JP3688855B2 - 非火薬破砕組成物 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非火薬破砕組成物に係り、特に、非火薬破砕組成物の小ガス炎着火感度を低減することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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から成る組成物であって、これは専用の着火具で燃焼反応させると、成分中の結晶水が急激に気化し主として水蒸気ガスを発生する。
従って、これを適度な間隔に配置した密閉空間、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し閉塞後、着火具で着火燃焼させれば、その発生ガス圧によって脆性体を瞬時に引張破砕（破壊）させるものである。
【０００３】
このような脆性体を破壊する従来からの技術としては、最も汎用的な方法である火薬類による破壊手段、或いは建設重機、油圧割岩機等による機械的破砕手段、又は石灰等を主成分とする膨張性破砕剤による破砕方法等がある。
火薬類による破壊手段では、先ず消費許可を取得し、その後実際の施工に移るが、消費許可が認可されるまでに１〜ｌ．５ケ月を要し、緊急の場合には対応しきれない面があるばかりか、苦労して取得した消費許可も実際の施工による地盤振動、騒音等のために施工方法の変更を余儀なくされる場合もある。
【０００４】
一方、建設重機等による破砕方法では、施工に起因する地盤振動、騒音については許容レベル以下であっても、施工効率が劣るために施工期間が長くなり、採用には至らなくなる場合もある。
同様に、膨張性破砕剤を用いた施工法は、地盤振動、騒音が殆ど発生せず極めて環境に優しいが、やや施工速度が遅く、而も施工単価が高いという欠点がある。
【０００５】
これらの欠点を補い施工効率の優れた施工方法を提供するために、低振動・低騒音破砕薬剤ガンサイザー（日本工機株式会社製商品名）がある。これは、火薬類を用いた施工方法と全く同じ手順で消費許可を必要とせずに迅速に脆性体を破壊する施工法を提供するもので、ダイナマイト等の産業爆薬を使用したことのある現場作業員には違和感を与えない破砕剤である。
【０００６】
このガンサイザー破砕組成物は、例えば、特開昭６３−３１９２８５号公報、特開平２−２０４３８４号公報、特開平８−１６９７９１号公報等に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この非火薬破砕組成物は、裸火に対する安全性が低く、危険物第２類可燃性固体の識別試験である小ガス炎着火感度試験では第一種可燃性固体に該当し、かねてよりその鈍感化が望まれていた。
【０００８】
非火薬破砕組成物のような金属粉を主とする組成物の裸火に対する危険性評価方法としては、消防法に基づく危険物判定試験方法があり、これには各危険物の類別に応じた各種の試験方法が明記されている。ここで、危険物判定試験方法とは、当該物品が本来有する危険性の性状を正確に把握することにより、一定以上の危険性を有するものを危険物として規制し、貯蔵・取扱い等に関して火災予防上の見地から保安規制するものである。この中で、非火薬破砕組成物に関係する危険性判定試験には小ガス炎着火試験があり、これは危険物第２類に該当するか否か、若し危険物第２類に該当するならば、その中の第一種可燃性固体なのか、第二種可燃性固体なのかを判断する試験法である。
【０００９】
この試験方法によると、これまでの非火薬破砕組成物は、小ガス炎着火試験で３秒以内に着火する易着火性の第一種可燃性固体であった。
そのために、指定数量は１００Ｋｇであって、当該物質単独で１００Ｋｇ以上の貯蔵・取扱いにあっては消防法に基づく特定場所での貯蔵・取扱い許可が必要である。
【００１０】
一方、指定数量以下にあっては、市町村条例に基づく少量危険物の貯蔵・取扱いとして規制されるのみである。
