大理石の表面処理方法および床用大理石
【課題】ひび割れの発生や大理石の強度低下等を招くことなく大理石表面に良好な滑り止め効果を付与することができ、その効果を長期間持続させることができる大理石の表面処理方法を提供する。
【解決手段】大理石１の表面にシリカを含有する液体を塗布して乾燥させた後、当該大理石表面にレーザ光２を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃に加熱することにより、当該大理石の主成分である炭酸カルシウムと上記液体中のシリカとの反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化する。
【解決手段】大理石１の表面にシリカを含有する液体を塗布して乾燥させた後、当該大理石表面にレーザ光２を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃に加熱することにより、当該大理石の主成分である炭酸カルシウムと上記液体中のシリカとの反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物の床、階段の踏板、歩道の表面等を構成する床用大理石およびその表面処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、建築空間の意匠性の観点から、鏡面状態に磨かれた大理石を床材として使用することが多く行われている。しかしながら、このような鏡面仕上げの大理石床は、特に雨水などで濡れている場合は滑りやすくなり、歩行者の転倒事故を引き起こす虞がある。このため、鏡面仕上げの大理石を床材として使用する場合には、その表面を何らかの方法で加工して滑り止め効果を付与する必要がある。
【０００３】
一般的な床用石材等の表面に滑り止め効果を付与する方法としては、例えば、（１）床材表面に滑り止め効果のあるフィルムを接着する方法、（２）床材表面に滑り止め効果のある塗料を塗布する方法、（３）床材表面に化学薬品を塗布して表面層を浸食させることにより表面にミクロ的な孔を無数に形成する方法（例えば、特許文献１参照）などが知られている。また、御影石のような花崗岩類の床材の場合には、（４）レーザ光を床材表面に照射して、その熱衝撃により照射箇所を爆裂させることにより表面に凹凸を形成し粗面化する方法（例えば、特許文献２および特許文献３参照）が知られている。
【０００４】
しかしながら、（１）および（２）の方法は、使用される防滑フィルムや塗料が表面から剥がれる、早期に摩耗するといった耐久性の問題があり、（３）の方法は、化学薬品の使用により、表面が変色することがある。また、形成された孔の深さが０．００７〜０．０１ｍｍ程度しかないため、摩耗により孔が早期に消滅してしまい、防滑効果が長続きしないという問題もある。
【０００５】
一方、（４）の方法は、熱衝撃による爆裂現象を利用するものであるが、この爆裂現象は、表面を加熱した際に、花崗岩に含まれる石英が約５５０℃以上の温度でα石英からβ石英に移行する際の異常膨張特性に起因して、石英がホップアップし、その周囲に存在する他の鉱物も二次的に表面から剥離することにより発生するものである。しかし、主成分を炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とする大理石は石英を殆ど含まないため、この方法を大理石表面の粗面化処理に適用することはできない。
【０００６】
また、振動する工具などを用いて大理石表面を機械的に粗面化し滑り止め効果を得ることも可能であるが、大理石は硬くて脆い材料であるため、振動する工具を用いて表面を粗面化しようとすると、ひび割れが発生しやすいという問題点がある。また、既設の大理石床をこの方法で粗面化する場合は、騒音や振動が生じる上に、ほこりの大量発生もあるので、周辺の住民、建物の居住者や利用者に不快感を与えるという問題もある。
【０００７】
【特許文献１】特開平０７−３２４４６２号公報
【特許文献２】特開平０６−０９２７５４号公報
【特許文献３】特開２００３−２９３５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ひび割れの発生や大理石の強度低下等を招くことなく大理石表面に良好な滑り止め効果を付与することができ、その効果を長期間持続させることができる大理石の表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る大理石の表面処理方法は、大理石の表面を部分的に３５０〜９５０℃に加熱し、その表面に予め塗布したシリカ（ＳｉＯ2）成分と大理石の主成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを上記温度で反応させることにより、大理石表面の加熱箇所を粗面化させ滑り止め効果を得るものである。その反応式は、文献（V.I Babushkin, 「Thermodynamics of Silicates」, Spring-Verlag, 1985, p.98-99）等にも記載されているように、以下の通りとなる。
【００１０】
ｘＣａＣＯ3＋ｙＳｉＯ2
→ ｘＣａＯ・ｙＳｉＯ2（固体）＋ｘＣＯ2（気体） ・・・（１）
【００１１】
しかしながら、大理石は高温で強度が低下する特性があるため、例えば、炉内で３５０℃以上の温度に基材全体を加熱すると、強度が大幅に低下し、大理石が割れてしまう可能性が高い。ガスバーナによる加熱の場合も、入熱の制御が難しいため、同様の理由で強度が大幅に低下し、大理石が割れてしまう可能性が高い。
【００１２】
そこで、本発明においては、強度の低下を招かない表面加熱方法として、レーザ光による表面加熱を利用する。レーザ光は、高いエネルギー密度を有し、かかるレーザ光の照射により表面層のみが瞬時に加熱されてその後瞬時に冷却されることとなるため、基材内部は加熱の影響を受けない。また、レーザ光は、入熱の制御に優れているため、必要な入熱のみを基材表面に与え、強度低下の原因となる過大な入熱を容易に避けることができる。
