JPWO2020026766A1 - Manufacturing method of glass bulk body - Google Patents

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Abstract

砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに対してレーザ照射し、これらの砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに含まれるシリカ(SiO2)成分を原料として、任意の領域に緻密なガラス層を連続的に形成させる簡便なガラスバルク体の製造方法を提供する。また、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなる基材の表面がガラス化され、任意の領域にガラス層が連続的に形成されたガラスバルク体を提供する。砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面をガラス化するガラスバルク体の製造方法であって、砂粒の集合体、岩石及びコンクリートはシリカ(SiO2)成分を含み、 当該表面にレーザを定点照射し、溶融部を形成させる第一工程と、当該溶融部が連続して拡大する走査速度で前記レーザの照射位置を移動させ、ガラス層を形成させる第二工程と、を有し、第一工程と第二工程を連続して行うこと、を特徴とするガラスバルク体の製造方法である。Laser irradiation is performed on an aggregate of sand grains, rock or concrete, and a dense glass layer is continuously formed in an arbitrary region using the silica (SiO2) component contained in the aggregate of sand grains, rock or concrete as a raw material. Provided is a simple method for producing a glass bulk body. Further, the present invention provides a glass bulk body in which the surface of a base material made of an aggregate of sand grains, rock or concrete is vitrified and a glass layer is continuously formed in an arbitrary region. A method for producing a glass bulk body that vitrifies the surface of an aggregate of sand grains, rocks, or concrete. The aggregates of sand grains, rocks, and concrete contain a silica (SiO2) component, and the surface is irradiated with a laser at a fixed point. It has a first step of forming a molten portion and a second step of moving the irradiation position of the laser at a scanning speed at which the melted portion continuously expands to form a glass layer, and the first step and the first step. It is a method for producing a glass bulk body, characterized in that two steps are continuously performed.

Description

本発明はガラスバルク体の製造方法に関し、より具体的には、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面の任意の領域をガラス化することができるガラスバルク体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a glass bulk body, and more specifically, to a method for producing a glass bulk body capable of vitrifying an arbitrary region on the surface of an aggregate of sand grains, rock or concrete.

レーザビームには質量が無いため、レーザ加工は基本的に無騒音かつ無振動で行うことができ、金属材の加工及び溶接等のみならず、コンクリート材への処理についても注目され、建築分野への適用可能性についての調査が開始されている。 Since the laser beam has no mass, laser processing can be performed basically without noise and vibration, and not only processing and welding of metal materials, but also processing of concrete materials has attracted attention, and it has entered the construction field. Investigation into the applicability of is started.

具体的には、シリカ成分を含むコンクリートや岩に対してレーザを照射すると、照射領域のシリカ成分が溶融してガラス化することが報告されており、当該現象を利用して、岩盤切削やコンクリート材への孔あけ及び表面処理等が検討されている。 Specifically, it has been reported that when a laser is applied to concrete or rock containing a silica component, the silica component in the irradiated area melts and vitrifies, and this phenomenon is used for rock cutting and concrete. Drilling holes in materials and surface treatment are being studied.

例えば、特許文献1(特開平6−80485号公報)においては、建築用材料基材の表面に無機物質を主成分とする表面付着材を配置し、レーザを照射することにより表面層を溶融し、強固な膜が形成された建築材料を得る表面処理方法が提案されている。 For example, in Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-80485), a surface adhering material containing an inorganic substance as a main component is arranged on the surface of a building material base material, and the surface layer is melted by irradiating with a laser. , A surface treatment method for obtaining a building material on which a strong film is formed has been proposed.

上記特許文献1に記載のレーザ溶接装置においては、建築用材料基材と表面付着材の両方を溶融するため強固な硬化膜を作成することができ、建設用材料の表面に着色した硬化膜を容易に形成することや、建設用材料の表面に断熱、遮音効果を持たせることができる、としている。 In the laser welding apparatus described in Patent Document 1, a strong cured film can be produced because both the building material base material and the surface adhering material are melted, and a colored cured film is formed on the surface of the construction material. It is said that it can be easily formed and that the surface of construction materials can be provided with heat insulating and sound insulating effects.

また、特許文献2(特開平11−19785号公報)においては、セメント硬化体にレーザを照射して、セメント硬化体の強度を低下させた脆弱層を形成した後に、当該脆弱層を除去することにより穿孔することを特徴とするセメント硬化体の穿孔方法が提案されている。 Further, in Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-19785), the hardened cement body is irradiated with a laser to form a fragile layer having a reduced strength of the hardened cement body, and then the fragile layer is removed. A method for drilling a hardened cement body, which is characterized by drilling with a laser, has been proposed.

上記特許文献2に記載のセメント硬化体の穿孔方法においては、低騒音・低振動の装置を用いて穿孔対象物たるセメント硬化体に十分強度を低下させた脆弱層を形成し、その後に当該脆弱層を除去するため、低速回転の機械式又は手動式の工具を用いて当該脆弱層を除去することができる。その結果、穿孔時における振動や騒音の発生を極力抑えることができ、穿孔時における作業環境及び周辺環境の改善を図ることができる、としている。 In the method for drilling a hardened cement body described in Patent Document 2, a fragile layer having sufficiently reduced strength is formed on the hardened cement body as a drilling object by using a device with low noise and low vibration, and then the fragile body is formed. To remove the layer, the fragile layer can be removed using a slow rotating mechanical or manual tool. As a result, it is possible to suppress the generation of vibration and noise at the time of drilling as much as possible, and to improve the working environment and the surrounding environment at the time of drilling.

特開平6−80485号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-80485 特開平11−19785号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-19785

しかしながら、上記特許文献1に記載の建設用材料及びその表面処理方法は、レーザ照射に対して成分等が調整された無機物質を主成分とする表面付着材を使用することが必須であり、レーザ照射によって当該表面付着材を溶融させ、建築用材料基材の表面に被覆するものである。即ち、上記特許文献1に記載の表面処理方法はレーザ照射を用いた無機物質の被覆方法であり、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに含まれるシリカ(SiO)成分を原料とし、これらの任意の領域にガラス層を形成させるガラスバルク体の製造方法とは全く異なる。However, in the construction material and its surface treatment method described in Patent Document 1, it is essential to use a surface adhering material containing an inorganic substance whose main component is adjusted for laser irradiation, and the laser. The surface adhering material is melted by irradiation and coated on the surface of the building material base material. That is, the surface treatment method described in Patent Document 1 is a method of coating an inorganic substance using laser irradiation, using silica (SiO 2 ) component contained in an aggregate of sand grains, rock or concrete as a raw material, and any of these. It is completely different from the method for producing a glass bulk body in which a glass layer is formed in the region of.

また、上記特許文献2に記載のセメント硬化体の穿孔方法は、レーザ照射を用いてセメント硬化体に脆弱層を形成させるものであり、欠陥等の形成が抑制された緻密なガラス層を任意の領域に形成させる方法とは全く逆の方向性を有する技術である。更に、脆弱層を形成させるのは穿孔領域に相当する狭い領域に限定されることに加え、当該脆弱層を連続的に形成させる必要もない。つまり、公知の従来技術においては、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに含まれるシリカ(SiO)成分を原料とし、これらの任意の領域に(特に広い領域に)緻密なガラス層を連続的に形成させる方法は存在しない。Further, the method for drilling a hardened cement body described in Patent Document 2 is to form a fragile layer on the hardened cement body by using laser irradiation, and an arbitrary dense glass layer in which the formation of defects and the like is suppressed is arbitrary. It is a technique that has a direction completely opposite to the method of forming a region. Further, the formation of the fragile layer is limited to a narrow region corresponding to the perforated region, and it is not necessary to continuously form the fragile layer. That is, in the known prior art, a silica (SiO 2 ) component contained in an aggregate of sand grains, rock or concrete is used as a raw material, and a dense glass layer is continuously formed in any of these regions (particularly in a wide region). There is no way to form it.

