(57)【要約】  滑走路をオーバーランした航空機を減速させる方法であって、滑走路の端の直後のエリアを発泡ガラス体で舗装して床を形成するステップと、この床をセメント状材料の層で覆って複合床を構成するステップと、複合床の少なくとも一部分を到来した航空機で圧潰させるステップとを含み、複合床の少なくとも一部分を圧潰させることにより、到来した航空機から運動エネルギーが奪われて到来した航空機が減速する、方法。複合床は、一般に、耐火性がある。【特許請求の範囲】
【請求項１】
滑走路をオーバーランした航空機を減速させる方法であって、
ａ）滑走路の端の直後のエリアを発泡ガラス体で舗装して床を形成するステップと、
ｂ）前記床をセメント状材料の層で覆って複合床を構成するステップと、
ｃ）前記複合床の少なくとも一部分を到来した航空機で圧潰させるステップとを含み、複合床の少なくとも一部分を圧潰させることにより、到来した航空機から運動エネルギーが奪われて到来した航空機が減速し、
前記複合床は、一般に、耐火性を有する、方法。
【請求項２】
前記複合床は、少なくとも約９０体積パーセント発泡ガラス体である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記発泡ガラス体は、独立気泡構造を有する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記発泡ガラス体は、約５０ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉの圧潰強さを有する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記発泡ガラス体は、少なくとも約１００ｐｓｉの圧潰強さを有し、前記発泡ガラス体は、約１００ｋｇ／ｍ3〜１８０ｋｇ／ｍ3の密度を有する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
空港用の発泡ガラス工業材料停止システムを製造する方法であって、
ａ）ガラスフリットを約１５００°Ｆ（８１５．５℃）〜約１９００°Ｆ（１０３７．８℃）の温度まで加熱するステップと、
ｂ）前記フリットを軟化させて粘稠なガラス材料を作るステップと、
ｂ）前記粘稠ガラス材料を発泡させて発泡ガラス体を生じさせるステップと、
ｃ）前記発泡ガラス体を冷却するステップと、
ｄ）前記発泡ガラス体を空港滑走路に隣接して配置された床内に位置決めするステップと、
ｅ）前記発泡ガラス体を構造マトリックス材料で少なくとも部分的に包囲して複合床部分を形成するステップとを含む、方法。
【請求項７】
ｆ）複数の複合床部分を組み合わせて複合床を構成するステップと、
ｆ）到来した航空機を前記複合床上に転動させるステップと、
ｇ）前記複合床を前記到来した航空機で少なくとも部分的に圧潰させるステップと、
ｈ）前記到来した航空機を減速させるステップとを更に含み、前記複合床を少なくとも部分的に圧潰させると、前記到来した航空機から運動エネルギーが奪われる、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記複合床は、少なくとも約９０体積パーセント発泡ガラスである、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記発泡ガラス体は、独立気泡構造を有する、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記発泡ガラス体は、約５０ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉの圧潰強さを有する、請求項６記載の方法。
【請求項１１】
前記発泡ガラス体は、少なくとも約１００ｐｓｉの圧潰強さを有し、前記発泡ガラス体は、約１００ｋｇ／ｍ3〜１８０ｋｇ／ｍ3の密度を有する、請求項６記載の方法。
【請求項１２】
前記複合床は、圧潰の主要圧縮破損モードを有し、前記複合床は、過剰の圧縮及びねじり荷重を受けてそれ自体滑り合うのではなく優先的に圧潰破損する、請求項６記載の方法。
【請求項１３】
前記複合床は、発泡ガラス体をセメント状マトリックス中に浮かせることによって作られたコンクリートである、請求項６記載の方法。
【請求項１４】
前記発泡ガラス体は、滑走路セーフティエリア骨材を構成し、前記複合床は、流し込み滑走路セーフティエリアを構成している、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記複合床は、複数の隣り合う既製の複合床部分を含む、請求項６記載の方法。
【請求項１６】
前記セメント状材料は、ポルトランドセメントである、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記セメント状材料は、ホスフェートセメントである、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
滑走路に隣接して位置する滑走路セーフティエリアであって、
複数の発泡ガラス体と、