【００１３】
本発明はかかる知見に基づきなされたもので、請求項１に記載の本発明に係る大理石の表面処理方法は、大理石の表面にシリカを含有する液体（塗布剤）を塗布して乾燥させた後、当該大理石表面にレーザ光を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃に加熱することにより、当該大理石の主成分である炭酸カルシウムと上記液体中のシリカとの反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化することを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、上記照射箇所の加熱温度を３５０〜９５０℃とするのは、９５０℃を超えると、上記照射箇所に微細なひび割れが発生する一方、３５０℃未満では、反応式（１）に示した反応が起きず、充分な摩擦係数が得られないためである。なお、作業効率や滑り止め性能等を考慮すれば、上記照射箇所の加熱温度を４５０〜６００℃とすることがより望ましい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の大理石の表面処理方法において、上記レーザ光を大理石表面に対して相対的に移動させながら照射することにより、その移動軌跡に沿って大理石表面を粗面化することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の大理石の表面処理方法において、上記シリカを含有する液体が、珪酸ナトリウム水溶液または珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４に記載の本発明に係る床用大理石は、請求項１〜３の何れかに記載の表面処理方法によって表面処理されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大理石の表面を局部的に３５０〜９５０℃に加熱し、その表面に予め塗布したシリカ（ＳｉＯ2）成分と大理石の主成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを上記温度で反応させることにより、大理石表面の加熱箇所を粗面化するようにしたので、大理石表面に良好な滑り止め効果を付与することができ、その効果を長期間持続させることができる。
また、レーザ光の照射により大理石の表層部のみを瞬時に加熱・冷却して、基材内部に加熱の影響が及ばないようにしたため、大理石の強度低下や、ひび割れの発生を効果的に防止することができる。
【００１９】
また、レーザ光の照射により粗面化処理を行うようにしたので、レーザ照射条件（レーザの出力、大理石に対するレーザ光の相対移動速度、大理石表面上のレーザ光のエネルギー密度、レーザ光の照射範囲など）の選定により、粗面化の処理速度や粗さの程度、粗面化する範囲等を自由に調整することができる。また、比較的低い加熱温度で粗面化処理を行うことができるため、投入エネルギーも少なくて済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る大理石の表面処理方法の一実施形態について説明する。この表面処理方法は、大理石の表面にシリカを含有する液体を塗布する第１工程と、大理石表面にレーザ光を照射して照射部分を粗面化する第２工程とを有する。
【００２１】
先ず、第１工程では、鏡面仕上げの大理石表面にシリカを含む液体（以下、塗布剤と称する。）を薄く塗布して、これを適度に乾燥させる処理を行う。
具体的に、上記塗布剤としては、珪酸ナトリウム水溶液、珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液を好適に使用することができる他、珪酸カリウム水溶液、珪酸リチウム水溶液、またはこれらの溶液にコロイダルシリカを加えた混合液などを使用することも可能である。
【００２２】
上記塗布剤として珪酸ナトリウム水溶液を使用した場合には、鏡面仕上げの大理石表面に均一に塗布できるような適度な粘性に容易に調整することができるとともに、大理石表面に対する充分な接着性を得ることができ、レーザ照射中に塗膜が剥がれないという利点を有する。上記適度な粘性を得るには、珪酸ナトリウム水溶液のシリカ（ＳｉＯ2）含有量が３０〜３６重量％程度になるように調整することが望ましい。
【００２３】
一方、珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液を使用した場合には、球状で数十ナノメートルの大きさのコロイダルシリカ粒子のボールベアリング効果により、珪酸ナトリウム水溶液単独の場合に比べて、施工性が格段に良くなる。このため、大理石表面に塗布むらの無い薄くて均一な塗膜を形成することができる。この混合液を使用する場合には、そのシリカ（ＳｉＯ2）含有量が４０重量％程度になるように調整することが望ましい。
【００２４】
これら塗布剤の塗布量は、そのシリカ（ＳｉＯ2）含有量によるが、シリカ分としての塗布量が１０〜３０ｇ／ｍ2となるように調整することが望ましい。
なお、必要に応じて、塗布剤に少量のバインダーを添加し、当該バインダーにより塗膜と大理石表面との接着性を確保するようにしてもよい。
【００２５】
次いで、第２工程では、図１に示すように、表面に塗膜が形成された大理石１に対してレーザ加工ヘッド４を相対的に移動させながら、大理石表面にレーザ光２を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃（望ましくは４５０〜６００℃）に加熱することにより、前述した反応式（１）に示した反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化する。これにより、大理石表面に、上記移動軌跡に沿って帯状の粗面化領域５（以下、粗面化帯と称する。）を形成することができ、図２および図３に示すように、これを大理石の表面全体に亘って形成することにより、必要な滑り止め効果を得ることができる。なお、粗面化帯５以外の領域は鏡面仕上げの光沢がそのまま残ることとなるので、意匠性もある程度維持することができる。