従って、本発明は、危険物第２類第一種可燃性固体である現在の非火薬破砕組成物を危険物第２類第二種可燃性固体以下の鈍感な組成物に感度を低下することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、アルミニウム、酸化第二銅から成るテルミット剤と、明礬から成るガス発生剤と、塩化ビニルから成るバインダーと、ステアリン酸カルシウムから成る小ガス炎感度を低減する鈍感化剤とで構成し、鈍感化剤の含有量が、０．５〜５．０重量％の範囲であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の非火薬破砕組成物において、鈍感化剤の含有量が、０．７〜３．０重量％の範囲であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者は、先ず、非火薬破砕組成物の裸火に対する着火感度、即ち小ガス炎着火感度試験は、組成物の原料成分のうち何が最も火炎に対して敏感であるかを検討した。更に、これを低減するためにはどうすれば良いか、何をどのように利用すべきかを検討した。
【００１６】
その結果、ある種の添加剤を特定の原料に予め混ぜることによって特定の感度を鈍感化することができることを見い出した。
その概要を簡単に記すと、非火薬破砕組成物は、燃料（還元剤）であるアルミニウム、酸化剤である酸化第二銅及びガス発生剤であるカリウム明礬の３主成分からなるが、この何れかの１原料又はこれらの混合物に鈍感化に寄与する添加剤を予め混ぜ込むことによって、当該原料又は混合物を特定の添加剤で被覆してしまうことである。こうした添加剤入り原料又は混合物とその他の成分を再度混和するという２工程から成る配合方法により得た非火薬破砕組成物は、種々の感度特性を持つことが分かった。その一例としてステアリン酸カルシウムの効果について表１に示した。
【表１】

表中、＋記号はそれ以上であることを示す。又、サンドペーパー落槌とはＪｌＳ落槌試験で有意差を生じないため、サンドペーパー（ＣＣ１０００）を用いて実施した。
以上より、添加剤（以下、鈍感化剤と呼ぶ）であるステアリン酸カルシウムは、混合物である破砕剤そのものに外割添加した実験Ｎｏ．２，１０，１１の方が、小ガス炎着火感度等その他の感度が大きく低減する。一方、酸化第二銅に予め混ぜた実験Ｎｏ．８は、鈍感化傾向は弱い。
【００１７】
このように添加剤の種類或いは混和方法によっては少量でもある種の感度を大きく低減できることが分かり、以下のような知見を得て本発明に至ったものである。
（１）ガス発生剤の種類によって加えるべき鈍感化剤の種類と量、特に量が異なる。
【００１８】
（２）非火薬破砕薬剤がアルミニウム、酸化第二銅及びカリウム明礬から成るとき、鈍感化剤はカリウム明礬又はアルミニウムに混ぜた実験Ｎｏ．７又は９の方が、小ガス炎着火感度の鈍感化効果は大きい。
（３）鈍感化剤としては燃料（還元剤）の表面を万遍なく被覆することのできる表面積の大きなものが効果がある。従って、嵩密度の小さなステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸亜鉛であり、そのほか蓚酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、重炭酸ナトリウム、マイクロクリスタリンワックスが好ましい。
【００１９】
（４）鈍感化剤の種類及びガス発生剤との組み合わせによっては、外割０．７重量％の添加量（実験Ｎｏ．４）で小ガス炎着火試験に有効なものもあれば、外割３．０重量％（表１に表示せず）でもそれに無効なものもある。
（５）添加量が外割２．０重量％以上であれば、ステアリン酸塩は何れも小ガス炎着火感度に鈍感化傾向を示す。
【００２０】
ここで、重量％と重量部との関係を記す。
表１の配合比は、何れも重量部で表示したが、表中の重量部はそのまま重量％と置き換えても良い。アルミニウム、酸化第二銅及び明礬の３主成分の合計で丁度１００になるように設計しているからであり、バインダー或いは鈍感化剤は何れも外割重量％になる。
【００２１】
尚、ここでは、カリウム明礬について説明したが、アルミニウム明礬についても同様である。
本発明は、基本的に、現在流通している非火薬破砕組成物の性能を大きく低下することなく、危険物第２類第一種可燃性固体から同類第二種可燃性固体へと鈍感化することを狙って改良するものである。即ち、現在の非火薬破砕組成物の貯蔵又は取扱い指定数量を１００Ｋｇから５００Ｋｇへと緩和し、貯蔵・取扱いを容易にすることを目的に改良したものである。