前記発泡ガラス体のそれぞれを覆うと共に少なくとも部分的に包囲し且つ滑走路セーフティエリアを構成するセメント状マトリックスとを有し、
前記滑走路セーフティエリアは、圧潰の主要圧縮破損モードを有し、
前記滑走路セーフティエリアは、前記滑走路セーフティエリア上を転動する航空機によって生じる圧縮及びねじり荷重を受けてそれ自体滑り合うのではなく優先的に圧潰破損する、滑走路セーフティエリア。
【請求項１９】
前記発泡ガラス体は各々、独立気泡構造を有する、請求項１８記載の滑走路セーフティエリア。
【請求項２０】
前記発泡ガラス体は各々、約５０ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉの圧潰強さを有する、請求項１８記載の滑走路セーフティエリア。
【請求項２１】
前記発泡ガラス体は各々、少なくとも約１００ｐｓｉの圧潰強さを有し、前記発泡ガラス体は、約１００ｋｇ／ｍ3〜１８０ｋｇ／ｍ3の密度を有する、請求項１８記載の滑走路セーフティエリア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、セラミック複合材料の分野、特に特別仕様の破損モードを有すると共に軽量発泡ガラス又は気泡珪質スラグ部分及びセメント状、コンクリート、石膏又は他のセラミック部分を含む複合セラミック材料及びその使用方法に関する。
【０００２】
〔関連出願の説明〕
本特許出願は、２００６年２月１７日に出願された同時係属中の米国特許出願第１１／２７６，１９３号及び２０１４年６月１１日に出願された米国一部継続特許出願第１４／３０１，９８８号の優先権主張出願である。
【背景技術】
【０００３】
発泡ガラス（気泡ガラス又は泡入りガラスとも呼ばれる）は、技術的に確立された軽量セラミック材料である。典型的には、発泡ガラスは、２つのやり方のうちの１つで作られる。第１のやり方では、水及び発泡剤から安定したフォームを調製し、固形成分（この場合、セメントが主要な物質である）の湿潤混合物又はスラリーを調製し、フォームとスラリーを迅速に混合し、モールドに調製済み混合フォーム／スラリーを充填し、そしてこれを焼成する。発泡ガラスを作る第２のやり方では、何種類かの材料の性質を利用して加熱時にガスを発生させる。発泡ガラス材料を調製することができるようにするには、粉砕状態のガラス質の粒子と発泡剤（例えば、ＣａＣＯ3又はＣａＳＯ4）を混合し、混合物をモールド内に配置し、モールドを発泡温度まで加熱し（例えば、モールドを火炉中に通すことによって）、モールドを冷却して発泡ガラス体を作る。
【０００４】
スラグは、冶金学的作業の非金属製副産物である。スラグは、典型的には、カルシウムと、マグネシウムと、珪酸アルミニウムとの種々の組み合わせから成る。鉄及び鋼スラグは、鉄及び鋼製造の副産物である。例えば、鉄溶鉱炉には鉄鉱石、融剤（例えば、石灰石又はドロマイト）及びコークス（燃料及び還元剤として）を装入するのが一般的である。鉄鉱石は、典型的には、鉄酸化物、シリカ及びアルミナの混合物である。十分に加熱されると、溶融スラグ及び鉄が作られる。鉄の分離時、スラグが残される。スラグは、溶融液メルトとして生じ、スラグは、冷却時に凝固するシリケートと酸化物の複合溶液である。
【０００５】
スラグの物理的性質、例えばその密度、多孔率、平均粒径、粒径分布等は、その化学的組成とスラグの冷却速度の両方の影響を受ける。生じるスラグのタイプは、かくして、便宜上、種々のスラグを作るために用いられる冷却方法、即ち、空冷法、膨張法、及び粒状化法に従って分類することができる。スラグの各タイプは、異なる性質を有し、かくして、異なる用途を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発泡ガラス体（発泡又は泡入りスラグを含む状態で又は含まない状態で作られた発泡ガラス体）は、断熱材として、また研磨材として有用であるが、一般的に言えば、コスト及び発泡ガラスが水和して膨張する傾向を含む種々の要因に起因して軽量充填材としての使用及び／又は複合材料中の使用には不適当である。
【０００７】
かくして、水和に起因した膨張に対して耐性があり且つ／或いは容易に熟成される製造が容易な発泡ガラス材料及びかかる発泡ガラス材料を含む複合材料が要望され続けている。本発明は、この要望に応える。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下に説明する技術は、制御された破損モード特性を有する構造用複合材料を作るよう軽量発泡ガラス及びセメント状材料（セメント状用材と呼ばれることがある）又は他のセラミック材料を含む工業複合材料、例えば路床及び空港の滑走路セーフティエリア（runway safety area：ＲＳＡ）及びその製造方法に関する。本発明の一目的は、改良型の気泡ガラスを含有した構造用複合ＲＳＡ材料を提供することにある。本発明の関連の目的及び関連の利点は、以下の説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】発泡ガラス複合材を作るプロセスの一実施形態の略図である。
