境基準値（１５０［ｍｇ／ｋｇ］，０．０１［ｍｇ／Ｌ］）を下回っていることがわかる。例えば、実施例３の人工材料の原料混合粉末における鉛の含有量は環境基準値１５０［ｍｇ／ｋｇ］の１０％程度（１８［ｍｇ／ｋｇ］）であり、カドミウムの含有量は環境基準値１５０［ｍｇ／ｋｇ］の１％程度（２．０［ｍｇ／ｋｇ］未満）である。
【００５３】
また、当該実施例３、６、９、１２、１５及び１８の人工材料における硬化材の質量比は、他の実施例１、２、４、５、７、８、１０、１１、１３、１４、１６及び１７のそれぞれの人工材料におけるそれよりも高い。このため、実施例１〜１８のそれぞれの人工材料が環境保護に資する地盤材などとして用いられうる。
【００５４】
（人工材料の損失重量及び体積変化率の試験）
表９には実施例１〜９の人工材料のそれぞれの損失重量（％）及び体積変化率（％）の測定結果が示されている。凍結融解処理の繰り返し回数ｎは「１２」である。表１０には実施例１０〜１８の人工材料のそれぞれの損失重量（％）及び体積変化率（％）の測定結果が示されている。凍結融解処理の繰り返し回数ｎは「６」「１２」及び「１８」である。
【００５５】
【表９】
2013159522.tif 000011
【００５６】
【表１０】
2013159522.tif 000012
【００５７】
表９及び表１０より、凍結融解処理後の実施例１〜１８のそれぞれの人工材料の損失重量が、ＮＥＸＣＯ試験法により定められた基準値１４［％］より少ないことがわかる。また、当該人工材料の体積変化率が、同じくＮＥＸＣＯ試験法により定められた基準値２［％］より低いことがわかる。これは、人工材料中の水分の凍結及び融解が繰り返される寒冷地等の環境下においても、当該人工材料の著しい脆弱化等が回避されうることを意味している。
【符号の説明】
【００５８】
Ｓ１‥第１所定範囲、Ｓ２‥第２所定範囲。
【図１】
2013159522.tif 000013
【図２】
2013159522.tif 000014
【図３】
2013159522.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月27日(2012.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成され、
岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントのそれぞれの質量比が、３成分系相図において４つの点Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）、Ｐ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）、Ｐ３＝（０．４４，０．４４，０．１２）及びＰ４＝（０．４３５，０．４３５，０．１３）を頂点とする四角形により画定される第１所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が下層路盤材に要求される基準値である９８０［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする人工材料。
【請求項２】
粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成され、
岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントのそれぞれの質量比が、３成分系相図において３つの点Ｐ０＝（０．３０，０．５７，０．１３）、Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）及びＰ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）を頂点とする三角形により画定される第２所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が上層路盤材に要求される基準値である２９００［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする人工材料。
【請求項３】
請求項１記載の人工材料の製造方法であって、
粉状又は粒状の岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントが含まれ、珪藻土、溶融スラグ及び珪藻土のそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において前記第１所定範囲に含まれるように調節されている混練材料を準備する工程と、
前記混練材料から成形体を作製する工程と、
前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２記載の人工材料の製造方法であって、
粉状又は粒状の岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントが含まれ、珪藻土、溶融スラグ及び珪藻土のそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において前記第２所定範囲に含まれるように調節されている混練材料を準備する工程と、
前記混練材料から成形体を作製する工程と、
前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明の第１態様の人工材料は、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成され、岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントのそれぞれの質量比が、３成分系相図において４つの点Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）、Ｐ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）、Ｐ３＝（０．４４，０．４４，０．１２）及びＰ４＝（０．４３５，０．４３５，０．１３）を頂点とする四角形により画定される第１所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が下層路盤材に要求される基準値である９８０［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする。