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに対してレーザ照射し、これらの砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに含まれるシリカ(SiO)成分を原料として、任意の領域に(特に広い領域に)緻密なガラス層を連続的に形成させる簡便なガラスバルク体の製造方法を提供することにある。また、本発明は、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなる基材の表面がガラス化され、任意の領域にガラス層が連続的に形成されたガラスバルク体を提供することも目的としている。In view of the above problems in the prior art, an object of the present invention is to irradiate an aggregate of sand grains, rock or concrete with a laser, and to provide silica (SiO 2) contained in the aggregate of sand grains, rock or concrete. ) Is used as a raw material to provide a simple method for producing a glass bulk body in which a dense glass layer is continuously formed in an arbitrary region (particularly in a wide region). Another object of the present invention is to provide a glass bulk body in which the surface of a base material made of an aggregate of sand grains, rock or concrete is vitrified and a glass layer is continuously formed in an arbitrary region.

本発明者は上記目的を達成すべく、緻密なガラス層を連続的かつ広域に形成させることができるレーザ照射方法について鋭意研究を重ねた結果、レーザの定点照射によってガラス層の種となる溶融部を形成した後、レーザの走査によって当該溶融部を連続して拡張すること等が極めて重要であるということを見出し、本発明に到達した。 In order to achieve the above object, the present inventor has conducted extensive research on a laser irradiation method capable of forming a dense glass layer continuously and over a wide area. After forming the above, it was found that it is extremely important to continuously expand the molten portion by scanning the laser, and the present invention was reached.

即ち、本発明は、
砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面をガラス化するガラスバルク体の製造方法であって、
前記砂粒の集合体、前記岩石及び前記コンクリートはシリカ(SiO)成分を含み、
前記表面にレーザを定点照射し、溶融部を形成させる第一工程と、
前記溶融部が連続して拡大する走査速度で前記レーザの照射位置を移動させ、ガラス層を形成させる第二工程と、を有し、
前記第一工程と前記第二工程を連続して行うこと、
を特徴とするガラスバルク体の製造方法、を提供する。
That is, the present invention
A method for producing a glass bulk body that vitrifies the surface of an aggregate of sand grains, rock or concrete.
The aggregate of sand grains, the rock and the concrete contain a silica (SiO 2 ) component.
The first step of irradiating the surface with a laser at a fixed point to form a fused portion,
It has a second step of moving the irradiation position of the laser at a scanning speed at which the molten portion continuously expands to form a glass layer.
Performing the first step and the second step in succession,
Provided is a method for producing a glass bulk body, which is characterized by the above.

シリカ(SiO)成分を含む砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面にレーザを定点照射することで、ガラス層の種となる溶融部を形成することができる。その後、レーザを任意の方向に走査することで、当該溶融部を拡張することができる。ここで、走査速度が早過ぎる場合は、溶融部が分断又は狭くなり、緻密なガラス層を連続的に形成させることができない。一方で、走査速度が遅過ぎる場合は、ガラス層の形成に必要なシリカ(SiO)成分の蒸発や水蒸気爆発、基材である砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの形状変化等によって、緻密なガラス層を連続的に形成させることができない。By irradiating the surface of an aggregate of sand grains, rock or concrete containing a silica (SiO 2 ) component with a fixed point laser, a molten portion that serves as a seed for a glass layer can be formed. After that, the molten portion can be expanded by scanning the laser in an arbitrary direction. Here, if the scanning speed is too high, the molten portion is divided or narrowed, and a dense glass layer cannot be continuously formed. On the other hand, if the scanning speed is too slow, it may be dense due to evaporation of the silica (SiO 2 ) component required for forming the glass layer, steam explosion, aggregates of sand grains as the base material, and changes in the shape of rock or concrete. The glass layer cannot be formed continuously.

本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記第一工程の予備処理工程として、前記表面にシリカ(SiO)成分を含む粉末を配置すること、が好ましい。砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに含まれるシリカ(SiO)成分に加えて、粉末からもシリカ(SiO)成分を供給することで、より安定的かつ効率的にガラス層を形成することができる。In the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable to dispose a powder containing a silica (SiO 2) component on the surface as a pretreatment step of the first step. By supplying the silica (SiO 2 ) component from the powder in addition to the silica (SiO 2 ) component contained in the aggregate of sand grains, rock or concrete, the glass layer can be formed more stably and efficiently. can.

また、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記ガラス層に対して前記予備処理工程、前記第一工程及び前記第二工程を施し、前記ガラス層の厚さを増加させること、が好ましい。第一工程及び第二工程をそれぞれ一回施すことでもガラス層を形成させることができるが、粉末によってシリカ(SiO)成分を再度供給し、第一工程及び第二工程を施すことで、ガラス層の厚さ及び面積を増加させることができる。ここで、当該処理は一度に限られず、必要に応じて複数回繰り返すことで、任意の厚さ及び面積を有するガラス層を形成することができる。Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable to perform the pretreatment step, the first step and the second step on the glass layer to increase the thickness of the glass layer. .. The glass layer can be formed by performing the first step and the second step once, respectively, but by resupplying the silica (SiO 2 ) component by powder and performing the first step and the second step, the glass is formed. The thickness and area of the layer can be increased. Here, the treatment is not limited to one time, and a glass layer having an arbitrary thickness and area can be formed by repeating the treatment a plurality of times as needed.

また、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記第二工程において、前記溶融部に前記粉末を供給すること、が好ましい。第二工程において溶融部にシリカ(SiO)成分を含む粉末を供給することで、より安定的かつ効率的に緻密なガラス層を形成することができる。粉末の供給方法は特に限定されず、従来公知の種々の方法で供給すればよい。例えば、レーザクラッディングで用いられている粉末供給方法(溶融部近傍への粉末供給用ノズルや、レーザ照射に対して同軸に粉末を供給するノズル等)を用いることができる。Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable to supply the powder to the molten portion in the second step. By supplying the powder containing the silica (SiO 2 ) component to the molten portion in the second step, a dense glass layer can be formed more stably and efficiently. The method for supplying the powder is not particularly limited, and the powder may be supplied by various conventionally known methods. For example, a powder supply method used in laser cladding (a nozzle for supplying powder to the vicinity of a molten portion, a nozzle for supplying powder coaxially with laser irradiation, or the like) can be used.

また、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記第一工程において、前記表面における前記レーザのパワー密度を3〜15W/mmとすること、が好ましい。レーザのパワー密度を3W/mm以上とすることで、基材に含まれるシリカ(SiO)成分等を十分に溶融し、ガラス層の種領域を形成させることができる。また、15W/mm以下とすることで、水蒸気爆発等によるガラス層の緻密化阻害を抑制することができ、基材の変形等も抑制することができる。Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable that the power density of the laser on the surface is 3 to 15 W / mm 2 in the first step. By setting the power density of the laser to 3 W / mm 2 or more, the silica (SiO 2 ) component contained in the base material can be sufficiently melted to form a seed region of the glass layer. Further, by setting the value to 15 W / mm 2 or less, it is possible to suppress the inhibition of densification of the glass layer due to steam explosion or the like, and it is also possible to suppress the deformation of the base material.