【図２Ａ】発泡ガラス体及び複合材を作るプロセスの第２の実施形態及びその使用の略図である。
【図２Ｂ】発泡ガラス体及び複合材を作るプロセスの第３の実施形態及びその使用の略図である。
【図３Ａ】本発明の新規な技術の第４の実施形態に従って発泡ガラス物品のための前駆物質のバッチを混合するプロセスの略図である。
【図３Ｂ】図３Ａに従って混合された発泡ガラス物品を焼成するプロセスの略図である。
【図３Ｃ】図３Ｂのプロセスに従って粉砕されたばかりのガラス粉末の斜視図である。
【図３Ｄ】いつでも焼成ができる状態にある粉砕ガラス粉末混合物の列の斜視図である。
【図３Ｅ】実質的に連続した発泡ガラスシートの状態に焼成した後の図３Ｄの斜視図である。
【図４】図３Ａ及び図３Ｂに示されたプロセスの流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、クレーム請求されている技術の原理の理解を促進すると共にその現時点において理解された最適作用モードを提供する目的で、図面に示されている実施形態を参照し、これを説明するために特定の用語を用いる。それにもかかわらず、本発明の範囲の限定がそれによって意図されているわけではなく、当業者にとって通常思いつくような図示の装置の変更及びそれ以上の改造並びに図示のようなクレーム請求されている技術の原理のそれ以上の使用が想定されていることは理解されよう。
【００１１】
ガラス質材料、例えばソーダ石灰シリカガラス及び冶金学的副産物としてのスラグは、代表的には、ガス化プロセスにより発泡して代表的には主としてガラス質の、代表的には珪質の結果としての発泡製品を生じさせる。代表的には、発泡前駆物質は、主として、発泡プロセス前にはガラス質であり又は非結晶質であり、というのは、ガラス状前駆物質スラグ材料が代表的には、発泡プロセスに好都合な温度で粘性を有するからである。より代表的には、ガラス質の開始材料は、伝統的なソーダ石灰シリカガラス組成物を有するが、他の組成物、例えばアルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、ガラス質過アルカリ性スラグ又は他のガラス質スラグ組成物も又発泡し得る。例えば、相当なアルカリ及びアルカリ土類酸化物を含む過アルカリ性スラグも又利用できる。ガラス質前駆物質を発泡させた後、発泡ガラスを物理的にセメントと組み合わせて建築又は構造用途等に適した複合材料を形成する。
【００１２】
スラグ状前駆物質材料の場合、スラグは、代表的には、主として性状がガラス質であり、より代表的には、最大４０体積％の結晶質を有する。スラグは、代表的には、当初粉砕されて約１０ミクロンメジアン粒径に分粒され、より代表的には、全ての粒子の少なくとも９０％が、７５ミクロン未満である。
【００１３】
粉砕されると共に／或いは粉末化されたスラグが乾燥している場合、水をこの粉末状スラグに加えて約０．１〜０．５％（質量を基準として）にする。変形例として、水が加えられない場合、石灰石又は他の固形発泡剤を加えても良い（代表的には、約４質量パーセント以下、より代表的には約２質量パーセント以下）。次に、混合物をペレットの状態に形成し（０．０５立方センチメートル〜１立方センチメートル）、予熱し（膨張率測定法による軟化点（以下、「膨張率測定軟化点」）を基準としてこれから２５℃以下の範囲内まで）、次に高温ゾーン、例えば回転キルン又は火炎（セラミック又は耐火金属管内に納められ又は生じる）により生じた高温ゾーンに通す。この高温ゾーン内の滞留時間は、短く、代表的には約０．５〜約１０秒であり、温度は、高い（１３００℃を超える断熱火炎温度）。火炎の場合、直火により材料に提供される熱エネルギーにより、発泡剤の状態変化反応が可能であり、その結果生じるガスが今や粘稠な物質を発泡させる。発泡ペレット又は発泡媒体を材料の膨張率測定軟化点以下に空気で急冷し、次に徐冷により乾燥させる。
【００１４】
発泡媒体は、代表的には、３倍を超える相対体膨張を呈し、より代表的には、体膨張率は、１０倍以上という高さである。このプロセスの結果として、メジアン孔径が０．１ｍｍから２ｍｍまでの範囲にある個々の低密度（比重が０．３未満）発泡媒体が得られる。
【００１５】
複合材料を調製するには、発泡スラグをポルトランドセメントと混合するのが良く、この技術により少なくとも２種類の複合材料を作ることができる。第１の複合材料を調製するには、セメントの希薄混合物を発泡媒体と混合するのが良く、この場合、発泡媒体は、全セメント／他の骨材（場合によっては凝集体という）の少なくとも８５体積パーセントを占める。発泡媒体を代表的には水が加えられた後にセメント（及び骨材、必要な場合）中に混ぜ込む。その結果得られた混合物は、極めて粘稠な材料として作用し、かかる混合物をスラブ（又は他のコヒーレントな付形物）に圧力若しくは重力形成し又は既製の成形物に直接注型する。次に、この付形物又は成形物を硬化させる。その結果得られた複合材料は、ポルトランドセメントに特有の表面特性を備えた硬質で比較的軽量（比重＜０．７５）の材料となるよう硬化する。ポルトランドセメントと同等の化学薬品及び仕上げ系をこの材料と関連して用いることができる。
【００１６】