【００２６】
粗面化帯５の形成パターンとしては、例えば図２に示すように、大理石１の表面全体に亘って、複数の直線状の粗面化帯５を互いに平行に所定ピッチ毎に形成するものや、図３に示すように、互いに交差させて格子状に形成するものなどが挙げられるが、所望の滑り止め効果を発揮するものであれば如何なる態様のものであってもよい。また、各粗面化帯５の形状は、直線的なものであっても、曲線的なものであってもよい。粗面化帯５の幅や相互の間隔は、必要とする滑り止め性能を考慮して決定することができるが、通常は大理石の表面全体に占める粗面化帯５の面積（粗面化帯５の幅×総長さ）の割合が３０％以上であれば良好な滑り止め性能が得られるため、この割合を上回るように、粗面化帯５の幅や相互の間隔を設定することが望ましい。
【００２７】
また、大理石表面に照射するレーザとしては、炭酸ガスレーザ（波長：１０．６μｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長：１．０６μｍ）、半導体レーザ或いはファイバーレーザ（波長：０．６〜１．５μｍ）などを利用することが可能である。なお、炭酸ガスレーザ光は、他の種類のレーザ光に比べて大理石に対する吸収率が格段に高いため、炭酸ガスレーザを利用することにより、他のレーザに比べて効率的に粗面化作業を実施できる。また、レーザ加工条件（レーザ出力、大理石表面上のレーザビームの直径、レーザと大理石の相対移動速度など）は、必要とされる滑り止め性能に応じて適宜に設定することができる。レーザ出力に関しては、数十ワット以上であれば粗面化加工が可能であるが、生産性の面からは１００Ｗ以上であることが望ましい。
【００２８】
なお、図１の例では、レーザ発振器本体３とレーザ加工ヘッド４とが一体に構成されているが、必ずしも一体でなくともよい。その場合、反射ミラー等を用いることにより、レーザ発振器本体３から発生するレーザ光２をレーザ加工ヘッド４に導くことができる。
【００２９】
次に、本発明の効果を実施例により明らかにする。
［実施例１］
鏡面磨きの大理石表面に、前処理として珪酸ナトリウム水溶液（シリカ含有量：３３重量％）を均一に塗布した。このときの珪酸ナトリウム水溶液の塗布量は４０ｇ／ｍ2であり、シリカ分としての塗布量は１３．２ｇ／ｍ2（４０ｇ／ｍ2×０．３３％）であった。
【００３０】
約１時間室温（２５℃）で乾燥させた後に、以下の照射条件にてレーザ照射を行い、図４に示すような粗面化帯を５ｍｍの間隔で大理石表面に形成した。
・レーザの種類 ： 炭酸ガスレーザ
・レーザ出力 ： １００Ｗ（連続出力）
・ビーム径 ： ４ｍｍ
・大理石表面上のレーザ光のエネルギー密度： ７９６Ｗ／ｃｍ2
・レーザ光と大理石の相対移動速度 ： １０，０００ｍｍ／ｍｉｎ
・隣接する粗面化帯の間隔 ： ５．０ｍｍ
【００３１】
比較例１として、表面に珪酸ナトリウム水溶液が塗布されていない大理石を用意し、この大理石に対しても、実施例１と全く同じ条件でレーザ照射を行った。
【００３２】
前処理として珪酸ナトリウム水溶液を塗布した実施例１の大理石の場合には、その表面に平均幅１．８ｍｍの粗面化帯が形成され、粗面化帯の面積の割合が３６％となった。
一方、前処理無しでレーザ照射を行った比較例１の大理石は、レーザ照射により若干変色したが、全く粗面化しなかった。
【００３３】
実施例１および比較例１の大理石の他に、鏡面仕上げのままの無処理の大理石を比較例２として用意し、それぞれの滑り抵抗を評価した。ここでは、各大理石の滑り抵抗を評価するため、米国材料試験協会規格ＡＳＭ８２５付属のスリップ・メータを用いて、大理石表面が石鹸水に濡れた状態で、硬質ゴムに対する摩擦係数を測定した。その結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
上記結果から、実施例１の摩擦係数が比較例１，２よりも高いこと、すなわち、鏡面磨き大理石の表面に前処理として珪酸ナトリウム水溶液を均一に塗布した後にレーザ照射を行うことにより、高い滑り止め効果が得られることが分かる。また、レーザ照射による粗面化処理後、粗面化帯およびその周辺を調べたところ、ひび割れは発生していなかった。
【００３６】
なお、上記実施例１においては、レーザ光と大理石の相対移動速度（以下、レーザ光の走行速度と称する。）を１０，０００ｍｍ／ｍｉｎに設定したが、この速度は、作業効率等を考慮して適宜に変更することが可能である。しかし、この速度を変えると、表２に示すように、レーザ照射箇所の最高到達温度や摩擦係数も変化することとなるため、それを考慮して当該速度を設定する必要がある。
【００３７】
【表２】
【００３８】
図５〜図８は、表２の測定値に基づいて作成したグラフで、図５は、レーザ光の走行速度と最高到達温度との関係を示すグラフ、図６は、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合の最高到達温度と摩擦係数の関係を示すグラフ、図７は、珪酸ナトリウム水溶液を塗布しない場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフ、図８は、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【００３９】
図５に示すように、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合よりも、塗布しない場合の方がレーザ照射箇所の最高到達温度が若干高くなる。また、図７に示すように、珪酸ナトリウム水溶液を塗布しない場合には、レーザ光の走行速度が変化しても（すなわち、最高到達温度が変化しても）、摩擦係数に大きな変化はなく、摩擦係数が０．３９を上回ることはない。
