(57)【要約】【課題】非火薬破砕組成物における破砕性能を維持しつつ、有毒ガスの発生を低減する。【解決手段】本発明の非火薬破砕組成物は、燃焼時にテルミット反応を生じるテルミット剤と、層状複水酸化物、又は塩基性炭酸塩から構成され、燃焼時の前記テルミット剤のテルミット反応を受けて熱分解ガスを発生させるガス発生剤と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼時にテルミット反応を生じるテルミット剤と、
層状複水酸化物、又は塩基性炭酸塩から構成され、燃焼時の前記テルミット剤のテルミット反応を受けて熱分解ガスを発生させるガス発生剤と、
を有することを特徴とする非火薬破砕組成物。
【請求項２】
請求項１に記載の非火薬破砕組成物において、
前記層状複水酸化物は、二価金属をＭII、三価金属をＭIII、ｎ価の陰イオンをＡｎ−、ｍを水和数としたときに、一般式［ＭII１−ＸＭIIIＸ（ＯＨ）２］（Ａｎ−）Ｘ／ｎ・ｍＨ２Ｏで表され、
前記二価金属ＭIIは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｃｕのいずれかであり、
前記三価金属ＭIIIは、Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｎのいずれかであり、
前記Ａｎ−は、ＣＯ３２−である
ことを特徴とする非火薬破砕組成物。
【請求項３】
請求項１に記載の非火薬破砕組成物において、
前記塩基性炭酸塩を構成する金属種は、アルカリ土類金属である
ことを特徴とする非火薬破砕組成物。
【請求項４】
請求項３に記載の非火薬破砕組成物において、
前記アルカリ土類金属は、Ｍｇであることを特徴とする非火薬破砕組成物。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の非火薬破砕組成物において、
前記層状複水酸化物又は前記塩基性炭酸塩は、２５０μｍ以上２０００μｍ未満の粒子径範囲であることを特徴とする非火薬破砕組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、岩石、岩盤、コンクリート等の脆性体を破砕する非火薬破砕組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
非火薬破砕組成物は、火薬類取締法で指定される火薬類以外の成分で構成された組成物である。この非火薬破砕組成物は、例えば岩石、岩盤、コンクリート等（以下、脆性体と呼ぶ）の穿孔、いわゆるボアホールに充填、閉塞され、閉塞後の着火燃焼に起因したテルミット反応により発生する熱分解ガス（水蒸気ガス、炭酸ガス等）のガス圧を利用して、脆性体を瞬時に引張破砕（破壊）するものである。
【０００３】
上述した非火薬破砕組成物において、流動性が良好で、ガス発生量が多く、高温下においても製品安定性能を備えたものとして、例えば酸化第二銅及びアルミニウムからなるテルミット剤と、ポリカーボネート樹脂又はポリアセタール樹脂のプラスチック粉体（石油系合成樹脂）からなるガス発生剤とを混合し、さらに有機質バインダーを混入して造粒したものが考案されている（特許文献１参照）。また、テルミット剤、カリ明礬（カリウム明礬）又はアンモニウム明礬からなるガス発生剤及び有機質バインダーの他に、ステアリン酸カルシウムからなる鈍感化剤を混合することで裸火に対する安全性を向上させたものも考案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５８０５５６５号公報
【特許文献２】特許第３６８８８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周知のように、テルミット剤における燃焼は、テルミット反応による急激な樹脂分解反応を利用するものであり、例えば特許文献１に開示される非火薬破砕組成物の場合、非火薬破砕組成物に含まれるプラスチック粉体の不完全な分解燃焼を生じやすい。特にポリアセタール樹脂を用いた非火薬破砕組成物において、ガス発生剤の不完全な分解燃焼が生じると、毒性及び可燃性を有するホルムアルデヒドが高濃度で発生しやすいため、ガスが滞留しやすい場所での非火薬破砕組成物の使用には細心の注意が必要である。