第２の複合材料をセメントと代表的には５０体積パーセント未満の発泡スラグ媒体の混合物として形成する。この媒体を代表的には、水添加に先立ってセメントとドライブレンドする。次に、この混合物を共通セメントとして調製する。慣例として追加の骨材を混ぜ込むのが良い。この第２の複合材料は、極めて高い強度を有し、複合材の複合圧縮強度は、発泡スラグ添加が行われないで調製された同じセメントの複合圧縮強度よりも単位質量当たり少なくとも２５％高い。この第２の複合材料をポルトランドセメントと同等の任意の用途で用いることができる。
【００１７】
第３の複合材料を石膏と代表的には５０体積パーセント未満の発泡ガラス又はスラグとで構成された水性スラリー混合物として形成する。代表的には、この材料をスラリー状にした後に媒体を石膏に添加する。慣例に従って追加の結合剤、充填剤及び硬化剤を添加するのが良い。結果として得られた材料は、密度が極めて低くしかも吸音性が極めて高い。発泡ガラス添加の程度に関して化学的な適合性に関する制約は存在しない。代表的には、強度に関する検討事項及び他の物理的特性からなんらかの制約が生じる。
【００１８】
別の例では、発泡プロセスへのガラス質前駆物質２１０は、廃棄ガラスである。廃棄ガラスは、典型的には、ソーダ石灰シリカ組成を有し、一般的には、廃棄ガラスを最初に圧潰させ又は摩砕（２２０）し、次に代表的にはペレット化（２５０）又は違ったやり方での発泡のための付形物への形成に適した粒状フリット２３５を生じさせるよう分粒（２３０）する。
【００１９】
上述したスラグ状前駆物質の場合と同様、粒状廃棄ガラス２１０が乾燥している場合、粒状廃棄ガラスに水を少量添加して取り扱い性を高めると共により均一な分布が得られるよう発泡剤を粒子に一様に良好に付着させるのが良い。変形例として、水を加えない場合、石灰石又は他の固形発泡剤２４０を代表的には少量（例えば、２質量パーセント未満）依然として添加して混合し、それにより実質的に不均一な発泡可能なガラス質混合物を形成しても良い。次に、混合物２４５を代表的には発泡に都合の良いペレット（０．０５立方センチメートル〜１立方センチメートル）、塊、又は他の定型未硬化体２６０の状態に成形（２５０）し、次に代表的には膨張測定法による軟化点を基準として２５℃以下の範囲内まで予熱（２６５）する。予熱（２６５）は、未硬化体２６０を発泡温度領域にいつでも迅速に加熱（２７０）することができるようにする。
【００２０】
次に、予熱した未硬化体２６０を高温ゾーン２７０、例えば回転キルン又は火炎（セラミック又は耐火金属管内に納められ又は生じる）によって生じた高温ゾーンに通す。このゾーン内の滞留時間は、短く、代表的には約０．５〜約１０秒であるが、大きな未硬化体２６０についてはこれよりも長いのが良い。温度は、実質的に高い（少なくとも約１２００℃、代表的には約１３００℃以上の断熱火炎温度）。この材料に提供される熱エネルギーの迅速な流入により、発泡剤２４０の状態変化反応が可能であり、その結果生じるガスは、今や粘稠な物質を発泡させる。
【００２１】
次に、発泡した未硬化体２７５をこの物質の断熱軟化点以下に急冷（２８０）し、次に第２の、代表的にはこれよりも遅い冷却速度で室温まで放冷する。冷却速度は、代表的には、発泡ガラス２７５が徐冷硬化することがなく又は部分的にしか徐冷硬化しないほど迅速であり、その結果、残留内部応力がある硬い発泡ガラス体２８５が得られ、かかる残留内部応力は、その圧潰強度及び靱性を高めると共に圧縮及びねじりの際の圧潰破損モードを生じさせる。冷却速度は、代表的には、ベルト速度に起因して変化する。発泡温度から膨張率測定軟化点直下の温度までの温度範囲について、高い端が代表的には毎分約１５〜２５℃であり、低い端が代表的には毎分約１０〜２０℃であり、より代表的には、発泡温度から膨張率測定軟化点よりも低い温度までの冷却は、毎分約２０℃の速度で起こる。冷却速度は、代表的には、発泡ガラス体２８５が軟化点に近づくと減少する。
【００２２】
発泡後、物体２７５は、キルンを出て、かかる物体２７５を代表的には空気又は強制水ジャケット冷却への暴露により急冷（２８０）し、冷却速度を急冷中、毎分約２５〜４０℃、より代表的には毎分少なくとも約３０℃まで増大させる。急冷後、冷却速度を毎分約３〜１０℃まで減少させる。冷却速度についての全ての値は、発泡ガラス体２８５の中心部に関するものである。
【００２３】
ベルトプロセス上で作られる発泡媒体に関し、ペレット又は未硬化体２６０は、代表的には、結果として生じる発泡ガラス体２７５，２８５が不定形の長円形又は卵形の形状を有するよう形作られる。より代表的には、未硬化体２６０は、結果として得られる発泡体２７５，２８５が約１０ｍｍ〜８０ｍｍの長軸寸法を有するように寸法決めされた予備成形又は押し固めペレットである。したがって、これら発泡ガラス体２８５は、代表的には、採掘された砂利の工学的ドロップイン代用品であるような寸法形状のものであり、かかる発泡ガラス体２８５は、優れた水分管理特性、圧縮強度、破損モード、耐侵食性、積み重ね性、化学的安定性及び靱性を有する。変形例として、発泡ガラス体２８５は、他の好都合な寸法形状仕様に合わせて作られても良く、例えば、大きな斜方晶平行六面体又は「煉瓦」形状、更に大きな「シンダーブロック」寸法形状、比較的薄いプレート等の状態に作られても良い。