また、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記第二工程において、前記表面における前記レーザのパワー密度を20〜40W/mmとすること、が好ましい。レーザのパワー密度を20W/mm以上とすることで、レーザの照射位置を移動させても溶融状態を十分に維持することができ、溶融部を連続的に拡大することができる。また、40W/mm以下とすることで、シリカ(SiO)成分の蒸発、水蒸気爆発及び基材の変形等を抑制することができる。Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable that the power density of the laser on the surface is 20 to 40 W / mm 2 in the second step. By setting the power density of the laser to 20 W / mm 2 or more, the molten state can be sufficiently maintained even if the irradiation position of the laser is moved, and the molten portion can be continuously expanded. Further, by setting the value to 40 W / mm 2 or less, evaporation of the silica (SiO 2 ) component, steam explosion, deformation of the base material, and the like can be suppressed.

また、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記第二工程において、前記走査速度を0.01〜2.0m/minとすること、が好ましい。レーザの走査速度を0.01m/min以上とすることで、シリカ(SiO)成分等の蒸発や水蒸気爆発、基材の変形等を抑制することができる。また、2.0m/min以下とすることで、レーザの照射位置を移動させても溶融状態を十分に維持することができ、溶融部を連続的に拡大することができる。Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable that the scanning speed is 0.01 to 2.0 m / min in the second step. By setting the scanning speed of the laser to 0.01 m / min or more, it is possible to suppress evaporation of silica (SiO 2 ) components, steam explosion, deformation of the base material, and the like. Further, by setting the value to 2.0 m / min or less, the molten state can be sufficiently maintained even if the laser irradiation position is moved, and the molten portion can be continuously expanded.

また、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記砂の集合体及び/又は前記岩石が、地盤又は海底を掘削する際の掘削領域外縁に存在すること、が好ましい。地盤又は海底を掘削する場合、当該掘削に伴って掘削領域外縁が崩落することが問題となっている。一般的にはケーシングを用いて掘削を進めていくが、地層が立っている場合(油田の地層等)は崩落しやすく、ケーシングできない場合が存在する。ここで、崩落しやすい領域をガラス化することで内径が一定となり、ケーシングを容易に設置することができる。また、ケーシングを用いる場合は掘削深さの増加に伴って内径が小さくなるという問題も存在するが、掘削領域外縁(掘削領域内径)をガラス化することで崩落を抑制できれば、ケーシングを使用する必要がなくなる。 Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable that the sand aggregate and / or the rock is present at the outer edge of the excavation region when excavating the ground or the seabed. When excavating the ground or the seabed, there is a problem that the outer edge of the excavation area collapses with the excavation. Generally, excavation is carried out using a casing, but when the stratum is standing (such as the stratum of an oil field), it easily collapses and there are cases where the casing cannot be performed. Here, by vitrifying the region that easily collapses, the inner diameter becomes constant, and the casing can be easily installed. In addition, when using a casing, there is a problem that the inner diameter decreases as the excavation depth increases, but if the outer edge of the excavation area (inner diameter of the excavation area) can be vitrified to prevent collapse, it is necessary to use a casing. Is gone.

また、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、高レベル放射性廃棄物を前記溶融部に取り込むこと、が好ましい。現在、高レベル放射性廃棄物はステンレス鋼製の容器中に溶融ガラスと共に封入してガラス固化体とし、当該容器ごと地下施設に埋設されているが、ガラス固化体の製造には大型の製造設備が必要となることに加えて、大規模な埋設場が必要となる。これに対し、高レベル放射性廃棄物を溶融部に取り込むことで極めて容易にガラス固化体とすることができることに加え、ステンレス鋼製の大型容器も不要となる。また、地中深くに当該ガラス固化体を形成させることもでき、大規模な埋設場も不要となる。 Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable to incorporate high-level radioactive waste into the molten portion. Currently, high-level radioactive waste is sealed in a stainless steel container together with molten glass to form a vitrified waste, which is buried in an underground facility together with the container, but a large manufacturing facility is required to manufacture the vitrified waste. In addition to the need, a large burial site is needed. On the other hand, by taking high-level radioactive waste into the molten part, it can be made into a vitrified waste very easily, and a large stainless steel container is not required. In addition, the vitrified body can be formed deep in the ground, eliminating the need for a large-scale burial site.

上記のように高レベル放射性廃棄物を含むガラス固化体を「その場製造埋設」することにより、大型の製造設備が不要となることに加えて最小限の埋設場で対応が可能となるため、2次的な高レベル放射性廃棄物を極めて効果的に削減することができる。 By "in-situ manufacturing and burial" of vitrified waste containing high-level radioactive waste as described above, large-scale manufacturing equipment is not required and it is possible to deal with it with the minimum burial site. Secondary high level radioactive waste can be reduced very effectively.

更に、本発明のガラスバルク体の製造方法においては、前記粉末をコンクリート部材の溝部に配置し、前記溝部を前記ガラス層で埋めること、が好ましい。コンクリート部材の溝部をガラス層で埋めることで、コンクリート部材の耐食性や美観等を向上させることができる。また、2つ以上のコンクリート部材の間に溝部が存在する場合は、当該溝部をガラス層で充填することで、ガラス層を介してこれらのコンクリート部材を接合することができる。また、コンクリート部材同士を突合せ、当該突合せ線に沿ってガラス層を形成させることでも簡易な接合を達成することができる。 Further, in the method for producing a glass bulk body of the present invention, it is preferable to arrange the powder in a groove of a concrete member and fill the groove with the glass layer. By filling the groove of the concrete member with a glass layer, the corrosion resistance and aesthetic appearance of the concrete member can be improved. When a groove is present between two or more concrete members, these concrete members can be joined via the glass layer by filling the groove with a glass layer. Further, simple joining can also be achieved by abutting the concrete members with each other and forming a glass layer along the butt line.

また、本発明は、
砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなる基材部と、
ガラス層と、を有し、
前記基材部と前記ガラス層とが、気泡を有する境界領域を介して連続的に一体化していること、
を特徴とするガラスバルク体、も提供する。
In addition, the present invention
An aggregate of sand grains, a base material made of rock or concrete, and
With a glass layer,
The base material portion and the glass layer are continuously integrated with each other via a boundary region having bubbles.
Also provided is a glass bulk body, characterized by.

本発明のガラスバルク体は砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなる基材部に含まれるシリカ(SiO)成分を原料とするガラス層が形成されているため、基材部と緻密なガラス層とは連続的に一体化されている。また、基材部とガラス層との境界領域には気泡が存在し、当該気泡によって基材部とガラス層の物性的な差異が効果的に緩和された構造となっている。 In the glass bulk body of the present invention, a glass layer made of a silica (SiO 2 ) component contained in a base material made of an aggregate of sand grains, rock or concrete is formed, so that the base material and a dense glass layer are formed. Is continuously integrated with. Further, air bubbles are present in the boundary region between the base material portion and the glass layer, and the structure is such that the physical difference between the base material portion and the glass layer is effectively alleviated by the air bubbles.

また、本発明のガラスバルク体においては、前記ガラス層が透明性を有していること、が好ましい。本発明のガラスバルク体において形成されているガラス層は緻密であり、当該ガラス層が透明性を有していることで、例えば、光の透過を利用した優れた美観を有する建築部材(外壁等)として活用することができる。なお、本発明のガラスバルク体は、本発明のガラスバルク体の製造方法によって好適に得ることができる。 Further, in the glass bulk body of the present invention, it is preferable that the glass layer has transparency. The glass layer formed in the glass bulk body of the present invention is dense, and the glass layer has transparency, for example, a building member (outer wall, etc.) having an excellent aesthetic appearance utilizing light transmission. ) Can be used. The glass bulk body of the present invention can be suitably obtained by the method for producing the glass bulk body of the present invention.