【０００６】
また、特許文献２に開示される非火薬破砕組成物の場合、着火燃焼時に水蒸気の他、亜硫酸ガス等の硫黄酸化物が比較的高濃度で発生する。硫黄酸化物は毒性が高く動植物に対し危険を及ぼす可能性が高い。したがって、特許文献２に開示される非火薬破砕組成物の場合も、ガスが滞留しやすい場所での非火薬破砕組成物の使用には細心の注意が必要である。また、この他に、硫黄酸化物の発生に起因して、大気汚染や酸性雨などが発生する虞もあり、周囲環境に悪影響を与えてしまうという懸念がある。
【０００７】
本発明は、斯かる要望に応えるために為されたもので、非火薬破砕組成物における破砕性能を維持しつつ、有毒ガスの発生を低減することができる非火薬破砕組成物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明の非火薬破砕組成物は、燃焼時にテルミット反応を生じるテルミット剤と、層状複水酸化物、又は塩基性炭酸塩から構成され、燃焼時の前記テルミット剤のテルミット反応を受けて熱分解ガスを発生させるガス発生剤と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、前記層状複水酸化物は、二価金属をＭII、三価金属をＭIII、ｎ価の陰イオンをＡｎ−、ｍを水和数としたときに、一般式［ＭII１−ＸＭIIIＸ（ＯＨ）２］（Ａｎ−）Ｘ／ｎ・ｍＨ２Ｏで表され、前記二価金属ＭIIは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｃｕのいずれかであり、前記三価金属ＭIIIは、Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｎのいずれかであり、前記Ａｎ−は、ＣＯ３２−であることが好ましい。
【００１０】
また、前記塩基性炭酸塩を構成する金属種は、アルカリ土類金属であることが好ましい。なお、前記アルカリ土類金属は、Ｍｇであることが好適である。
【００１１】
また、前記層状複水酸化物又は前記塩基性炭酸塩は、２５０μｍ以上２０００μｍ未満の粒子径範囲であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非火薬破砕組成物における破砕性能を維持しつつ、有毒ガスの発生を低減することで環境負荷を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】粒子径範囲が異なるハイドロタルサイトをガス発生剤として用いた非火薬破砕組成物の性能試験の結果を示す図である。
【図２】異なるガス発生剤を用いた非火薬破砕組成物を燃焼させたときに発生するガスの評価試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の非火薬破砕組成物について詳細に説明する。
【００１５】
本発明の非火薬破砕組成物は、テルミット剤と、層状複水酸化物、又は塩基性炭酸塩から構成されたガス発生剤とを混合して造粒することにより得られる。以下、非火薬破砕組成物として、上述したテルミット剤とガス発生剤とを混合し造粒したものを例に挙げて説明するが、造粒したガス発生剤の表面にテルミット剤をコーティングしたものであってもよい。
【００１６】
テルミット剤は、酸化剤及び還元剤から構成され、燃焼させたときにテルミット反応を生じさせるものである。酸化剤としては、例えば酸化第二銅、酸化第二鉄、酸化第三鉄、酸化ニッケル（II）又は酸化モリブデン（VI）のいずれか一種類の金属酸化物、又は二種類以上の金属酸化物が用いられる。また、還元剤としては、例えばアルミニウム、マグネシウム、マンガン、チタン等が用いられる。なお、テルミット反応時の発生熱量やテルミット剤の製造コスト等を考慮した場合、テルミット剤として用いる酸化剤及び還元剤の組み合わせは、酸化第二銅及びアルミニウムの組み合わせが一般的に用いられる。
【００１７】