【００２４】
このプロセスの一利点は、発泡プロセス中におけるガラス質体２７５の火炉内滞留時間が大抵の従来型ガラス発泡技術と比較して１／４〜１／９になるということにある。さらに、発泡ガラス体２８５を平均気泡直径サイズが約０．２ｍｍ以下、代表的には個々の気泡直径サイズが約０．１ｍｍ以下の範囲にある状態で作ることができる。かかる小さなセルサイズを有する発泡ガラス体２８５は、代表的には、独立気泡型のものであり、これにより、代表的な１００ｐｓｉを優に超える値から（比較的高密度の連続気泡材料に関する）２００ｐｓｉを優に超える値までの圧潰強度が得られる。さらに、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ未満の範囲のサイズの実質的に連続気泡を有する発泡ガラス体２８５は、毛管作用の強化を示し、従って、水を迅速に吸収して効果的に保持する。
【００２５】
熱誘起応力に起因して迅速な冷却化において材料が自然にばらばらになるので、その結果として、大きな物体を粉砕することによって形作られた発泡ガラス辺とは対照的に、より角張ったぎざぎざのある発泡ガラス体２８５が生じる。物理的尺度として、このように作られた発泡ガラス体２８５は、粉砕プロセスにより形成された小さなガラス体についての平均値である１〜１．２５の比よりも約５０％高いアスペクト比（最も大きな寸法と最も小さな寸法の比）の範囲を有する。これにより、３５°の積み重ね角度が生じると共に材料が滑り破損前にばらばらになる。
【００２６】
一例では、上述したように作られると共に約８０ｍｍの長軸寸法を有する長円形の不定形発泡体２８５は、岩石擁壁の背後の充填材料２９０として用いられる。これら充填材料体が比較的軽量であり、圧縮の際に比較的強固であり、約３５°の固有の積み重ね角度を有し、しかも開放気孔構造を備えているという特徴を有するので、必要とされる発泡ガラス充填骨材の体積は、伝統的な採掘砂利と比較して小さい。６フィート（１フィートは、０．３０４８ｍ、従って１．８２ｍ）岩石擁壁に関し、必要な基礎の厚さは、５４インチ（１３７．１６ｃｍ）から２４インチ（６０．９６ｃｍ）に減少し、必要な岩石は、壁の１直線フィート当たり７．５立方フィート（０．２１ｍ3）だけ減少し、必要なコンクリートは、壁の１直線フィート当たり２．５立方フィート（０．０７ｍ3）だけ減少する。選別充填材の量は、壁の１直線フィート当たり４０立方フィート（１．１２ｍ3）から壁の１直線フィート当たり２４立方フィート（０．６７ｍ3）に減少する。この減少は、発泡ガラス骨材２９０の高い積み重ね角度（約３５°）によって可能になり、これが物理的に生じるのは、これが相互に滑り合う個々の骨材片ではなく、粉砕機構（個々の気泡の破砕）によって破損する傾向がある。加うるに、発泡ガラス骨材２８５の開放気孔構造は、優れた排水及び水管理特性を生じさせ、別個の嵌め込み排水管の必要性が減少し又はなくなる。換言すると、採掘砂利に代えて積み重ね角度が高いことを特徴とする工学的発泡ガラス骨材２９０を用いることによって、充填剤の量をほぼ半分にすることができ、その結果、基礎の深さ及び壁厚さを同様に実質的に減少させることができる。
【００２７】
同様に、発泡ガラス充填骨材は、路床中の伝統的な採掘充填砂利２９５に取って代わることができる。必要とされる発泡ガラス充填骨材の量は少なく、というのは、発泡ガラス充填骨材は、優れた強度、多孔率及び破損モード特性を有し、それにより浅い路床、建造時間及び出費の減少、トラック輸送により除去されるべきダートの掘り出し量の減少、道路建造におけるエネルギー使用量の減少、道路排水施設の単純化等が得られるからである。さらに、道路それ自体は、上述したように作られた発泡ガラス骨材を含むコンクリートで構成でき、このコンクリートは同様に、強度の向上及び重量の減少特性を有する。
【００２８】
別の実施形態では、上述したように作られる発泡ガラス体を吸音天井タイル３００中に組み込むことができる。発泡ガラス材料は、化学的に安定していて且つ不活性であり、非毒性であり、軽量であり、しかもその多孔率により消音性が得られる。タイルは、全体が造形発泡ガラス（比較的薄いパネルの形態をしている）で構成でき、又は構造用マトリックス、例えばポリマーを主成分としたマトリックス材料、繊維状マトリックス材料、セメント状マトリックス材料等中に混ぜ込まれた発泡ガラス粒子又は発泡ガラス体を有することができる。当然のことながら、発泡ガラス体２８５は又、伝統的なコンクリート内の骨材３０５としても使用できる。
【００２９】