【００２２】
これまでの非火薬破砕組成物は、仕事効果のみを追求してきたため、非火薬組成物でありながら、例えば火薬類であるコンクリート破砕器と同様な性能を持った破砕薬であって、破壊性能的にも十分な能力を持っている。そこで、多少の仕事効果を犠牲にしてでも、もっと貯蔵及び取扱い量を増やせるようにすることを狙いとした。
【００２３】
仕事効果としては、現状流通している非火薬破砕組成物の９０％以上の脆性体破壊性能を有するものに目標設定した。このような組成物の仕事効果は、一定容積内に閉塞された一定容積の組成物が燃焼反応等で急激に分解しガスを発生するとき、一定時間内に発生するガス量によって、即ちガス発生速度とその量によって決まる。例えば、ガス量が十分であっても反応速度が遅ければ、反応ガス中の水蒸気は周辺媒体を加熱すると同時に冷却され凝縮してしまう。こうなると、ガス圧は急激に低下し、脆性体を破壊する力が弱くなってしまう。従って、一般にこのような組成物の仕事効果は、燃焼反応速度と発生ガス量によって決まり、燃焼速度が密閉状態で１００ｍ／ｓ以下と極めて低下しない限り、弾動臼砲比が９０％以上になるような組成物を得ることを目標とした。
【００２４】
その結果、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム等のステアリン酸塩が最も有効で、そのほか炭酸マグネシウム、重炭酸ナトリウム、蓚酸マグナシウム、マイクロクリスタリンワックス等も有効あることが分かった。
特に、ステアリン酸塩は、非火薬破砕組成物の仕事効果に大きな性能低下を惹起することなく、効果的に小ガス炎着火感度の低下に寄与することが分かった。非火薬破砕組成物の小ガス炎着火機構は、非火薬破砕組成物のテルミット剤が最も裸火に対して敏感であることから、テルミット剤中のアルミニウムが着火源に成るものと判断される。従って、アルミニウムを鈍感化剤で被覆するか、燃料であるアルミニウムと酸化剤である酸化第二銅との接触を断つことによって、テルミット反応を生起しないようにすれば最も有効であろうことは想像される。
【００２５】
そこで、冷却剤と考えられている薬剤として、食塩、重炭酸ナトリウム及び炭酸マグネシウムは有効であろうことは想像に難くない。又、同じ被覆であっても、一定量の例えばアルミニウムを同一重量の被覆剤で被覆するには嵩比重が低く、微粒子のものほど被覆効果は上がることは自明である。
冷却剤の作用機能は、それ自身裸火に対して鈍感で、比較的融点或いは分解温度の低いものであれば有効である。今、小ガス炎着火感度の鈍感化だけについて着眼すると、前述の通りアルミニウムが発火する温度より低い温度で分解、或いは溶融するようなものは、その状態変化の際に熱を奪うため、目的とする混合組成物の熱的感度が鈍感になる。このような作用機構で本非火薬破砕組成物の小ガス炎着火感度が鈍感になるものと解釈される。
【００２６】
一方、本非火薬破砕組成物の衝撃感度（落槌感度或いはピックハンマーによる衝撃感度）が鈍感になる機構についても同様に推理される。即ち、本非火薬破砕組成物のような可燃性固体から成る危険物等の衝撃発火機構を調査してみると、発火（反応開始）の発端は摩擦熱に起因するものが大半である。
従って、前述のように着火源と成る要素（成分）を熱的に鈍感化する或いは燃料と酸化剤の接触を断ってやれば、目的は達せられる筈である。後述する実施例を示す表２の結果を見ても、小ガス炎着火感度試験で鈍感化効果のあるものはピックハンマーによる衝撃感度試験でも鈍感化傾向が認められている。
【００２７】
【実施例】
（実施例）
実施例の組成、性能を表２に示した。
実施例１から８はそれぞれ鈍感化剤の種類を変えたものであり、実施例９〜１３は鈍感化剤の添加量効果を確認したもの、実施例１４はガス発生剤としてアンモニウム明礬を用いた場合の鈍感化効果を調査したものである。
【００２８】
実施例１、２は、通常花火等煙火業界で良く使われる冷却剤（炭酸マグネシウム：融点３５０℃、重炭酸ナトリウム：融点２７０℃）を用いたものである。