【００４０】
これに対して、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合には、図８に示すように、レーザ光の走行速度の変化に応じて摩擦係数も変化し、測定範囲内の何れの走行速度においても摩擦係数が０．３９以上となる。しかしながら、レーザ光の走行速度が５，０００ｍｍ／ｍｉｎ未満においては、レーザ照射箇所に微細なひび割れが発生する一方、レーザ光の走行速度が１５，０００ｍｍ／ｍｉｎを超えると、反応式（１）に示した反応が起きず、充分な摩擦係数が得られないことから、実施例１の照射条件下（走行速度を除く）では、レーザ光の走行速度を５，０００〜１５，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲、最高到達温度を３５０〜９５０℃の範囲（図６参照）とする必要があり、作業効率や滑り止め性能等を考慮すると、レーザ光の走行速度を７，５００〜１０，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲、最高到達温度を約４５０〜６００℃の範囲（図６参照）とすることが望ましい。レーザ光の走行速度を５，０００〜１５，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲とした場合には、摩擦係数が０．３９〜０．５９となり、７，５００〜１０，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲の範囲とした場合には、摩擦係数が０．５３〜０．５９となる。
【００４１】
［実施例２］
珪酸ナトリウム水溶液（シリカ含有量：３６重量％）２部に対して、コロイダルシリカ（日産化学株式会社製のスノーテックス５０（登録商標）、ＳｉＯ2含有量：４８重量％、粒子径２０〜３０ｎｍ）を１部加えた混合塗布剤（シリカ含有量：４０重量％）を用意し、これを鏡面磨きの大理石表面に均一に塗布した。このときの混合塗布剤の塗布量は６０ｇ／ｍ2であり、シリカ分としての塗布量は２４ｇ／ｍ2であった。
【００４２】
この実施例２においては、珪酸ナトリウム水溶液にコロイダルシリカを加えたことにより、珪酸ナトリウム水溶液単独の場合（実施例１）に比べて施工性が格段に良くなり、均一な塗膜をより短時間で形成できることが確認された。
また、室温で乾燥させてから実施例１と同じ条件でレーザ照射を行い、摩擦係数の測定を行ったところ、実施例１の場合と同程度の滑り止め効果が得られることが確認された。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、大理石の表面を局部的に３５０〜９５０℃に加熱し、その表面に予め塗布したシリカ（ＳｉＯ2）成分と大理石の主成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを上記温度で反応させることにより、大理石表面の加熱箇所を粗面化するようにしたので、大理石表面に良好な滑り止め効果を付与することができ、その効果を長期間持続させることができる。
また、レーザ光の照射により大理石の表層部のみを瞬時に加熱・冷却して、基材内部に加熱の影響が及ばないようにするとともに、比較的低い加熱温度で粗面化処理を行うようにしたため、大理石の強度低下や、ひび割れの発生を効果的に防止することができる。
また、機械的な衝撃が大理石に加わることもないため、騒音や振動、粉塵等の発生を防止することもできる。
【００４４】
さらに、レーザ光の照射により粗面化処理を行うようにしたので、レーザ照射条件（レーザの出力、大理石に対するレーザ光の相対移動速度、大理石表面上のレーザ光のエネルギー密度、レーザ光の照射範囲など）の選定により、粗面化の処理速度や粗さの程度、粗面化する範囲等を自由に調整することができる。
また、レーザ光の照射により粗面化処理を行うため、粗面化する部分以外については、大理石表面の光沢をそのまま残すことができ、意匠性を損なうことなく滑り止め効果を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る大理石の粗面化方法の一実施形態を説明するための斜視図である。
【図２】粗面化帯の形成パターンの一例を示す斜視図である。
【図３】粗面化帯の形成パターンの一例を示す斜視図である。
【図４】実施例１の粗面化帯の形成パターンを示す平面図である。
【図５】レーザ光の走行速度と最高到達温度との関係を示すグラフである。
【図６】珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合の最高到達温度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【図７】珪酸ナトリウム水溶液を塗布しない場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【図８】珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１ 大理石
２ レーザ光
３ レーザ発振器本体
４ レーザ加工ヘッド
５ 粗面化帯
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物の床、階段の踏板、歩道の表面等を構成する床用大理石およびその表面処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、建築空間の意匠性の観点から、鏡面状態に磨かれた大理石を床材として使用することが多く行われている。しかしながら、このような鏡面仕上げの大理石床は、特に雨水などで濡れている場合は滑りやすくなり、歩行者の転倒事故を引き起こす虞がある。このため、鏡面仕上げの大理石を床材として使用する場合には、その表面を何らかの方法で加工して滑り止め効果を付与する必要がある。
【０００３】