前記課題を解決するための本発明の第２態様の人工材料は、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成され、岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントのそれぞれの質量比が、３成分系相図において３つの点Ｐ０＝（０．３０，０．５７，０．１３）、Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）及びＰ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）を頂点とする三角形により画定される第２所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が上層路盤材に要求される基準値である２９００［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の第１態様の人工材料の製造方法は、粉状又は粒状の岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントが含まれ、珪藻土、溶融スラグ及び珪藻土のそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において前記第１所定範囲に含まれるように調節されている混練材料を準備する工程と、前記混練材料から成形体を作製する工程と、前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする。
前記課題を解決するための本発明の第２態様の人工材料の製造方法は、粉状又は粒状の岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントが含まれ、珪藻土、溶融スラグ及び珪藻土のそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において前記第２所定範囲に含まれるように調節されている混練材料を準備する工程と、前記混練材料から成形体を作製する工程と、前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする。
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月9日(2012.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セメントが添加された珪藻土及び溶融スラグの混練材料を成形し、当該成形体を養生させた後、焼成することによって軽量の人工骨材を製造する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２１４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、人工骨材のサイズ及び形状が、成形体の焼成が可能であるという条件によって制限されるため、人工骨材の適用範囲が制限されてしまう可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、適用範囲の拡張を図りうる人工材料及びその製造方法を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明の第１態様の人工材料は、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成され、岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントのそれぞれの質量比が、３成分系相図において４つの点Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）、Ｐ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）、Ｐ３＝（０．４４，０．４４，０．１２）及びＰ４＝（０．４３５，０．４３５，０．１３）を頂点とする四角形により画定される第１所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が下層路盤材に要求される基準値である９８０［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする。
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の第２態様の人工材料は、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることにより得られる硬化成形体によって構成され、岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントのそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において３つの点Ｐ０＝（０．３０，０．５７，０．１３）、Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）及びＰ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）を頂点とする三角形により画定される第２所定範囲に含まれるように調節されることにより、強度が上層路盤材に要求される基準値である２９００［ｋＮ／ｍ2］以上になるように設計されている前記硬化成形体により構成されていることを特徴とする。
【０００８】
