(57)【要約】【課題】本発明は、粘土の陽イオン交換容量と結合水の厚さとの対応関係に基づき短時間且つ簡便に粘土鉱物の結合水の厚さを推定することにより、優れた粘土鉱物の保水性及び保湿性の評価方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、粘土鉱物の保水性及び保湿性を結合水の厚さｃに基づき評価する方法において、以下の式より求まる結合水の厚さｃより粘土鉱物の保水性及び保湿性を評価することを特徴とする。  ｃ＝ａ（χ−１）／２                                            （１）  χ＝１−０．０１２０ＣＥＣ＋０．００１２９ＣＥＣ２               （２）     但し、ａは粘土鉱物層の厚さ、ＣＥＣは陽イオン交換容量（ｍｅｑ／１００ｇ）とする。【選択図】    図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粘土鉱物の保水性及び保湿性を結合水の厚さｃに基づき評価する方法において、以下の式より求まる結合水の厚さｃより粘土鉱物の保水性及び保湿性を評価することを特徴とする粘土鉱物の保水性及び保湿性評価方法。
ｃ＝ａ（χ−１）／２
χ＝１−０．０１２０ＣＥＣ＋０．００１２９ＣＥＣ２ 
但し、ａは粘土鉱物層の厚さ、ＣＥＣは陽イオン交換容量（ｍｅｑ／１００ｇ）とする。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木工学、地盤工学、コロイド化学、表面化学の分野に関し、特に粘土鉱物の保水性及び保湿性を評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粘土の保水性及び保湿性は、地盤工学などにおける粘土の利用上、もっとも重要な性能の一つである。保水性及び保湿性の大小は、粘土鉱物表面にある結合水の厚さの大小として定量化できる。粘土材料の設計に当たっては、この結合水の厚さを実測し、使用目的に応じて、粘土濃度等を調整する必要がある。
従来の結合水の厚さの計測方法としては、さまざまな濃度の粘土コロイド試料を調整し、パルス磁場勾配を用いたスピンエコー法で計測する核磁気共鳴（ＮＭＲ）を利用する方法（以下「従来技術１」という。）、及び、分子動力学を用いた大規模計算機シミュレーションで推定する方法（以下「従来技術２」という。）が知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来技術１の核磁気共鳴（ＮＭＲ）を利用する方法では、試料調整及び核磁気共鳴計測に多くの時間がかかるという問題があった。
また、従来技術２の大規模計算機シミュレーションで推定する方法では、膨大な計算時間と高度な計算機環境が要求されるという問題があった。
本発明は、粘土の陽イオン交換容量と結合水の厚さとの対応関係に基づき短時間且つ簡便に粘土鉱物の結合水の厚さを推定することにより、優れた粘土鉱物の保水性及び保湿性の評価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】
【０００４】
本発明者は、これまでに蓄積してきた核磁気共鳴（ＮＭＲ）データを分析した結果、粘土の陽イオン交換容量と結合水の厚さに明白な対応関係があることを発見した。
この知見に基づき、本発明はなされたものであって、粘土鉱物の保水性及び保湿性を結合水の厚さｃに基づき評価する方法において、以下の式より求まる結合水の厚さｃより粘土鉱物の保水性及び保湿性を評価することを特徴とする。
ｃ＝ａ（χ−１）／２                                            （１）
χ＝１−０．０１２０ＣＥＣ＋０．００１２９ＣＥＣ２                  （２）  
但し、ａは粘土鉱物層の厚さ、ＣＥＣは陽イオン交換容量（ｍｅｑ／１００ｇ）とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）粘土鉱物層の厚さａは既知、例えば１ｎｍであり、また、陽イオン交換容量ＣＥＣの値は粘土の基礎物性データとしてかならず計測されているから、上記式（２）あるいは同式を図で表したものに基づき、陽イオン交換容量ＣＥＣからχを求め、χ及びａの値を式（１）に代入することにより、簡単に粘土鉱物の結合水の厚さｃを求めることができる。
（２）時間・費用のかかる核磁気共鳴（ＮＭＲ）実験及び分子動力学シミュレーションを行う必要がないことから、粘土材料設計の効率化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明に係る粘土鉱物の保水性及び保湿性評価方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。  
【実施例１】
【０００７】
図１は、粘土コロイドの模式図を示したものである。
自由水の水分子１は、結合水４、４をまとった粘土鉱物３からなる障害物２を回避しながらランダムウオークして移動するので、結合水４の厚さｃが大きいほど拡散係数は低下する。
【０００８】
図２は、障害物２の体積と粘土鉱物３の体積の比を説明するため平板状の粘土鉱物を側面から見た概念図であり、障害物２の粘土鉱物３層の厚さをａ、結合水４の厚さをｃとしたとき、障害物２の体積と粘土鉱物３の体積の比χは、
χ＝（ａ＋２ｃ）／ａ                                            （３）