ここで、テルミット剤における酸化剤及び還元剤の配合組成は、用いる金属酸化物や金属の種類によって異なる。例えば酸化第二銅及びアルミニウムを用いてテルミット剤を製造する際の配合組成（重量比：ｗｔ％）は、酸化第二銅：アルミニウム＝９０：１０〜６０：４０の範囲内である。酸化第二銅及びアルミニウムの重量比のより好ましい範囲は、酸化第二銅：アルミニウム＝８８：１２〜６４：３６の範囲であり、更に好ましい範囲は、酸化第二銅：アルミニウム＝８１．６：１８．４〜７７：２３の範囲である。なお、酸化第二銅は粒子径範囲０．５〜１０μｍの金属粒子を使用し、アルミニウムは粒子径範囲１０〜１００μｍの金属粒子を使用する。
【００１８】
ガス発生剤は、燃焼するテルミット剤のテルミット反応を受けて燃焼し、熱分解ガスを発生する。
【００１９】
ガス発生剤は、層状複水酸化物、又は塩基性炭酸塩から構成される。例えば、層状複水酸化物は、一般式［ＭII１−ＸＭIIIＸ（ＯＨ）２］（Ａｎ−）Ｘ／ｎ・ｍＨ２Ｏで示される化合物である。ここで、記号ＭIIは二価金属を、記号ＭIIIは三価金属を、記号Ａｎ−はｎ価の陰イオンをそれぞれ示す。また、記号ｍは水和数である。ここで、二価金属ＭIIは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ，Ｚｎ，Ｃｕのいずれかであり、三価金属ＭIIIは、Ａｌ，Ｆｅ，Ｍｎのいずれかであり、さらに、Ａｎ−はＣＯ３２−である。
【００２０】
具体的には、層状複水酸化物は、ハイドロタルサイト（Ｍｇ６Ａｌ２（ＣＯ３）（ＯＨ）１６・４Ｈ２Ｏ）、デソーテルサイト（Ｍｇ６Ｍｎ２（ＣＯ３）（ＯＨ）１６・４Ｈ２Ｏ）、パイロオーライト（Ｍｇ６Ｆｅ２（ＣＯ３）（ＯＨ）１６・４Ｈ２Ｏ）、スティヒタイト（Ｍｇ６Ｃｒ２（ＣＯ３）（ＯＨ）１６・４Ｈ２Ｏ）、タコバイト（Ｎｉ６Ａｌ２（ＣＯ３）（ＯＨ）１６・４Ｈ２Ｏ）、ｚａｃｃａｇｎａｉｔｅ（Ｚｎ４Ａｌ２（ＣＯ３）（ＯＨ）１２・３Ｈ２Ｏ）などが挙げられる。
【００２１】
塩基性炭酸塩は、アルカリ土類金属を用いた塩基性炭酸塩であり、アルカリ土類金属としては、Ｍｇが挙げられる。具体的には、塩基性炭酸塩は、塩基性炭酸マグネシウムが挙げられる。
【００２２】
層状複水酸化物及び塩基性炭酸塩は、硫黄、窒素、ハロゲン元素を含有していない化合物である。したがって、層状複水酸化物及び塩基性炭酸塩は、燃焼反応及び熱分解反応において、硫黄化合物、窒素酸化物、ハロゲン系の毒性ガスを発生することはなく、周囲環境への影響は少ない。
【００２３】
層状複水酸化物及び塩基性炭酸塩をガス生成剤として用いる場合、層状複水酸化物及び塩基性炭酸塩の平均粒子径は、２５０〜２０００μｍの粒子径範囲である。
【００２４】
次に、非火薬破砕組成物の調合方法を説明する。以下、ガス発生剤として層状複水酸化物であるハイドロタルサイトを用いた場合を説明する。
１）ハイドロタルサイトを、共沈法及び水熱合成法を用いて生成する。ハイドロタルサイトの生成は、一例として以下の通りである。
【００２５】
構成金属の塩化物前駆体をＮａＯＨ水溶液とともにＮａ２ＣＯ３水溶液に滴下する。このとき、溶液のｐＨが１０程度となるように滴下量を調整する。得られた懸濁液をオートクレーブに移し３８３Ｋで２０時間熟成させる。熟成後、沈殿を純水で洗浄し、吸引濾過により炉別した。その後、３８３Ｋで２４時間乾燥させる。
２）生成したハイドロタルサイトを加圧成形機でペレット成形し、メノウ乳鉢でペレットを粉砕する。
３）ＪＩＳ  Ｚ  ８８０１−１（試験用ふるい−第１部：金属製網ふるい）に規定されるふるいを用いて、ＪＩＳ  Ｋ  ００６９（化学薬品のふるい分け試験法）に規定されたふるい分け方法により、メノウ乳鉢で粉砕したハイドロタルサイトのペレットを、平均粒子径２ｍｍ以上、２５０μｍ以上２ｍｍ未満、２５０μｍ未満の粒子径範囲に分級する。
【００２６】
破砕されたハイドロタルサイトを分級する際に、８．６タイラーメッシュ止まりでふるい分けされた粉体を、粒子径範囲２０００μｍ以上の粉体とする。また、８．６タイラーメッシュ通過、６０タイラーメッシュ止まりでふるい分けされる粉体を、粒子径範囲２５０μｍ以上２０００μｍ未満の粉体とする。さらに、６０タイラーメッシュで通過する粉体を、粒子径範囲２５０μｍ未満の粉体とする。