前記課題を解決するための本発明の第１態様の人工材料の製造方法は、粉状又は粒状の岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントが含まれ、珪藻土、溶融スラグ及び珪藻土のそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において前記第１所定範囲に含まれるように調節されている混練材料を準備する工程と、前記混練材料から成形体を作製する工程と、前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする。
【０００９】
前記課題を解決するための本発明の第２態様の人工材料の製造方法は、粉状又は粒状の岩石としての珪藻土、スラグとしての溶融スラグ及び硬化材としてのセメントが含まれ、珪藻土、溶融スラグ及び珪藻土のそれぞれの質量比が、前記３成分系相図において前記第２所定範囲に含まれるように調節されている混練材料を準備する工程と、前記混練材料から成形体を作製する工程と、前記成形体を一定期間にわたり養生させることにより硬化させる工程と、を含んでいることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材が含まれている混練材料の成形体が養生されることによって得られる硬化成形体が焼成過程を経ることなくそのまま人工材料として適用される。このため、人工材料のサイズ及び形状が焼成条件に制限されることなく、その分だけ適用範囲の拡張が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の人工材料の強度に関する説明図。
【図２】本発明の人工材料の応用例に関する説明図。
【図３】本発明の人工材料の原材料の質量比に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の人工材料は「材料準備工程」「成形工程」及び「養生工程」を経て製造される。
【００１３】
まず、材料準備工程において、粉状又は粒状の岩石、スラグ及び硬化材の混練材料が準備される。例えば、岩石及びスラグのそれぞれが別個に粉状になるまで粉砕された上で所定の質量比で混合される。混合及び粉砕の先後関係の別は問わない。岩石粉末及びスラグ粉末の混合物に対して粉状又は粒状の硬化材が添加され、さらに適当量の水が加えられた上で混練されることにより、当該混練材料が得られる。
【００１４】
岩石としては珪藻土、石灰岩又は苦灰岩（ドロマイト）などの生物岩又は化学的沈殿岩のほか、泥岩（シルト）、頁岩（シェール）又は粘板岩（スレート）などの砂屑岩が用いられてもよく、堆積岩のほかに火成岩又は変成岩が用いられてもよい。スラグとしては溶融スラグのほか、鉄鋼スラグなどが用いられてもよい。溶融スラグの由来は廃棄物及び下水汚泥などの種類の別を問わない。硬化材としてはセメント又は消石灰のほか、生石灰などが用いられてもよい。
【００１５】
続いて、成形工程において混練材料が成形される。例えば、混練材料が型に充填された上で加圧されることにより成形体が作製される。特許文献１に記載されている装置によって成形体が作製されてもよい。そして、養生工程において成形体が一定期間にわたり養生されることにより、硬化成形体としての人工材料が得られる。
【００１６】
（実施例及び参考例）
岩石として秋田県北秋田市から産出された珪藻土が用いられた。スラグとして秋田市の廃棄物処理の結果として出た溶融スラグが用いられた。硬化材として太平洋セメント社製のセメント又は三菱マテリアル社製の消石灰が用いられた。原料に用いられた珪藻土及び溶融スラグのそれぞれの物理的性質及び化学成分が表１及び表２のそれぞれに示されている。
【００１７】
【表１】
2013159522.tif 000016
【００１８】
【表２】
2013159522.tif 000017
【００１９】
後述するように人工材料が路盤材や盛土材などの地盤材に用いられる場合、地盤沈下防止のために原料としては可能な限り軽量な材料が用いられることが好ましい。表１及び表２から、珪藻土が溶融スラグと比較して低密度（軽量）であり、当該珪藻土の採用により人工材料の軽量化が実現されうることがわかる。
【００２０】
珪藻土、溶融スラグ及びセメントのそれぞれ粉末が含まれている混練材料からφ５０［ｍｍ］×ｈ１００［ｍｍ］の略円柱状の硬化成形体が参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９の人工材料として作製された。また、硬化材としてセメントに代えて消石灰が用いられたほかは、参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９のそれぞれの人工材料と同様の条件下で参考例１０〜１８のそれぞれの人工材料が製造された。参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜１８のそれぞれの人工材料を構成する（当該人工材料の原材料に含まれる）珪藻土、溶融スラグ及びセメント（又は消石灰）のそれぞれの重量部及び質量比が表３にまとめて示されている。
【００２１】
【表３】
2013159522.tif 000018
【００２２】
（強度試験）
略円柱状の人工材料の当該円柱の軸方向についての一軸圧縮強度が測定された。一軸圧縮強度の試験に際してひずみ速度が１．０［％／ｍｉｎ］に設定された。
【００２３】
参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が７日（＝１６８［ｈｒ］）に設定され、参考例１０〜１８のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が１０日（＝２４０［ｈｒ］）に設定された。表４には、参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜１８のそれぞれの人工材料の強度の測定結果が示されている。
【００２４】
【表４】
2013159522.tif 000019
【００２５】