別の実施形態では、発泡ガラス体２８５は、上述した幾つかの代表的な実施形態では、ＲＳＡ３５０中に組み込み可能に作られる。代表的には、発泡ガラス体は、水の染込み及び水和を阻止するための独立気泡又は閉鎖気孔構造体を有する状態で作られる。発泡ガラス材料は、化学的に安定していて且つ不活性である。ＲＳＡ３５０は、代表的には、発泡ガラス体２９５がセラミックマトリックス３７０内に混ぜ込まれた状態の発泡ガラス複合材料３６０で作られる。代表的には、複合材料は、少なくとも約５０体積パーセントの発泡ガラス、より代表的には少なくとも約６０体積パーセントの発泡ガラス、更により代表的には少なくとも約７０体積パーセントの発泡ガラス、更により代表的には少なくとも約８０体積パーセントの発泡ガラス、及び幾つかの実施形態では、少なくとも約９０体積パーセントの発泡ガラスを含む。発泡ガラス体は、構造用マトリックス３７０、例えばポリマーを主成分とするマトリックス材料、繊維状マトリックス材料、セメント状マトリックス材料等中に混ぜ込まれた骨材３０５、造形発泡ガラスブロック、又は寸法及び形状の組み合わせの形態をしているのが良い。幾つかの実施形態では、発泡ガラス体２８５は、伝統的なコンクリート内の骨材３０５としても使用できる。ＲＳＡに関し、充填材としての発泡ガラス骨材３０５及び／又は発泡ガラス体２８５の相対体積が多いことが必要であり、というのは、複合ＲＳＡ３６０は、代表的には、所望の所定破損モード特性を提供するために低い圧潰強度を有し、即ち、ＲＳＡ３６０は、到来した航空機の重量を受けて圧潰してその運動エネルギーを徐々に減少させると共に到来した航空機が停止するまでＲＳＡ３６０を横切るその進行を減速するからである。さらに、ＲＳＡ３６０は、代表的には、薄いセラミック又は構造用マトリックス３７０内に混ぜ込まれた発泡ガラス体２８５及び／又は骨材３０５（より代表的には、独立気泡発泡ガラス骨材３０５及び／又は独立気泡発泡ガラス体２８５）で構成され、この場合、ＲＳＡ３６０の表面３７５は、マトリックス材料３７０である。マトリックス３７０は、コンクリート、アスファルト等であるのが良い。ＲＳＡ３６０は、代表的には、中実表面３７５を有し、より代表的には、到来した航空機からの運動エネルギーを更に減少させるために模様付き又は輪郭付き表面３７５を有する。
【００３０】
ＲＳＡ複合材３６０のための発泡ガラス体２８５は、一般に、上述したように調製でき、ただし、閉鎖気孔構造体を生じさせるために発泡ガラス体２８５の発泡は、代表的には、高い温度で、代表的には約１６００℃〜約１９００℃の温度で行われる。他の実施形態では、発泡ガラスは、米国特許第５８２１１８４号明細書及び同第５９８３６７１号明細書等に記載された技術によって調製できる。
【００３１】
図３Ａ〜図４は、複数の容積が大きく、閉鎖されると共に／或いは相互に繋がった気孔１１５を備える軽量発泡ガラスマトリックス１１０を作る別の方法を示している。気孔１１５は、代表的には、約０．２ｍｍから約２．０ｍｍまでの範囲にある直径を有する。気孔壁１１７は、ひび割れた又は微小割れした微細構造１１９を示すよう形成されるのが良い。図３Ａ〜図４に概略的に示されているように摩砕され、粉砕されると共に／或いは粉末化されたガラス前駆物質１２０、例えばリサイクルされた廃ビン及び／又は窓ガラスを発泡剤１２２（代表的には、細かく摩砕した非硫黄系ガス発生物質、例えば炭酸カルシウム）と混合して混合物１２７を作る。発泡剤１２２は、代表的には、約１重量パーセント〜約３重量パーセントの量で存在すると共に約８０メッシュから−３２５メッシュの平均範囲にあるサイズに設定されている（即ち、これよりも小さな任意の粒子が通過する。代表的には、８０メッシュの孔が差し渡しで約１５０〜約２００マイクロメートルであり、−３５２メッシュの孔は、差し渡しで約４０〜約６０マイクロメートルである）。より代表的には、発泡剤は、約５〜約１５０ミクロンの粒径を有する。代表的には、ｐＨ調節剤、例えばリン酸二カルシウム１２４を混合物１２７に添加し、この場合、ｐＨ調節剤１２４は、発泡ガラス製品１１０が水性環境内で用いられる場合に有効になる。ｐＨ調節剤１２４は、代表的には、約０．５〜５重量パーセント、より代表的には、約１〜約２重量パーセントの量で存在する。追加の植物生長栄養剤を開始混合物に添加して最終製品１１０の植物生長特性を変化させ又は高めるのが良い。
【００３２】
発泡ガラスは、大抵のセラミックスと同様、当然のことながら、疎水性である。疎水性表面は、ぬれを呈することはなく、しかも毛管作用を妨げるので、気孔壁１１７を親水性にする処理が行われるのが普通である。一実施形態では、気孔壁１１７を被覆してこの気孔壁中に複数の微小割れ１１９を形成する。微小割れ１１９は、ウィッキングを支えるために増大した表面積をもたらす。代替的に又は追加的に、表面特性を更に修正して発泡ガラスを一層親水性にする作用剤を添加するのが良い。かかる作用剤は、大きな二価の陽イオン貢献物質、例えばＺｎＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ等であるのが良い。代表的には、親水性作用剤を少量、代表的には１．５重量パーセント未満、より代表的には約０．１重量パーセントの量、添加する。
【００３３】