４）アルミニウム粉１１．５重量部に対し、鈍感化剤としてステアリン酸カルシウム２．５重量部を同一容器に入れ、粉体の偏りがないように混合した後、酸化第二銅３８．５重量部を加えて混合して、テルミット剤を生成する。
５）分級されたハイドロタルサイトをテルミット剤に予め設定された量加え、これらを混合する。このとき、最終的に得られる非火薬破砕材組成物粉体の凝集性や仮比重等を調製したい場合に、例えば低分子量メタクリル樹脂、低分子量エチレン酢酸ビニルコポリマー等の樹脂をアセトン等の溶剤に溶解した有機質バインダーを６重量部加え、混練、乾燥してもよい。
【００２７】
まず、粒子径範囲が異なるハイドロタルサイトをガス発生剤として用いた非火薬破砕組成物の性能試験結果を図１に示す。図１に示すように、実施例１の非火薬破砕組成物は、粒子径範囲２５０μｍ以上２０００μｍ未満のハイドロタルサイトを用いている。また、実施例２の非火薬破砕組成物は、粒子径範囲２０００μｍ以上のハイドロタルサイトを用いている。また、実施例３の非火薬破砕組成物は、粒子径範囲２５０μｍ未満のハイドロタルサイトを用いている。なお、実施例１から実施例３に示す非火薬破砕組成物のいずれもが、テルミット剤とハイドロタルサイトとの配合組成（重量比：ｗｔ％）は、テルミット剤：ハイドロタルサイト（ガス発生剤）＝５０：５０である。
【００２８】
性能試験は、非火薬破砕組成物の燃焼時のガス発生圧力の計測試験を行った。
＜燃焼時のガス発生圧力の計測試験＞
燃焼時のガス発生圧力の計測試験は、以下の手順で実施された。
１）実施例１から実施例３の配合組成で配合した破砕薬剤０．８ｇを、直径約７ｍｍ、肉厚０．１ｍｍのアルミニウム製の管体に充填する。
２）０．２ｇのボロン−酸化銅着火薬カプセルを装着した白金線付き脚線を管体に装着した後、かしめることで、供試体を生成する。
３）生成した供試体を治具に嵌め込んだ後、ガス漏れを防止する対策として、供試体と治具との隙間にエポキシ樹脂を充填する。
４）ひずみゲージ（ＫＹＯＷＡ製  ＰＧＭ−２００ＫＥ）を取り付けた１０ｃｃ密閉タンクに供試体を螺着する。
５）脚線に通電を行い着火薬を点火させることで、管体を破砕して１０ｃｃ密閉タンクの内部に放出される分解燃焼ガスの圧力をひずみゲージにより測定する。
【００２９】
図１に示すように、実施例１の非火薬破砕組成物は、燃焼時のガス発生圧力は６．９６ＭＰａであった。また、実施例２の非火薬破砕組成物は、燃焼時のガス発生圧力は５．１７ＭＰａであった。実施例３の非火薬破砕組成物は、燃焼時のガス発生圧力は６．２８ＭＰａであった。つまり、実施例１の非火薬破砕組成物が、燃焼時のガス発生圧力が最も高い数値であることがわかった。その結果、ハイドロタルサイトの平均粒子径として、２５０μｍ以上２０００μｍ未満の粒子径範囲を用いることが良好であることがわかった。
【００３０】
次に、異なるガス発生剤を用いた非火薬破砕組成物を燃焼させたときに発生するガス圧を測定する発生圧力試験及び発生ガスの組成を分析するガス組成分析試験を行った。図２は、ガス発生圧力試験及び発生するガス組成分析試験の結果を示す。図２に示す実施例４から実施例７及び比較例１の非火薬破砕組成物に用いたガス発生剤の平均粒子径は、２５０μｍ以上２０００μｍ未満の粒子径範囲である。また、図２に示す実施例４の非火薬破砕組成物は、図１に示す実施例１の非火薬破砕組成物と同一である。
【００３１】
ガス組成分析試験は、例えば組成物が分解燃焼したときの発生ガスを分析して、有害性の指標を求めるものである。
【００３２】
ガス組成分析試験は、以下の手順で実施した。
１）実施例４、実施例５、実施例６、実施例７及び比較例１の配合組成にて配合した破砕薬剤０．８ｇを、直径約７ｍｍ、肉厚０．１ｍｍのアルミニウム製の管体に充填する。
【００３３】
ここで、実施例４の非火薬破砕組成物は、ハイドロタルサイトをガス発生剤として用い、テルミット剤とガス発生剤との配合組成（重量比：ｗｔ％）をテルミット剤：ガス発生剤＝５０：５０として配合した非火薬破砕組成物である。実施例５の非火薬破砕組成物は、パイロオーライトをガス発生剤として用い、テルミット剤とガス発生剤との配合組成（重量比：ｗｔ％）をテルミット剤：ガス発生剤＝５０：５０として配合した非火薬破砕組成物である。なお、パイロオーライト及びデソーテルサイトの生成は、ハイドロタルサイトの生成方法に準拠する。