本発明のガラスバルク体の製造方法によれば、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに対してレーザ照射し、これらの砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに含まれるシリカ(SiO)成分を原料として、任意の領域に(特に広い領域に)緻密なガラス層を連続的に形成させる簡便なガラスバルク体の製造方法を提供することができる。According to the method for producing a glass bulk body of the present invention, laser irradiation is performed on an aggregate of sand grains, rock or concrete, and the silica (SiO 2 ) component contained in the aggregate, rock or concrete of these sand grains is used as a raw material. It is possible to provide a simple method for producing a glass bulk body in which a dense glass layer is continuously formed in an arbitrary region (particularly in a wide region).

また、本発明のガラスバルク体によれば、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなる基材の表面がガラス化され、任意の領域に緻密なガラス層が連続的に形成されたガラスバルク体を提供することができる。 Further, according to the glass bulk body of the present invention, a glass bulk body in which the surface of a base material made of an aggregate of sand grains, rock or concrete is vitrified and a dense glass layer is continuously formed in an arbitrary region. Can be provided.

本発明のガラスバルク体の概略断面図である。It is a schematic cross-sectional view of the glass bulk body of this invention. 実施例1で得られた試料の断面図である。It is sectional drawing of the sample obtained in Example 1. FIG. 実施例1で形成したガラス層を光が透過する状態を示す写真である。It is a photograph which shows the state which light is transmitted through the glass layer formed in Example 1. FIG. 実施例2で得られた試料の外観写真である。It is an appearance photograph of the sample obtained in Example 2. 実施例3で得られた試料の外観写真である。It is an appearance photograph of the sample obtained in Example 3. 実施例4で用いた溝を形成させたコンクリート片の外観写真である。It is an external photograph of the concrete piece which formed the groove used in Example 4. FIG. コンクリート片に形成させた溝の拡大写真である。It is an enlarged photograph of a groove formed in a concrete piece. 粉末を充填した溝の外観写真である。It is an external photograph of a groove filled with powder. 粉末をガラス化した状態を示す外観写真である。It is an external photograph which shows the state which vitrified the powder. 実施例4で最終的に得られた処理領域の外観写真である。It is an appearance photograph of the processing area finally obtained in Example 4. 実施例5で得られたコンクリート接合体の外観写真である。It is an appearance photograph of the concrete joint obtained in Example 5.

以下、図面を参照しながら本発明のガラスバルク体の製造方法及びガラスバルク体の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。 Hereinafter, the method for producing the glass bulk body of the present invention and typical embodiments of the glass bulk body will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these. In the following description, the same or corresponding parts may be designated by the same reference numerals, and duplicate description may be omitted. Moreover, since the drawings are for conceptually explaining the present invention, the dimensions of each component represented and their ratios may differ from the actual ones.

(1) ガラスバルク体の製造方法
本発明のガラスバルク体の製造方法は、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面をガラス化するガラスバルク体の製造方法であって、レーザを定点照射する第一工程と、レーザを走査する第二工程と、を有している。以下、各工程等について詳細に説明する。
(1) Method for Manufacturing Glass Bulk Body The method for manufacturing a glass bulk body of the present invention is a method for manufacturing a glass bulk body that vitrifies the surface of an aggregate of sand grains, rocks, or concrete, and irradiates a laser at a fixed point. It has one step and a second step of scanning the laser. Hereinafter, each process and the like will be described in detail.

1.第一工程(レーザの定点照射)
第一工程は、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面に対してレーザを定点照射し、後にガラス層となる種(溶融部)を形成するための工程である。
1. 1. First step (fixed point irradiation of laser)
The first step is a step of irradiating the surface of an aggregate of sand grains, rock or concrete with a laser at a fixed point to form a seed (melted portion) which will later become a glass layer.

ガラス層を形成させる基材となる砂粒の集合体、岩石又はコンクリートはシリカ(SiO)成分を含んでおり、当該シリカ(SiO)成分がガラス層となる。なお、「砂粒の集合体」とは、広く砂粒が集合したものを意味し、例えば、砂粒の集合体に圧力を印加して固めたものや、地盤や海底に存在する砂粒等を含む。An aggregate of sand grains, rock or concrete as a base material for forming a glass layer contains a silica (SiO 2 ) component, and the silica (SiO 2 ) component becomes a glass layer. The term "aggregate of sand grains" means an aggregate of sand grains widely, and includes, for example, an aggregate of sand grains hardened by applying pressure, sand grains existing on the ground or the seabed, and the like.

また、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートはシリカ(SiO)成分を含んでいる限り特に限定されず、従来公知の種々の砂粒の集合体、岩石又はコンクリートを使用することができる。例えば、砂粒には珪砂や真砂土等を用いることができ、岩石には花崗岩、砂岩、泥岩及び凝灰岩等を用いることができる。また、例えば、海底から噴出する熱水に含まれる金属などが析出・沈殿してできる構造物であるチムニーを対象とすることもできる。Further, the aggregate of sand grains, rock or concrete is not particularly limited as long as it contains a silica (SiO 2 ) component, and various conventionally known aggregates of sand grains, rock or concrete can be used. For example, silica sand, decomposed granite soil, or the like can be used for the sand grains, and granite, sandstone, mudstone, tuff, or the like can be used as the rock. Further, for example, a chimney, which is a structure formed by precipitating and precipitating metals and the like contained in hot water ejected from the seabed, can also be targeted.

また、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートに含まれるシリカ(SiO)成分を十分に溶融させることができる限りにおいて照射に用いるレーザの種類は特に限定されず、従来公知の種々のレーザを用いることができる。ここで、好適に用いることができるレーザとしては半導体励起の固体レーザを挙げることができ、例えば、半導体レーザを用いることができる。Further, the type of laser used for irradiation is not particularly limited as long as the silica (SiO 2 ) component contained in the aggregate of sand grains, rock or concrete can be sufficiently melted, and various conventionally known lasers are used. Can be done. Here, examples of the laser that can be preferably used include a semiconductor-excited solid-state laser, and for example, a semiconductor laser can be used.

第一工程においては、基材表面におけるレーザのパワー密度は3〜15W/mmとすることが好ましい。レーザのパワー密度を3W/mm以上とすることで、基材に含まれるシリカ(SiO)成分等を十分に溶融し、ガラス層の種領域を形成させることができる。また、15W/mm以下とすることで、水蒸気爆発等によるガラス層の緻密化阻害を抑制することができ、基材の変形等も抑制することができる。なお、レーザのパワー密度は5〜10W/mmとすることがより好ましい。In the first step, the power density of the laser on the surface of the base material is preferably 3 to 15 W / mm 2. By setting the power density of the laser to 3 W / mm 2 or more, the silica (SiO 2 ) component contained in the base material can be sufficiently melted to form a seed region of the glass layer. Further, by setting the value to 15 W / mm 2 or less, it is possible to suppress the inhibition of densification of the glass layer due to steam explosion or the like, and it is also possible to suppress the deformation of the base material. The power density of the laser is more preferably 5 to 10 W / mm 2.

また、第一工程の予備処理工程として、基材表面にシリカ(SiO)成分を含む粉末を配置することが好ましい。基材に含まれるシリカ(SiO)成分に加えて、粉末からもシリカ(SiO)成分を供給することで、より安定的かつ効率的にガラス層を形成することができる。なお、粉末はシリカ(SiO)成分が含まれている限りにおいて特に限定されないが、例えば、ガラス粉末、シリカ粒子、珪砂及び真砂土等を使用することができ、これらを混合して使用してもよい。Further, as a pretreatment step of the first step, it is preferable to dispose a powder containing a silica (SiO 2) component on the surface of the base material. By supplying the silica (SiO 2 ) component from the powder in addition to the silica (SiO 2 ) component contained in the base material, the glass layer can be formed more stably and efficiently. The powder is not particularly limited as long as it contains a silica (SiO 2 ) component, but for example, glass powder, silica particles, silica sand, decomposed granite soil, etc. can be used, and these are mixed and used. May be good.