即ち、有色煙薬等ではこれらの冷却剤を用いることによって鮮やかな有色煙を発生させることができる。これらの目的は、反応温度の上昇を抑えることによって、成分中の染料の燃焼を防止し、ガス担持体にその染料を付着させ鮮やかな有色煙を発生させるものである。
【００２９】
実施例３〜８は、先の冷却剤と同様の効果を狙って鈍感化効果を確認したものである。即ち、実施例３，４は、鈍感化剤に低融点（蓚酸マグネシウム：２５０〜２７０℃分解、マイクロクリスタリンワックス：融点９２℃）のものを利用したものであり、実施例５（ステアリン酸亜鉛：融点１３０℃）、実施例６（ステアリン酸アルミニウム：融点１０３℃）、実施例７（ステアリン酸マグネシウム：融点８６℃）及び実施例８（ステアリン酸カルシウム：融点１８０℃）は実施例２、４と同様に低融点でありながら嵩密度が低く微粒子であるものを選定して実施したものである。嵩比重の低いステアリン酸塩の中では、融点の高いカルシウム塩の方が、小ガス炎着火感度試験では良好な結果を与える傾向にあることが分かった。
【００３０】
実施例９〜１３は、鈍感化剤としてステアリン酸カルシウムを用い、その添加量を変えることによって最も有効な量的範囲を調査したものである。一般に、鈍感化剤を増やせば、所望の鈍感化効果が得られることは比較例５、６からも自明である。然し乍ら、本非火薬破砕組成物の脆性体破壊性能を大きく低下することなく小ガス炎着火感度のような特定の感度性能を低下することは困難を伴う。
【００３１】
然し乍ら、鈍感化剤の添加方法によっては、その添加量が外割１重量部以下であっても表２の実施例９〜１１にあるように２工程から成る混合方法に特定すれば、最終目標である小ガス炎着火感度をクリアすることができることを示す。然し、これは製造方法の煩雑さから製品単価が高くなるなどの理由から１工程で得られる組成物で小ガス炎着火感度試験をクリアするような組成物であることが望ましい。
【００３２】
従って、どこまで鈍感化剤を添加すれば１工程で所望の組成物が得られるかを確認したところ、鈍感化剤の添加量が外割２％以上であれば、１工程で所望の小ガス炎着火感度性能のものが得られ、而も脆性体破壊性能の１指標である弾動臼砲比が元の組成物の９０％以上のものが得られることが分かった。
又、鈍感化剤の添加量上限は、実施例１３に記したように、破砕性能は元の性能の９０％以下に低下してしまう可能性があることが分かった。
【００３３】
このように鈍感化剤の小ガス炎着火感度低下の作用機構は、先にも記したように主成分であるアルミニウム、酸化第二銅及び明礬のうち燃料成分であるアルミニウムを本非火薬破砕組成物の最終目的である破砕性能に影響を及ぼさない程度に非着火性にするか、難着火性にすることによって小ガス炎着火感度を低下するものである。
【００３４】
次に、実施例８，９，１０の調合法とその他の実施例の調合法について分けて記す。
先ず、実施例８は、アルミニウム１１．５重量部と酸化第二銅３８．５重量部、カリウム明礬５０重量部及び予めアセトンに溶かしておいた塩化ビニル粉正味１．５重量部を同一容器に入れ、更に適量のアセトンを加えて良く混ぜる。アセトンがほば揮発し固まってきたら、８メッシュの篩で造粒し、それを乾燥させる。乾燥後、鈍感化剤としてステアリン酸カルシウムを２．５重量部とアセトン適量を加えゆっくり混和し、先と同様にアセトンが気化し固まってきたら造粒し、乾燥して得た。
【００３５】
一方、実施例１〜７及び実施例１１〜１４については実施例１を代表に説明する。
先ず、アルミニウム１１．５重量部と酸化第二銅３８．５重量部、カリウム明礬５０重量部及び鈍感化剤としての炭酸マグネシウム２．５重量部と予めアセトンに溶かしておいた塩化ビニル粉正味１．５重量部を同一容器に入れ軽く混ぜ合わせる。次に、適量のアセトンを加えてから各成分が十分に混ざり合うようにゆっくりと而も十分に混ぜ込む。アセトンがほぼ揮発し固まってきたら、８メッシュの篩で造粒し、それを乾燥して得た。
【００３６】
実施例２〜７は、鈍感化剤をそれぞれ重炭酸ナトリウム、蓚酸マグネシウム、マイクロクリスタリンワックス（Ｌｕｖａｘ２１９１）、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸マグネシウムに順次変えたものである。