一般的な床用石材等の表面に滑り止め効果を付与する方法としては、例えば、（１）床材表面に滑り止め効果のあるフィルムを接着する方法、（２）床材表面に滑り止め効果のある塗料を塗布する方法、（３）床材表面に化学薬品を塗布して表面層を浸食させることにより表面にミクロ的な孔を無数に形成する方法（例えば、特許文献１参照）などが知られている。また、御影石のような花崗岩類の床材の場合には、（４）レーザ光を床材表面に照射して、その熱衝撃により照射箇所を爆裂させることにより表面に凹凸を形成し粗面化する方法（例えば、特許文献２および特許文献３参照）が知られている。
【０００４】
しかしながら、（１）および（２）の方法は、使用される防滑フィルムや塗料が表面から剥がれる、早期に摩耗するといった耐久性の問題があり、（３）の方法は、化学薬品の使用により、表面が変色することがある。また、形成された孔の深さが０．００７〜０．０１ｍｍ程度しかないため、摩耗により孔が早期に消滅してしまい、防滑効果が長続きしないという問題もある。
【０００５】
一方、（４）の方法は、熱衝撃による爆裂現象を利用するものであるが、この爆裂現象は、表面を加熱した際に、花崗岩に含まれる石英が約５５０℃以上の温度でα石英からβ石英に移行する際の異常膨張特性に起因して、石英がホップアップし、その周囲に存在する他の鉱物も二次的に表面から剥離することにより発生するものである。しかし、主成分を炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とする大理石は石英を殆ど含まないため、この方法を大理石表面の粗面化処理に適用することはできない。
【０００６】
また、振動する工具などを用いて大理石表面を機械的に粗面化し滑り止め効果を得ることも可能であるが、大理石は硬くて脆い材料であるため、振動する工具を用いて表面を粗面化しようとすると、ひび割れが発生しやすいという問題点がある。また、既設の大理石床をこの方法で粗面化する場合は、騒音や振動が生じる上に、ほこりの大量発生もあるので、周辺の住民、建物の居住者や利用者に不快感を与えるという問題もある。
【０００７】
【特許文献１】特開平０７−３２４４６２号公報
【特許文献２】特開平０６−０９２７５４号公報
【特許文献３】特開２００３−２９３５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ひび割れの発生や大理石の強度低下等を招くことなく大理石表面に良好な滑り止め効果を付与することができ、その効果を長期間持続させることができる大理石の表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る大理石の表面処理方法は、大理石の表面を部分的に３５０〜９５０℃に加熱し、その表面に予め塗布したシリカ（ＳｉＯ2）成分と大理石の主成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを上記温度で反応させることにより、大理石表面の加熱箇所を粗面化させ滑り止め効果を得るものである。その反応式は、文献（V.I Babushkin, 「Thermodynamics of Silicates」, Spring-Verlag, 1985, p.98-99）等にも記載されているように、以下の通りとなる。
【００１０】
ｘＣａＣＯ3＋ｙＳｉＯ2
→ ｘＣａＯ・ｙＳｉＯ2（固体）＋ｘＣＯ2（気体） ・・・（１）
【００１１】
しかしながら、大理石は高温で強度が低下する特性があるため、例えば、炉内で３５０℃以上の温度に基材全体を加熱すると、強度が大幅に低下し、大理石が割れてしまう可能性が高い。ガスバーナによる加熱の場合も、入熱の制御が難しいため、同様の理由で強度が大幅に低下し、大理石が割れてしまう可能性が高い。
【００１２】
そこで、本発明においては、強度の低下を招かない表面加熱方法として、レーザ光による表面加熱を利用する。レーザ光は、高いエネルギー密度を有し、かかるレーザ光の照射により表面層のみが瞬時に加熱されてその後瞬時に冷却されることとなるため、基材内部は加熱の影響を受けない。また、レーザ光は、入熱の制御に優れているため、必要な入熱のみを基材表面に与え、強度低下の原因となる過大な入熱を容易に避けることができる。
【００１３】
本発明はかかる知見に基づきなされたもので、請求項１に記載の本発明に係る大理石の表面処理方法は、大理石の表面にシリカを含有する液体（塗布剤）を塗布して乾燥させた後、当該大理石表面にレーザ光を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃に加熱することにより、当該大理石の主成分である炭酸カルシウムと上記液体中のシリカとの反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化することを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、上記照射箇所の加熱温度を３５０〜９５０℃とするのは、９５０℃を超えると、上記照射箇所に微細なひび割れが発生する一方、３５０℃未満では、反応式（１）に示した反応が起きず、充分な摩擦係数が得られないためである。なお、作業効率や滑り止め性能等を考慮すれば、上記照射箇所の加熱温度を４５０〜６００℃とすることがより望ましい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の大理石の表面処理方法において、上記レーザ光を大理石表面に対して相対的に移動させながら照射することにより、その移動軌跡に沿って大理石表面を粗面化することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の大理石の表面処理方法において、上記シリカを含有する液体が、珪酸ナトリウム水溶液または珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４に記載の本発明に係る床用大理石は、請求項１〜３の何れかに記載の表面処理方法によって表面処理されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大理石の表面を局部的に３５０〜９５０℃に加熱し、その表面に予め塗布したシリカ（ＳｉＯ2）成分と大理石の主成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを上記温度で反応させることにより、大理石表面の加熱箇所を粗面化するようにしたので、大理石表面に良好な滑り止め効果を付与することができ、その効果を長期間持続させることができる。