第一工程の予備処理工程として基材表面に粉末を配置する場合、当該配置の方法は特に限定されないが、例えば、レーザ照射する領域に適当な量の粉末を配置した後、当該粉末をナイフエッジ等で均すことが好ましい。 When the powder is arranged on the surface of the base material as the pretreatment step of the first step, the method of the arrangement is not particularly limited. It is preferable to level with or the like.

2.第二工程(レーザの走査)
第二工程は、第一工程におけるレーザの定点照射から連続的にレーザを走査し、溶融部(ガラス層の種領域)を拡大するための工程である。
2. Second step (laser scanning)
The second step is a step for continuously scanning the laser from the fixed point irradiation of the laser in the first step to expand the molten portion (seed region of the glass layer).

第二工程においては、基材表面におけるレーザのパワー密度を20〜40W/mmとすることが好ましい。レーザのパワー密度を20W/mm以上とすることで、レーザの照射位置を移動させても溶融状態を十分に維持することができ、溶融部を連続的に拡大することができる。また、40W/mm以下とすることで、シリカ(SiO)成分の蒸発、水蒸気爆発及び基材の変形等を抑制することができる。なお、より好ましいレーザのパワー密度は25〜35W/mmである。In the second step, the power density of the laser on the surface of the base material is preferably 20 to 40 W / mm 2. By setting the power density of the laser to 20 W / mm 2 or more, the molten state can be sufficiently maintained even if the irradiation position of the laser is moved, and the molten portion can be continuously expanded. Further, by setting the value to 40 W / mm 2 or less, evaporation of the silica (SiO 2 ) component, steam explosion, deformation of the base material, and the like can be suppressed. The more preferable power density of the laser is 25 to 35 W / mm 2 .

また、レーザの走査速度は0.01〜2.0m/minとすることが好ましい。レーザの走査速度を0.01m/min以上とすることで、シリカ(SiO)成分等の蒸発や水蒸気爆発、基材の変形等を抑制することができる。また、2.0m/min以下とすることで、レーザの照射位置を移動させても溶融状態を十分に維持することができ、溶融部を連続的に拡大することができる。なお、より好ましいレーザの走査速度は0.1〜1.0m/minである。The scanning speed of the laser is preferably 0.01 to 2.0 m / min. By setting the scanning speed of the laser to 0.01 m / min or more, it is possible to suppress evaporation of silica (SiO 2 ) components, steam explosion, deformation of the base material, and the like. Further, by setting the value to 2.0 m / min or less, the molten state can be sufficiently maintained even if the laser irradiation position is moved, and the molten portion can be continuously expanded. The more preferable scanning speed of the laser is 0.1 to 1.0 m / min.

第二工程では、上述のシリカ(SiO)成分を含む粉末を溶融部に供給することが好ましい。第二工程において溶融部にシリカ(SiO)成分を含む粉末を供給することで、より安定的かつ効率的に緻密なガラス層を形成することができる。粉末の供給方法は特に限定されず、従来公知の種々の方法で供給すればよい。例えば、レーザクラッディングで用いられている粉末供給方法(溶融部近傍への粉末供給用ノズルや、レーザ照射に対して同軸に粉末を供給するノズル等)を用いることができる。In the second step, it is preferable to supply the powder containing the silica (SiO 2) component described above to the molten portion. By supplying the powder containing the silica (SiO 2 ) component to the molten portion in the second step, a dense glass layer can be formed more stably and efficiently. The method for supplying the powder is not particularly limited, and the powder may be supplied by various conventionally known methods. For example, a powder supply method used in laser cladding (a nozzle for supplying powder to the vicinity of a molten portion, a nozzle for supplying powder coaxially with laser irradiation, or the like) can be used.

第二工程で得られたガラス層に対して、予備処理工程、第一工程及び第二工程を施すことで、当該ガラス層の厚さを増加させることができる。第一工程及び第二工程をそれぞれ一回施すことでもガラス層を形成させることができるが、粉末によってシリカ(SiO)成分を再度供給し、第一工程及び第二工程を施すことで、ガラス層の厚さ及び面積を増加させることができる。ここで、当該処理は一度に限られず、必要に応じて複数回繰り返すことで、任意の厚さ及び面積を有するガラス層を形成することができる。The thickness of the glass layer can be increased by subjecting the glass layer obtained in the second step to the pretreatment step, the first step and the second step. The glass layer can be formed by performing the first step and the second step once, respectively, but by resupplying the silica (SiO 2 ) component by powder and performing the first step and the second step, the glass is formed. The thickness and area of the layer can be increased. Here, the treatment is not limited to one time, and a glass layer having an arbitrary thickness and area can be formed by repeating the treatment a plurality of times as needed.

なお、第一工程及び第二工程共に、レーザ照射領域の雰囲気は特に限定されず、例えば、大気中や不活性ガス雰囲気で行うことができる。 The atmosphere of the laser irradiation region is not particularly limited in both the first step and the second step, and can be performed, for example, in the atmosphere or in an inert gas atmosphere.

3.ガラスバルク体の製造方法の応用例
本発明のガラスバルク体の製造方法は、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面の任意の領域に緻密なガラス層を形成させることができるのみならず、種々の効果的な応用例が存在する。
3. 3. Application example of the method for producing a glass bulk body The method for producing a glass bulk body of the present invention can not only form a dense glass layer in an arbitrary region on the surface of an aggregate of sand grains, rock or concrete, but also various methods. There are effective applications of.

3−1.掘削領域の崩落防止
地盤又は海底を掘削する場合、当該掘削に伴って掘削領域外縁が崩落することが問題となっている。これに対し、掘削領域外縁(掘削領域内径)をガラス化することで当該崩落を極めて効果的に抑制することができる。
3-1. Prevention of collapse of excavation area When excavating the ground or the seabed, the problem is that the outer edge of the excavation area collapses with the excavation. On the other hand, by vitrifying the outer edge of the excavation area (inner diameter of the excavation area), the collapse can be suppressed extremely effectively.

例えば、油田の地層等では地層が立っており、脆弱な層に起因する崩落が深刻な問題となる。当該崩落が生じた場合はケーシングできないが、掘削領域の内壁にガラス層を形成させることで、崩落を抑制することができる。加えて、内壁の径及び形状が安定化することで、ケーシングを設置することも可能である。 For example, strata are standing in the strata of oil fields, and collapse caused by fragile strata becomes a serious problem. When the collapse occurs, casing cannot be performed, but the collapse can be suppressed by forming a glass layer on the inner wall of the excavation area. In addition, the casing can be installed by stabilizing the diameter and shape of the inner wall.

また、ケーシングを用いる場合は掘削深さの増加に伴って内径が小さくなるという問題も存在するが、掘削領域外縁(掘削領域内径)をガラス化することで崩落を抑制できれば、ケーシングを使用する必要がなくなる。 In addition, when using a casing, there is a problem that the inner diameter decreases as the excavation depth increases, but if the outer edge of the excavation area (inner diameter of the excavation area) can be vitrified to prevent collapse, it is necessary to use a casing. Is gone.