【００３４】
実施例６の非火薬破砕組成物は、デソーテルサイトをガス発生剤として用い、テルミット剤とガス発生剤との配合組成（重量比：ｗｔ％）をテルミット剤：ガス発生剤＝５０：５０として配合した非火薬破砕組成物である。実施例７の非火薬破砕組成物は、塩基性炭酸マグネシウムをガス発生剤として用い、テルミット剤とガス発生剤との配合組成（重量比：ｗｔ％）をテルミット剤：ガス発生剤＝５０：５０として配合した非火薬破砕組成物である。
【００３５】
比較例１の非火薬破砕組成物は、上述した特許文献２の非火薬破砕組成物である。詳細には、比較例１の非火薬破砕組成物は、カリウム明礬１２水和物をガス発生剤として用い、テルミット剤とガス発生剤との配合組成（重量比：ｗｔ％）をテルミット剤：ガス発生剤＝５０：５０として配合した非火薬破砕組成物である。
２）０．２ｇのボロン−酸化銅着火薬カプセルを装着した白金線付き脚線を、管体に装着し、かしめを行うことで供試体を生成する。
３）生成した供試体を治具に嵌め込んだ後、ガス漏れを防止する対策として、供試体と治具との隙間にエポキシ樹脂を充填する。
４）１．９３ｃｃ密閉タンクに供試体を螺着する。
５）脚線に通電を行い着火薬を点火させ、管体を破砕して１．９３ｃｃ密閉タンクに接続された１Ｌガスサンプリングバッグに流し込んだ燃焼ガスをガスタイトシリンジで５０ｃｃ吸引し、別のガスサンプリングバッグ内で１０倍に希釈する。なお、燃焼ガスは、空気を用いて希釈される。
６）ガス検知器（ＲＡＥ  ｓｙｓｔｅｍｓ社製  ＭｕｌｔｉＲＡＥ  Ｌｉｔｅ及びＭｉｎｉＲＡＥ３０００）にて、希釈された燃焼ガスを計測し、燃焼ガスの組成データを記録する。
【００３６】
図２に示すように、実施例４の非火薬破砕組成物の燃焼時のガス発生圧力は、６．９６Ｍｐａ、実施例５の非火薬破砕組成物の燃焼時のガス発生圧力は、６．８１Ｍｐａであった。また、実施例６の非火薬破砕組成物の燃焼時のガス発生圧力は、６．８６Ｍｐａ、実施例７の非火薬破砕組成物の燃焼時のガス発生圧力は、６．７７Ｍｐａであった。一方、比較例１の非火薬破砕組成物の燃焼時のガス発生圧力は、８．４５Ｍｐａであった。例えば比較例１の非火薬破砕組成物の燃焼時のガス発生圧力８．４５Ｍｐａの８０％圧力は６．７６ＭＰａである。したがって、実施例４、実施例５、実施例６及び実施例７の非火薬破砕組成物は、燃焼させたときのガス発生圧力が、比較例１の非火薬破砕組成物を燃焼させたときのガス発生圧力の８０％以上となることがわかった。
【００３７】
比較例１の場合、非火薬破砕組成物の燃焼時に発生するガスには、硫化水素、硫黄酸化物が含まれており、その値は、２００ＰＰＭ以上となることがわかった。その一方で、実施例４、実施例５、実施例６及び実施例７の場合、非火薬破砕組成物の燃焼時に発生するガスには、硫化水素、硫黄酸化物は検出限界以下であることがわかった。
【００３８】
したがって、図２に示す性能試験の結果を考慮すると、実施例４、実施例５、実施例６及び実施例７の非火薬破砕組成物は、従来の非火薬破砕組成物の８０％程度のガス発生圧力性能を有しており、破砕性能の低下を最小限とすることができる。同時に、実施例４、実施例５、実施例６及び実施例７の非火薬破砕組成物は、燃焼時に硫黄系の有毒ガスが発生しない。その結果、実施例４、実施例５、実施例６及び実施例７の非火薬破砕組成物は、従来の非火薬破砕組成物に比べて、作業性を大幅に改善することが可能となる。
【００３９】
なお、非火薬破砕組成物を製造する際に用いた配合物質を以下に示す。
・アルミニウム：東洋アルミニウム株式会社製商品名ＰＦ０１００Ｓ
・ステアリン酸カルシウム：関東化学株式会社製試薬鹿一級
・酸化第二銅：日新ケムコ株式会社製
・塩基性炭酸マグネシウム：和光純薬工業株式会社製試薬一級
・カリウム明礬：和光純薬工業株式会社製試薬一級
【図１】
2018111614.tif 000003
【図２】
2018111614.tif 000004