で表される。
【０００９】
図３は、自由水の拡散シミュレーション用の粘土コロイドモデルの一例であり、χ＝５の場合に相当し、１００×１００×１００の画素からなる３次元格子を示したものである。暗い画素５が障害物２を示し、明るい画素６が自由水が拡散移動できるスペースを示している。なお、同図における粘土鉱物３の体積分率は３％である。
【００１０】
本発明者は、まず、さまざまな種類の膨潤性粘土鉱物についてさまざまな濃度のコロイドを調整し、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光装置を用いて、パルス磁場勾配を併用したスピン・エコー法によって、約２０−６０℃の温度範囲で、コロイド中の自由水の水分子１の自己拡散係数の粘土濃度依存性および温度依存性を計測した。サポナイト粘土に関する実験データを図４に示す。図４と同じデータを、各温度でのバルクの水の自己拡散係数で規格化して、縦軸を再計算したものを図５に示す。５種類の温度に関するデータが、図５では、同じ曲線上に乗っていることが注目される。図５のこの曲線は、障害物２の効果を反映したものである。
【００１１】
そこで、障害物２の規格化された拡散係数への影響を定量的に見積もるために図３のような粘土コロイドのモデルを立てて、自由水１の自己拡散の計算機シミュレーションをした。図３では、３次元空間にランダムに配置された障害物２（結合水（拡散係数をゼロと近似）を両面につけた粘土鉱物）を回避しながら、自由水１がランダムウォークで自己拡散している。
シミュレーション結果を図６に示す。ただし図６では、粘土鉱物の比重を、2.7と仮定して、粘土濃度を重量分率から体積分率に換算している。図６によって、コロイド中の
粘土濃度とχ値が規格化された拡散係数へおよぼす影響を定量的に把握できる。
【００１２】
図５の核磁気共鳴（ＮＭＲ）データを図６の計算機シミュレーションで解析したのが図７である。
最小二乗法を用いて、χ値が５．７の場合が、もっとも核磁気共鳴（ＮＭＲ）データに適合していることが分かった。
したがって、サポナイトの場合、χ値は５．７である。aの値を1 nmとすると、（１） 式より、cの値は、約２．４ｎｍになる。一方、サポナイト試料のＣＥＣ（CATION EXCHANGE  CAPACITY)値は71 meq/100gなので, （２）式よりχの予言値は約６．７、その値を（１）式に代入して ｃの予言値は約２．８ｎｍになる。これらのχとｃの数値は、上記の実測値と良く合う。
【００１３】
他の５種類の粘土鉱物について、同様のＮＭＲ実験を行い、同じ計算機シミュレーシ 
ョン結果でデータ解析をした結果、図８を得た。図８は、χ値とＣＥＣ値との間に単純な関数関係が存在することを強く示唆している。物理化学的に見れば、陽イオン交換容量ＣＥＣは粘土鉱物層の負電荷の強さを表しており、一方χは負電荷に引きつけられる水分子（極性分子）の量である。したがって、両者の間に、（２）式のような単調増加の関係があることは鉱物科学上妥当な事柄である。
【００１４】
図８は、月布産モンモリロナイト、ワイオミング州産モンモリロナイト、サポナイト、クニミネ社製ヘクトライト、コープケミカル社製ヘクトライト及びスチーブンサイトの６種類の粘土鉱物に関する、陽イオン交換容量ＣＥＣとχの値の関係を実験的な値に基づいて示したものである。黒線のカーブは、データポイントから陽イオン交換容量ＣＥＣの二次の多項式で最小二乗回帰した曲線であり、具体的には、
χ＝１−０．０１２０ＣＥＣ＋０．００１２９ＣＥＣ２  
という現象論的な式の曲線を示している。  
【００１５】
上記の曲線から、粘土鉱物の陽イオン交換容量ＣＥＣからχを求めることができる。
粘土鉱物３層の厚さａは既知、例えば１ｎｍなので、上記の（１）式  ｃ＝ａ（χ−１）／２から、当該粘土鉱物３の結合水４の厚さｃを求めることができる。             
【００１６】
この関係を用いれば、たとえば、地盤工学における廃棄物の隔離用として粘土を使用する場合、与えられた陽イオン交換容量の粘土を用いて、狙い通りの水のバリア能力を発揮させるめには、粘土濃度を何％に調整すれば良いかが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】粘土コロイドの模式図を示したものである。
【図２】障害物２の体積と粘土鉱物３の体積の比を説明するための概念図である。
【図３】自由水の拡散シミュレーション用の粘土コロイドモデルの一例を示したものである。
【図４】サポナイト粘土に関する核磁気共鳴の実験結果を示したものである。
【図５】図４と同じデータを、各温度でのバルクの水の自己拡散係数で規格化して、縦軸を再計算したものを示したものである。
【図６】各温度でのバルクの水の値で規格化した水の自己拡散係数の計算機シミュレーション結果を示したものである。
【図７】図５の核磁気共鳴データを図６の計算機シミュレーションで解析したものである。
【図８】６種類の粘土鉱物に関する、陽イオン交換容量とχの値の関係を実験的な値に基づいて示したものである。
【符号の説明】
【００１８】
１    自由水の分子
２    障害物
３    粘土鉱物
４    結合水
５    暗い画素
６    明るい画素
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図３】
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