3−2.高レベル放射性廃棄物の処理
現在、高レベル放射性廃棄物はステンレス鋼製の容器中に溶融ガラスと共に封入してガラス固化体とし、当該容器ごと地下施設に埋設されているが、ガラス固化体の製造には大型の製造設備が必要となることに加えて、大規模な埋設場が必要となる。これに対し、高レベル放射性廃棄物を溶融部に取り込むことで極めて容易にガラス固化体とすることができることに加え、ステンレス鋼製の大型容器も不要となる。また、地中深くに当該ガラス固化体を形成させることもでき、大規模な埋設場も不要となる。
3-2. Treatment of high-level radioactive waste Currently, high-level radioactive waste is sealed in a stainless steel container together with molten glass to form a vitrified waste, which is buried in an underground facility together with the container. In addition to requiring large-scale manufacturing equipment, a large-scale burial site is required. On the other hand, by taking high-level radioactive waste into the molten part, it can be made into a vitrified waste very easily, and a large stainless steel container is not required. In addition, the vitrified body can be formed deep in the ground, eliminating the need for a large-scale burial site.

高レベル放射性廃棄物を含むガラス固化体を「その場製造埋設」することにより、大型の製造設備が不要となることに加えて最小限の埋設場で対応が可能となる結果、2次的な高レベル放射性廃棄物を極めて効果的に削減することができる。 By "in-situ manufacturing and burial" of vitrified waste containing high-level radioactive waste, large-scale manufacturing equipment is not required and it is possible to deal with it with a minimum of burial site. As a result, it is secondary. High level radioactive waste can be reduced very effectively.

ここで、高レベル放射性廃棄物をガラス層に取り込むタイミング等は特に限定されないが、例えば、第一工程の予備処理として基材の表面に粉末を配置する際に、当該粉末と基材の間に高レベル放射性廃棄物を配置し、その後、第一工程及び第二工程を施すことで、高レベル放射性廃棄物をガラス層に取り込むことができる。その他、第二工程において溶融部に粉末を供給する際に、高レベル放射性物質を同時に供給してもよい。 Here, the timing of incorporating high-level radioactive waste into the glass layer is not particularly limited, but for example, when the powder is placed on the surface of the base material as a preliminary treatment in the first step, it is between the powder and the base material. By arranging the high-level radioactive waste and then performing the first step and the second step, the high-level radioactive waste can be taken into the glass layer. In addition, when the powder is supplied to the molten portion in the second step, a high level radioactive substance may be supplied at the same time.

3−3.コンクリート部材の補修補強及び接合
シリカ(SiO)成分を含む粉末をコンクリート部材の溝部に配置し、当該溝部をガラス層で埋めることで、コンクリート部材を補修及び/又は補強することができる。ここで、溝部は意図的に形成させてもよく、自然に発生した亀裂等を溝部としてもよい。ガラス層の形成によって機械的性質や耐食性が改善されるだけでなく、美観も向上させることができる。
3-3. Repair and Reinforcement and Joining of Concrete Members The concrete members can be repaired and / or reinforced by arranging powder containing a silica (SiO 2) component in the grooves of the concrete member and filling the grooves with a glass layer. Here, the groove may be intentionally formed, or a naturally generated crack or the like may be used as the groove. The formation of the glass layer not only improves the mechanical properties and corrosion resistance, but also improves the aesthetic appearance.

また、2つ以上のコンクリート部材の間に溝部が存在する場合、当該溝部にガラス層を形成させることで、ガラス層を介してこれらのコンクリート部材を接合することができる。更に、コンクリート部材を突合せ、突合せ線に沿ってガラス層を形成させることで、簡易な接合を達成することもできる。 Further, when a groove is present between two or more concrete members, these concrete members can be joined via the glass layer by forming a glass layer in the groove. Further, simple joining can be achieved by abutting the concrete members and forming a glass layer along the butt line.

(2) ガラスバルク体
図1に本発明のガラスバルク体の概略断面図を示す。ガラスバルク体2は、砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなる基材部4と、ガラス層6と、を有し、基材部4とガラス層6とは気泡8を有する境界領域を介して連続的に一体化している。
(2) Glass bulk body FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of the glass bulk body of the present invention. The glass bulk body 2 has a base material portion 4 made of an aggregate of sand grains, rock or concrete, and a glass layer 6, and the base material portion 4 and the glass layer 6 are interposed via a boundary region having bubbles 8. It is continuously integrated.

基材部4は砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなり、これらはシリカ(SiO)成分を含んでいる。砂粒の集合体、岩石又はコンクリートはシリカ(SiO)成分を含んでいる限り特に限定されず、従来公知の種々の砂粒の集合体、岩石又はコンクリートとなっている。例えば、砂粒は珪砂や真砂土等であり、岩石は花崗岩、砂岩、泥岩及び凝灰岩等である。なお、コンクリートには珪砂や粘土が含まれており、これらの成分がシリカ(SiO)を有している。The base material portion 4 is composed of an aggregate of sand grains, rock or concrete, and these contain a silica (SiO 2 ) component. The aggregate, rock or concrete of sand grains is not particularly limited as long as it contains a silica (SiO 2 ) component, and is an aggregate, rock or concrete of various conventionally known sand grains. For example, sand grains are silica sand, decomposed granite soil, etc., and rocks are granite, sandstone, mudstone, tuff, etc. In addition, concrete contains silica sand and clay, and these components have silica (SiO 2 ).

緻密なガラス層6と基材部4との境界領域に形成されている気泡8により、ガラス層6と基材部4の密度差や物性的な差異が緩和され、ガラス層6と基材部4とは連続的に一体化されている。ここで、気泡8のサイズは50〜2000μmであることが好ましく、100〜1500μmであることがより好ましい。気泡8のサイズが50μm以上となることでガラス層6と基材部4との差異を緩和することができ、2000μm以下となることで境界領域の脆化を抑制することができる。 The air bubbles 8 formed in the boundary region between the dense glass layer 6 and the base material portion 4 alleviate the difference in density and physical properties between the glass layer 6 and the base material portion 4, and the difference in density and physical properties between the glass layer 6 and the base material portion 4 are alleviated. It is continuously integrated with 4. Here, the size of the bubble 8 is preferably 50 to 2000 μm, more preferably 100 to 1500 μm. When the size of the bubbles 8 is 50 μm or more, the difference between the glass layer 6 and the base material portion 4 can be alleviated, and when the size is 2000 μm or less, embrittlement of the boundary region can be suppressed.

ガラス層6は透明性を有していることが好ましい。ガラス層6が透明性を有していることで、例えば、光の透過を利用した優れた美観を有する建築部材(外壁等)として活用することができる。なお、本発明のガラスバルク体は、本発明のガラスバルク体の製造方法によって好適に得ることができる。 The glass layer 6 preferably has transparency. Since the glass layer 6 has transparency, it can be used, for example, as a building member (outer wall or the like) having an excellent aesthetic appearance utilizing the transmission of light. The glass bulk body of the present invention can be suitably obtained by the method for producing the glass bulk body of the present invention.

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。 Although the typical embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various design changes are possible, and all of these design changes are included in the technical scope of the present invention. Is done.

≪実施例1≫
レーザライン社製の半導体レーザを用い、砂岩の表面に対してレーザ照射を行った。具体的には、レーザ出力を800W、砂岩の表面におけるレーザビーム径を2×39mmとし、60秒間定点照射した(第一工程)。第一工程におけるレーザパワー密度は10W/mmである。
<< Example 1 >>
A semiconductor laser manufactured by Laserline Co., Ltd. was used to irradiate the surface of sandstone with a laser. Specifically, the laser output was 800 W, the laser beam diameter on the surface of the sandstone was 2 × 39 mm, and fixed point irradiation was performed for 60 seconds (first step). The laser power density in the first step is 10 W / mm 2 .