また、レーザ光の照射により大理石の表層部のみを瞬時に加熱・冷却して、基材内部に加熱の影響が及ばないようにしたため、大理石の強度低下や、ひび割れの発生を効果的に防止することができる。
【００１９】
また、レーザ光の照射により粗面化処理を行うようにしたので、レーザ照射条件（レーザの出力、大理石に対するレーザ光の相対移動速度、大理石表面上のレーザ光のエネルギー密度、レーザ光の照射範囲など）の選定により、粗面化の処理速度や粗さの程度、粗面化する範囲等を自由に調整することができる。また、比較的低い加熱温度で粗面化処理を行うことができるため、投入エネルギーも少なくて済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る大理石の表面処理方法の一実施形態について説明する。この表面処理方法は、大理石の表面にシリカを含有する液体を塗布する第１工程と、大理石表面にレーザ光を照射して照射部分を粗面化する第２工程とを有する。
【００２１】
先ず、第１工程では、鏡面仕上げの大理石表面にシリカを含む液体（以下、塗布剤と称する。）を薄く塗布して、これを適度に乾燥させる処理を行う。
具体的に、上記塗布剤としては、珪酸ナトリウム水溶液、珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液を好適に使用することができる他、珪酸カリウム水溶液、珪酸リチウム水溶液、またはこれらの溶液にコロイダルシリカを加えた混合液などを使用することも可能である。
【００２２】
上記塗布剤として珪酸ナトリウム水溶液を使用した場合には、鏡面仕上げの大理石表面に均一に塗布できるような適度な粘性に容易に調整することができるとともに、大理石表面に対する充分な接着性を得ることができ、レーザ照射中に塗膜が剥がれないという利点を有する。上記適度な粘性を得るには、珪酸ナトリウム水溶液のシリカ（ＳｉＯ2）含有量が３０〜３６重量％程度になるように調整することが望ましい。
【００２３】
一方、珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液を使用した場合には、球状で数十ナノメートルの大きさのコロイダルシリカ粒子のボールベアリング効果により、珪酸ナトリウム水溶液単独の場合に比べて、施工性が格段に良くなる。このため、大理石表面に塗布むらの無い薄くて均一な塗膜を形成することができる。この混合液を使用する場合には、そのシリカ（ＳｉＯ2）含有量が４０重量％程度になるように調整することが望ましい。
【００２４】
これら塗布剤の塗布量は、そのシリカ（ＳｉＯ2）含有量によるが、シリカ分としての塗布量が１０〜３０ｇ／ｍ2となるように調整することが望ましい。
なお、必要に応じて、塗布剤に少量のバインダーを添加し、当該バインダーにより塗膜と大理石表面との接着性を確保するようにしてもよい。
【００２５】
次いで、第２工程では、図１に示すように、表面に塗膜が形成された大理石１に対してレーザ加工ヘッド４を相対的に移動させながら、大理石表面にレーザ光２を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃（望ましくは４５０〜６００℃）に加熱することにより、前述した反応式（１）に示した反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化する。これにより、大理石表面に、上記移動軌跡に沿って帯状の粗面化領域５（以下、粗面化帯と称する。）を形成することができ、図２および図３に示すように、これを大理石の表面全体に亘って形成することにより、必要な滑り止め効果を得ることができる。なお、粗面化帯５以外の領域は鏡面仕上げの光沢がそのまま残ることとなるので、意匠性もある程度維持することができる。
【００２６】
粗面化帯５の形成パターンとしては、例えば図２に示すように、大理石１の表面全体に亘って、複数の直線状の粗面化帯５を互いに平行に所定ピッチ毎に形成するものや、図３に示すように、互いに交差させて格子状に形成するものなどが挙げられるが、所望の滑り止め効果を発揮するものであれば如何なる態様のものであってもよい。また、各粗面化帯５の形状は、直線的なものであっても、曲線的なものであってもよい。粗面化帯５の幅や相互の間隔は、必要とする滑り止め性能を考慮して決定することができるが、通常は大理石の表面全体に占める粗面化帯５の面積（粗面化帯５の幅×総長さ）の割合が３０％以上であれば良好な滑り止め性能が得られるため、この割合を上回るように、粗面化帯５の幅や相互の間隔を設定することが望ましい。
【００２７】
また、大理石表面に照射するレーザとしては、炭酸ガスレーザ（波長：１０．６μｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長：１．０６μｍ）、半導体レーザ或いはファイバーレーザ（波長：０．６〜１．５μｍ）などを利用することが可能である。なお、炭酸ガスレーザ光は、他の種類のレーザ光に比べて大理石に対する吸収率が格段に高いため、炭酸ガスレーザを利用することにより、他のレーザに比べて効率的に粗面化作業を実施できる。また、レーザ加工条件（レーザ出力、大理石表面上のレーザビームの直径、レーザと大理石の相対移動速度など）は、必要とされる滑り止め性能に応じて適宜に設定することができる。レーザ出力に関しては、数十ワット以上であれば粗面化加工が可能であるが、生産性の面からは１００Ｗ以上であることが望ましい。