参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９のそれぞれ及び参考例１０〜１８のそれぞれの対比から、硬化材としてセメントが用いられた場合よりも、硬化材として消石灰が用いられた場合のほうが人工材料の強度が高いことがわかる。また、前記例ｋ1＋１、ｋ1＋４及びｋ1＋７（ｋ1＝０，１，２，９，１０，１１）の対比から、硬化材の種類及び添加量又は質量比が同じであっても、溶融スラグの質量比が高いほど人工材料の強度が高いことがわかる。
【００２６】
（養生期間と強度との関係）
表５には、参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜１８のそれぞれの人工材料の養生期間と強度の測定結果との関係が示されている。
【００２７】
【表５】
2013159522.tif 000020
【００２８】
表５から、養生期間が長くなるほど人工材料の強度が高くなる傾向があることがわかる。また、前記例ｋ2＋１、ｋ2＋２及びｋ2＋３（ｋ2＝０，３，６，９，１２，１５）の対比から、硬化材の種類が同じであっても、その添加量が多いほど又は質量比が高いほど養生期間に対する強度の増加率が高い蛍光があることがわかる。
【００２９】
（凍結融解処理後の強度試験）
人工材料に包含されている水分を凍結させた後で融解させる凍結融解処理が繰り返された後、略円柱状の当該人工材料の軸方向について一軸圧縮強度が測定された。凍結融解処理は、水で飽和したフェルト製のパットに載せられた状態の人工材料を−２３［℃］以下の温度で２４［ｈｒ］にわたり保存した後、２１［℃］の温度及び相対湿度１００％の環境下で２４［ｈｒ］にわたり保存することにより実行された。
【００３０】
参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が７日（＝１６８［ｈｒ］）に設定され、参考例１０〜１８のそれぞれの人工材料に関しては養生期間が１０日（＝２４０［ｈｒ］）に設定された。
【００３１】
図１及び表６には、凍結融解処理の繰り返し回数が「１２」である場合の、前記例１〜１８のそれぞれの人工材料の強度の測定結果が示されている。
【００３２】
【表６】
2013159522.tif 000021
【００３３】
図１及び表６から、凍結融解処理が繰り返された後の参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜１８のそれぞれの人工材料の強度は１００［ｋＮ／ｍ2］以上であって、住宅地盤に必要とされている強度の基準値３０〜５０［ｋＮ／ｍ2］を超えていることがわかる。これは、人工材料中の水分の凍結及び融解が繰り返される寒冷地等の環境下においても、当該人工材料が住宅地盤の構成部材として安定に機能することを意味している。
【００３４】
（凍結融解処理の繰り返し回数と強度との関係）
表７には、凍結融解処理の繰り返し回数と、参考例１０〜１８(消石灰添加)のそれぞれの人工材料の強度の測定結果との関係が示されている。
【００３５】
【表７】
2013159522.tif 000022
【００３６】
表７から、凍結融解処理の繰り返し回数の多少に応じて人工材料の強度が顕著な変化を示さないことがわかる。このことも、人工材料中の水分の凍結及び融解が繰り返される寒冷地等の環境下においても、当該人工材料が住宅地盤の構成部材として安定に機能することを意味している。
【００３７】
（人工材料の応用例）
図２には基本的な道路の構造が示されている。道路は、主として土（自然土）により構成されている「路体」、主として砂により構成されている「路床」、「下層路盤」、「上層路盤」、主にアスファルト合材により構成されている「基層」及び「表層」が下方から順に積層された構造となっている。
【００３８】
本発明の人工材料は、下層路盤及び上層路盤のそれぞれに対して適用される。路盤（道路地盤）には住宅地盤よりも高い強度が要求される。例えば、下層路盤に対しては９８０［ｋＮ／ｍ2］（第１基準値）以上の強度が必要とされ、上層路盤に対しては２９００［ｋＮ／ｍ2］（第２基準値）以上のさらに高い強度が必要とされる。
【００３９】
そこで、各路盤を構成する人工材料における珪藻土、溶融スラグ及びセメントのそれぞれの質量比が、図３に示されている３成分系相図において定義される第１所定範囲Ｓ１に含まれるように調節される。第１所定範囲Ｓ１は、４つの点Ｐ１＝（０．２２，０．６５，０．１３）、Ｐ２＝（０．２２，０．６７，０．１１）、Ｐ３＝（０．４４，０．４４，０．１２）及びＰ４＝（０．４３５，０．４３５，０．１３）を頂点とする四角形により画定される範囲を意味する。
【００４０】
また、上層路盤を構成する人工材料における珪藻土、溶融スラグ及びセメントのそれぞれの質量比が、図３に示されている相図における第１所定範囲Ｓ１の一部である第２所定範囲Ｓ２に含まれるように調節される。第２所定範囲Ｓ２は、３つの点Ｐ０＝（０．３０，０．５７，０．１３）、Ｐ１及びＰ２を頂点とする三角形により画定される範囲を意味する。
【００４１】
Ｐ１及びＰ４のそれぞれは、実施例３及び６のそれぞれの人工材料における珪藻土、溶融スラグ及びセメントの質量比を表わしている。図３には、参考例１、２、４、５及び７〜９のそれぞれに相当する点も示されている。
【００４２】
Ｐ２は、珪藻土と溶融スラグとの質量比が１：３である場合（参考例１、参考例２及び実施例３参照）における硬化材（セメント）の添加量（重量部）と人工材料の強度との関係を表わす近似直線Ｌ２（図１上側破線参照）と、上層路盤用の第２基準値を表わす直線（二点鎖線）との交点によりその位置が定められる。
【００４３】
Ｐ３は、珪藻土と溶融スラグとの質量比が１：１である場合（参考例４、参考例５及び実施例６参照）における硬化材（セメント）の添加量（重量部）と人工材料の強度との関係を表わす近似直線Ｌ１（図１下側破線参照）と、下層路盤用の第１基準値を表わす直線（一点鎖線）との交点によりその位置が定められる。
【００４４】
Ｐ０は、合計１００重量部の珪藻土及び溶融スラグに対して１５重量部のセメントが添加される場合（実施例３、実施例６及び参考例９）における、珪藻土の添加量（重量部）と人工材料の強度との関係を表わす近似直線と、第２基準値を表わす直線との交点により相図における位置が定められている。
【００４５】