第一工程における定点照射によって十分な溶融領域の形成が確認されたため、レーザ出力を2800Wに増加させ、移動速度を48mm/minとしてレーザ照射位置を移動させた(第二工程)。第二工程におけるレーザパワー密度は35W/mmである。適当なレーザパワー密度及び移動速度を設定したことにより、レーザの走査によって溶融部が途切れることなく、連続的に溶融部が拡大された。処理後の砂岩の断面写真を図2に示す。Since it was confirmed that a sufficient melting region was formed by the fixed point irradiation in the first step, the laser output was increased to 2800 W and the moving speed was set to 48 mm / min to move the laser irradiation position (second step). The laser power density in the second step is 35 W / mm 2 . By setting an appropriate laser power density and moving speed, the molten portion was continuously expanded without interruption by scanning the laser. A cross-sectional photograph of the treated sandstone is shown in FIG.

図2より、砂岩の表面領域には緻密なガラス層が広域に形成されていることが分かる。また、ガラス層は基材である砂岩から連続的に形成しており、ガラス層と基材の境界には気泡が形成されている。なお、砂岩に生じている亀裂は、主として断面試料作製時に生じたものである。 From FIG. 2, it can be seen that a dense glass layer is formed over a wide area on the surface region of the sandstone. Further, the glass layer is continuously formed from sandstone which is a base material, and bubbles are formed at the boundary between the glass layer and the base material. The cracks in the sandstone were mainly generated during the preparation of the cross-sectional sample.

得られたガラス層を分離し、裏面から光を照射した状態を図3に示す。裏面から照射した光はガラス層を透過しており、形成されたガラス層が透明性を有していることが確認できる。 FIG. 3 shows a state in which the obtained glass layer is separated and irradiated with light from the back surface. The light emitted from the back surface passes through the glass layer, and it can be confirmed that the formed glass layer has transparency.

≪実施例2≫
レーザライン社製の半導体レーザを用い、凝灰岩の表面に対してレーザ照射を行った。具体的には、レーザ出力を800W、凝灰岩の表面におけるレーザビーム径を2×39mmとし、60秒間定点照射した(第一工程)。第一工程におけるレーザパワー密度は10W/mmである。
<< Example 2 >>
A semiconductor laser manufactured by Laserline Co., Ltd. was used to irradiate the surface of the tuff with a laser. Specifically, the laser output was 800 W, the laser beam diameter on the surface of the tuff was 2 × 39 mm, and fixed point irradiation was performed for 60 seconds (first step). The laser power density in the first step is 10 W / mm 2 .

第一工程における定点照射によって十分な溶融領域の形成が確認されたため、レーザ出力を2800Wに増加させ、移動速度を48mm/minとしてレーザ照射位置を移動させた(第二工程)。第二工程におけるレーザパワー密度は35W/mmである。適当なレーザパワー密度及び移動速度を設定したことにより、レーザの走査によって溶融部が途切れることなく、連続的に溶融部が拡大された。Since it was confirmed that a sufficient melting region was formed by the fixed point irradiation in the first step, the laser output was increased to 2800 W and the moving speed was set to 48 mm / min to move the laser irradiation position (second step). The laser power density in the second step is 35 W / mm 2 . By setting an appropriate laser power density and moving speed, the molten portion was continuously expanded without interruption by scanning the laser.

第二工程では、凝灰岩の成分を含む粉末を溶融部に供給した。第二工程において溶融部に凝灰岩の成分を含む粉末を供給することで、より安定的かつ効率的に緻密なガラス層を形成することができる。処理後の凝灰岩の外観写真を図4に示す。 In the second step, a powder containing tuff components was supplied to the molten part. By supplying the powder containing the tuff component to the molten portion in the second step, a dense glass layer can be formed more stably and efficiently. A photograph of the appearance of the treated tuff is shown in FIG.

図4より、凝灰岩の表面領域には透明性を有する緻密なガラスバルク体が広域に形成されていることが分かる。また、ガラスバルク体は基材である凝灰岩から連続的に形成しており、ガラスバルク体と基材の境界に亀裂等の欠陥は認められない。 From FIG. 4, it can be seen that a dense glass bulk body having transparency is formed over a wide area in the surface region of the tuff. Further, the glass bulk body is continuously formed from the tuff which is the base material, and no defects such as cracks are observed at the boundary between the glass bulk body and the base material.

≪実施例3≫
レーザライン社製の半導体レーザを用い、コンクリートの表面に対してレーザ照射を行った。具体的には、レーザ出力を2800W、コンクリートの表面におけるレーザビーム径を2×39mmとし、1秒間定点照射した(第一工程)。第一工程におけるレーザパワー密度は35W/mmである。
<< Example 3 >>
A semiconductor laser manufactured by Laserline Co., Ltd. was used to irradiate the concrete surface with a laser. Specifically, the laser output was 2800 W, the laser beam diameter on the concrete surface was 2 × 39 mm, and fixed point irradiation was performed for 1 second (first step). The laser power density in the first step is 35 W / mm 2 .

第一工程における定点照射によって十分な溶融領域の形成が確認されたため、移動速度を48mm/minとしてレーザ照射位置を移動させた(第二工程)。なお、本実施例では第二工程のレーザ出力を第一工程から増加させていない。 Since it was confirmed that a sufficient melting region was formed by the fixed point irradiation in the first step, the laser irradiation position was moved with the moving speed set to 48 mm / min (second step). In this embodiment, the laser output of the second step is not increased from the first step.

得られた試料の外観写真を図5に示す。実施例3では黒色のガラス層が広域に形成されていることが分かる。 A photograph of the appearance of the obtained sample is shown in FIG. In Example 3, it can be seen that the black glass layer is formed over a wide area.

≪実施例4≫
レーザライン社製の半導体レーザを用い、コンクリートの表面に形成した溝(深さ20mm,長さ100mm)をガラス層で埋めることを試みた。溝を有するコンクリート片の外観写真を図6に示す。また、溝の拡大写真を図7に示す。ここで、1層目は溝の底部に直接レーザ照射してガラス層を形成し、2層目から5層目は珪砂を粉砕処理した砂状粉末で溝を埋めつつ、当該領域に対してレーザを照射して、順次ガラス層を形成させた。
<< Example 4 >>
Using a semiconductor laser manufactured by Laserline Co., Ltd., an attempt was made to fill a groove (depth 20 mm, length 100 mm) formed on the surface of concrete with a glass layer. A photograph of the appearance of the concrete piece having a groove is shown in FIG. An enlarged photograph of the groove is shown in FIG. Here, in the first layer, the bottom of the groove is directly irradiated with a laser to form a glass layer, and in the second to fifth layers, the groove is filled with sandy powder obtained by crushing silica sand, and the laser is applied to the region. Was irradiated to form a glass layer in sequence.

1層目の形成には、レーザ出力を540W、溝の底面におけるレーザビーム径を2×27 mmとし、1秒間定点照射した(第一工程)。第一工程におけるレーザパワー密度は10W/mmである。その後、レーザ出力を1900Wとし、48mm/minの速度でレーザを走査した。第二工程におけるレーザパワー密度は35W/mmである。To form the first layer, the laser output was 540 W, the laser beam diameter at the bottom surface of the groove was 2 × 27 mm, and fixed point irradiation was performed for 1 second (first step). The laser power density in the first step is 10 W / mm 2 . Then, the laser output was set to 1900 W, and the laser was scanned at a speed of 48 mm / min. The laser power density in the second step is 35 W / mm 2 .

2層目から5層目の形成には、珪砂を粉砕処理した砂状粉末を溶融部に供給し、レーザ出力を1900Wとし、48mm/minの速度でレーザを走査した。この工程におけるレーザパワー密度は35W/mmである。For the formation of the second to fifth layers, sandy powder obtained by crushing silica sand was supplied to the molten portion, the laser output was 1900 W, and the laser was scanned at a speed of 48 mm / min. The laser power density in this step is 35 W / mm 2 .