【００２８】
なお、図１の例では、レーザ発振器本体３とレーザ加工ヘッド４とが一体に構成されているが、必ずしも一体でなくともよい。その場合、反射ミラー等を用いることにより、レーザ発振器本体３から発生するレーザ光２をレーザ加工ヘッド４に導くことができる。
【００２９】
次に、本発明の効果を実施例により明らかにする。
［実施例１］
鏡面磨きの大理石表面に、前処理として珪酸ナトリウム水溶液（シリカ含有量：３３重量％）を均一に塗布した。このときの珪酸ナトリウム水溶液の塗布量は４０ｇ／ｍ2であり、シリカ分としての塗布量は１３．２ｇ／ｍ2（４０ｇ／ｍ2×０．３３％）であった。
【００３０】
約１時間室温（２５℃）で乾燥させた後に、以下の照射条件にてレーザ照射を行い、図４に示すような粗面化帯を５ｍｍの間隔で大理石表面に形成した。
・レーザの種類 ： 炭酸ガスレーザ
・レーザ出力 ： １００Ｗ（連続出力）
・ビーム径 ： ４ｍｍ
・大理石表面上のレーザ光のエネルギー密度： ７９６Ｗ／ｃｍ2
・レーザ光と大理石の相対移動速度 ： １０，０００ｍｍ／ｍｉｎ
・隣接する粗面化帯の間隔 ： ５．０ｍｍ
【００３１】
比較例１として、表面に珪酸ナトリウム水溶液が塗布されていない大理石を用意し、この大理石に対しても、実施例１と全く同じ条件でレーザ照射を行った。
【００３２】
前処理として珪酸ナトリウム水溶液を塗布した実施例１の大理石の場合には、その表面に平均幅１．８ｍｍの粗面化帯が形成され、粗面化帯の面積の割合が３６％となった。
一方、前処理無しでレーザ照射を行った比較例１の大理石は、レーザ照射により若干変色したが、全く粗面化しなかった。
【００３３】
実施例１および比較例１の大理石の他に、鏡面仕上げのままの無処理の大理石を比較例２として用意し、それぞれの滑り抵抗を評価した。ここでは、各大理石の滑り抵抗を評価するため、米国材料試験協会規格ＡＳＭ８２５付属のスリップ・メータを用いて、大理石表面が石鹸水に濡れた状態で、硬質ゴムに対する摩擦係数を測定した。その結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
上記結果から、実施例１の摩擦係数が比較例１，２よりも高いこと、すなわち、鏡面磨き大理石の表面に前処理として珪酸ナトリウム水溶液を均一に塗布した後にレーザ照射を行うことにより、高い滑り止め効果が得られることが分かる。また、レーザ照射による粗面化処理後、粗面化帯およびその周辺を調べたところ、ひび割れは発生していなかった。
【００３６】
なお、上記実施例１においては、レーザ光と大理石の相対移動速度（以下、レーザ光の走行速度と称する。）を１０，０００ｍｍ／ｍｉｎに設定したが、この速度は、作業効率等を考慮して適宜に変更することが可能である。しかし、この速度を変えると、表２に示すように、レーザ照射箇所の最高到達温度や摩擦係数も変化することとなるため、それを考慮して当該速度を設定する必要がある。
【００３７】
【表２】
【００３８】
図５〜図８は、表２の測定値に基づいて作成したグラフで、図５は、レーザ光の走行速度と最高到達温度との関係を示すグラフ、図６は、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合の最高到達温度と摩擦係数の関係を示すグラフ、図７は、珪酸ナトリウム水溶液を塗布しない場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフ、図８は、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【００３９】
図５に示すように、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合よりも、塗布しない場合の方がレーザ照射箇所の最高到達温度が若干高くなる。また、図７に示すように、珪酸ナトリウム水溶液を塗布しない場合には、レーザ光の走行速度が変化しても（すなわち、最高到達温度が変化しても）、摩擦係数に大きな変化はなく、摩擦係数が０．３９を上回ることはない。
【００４０】
これに対して、珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合には、図８に示すように、レーザ光の走行速度の変化に応じて摩擦係数も変化し、測定範囲内の何れの走行速度においても摩擦係数が０．３９以上となる。しかしながら、レーザ光の走行速度が５，０００ｍｍ／ｍｉｎ未満においては、レーザ照射箇所に微細なひび割れが発生する一方、レーザ光の走行速度が１５，０００ｍｍ／ｍｉｎを超えると、反応式（１）に示した反応が起きず、充分な摩擦係数が得られないことから、実施例１の照射条件下（走行速度を除く）では、レーザ光の走行速度を５，０００〜１５，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲、最高到達温度を３５０〜９５０℃の範囲（図６参照）とする必要があり、作業効率や滑り止め性能等を考慮すると、レーザ光の走行速度を７，５００〜１０，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲、最高到達温度を約４５０〜６００℃の範囲（図６参照）とすることが望ましい。レーザ光の走行速度を５，０００〜１５，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲とした場合には、摩擦係数が０．３９〜０．５９となり、７，５００〜１０，０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲の範囲とした場合には、摩擦係数が０．５３〜０．５９となる。
【００４１】
［実施例２］
珪酸ナトリウム水溶液（シリカ含有量：３６重量％）２部に対して、コロイダルシリカ（日産化学株式会社製のスノーテックス５０（登録商標）、ＳｉＯ2含有量：４８重量％、粒子径２０〜３０ｎｍ）を１部加えた混合塗布剤（シリカ含有量：４０重量％）を用意し、これを鏡面磨きの大理石表面に均一に塗布した。このときの混合塗布剤の塗布量は６０ｇ／ｍ2であり、シリカ分としての塗布量は２４ｇ／ｍ2であった。