この組み合わせを混合（１２６）し、その結果得られた乾燥混合物１２７を次にモールド１２８内に入れ、未硬化体に押し固め、そしてモールドを使用しないで焼成し又はより代表的には焼成及び発泡のために粉末混合物１２７の列１３１の状態に配列する。代表的には、モールド１２８内に入れる（１２９）にせよそうでないにせよいずれにせよ、混合物１２７を代表的には幾つかの列１３１の形態に、例えば、代表的には、約１５〜５０°の自然な安息角を有する混合物のマウンド又はパイルの状態に配列し、ただし、乾燥混合物１２７を圧縮することによって水平に対してこれよりも大きな角度を達成することができる。列１３１をこのように配列することにより、焼成中における粉末１２７の加熱の制御、均衡及び最適化を高めることができ、これにより粉末１２７を加熱しているときに火炉内におけるホットスポット及びコールドスポットが減少する。このように粉末１２７を代表的には三角形断面の列１３１の状態に組み合わせることにより、熱を反射してその向きを変えて列の加熱を全体として一定に保つことができる。
【００３４】
モールド１２８は、使用される場合、代表的には耐火材、例えば鋼又はセラミックであり、このモールドは、より代表的には、最終の発泡ガラス基材１１０の容易な放出を容易にするよう切頭体の形状に作る。代表的には、モールド１２８の内面を軟質耐火性離型剤で被覆してモールド１２８からの発泡ガラス基材１１０の分離を更に容易にする。連続プロセスでは、粉末１２７を代表的にはガラス繊維メッシュフリース等で支持して粉末１２７がトンネルキルンを通ってコンベヤにより動かされているときに微粉がこぼれるのを阻止し、フリースは、粉末１２７が焼結しているときに燃え尽きる。
【００３５】
このように装填状態のモールド１２８を火炉内でバッチ発泡プロセスか連続発泡プロセスかのいずれかによって加熱（１３０）する。より代表的には、次に、混合物１２７を加熱（１３０）して、最初に混合物１２７を乾燥（１３２）させ、焼結（１３４）し、溶融（１３６）させ、軟化（１３８）し、そして発泡（１４０）させ、それにより所望の密度、気孔寸法及び硬度を有する発泡ガラス基材１１０を生じさせる。粉末状混合物１２７をガラスの軟化点（ほぼ１０５０°Ｆ（５６５．６℃））を超える温度まで加熱しているとき、混合物１２７は、軟化（１３８）し、焼結（１３４）し、そして縮み始める。列又はマウンドの状態への粉末混合物１２７の分割により、発泡中のガラスがそれ自体断熱する能力を減少させることによって、ガラスは、熱をより迅速に吸収し、従って、迅速に発泡することができる。約１０２５°Ｆ（５５１．７℃）では、炭酸カルシウムは、もし炭酸カルシウムが発泡剤１２２として用いられている場合、ガラス１２０中の二酸化珪素のうちの何割かと反応し始め、それにより珪酸カルシウムを生じさせると共に二酸化炭素を発生させる。二酸化炭素は、炭酸カルシウムが酸化カルシウム及び二酸化炭素ガスに分解する下限である約１５４０°Ｆ（８３７．８℃）にいったん混合物が達すると、残りの炭酸カルシウムの分解によっても発生する。混合物１２７の温度が約１４５０°Ｆ（７８７．８℃）にいったん達すると、ガラス混合物１２７は、放出された二酸化炭素が膨張して軟化された粘稠なガラスを通って逃げ出るのに十分に軟化しており、軟化したガラス塊を通る二酸化炭素のこの逃げ出しは、主として、軟化したガラス塊内に気泡及び気孔を生じさせる役割を担っている。モールド１２８内の混合物１２７を所望の特性に応じて、例えば約１２７５〜約１９００°Ｆ（６９０．６〜１０３７．８℃）、より代表的には約１５５０〜約１８００°Ｆ（８４３．３〜９８２．２℃）、更により代表的には約１６５０〜約１８５０°Ｆ（８９８．９〜１０１０．０℃）又はそれどころかこれ以上のピーク発泡温度で或る期間にわたって保持する。焼成温度及び焼成時間を調節することによって、結果として得られる基材１１０の密度及び硬度並びに他の特性を厳密に制御することができる。
【００３６】
混合物１２７が発泡温度に達すると、別々の列又はマウンドのうちの１つからきている発泡（１４０）中のガラスの各塊は、膨張し、ついには、この塊は、その隣の塊に接触して溶融する。次に、発泡中のガラスの溶融塊は、膨張してモールド１２８の壁の形状に合致し、コーナー部の全てを埋める。混合物の初期マウンドの寸法形状は、発泡（１４０）中の混合物１２７がモールド１２８を正確に充填するという予測の元に定められる。ガラスを所望の密度及び気孔構造に発泡（１４０）させた後、火炉の温度を急激に減少させてガラスの発泡（１４０）を止める。モールド内における発泡後のガラスの外部は、十分に硬くなると、結果として生じる発泡後のガラス体１１０をモールド１２８から取り出し、次に代表的には空冷してガラスに熱衝撃を加えてひび割れた微細構造１１９を生じさせる。いったん冷却させると、代表的には、外皮又は外殻を発泡後のガラス基材１１０から切り取り、次にガラス基材を種々の所望の形状に切断し又は違ったやり方で形成するのが良い。気孔寸法を約５ｍｍから約０．５ｍｍの範囲内で、より代表的には約２．０ｍｍから０．２ｍｍまでの範囲内で注意深く制御するのが良い。基材密度を約０．４ｇ／ｃｃから約０．２６ｇ／ｃｃに制御するのが良い。代表的には、圧潰させたフォームのバルク密度は、多面体密度の５０％という低い値であるのが良い。
【００３７】