粉末を充填した状態の溝の外観写真及び当該領域をガラス化した後の外観写真を図8及び図9にそれぞれ示す。充填した粉末(珪砂の粉末)がレーザ照射によって緻密なガラスとなっていることが分かる。 FIG. 8 and FIG. 9 show an external photograph of the groove in a state of being filled with powder and an external photograph of the region after vitrification. It can be seen that the filled powder (silica sand powder) is made into dense glass by laser irradiation.

最終的に得られた試料の溝の拡大写真を図10に示す。溝は完全に緻密なガラス層で充填されており、多層のガラス層によって深い溝であっても表面まで充填できることが分かる。 An enlarged photograph of the groove of the finally obtained sample is shown in FIG. It can be seen that the grooves are completely filled with a dense glass layer, and that even a deep groove can be filled to the surface by the multi-layered glass layer.

≪実施例5≫
レーザライン社製の半導体レーザを用い、コンクリート片同士の接合を試みた。コンクリート片同士を端面で当接させ、当該端面の外周領域のガラス化により接合を行った。ここで、レーザ照射面に対して、3mm〜5mm程度の高さとなる粉末を供給し、当該粉末には砂岩を粉砕処理した砂状粉末を用いた。
<< Example 5 >>
An attempt was made to join concrete pieces to each other using a semiconductor laser manufactured by Laserline. The concrete pieces were brought into contact with each other at the end faces, and the concrete pieces were joined by vitrification of the outer peripheral region of the end faces. Here, a powder having a height of about 3 mm to 5 mm was supplied to the laser irradiation surface, and a sandy powder obtained by crushing sandstone was used as the powder.

具体的には、レーザ出力を1900W、コンクリート表面におけるレーザビーム径を2×27mmとし、1秒間定点照射した(第一工程)。第一工程におけるレーザパワー密度は35 W/mmである。その後、端面の外周領域に沿って48mm/minの速度でレーザ照射位置を移動させた(第二工程)。なお、本実施例では第二工程のレーザ出力を第一工程から増加させていない。Specifically, the laser output was 1900 W, the laser beam diameter on the concrete surface was 2 × 27 mm, and fixed point irradiation was performed for 1 second (first step). The laser power density in the first step is 35 W / mm 2 . Then, the laser irradiation position was moved at a speed of 48 mm / min along the outer peripheral region of the end face (second step). In this embodiment, the laser output of the second step is not increased from the first step.

端面の外周領域を2周レーザ照射した後の試料の外観写真を図11に示す。突合せ端面の外周領域がガラス化しており、2個のコンクリート片が接合されていることが確認できる。 FIG. 11 shows a photograph of the appearance of the sample after irradiating the outer peripheral region of the end face with a laser for two rounds. It can be confirmed that the outer peripheral region of the butt end face is vitrified and the two concrete pieces are joined.

2・・・ガラスバルク体、
4・・・基材部、
6・・・ガラス層、
8・・・気泡。
2 ... Glass bulk body,
4 ... Base material part,
6 ... Glass layer,
8 ... Bubbles.

Claims (12)

砂粒の集合体、岩石又はコンクリートの表面をガラス化するガラスバルク体の製造方法であって、
前記砂粒の集合体、前記岩石及び前記コンクリートはシリカ(SiO)成分を含み、
前記表面にレーザを定点照射し、溶融部を形成させる第一工程と、
前記溶融部が連続して拡大する走査速度で前記レーザの照射位置を移動させ、ガラス層を形成させる第二工程と、を有し、
前記第一工程と前記第二工程を連続して行うこと、
を特徴とするガラスバルク体の製造方法。
A method for producing a glass bulk body that vitrifies the surface of an aggregate of sand grains, rock or concrete.
The aggregate of sand grains, the rock and the concrete contain a silica (SiO 2 ) component.
The first step of irradiating the surface with a laser at a fixed point to form a fused portion,
It has a second step of moving the irradiation position of the laser at a scanning speed at which the molten portion continuously expands to form a glass layer.
Performing the first step and the second step in succession,
A method for producing a glass bulk body.
前記第一工程の予備処理工程として、前記表面にシリカ(SiO)成分を含む粉末を配置すること、
を特徴とする請求項1に記載のガラスバルク体の製造方法。
As a pretreatment step of the first step, arranging a powder containing a silica (SiO 2) component on the surface,
The method for producing a glass bulk body according to claim 1.
前記ガラス層に対して前記予備処理工程、前記第一工程及び前記第二工程を施し、前記ガラス層の厚さを増加させること、
を特徴とする請求項2に記載のガラスバルク体の製造方法。
To increase the thickness of the glass layer by subjecting the glass layer to the pretreatment step, the first step and the second step.
The method for producing a glass bulk body according to claim 2.
前記第二工程において、前記溶融部に前記粉末を供給すること、
を特徴とする請求項2又は3に記載のガラスバルク体の製造方法。
In the second step, supplying the powder to the molten portion,
The method for producing a glass bulk body according to claim 2 or 3.
前記第一工程において、前記表面における前記レーザのパワー密度を3〜15W/mmとすること、
を特徴とする請求項1〜4のうちのいずれかに記載のガラスバルク体の製造方法。
In the first step, the power density of the laser on the surface is set to 3 to 15 W / mm 2 .
The method for producing a glass bulk body according to any one of claims 1 to 4.
前記第二工程において、前記表面における前記レーザのパワー密度を20〜40W/mmとすること、
を特徴とする請求項1〜5のうちのいずれかに記載のガラスバルク体の製造方法。
In the second step, the power density of the laser on the surface is set to 20 to 40 W / mm 2 .
The method for producing a glass bulk body according to any one of claims 1 to 5.
前記第二工程において、前記走査速度を0.01〜2.0m/minとすること、
を特徴とする請求項1〜6のうちのいずれかに記載のガラスバルク体の製造方法。
In the second step, the scanning speed is set to 0.01 to 2.0 m / min.
The method for producing a glass bulk body according to any one of claims 1 to 6.
前記砂の集合体及び/又は前記岩石が、地盤又は海底を掘削する際の掘削領域外縁に存在すること、
を特徴とする請求項1〜7のうちのいずれかに記載のガラスバルク体の製造方法。
The presence of the sand aggregate and / or the rock at the outer edge of the excavation area when excavating the ground or seabed.
The method for producing a glass bulk body according to any one of claims 1 to 7.
高レベル放射性廃棄物を前記溶融部に取り込むこと、
を特徴とする請求項1〜8のうちのいずれかに記載のガラスバルク体の製造方法。
Incorporating high-level radioactive waste into the melt,
The method for producing a glass bulk body according to any one of claims 1 to 8.
前記粉末をコンクリート部材の溝部に配置し、
前記溝部を前記ガラス層で埋めること、
を特徴とする請求項2〜7のうちのいずれかに記載のガラスバルク体の製造方法。
The powder is placed in the groove of the concrete member,
Filling the groove with the glass layer,
The method for producing a glass bulk body according to any one of claims 2 to 7.
砂粒の集合体、岩石又はコンクリートからなる基材部と、
ガラス層と、を有し、
前記基材部と前記ガラス層とが、気泡を有する境界領域を介して連続的に一体化していること、
を特徴とするガラスバルク体。
An aggregate of sand grains, a base material made of rock or concrete, and
With a glass layer,
The base material portion and the glass layer are continuously integrated with each other via a boundary region having bubbles.
A glass bulk body characterized by.
前記ガラス層が透明性を有していること、
を特徴とする請求項11に記載のガラスバルク体。
The glass layer has transparency,
The glass bulk body according to claim 11.
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