【００４２】
この実施例２においては、珪酸ナトリウム水溶液にコロイダルシリカを加えたことにより、珪酸ナトリウム水溶液単独の場合（実施例１）に比べて施工性が格段に良くなり、均一な塗膜をより短時間で形成できることが確認された。
また、室温で乾燥させてから実施例１と同じ条件でレーザ照射を行い、摩擦係数の測定を行ったところ、実施例１の場合と同程度の滑り止め効果が得られることが確認された。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、大理石の表面を局部的に３５０〜９５０℃に加熱し、その表面に予め塗布したシリカ（ＳｉＯ2）成分と大理石の主成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを上記温度で反応させることにより、大理石表面の加熱箇所を粗面化するようにしたので、大理石表面に良好な滑り止め効果を付与することができ、その効果を長期間持続させることができる。
また、レーザ光の照射により大理石の表層部のみを瞬時に加熱・冷却して、基材内部に加熱の影響が及ばないようにするとともに、比較的低い加熱温度で粗面化処理を行うようにしたため、大理石の強度低下や、ひび割れの発生を効果的に防止することができる。
また、機械的な衝撃が大理石に加わることもないため、騒音や振動、粉塵等の発生を防止することもできる。
【００４４】
さらに、レーザ光の照射により粗面化処理を行うようにしたので、レーザ照射条件（レーザの出力、大理石に対するレーザ光の相対移動速度、大理石表面上のレーザ光のエネルギー密度、レーザ光の照射範囲など）の選定により、粗面化の処理速度や粗さの程度、粗面化する範囲等を自由に調整することができる。
また、レーザ光の照射により粗面化処理を行うため、粗面化する部分以外については、大理石表面の光沢をそのまま残すことができ、意匠性を損なうことなく滑り止め効果を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る大理石の粗面化方法の一実施形態を説明するための斜視図である。
【図２】粗面化帯の形成パターンの一例を示す斜視図である。
【図３】粗面化帯の形成パターンの一例を示す斜視図である。
【図４】実施例１の粗面化帯の形成パターンを示す平面図である。
【図５】レーザ光の走行速度と最高到達温度との関係を示すグラフである。
【図６】珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合の最高到達温度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【図７】珪酸ナトリウム水溶液を塗布しない場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【図８】珪酸ナトリウム水溶液を塗布した場合のレーザ光の走行速度と摩擦係数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１ 大理石
２ レーザ光
３ レーザ発振器本体
４ レーザ加工ヘッド
５ 粗面化帯
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大理石の表面にシリカを含有する液体を塗布して乾燥させた後、当該大理石表面にレーザ光を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃に加熱することにより、当該大理石の主成分である炭酸カルシウムと上記液体中のシリカとの反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化することを特徴とする大理石の表面処理方法。
【請求項２】
上記レーザ光を大理石表面に対して相対的に移動させながら照射することにより、その移動軌跡に沿って大理石表面を粗面化することを特徴とする請求項１に記載の大理石の表面処理方法。
【請求項３】
上記シリカを含有する液体が、珪酸ナトリウム水溶液または珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液であることを特徴とする請求項１または２に記載の大理石の表面処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の表面処理方法によって表面が粗面化された床用大理石。
【請求項１】
大理石の表面にシリカを含有する液体を塗布して乾燥させた後、当該大理石表面にレーザ光を照射して照射箇所を３５０〜９５０℃に加熱することにより、当該大理石の主成分である炭酸カルシウムと上記液体中のシリカとの反応を引き起こし、上記照射箇所を粗面化することを特徴とする大理石の表面処理方法。
【請求項２】
上記レーザ光を大理石表面に対して相対的に移動させながら照射することにより、その移動軌跡に沿って大理石表面を粗面化することを特徴とする請求項１に記載の大理石の表面処理方法。
【請求項３】
上記シリカを含有する液体が、珪酸ナトリウム水溶液または珪酸ナトリウム水溶液とコロイダルシリカの混合液であることを特徴とする請求項１または２に記載の大理石の表面処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の表面処理方法によって表面が粗面化された床用大理石。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２２７４７２（Ｐ２００９−２２７４７２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７０８５４（Ｐ２００８−７０８５４）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]