基材１１０を機械加工した多面体形状として提供（１１０）するか、或いは、より代表的には、凝集体又はペブル（代表的には、直径が１インチ（２．５４ｃｍ）未満であるよう寸法決めされる）を生じさせるよう衝撃を加えると共に／或いは粉砕することができる連続シートとして提供（１５０）するかのいずれかであって良い。粉砕した基材１５０を用いて水を保持して所与の土壌組み合わせ中の空気の量を増大させるのが良い。多面体形状の基材１１０を代表的にはＲＳＡ複合材料に用いるための骨材として寸法決めすると共に形作る。発泡ガラス材料１１０それ自体は、代表的には、水による腐食に対して耐性があり、しかも溶液のｐＨに対する影響が最小限である。良好なｐＨ調節をもたらすため、発泡ガラス材料１１０に代表的には特定のリン酸二カルシウム又はｐＨを安定化するのを助けるために水中に溶ける同様なｐＨ安定化材料１２４をドープする（発泡に先立って、バッチ段階で）。発泡ガラス基材１１０を代表的には複数の相互に繋がった気孔１１７中の水としてそれ自体の重量の約１．５倍〜約５倍保持するのが良い。
【００３８】
粉砕したフォーム体１５０を別の方法で迅速に作ることができる。ソーダ石灰ガラスフリット又は粉末をガラス成分１２２として用いると、処理は、上述した処理とほぼ同じであるが、徐冷硬化ステップがなくなる。別の方法では、上述したのと同一の発泡温度範囲を用いる。バッチ材料１２７は、最高８質量パーセントまでの石灰石、マグネサイト、又は他の利用可能な発泡剤１２２と、通常２質量パーセント未満のリン酸二カルシウム１２４とから成り、残部は、ホウケイ酸、シリケート、ボラート又はリン酸ガラスフリット１２２である。次に、バッチ１２７を代表的には浅いモールド１２８、より代表的には、モールド表面の１平方ヤード（０．８４ｍ2）当たり２インチ（５．０８ｃｍ）未満のバッチの形態を有するモールド内に入れる。次に、モールド１２８を代表的にはソーダ石灰ガラスに関する膨張率測定軟化点よりも約２５０℃高い温度（又は、他のガラス組成に関して等価な粘度）まで加熱し、そして発泡させる。モールド１２８を３０分未満の間発泡温度に保持し、次に、パン急冷（pan quench）し、即ち、実質的に徐冷硬化が起こらないようにする。
【００３９】
この方法は、代表的には、０．２５ｇ／ｃｃ未満の密度、より代表的には約０．０３ｇ／ｃｃという低い密度の材料１１０を生じさせる。次に、この材料１１０を上述した場合と同様に対応の低いバルク密度を備えたペブル１５０の状態に粉砕する。この別の方法により作られた材料は、上述したのとほぼ同じ化学的性質を有するが、実質的に低い強度を有する。
【００４０】
発泡ガラス基材１１０を調製する更に別の方法は、次の通りである。バッチ１２７を上述したように調製して小さな（代表的には、直径５ｍｍ未満の）ペレットの状態に押し固める。ペレットを例えば火炎源に通し又は回転炉に通すことなどすることによって迅速に加熱する。代表的には、ペレットを例えば約１５００°Ｆ（８１５．６℃）まで加熱してペレットを、モールドを必要とすることなくフォーム粒子として膨張させる。この材料は、最も弱いが密度が最も小さいフォーム粒子を生じさせる。代表的な密度は、０．０２ｇ／ｃｃという低いものであっても良く、或いは０．２ｇ／ｃｃ以上という高いものであっても良い。
【００４１】
発泡ガラス基材１１０は、代表的には、約６５パーセントから約８５パーセントまでの範囲にある多孔率を有する。空気保持能力は、代表的には、約４０パーセント〜約５５パーセントである。
【００４２】
気孔寸法は、代表的には、直径が約０．２ｍｍ〜約２．０ｍｍであり、比較的密な気孔寸法分布状態を備えている。完成した基材１１０を代表的には一連のコンベヤ及び粉砕施設に通して処理してペレットの所望のサイズの広がりを生じさせる（１５０）。
【００４３】
前駆物質ガラス材料は、代表的には、リサイクルされた又は使用済み廃棄ガラス、例えばプレート、窓及び／又はビンガラスである。ガラスを−１０７ミクロンの細かいメッシュプロフィールに摩砕し又は粉砕する。前駆物質ガラスの代表的な篩分け結果が表１として与えられており、このガラスの組成分析結果が表２として与えられている。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
【表２】
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【００４６】
本発明を図面に示すと共に上記説明において詳細に説明したが、この説明は、例示であって、性質上、本発明を限定するものではないと考えられるべきである。理解されるように、ベストモード要件及び実施可能要件を満たすものとして実施形態を図示すると共にこれについて上述した。当業者であれば、上述の実施形態に対してほぼ無限の本質的ではない変更及び改造を容易に行うことができ、しかも本明細書においてかかる実施形態に対する全ての変形を説明しようとすることは非現実的である。したがって、本発明の精神に属するあらゆる変更及び改造が保護されるのが望ましいことは言うまでもない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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