当該近似曲線が指数関数等の非線型関数である場合、当該交点の位置が変化するので、相図におけるＰ０、Ｐ２及びＰ３のそれぞれの位置は近似曲線の種類に応じて適宜変更されてもよい。ただし、近似曲線は、当該近似曲線と各測定点との二乗和が所定の閾値以下である又は最小であるという条件を満たすものに制限される。前記のように基準値に基づいて相図における位置が定まる点については、当該基準値の変更に応じてその位置が変更されてもよい。
【００４６】
例えば、実施例６の人工材料により下層路盤が構成され、実施例３の人工材料により上層路盤が構成されうる。この場合、珪藻土、溶融スラグ及びセメントの質量比が０．４３５：０．４３５：０．１３に調節されている第１の混練材料が路床の上に敷均され、タイヤローラー又はマカダムローラーなどの転圧機により転圧される。転圧により成形された第１の混練材料が一定期間（例えば７日間）にわたり養生されることで下層路盤が形成される。
【００４７】
さらに、珪藻土、溶融スラグ及びセメントの質量比が０．２２：０．６５：０．１３に調節されている第２の混練材料が下層路盤の上に敷均され、同様に転圧機により転圧される。転圧により成形された第２の混練材料が一定期間（例えば７日間）にわたり養生されることで上層路盤が形成される。
【００４８】
相図において岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの質量比を表わす所定範囲は、人工材料の用途に応じた基準値に応じて変更されてもよい。岩石、スラグ及び硬化材のそれぞれの種類の組み合わせごとに相図が存在し、共通の基準値が用いられても相図ごとに異なる所定範囲が定義されうる。
【００４９】
例えば、人工材料が路盤（道路地盤）ではなく住宅地盤（特に寒冷地における地盤）を構成する場合、前記のように参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜１８のそれぞれの人工材料の強度は、住宅地盤用の基準値（３０〜５０［ｋＮ／ｍ2］）を超えている。このため、珪藻土、溶融スラグ及びセメントの相図における所定範囲は、図３に示されている参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９のそれぞれに相当する点を全て包含するように確定される。また、図示されていないが、珪藻土、溶融スラグ及び消石灰の相図における所定範囲は、参考例１０〜１８のそれぞれに相当する点を全て包含するように確定される。
【００５０】
（環境試験）
環境省告示第１９号（環告１９号）及び第４６号（環告４６号）により規定されている土壌含有量調査に係る測定方法にしたがって、実施例３、実施例６、参考例９、参考例１２、参考例１５及び参考例１８のそれぞれの人工材料の原料の混合粉末における鉛及びカドミウムのそれぞれの含有量が測定された。表８にはその環境試験結果が示されている。
【００５１】
鉛については日本工業規格Ｋ０１０２（以下「規格」という。）５４に定める方法（ジフェニルカルバジド吸光法、レーム原子吸光法、フレームレス原子吸光法、ＩＣＰ発光分析法、ＩＣＰ／ＭＳ法）により含有量及び溶出量が測定された。カドミウムについては規格５５に定める方法（フレーム原子吸光法、フレームレス原子吸光法、ＩＣＰ発光分析法、ＩＣＰ／ＭＳ法）により含有量及び溶出量が測定された。
【００５２】
混合粉末と溶媒（所定濃度の塩酸水溶液）とが混合されることにより試料液が調製され、この試料液が振とうされ、かつ、遠心分離された後に上澄みがろ過されることで得られたろ液が検液として用いられる。
【００５３】
【表８】
2013159522.tif 000023
【００５４】
表８から、当該例の人工材料の原料混合粉末における鉛及びカドミウムの含有量及び溶出量が環境基準値（１５０［ｍｇ／ｋｇ］，０．０１［ｍｇ／Ｌ］）を下回っていることがわかる。例えば、実施例３の人工材料の原料混合粉末における鉛の含有量は環境基準値１５０［ｍｇ／ｋｇ］の１０％程度（１８［ｍｇ／ｋｇ］）であり、カドミウムの含有量は環境基準値１５０［ｍｇ／ｋｇ］の１％程度（２．０［ｍｇ／ｋｇ］未満）である。
【００５５】
また、当該実施例３及び６、並びに参考例９、１２、１５及び１８の人工材料における硬化材の質量比は、他の参考例１、２、４、５、７、８、１０、１１、１３、１４、１６及び１７のそれぞれの人工材料におけるそれよりも高い。このため、前記例１〜１８のそれぞれの人工材料が環境保護に資する地盤材などとして用いられうる。
【００５６】
（人工材料の損失重量及び体積変化率の試験）
表９には参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９の人工材料のそれぞれの損失重量（％）及び体積変化率（％）の測定結果が示されている。凍結融解処理の繰り返し回数ｎは「１２」である。表１０には参考例１０〜１８の人工材料のそれぞれの損失重量（％）及び体積変化率（％）の測定結果が示されている。凍結融解処理の繰り返し回数ｎは「６」「１２」及び「１８」である。
【００５７】
【表９】
2013159522.tif 000024
【００５８】
【表１０】
2013159522.tif 000025
【００５９】
表９及び表１０より、凍結融解処理後の参考例１、参考例２、実施例３、参考例４、参考例５、実施例６及び参考例７〜９〜１８のそれぞれの人工材料の損失重量が、ＮＥＸＣＯ試験法により定められた基準値１４［％］より少ないことがわかる。また、当該人工材料の体積変化率が、同じくＮＥＸＣＯ試験法により定められた基準値２［％］より低いことがわかる。これは、人工材料中の水分の凍結及び融解が繰り返される寒冷地等の環境下においても、当該人工材料の著しい脆弱化等が回避されうることを意味している。
【符号の説明】
【００６０】
Ｓ１‥第１所定範囲、Ｓ２‥第２所定範囲。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2013159522.tif 000026
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2013159522.tif 000027