【００３７】
又、実施例１１〜１３は、ステアリン酸カルシウムを用いて順次添加量を増やしたものであり、実施例１４は実施例８と同じ配合比であるがカリウム明礬の代わりにアンモニウム明礬を用いたものである。
これらの実施例の中でも、鈍感化剤の種類及び添加量としては、ステアリン酸カルシウムが最も有効で、その量は２．０〜２．５重量部である。この添加量が少な過ぎると、目的とする小ガス炎着火感度が鋭敏になり、本非火薬破砕組成物が危険物第２類第一種可燃性固体になってしまい、一方この量が多すぎると、目的とする組成物の脆性体破砕（破壊）性能が低下し、ユーザーから不評を買ってしまう。
【００３８】
当初、本非火薬破砕組成物の小ガス炎着火感度の低下だけをターゲットに改良を進めてきたが、ステアリン酸カルシウムを２．０重量部程度以上添加することによってピックハンマーによる繰当て感度も大きく低下したことは大きな副次効果である。
（比較例）
比較例の組成、性能を表３に示した。
【００３９】
比較例１は、本発明の鈍感化剤を使用しないものについて性能を示した。従来の非火薬破砕組成物は、ここに示すように小ガス炎着火感度は約１秒前後であり、このためこれまで危険物第２類第一種可燃性固体であった。
比較例２、３、４は、比較例１のガス発生剤であるカリウム明礬の代わりにアンモニウム明礬をそれぞれ４０、５０、６０と用いた場合の結果である。即ち、燃焼剤であるテルミットの多少と性能の関係を調査したものであり、テルミット剤が減少すると、落槌感度と燃焼速度は低下する傾向にあるが、小ガス炎着火感度はそれほど低下しない。
【００４０】
一方、比較例５、６のように非火薬破砕組成物に爆薬技術で減熱消炎剤として良く使われる塩化ナトリウムを用いたものは、鈍感化剤の量が増えると、鈍感化傾向が強まるが、それにつれ破砕性能につながる燃焼速度及び弾動臼砲値も大きく低下し、ついには脆性体を破壊する能力を失ってしまう。
この塩化ナトリウム（融点８００℃）の粒度も重要なファクターであるが、たとえ微粒子のものが得られても、潮解性の問題があるために現状では利用できない。
【００４１】
【表２】

【表３】

表２、表３において、実施例９〜１１は、表ｌの例と同じ試作品であり、従来の非火薬破砕組成物に外割で鈍感化剤を添加して得られたものであって２工程から成るが、その他の実施例、比較例は工数低減のために各原料を同時に混ぜ１工程で得られた試作品試料である。
【００４２】
又、小ガス炎試験とは、改正消防法に基づく危険物判定試験法の危険物第２類の確認試験方法であり、火炎による着火の危険性を判断するための小ガス炎着火試験による着火までの最短時間を表記した。ここで、危険物第２類第一種可燃性固体は、小ガス炎着火試験で３秒以内に着火するもの、危険物第２類第二種可燃性固体は、小ガス炎着火試験で３〜１０秒以内に着火するものをいう。
【００４３】
又、着火燃焼試験は、砂中３０ｃｍに埋設したカートリッジ筒体を専用イグナイターで着火させた時、試料が全量消失した時を燃焼、試料が未燃焼で残ったときを燃焼中断と記した。
又、燃焼速度は、長さ３００ｍｍのガス管（ＳＧＰＷ２０Ａ）中における燃焼速度で、Ｋ０ＮＴｌＮｌＴＲ０ ＡＧ製のＥｘｐｌｏｍｅｔ（光ファイバー式測定器）による光ファイバーー法によって計測した。
【００４４】
又、弾動臼砲比（％）は、現在の製品（比較例１）を１００としたときの値で示した。
又、ピック繰当て試験は、アルミニウム製の筒体（２７φ、４０ｍｍ）に３０ｇの試料を入れ、これをコンクリート製の深さ１００ｍｍのボアホールに装填後その上からピックハンマーによる繰当て試験を最大３０秒間実施した結果を示しており、分母は試験数で分子は発火数である。
【００４５】
又、表１乃至表３における各成分は下記のものを使用した。
アルミニウム 東洋アルミニウム株式会社製商品名PF0100S
酸化第二銅 日新ケムコ株式会社製
カリウム明礬 大明化学工業株式会社製
アンモニウム明礬 大明化学工業株式会社製
塩化ビニル粉 日本ゼオン株式会社製商品名ゼオン400
塩化ナトリウム 関東化学株式会社製試薬鹿一級
塩基性炭酸マグネシウム 関東化学株式会社製試薬鹿一級
重炭酸ナトリウム 関東化学株式会社製試薬鹿一級
蓚酸マグネシウム二水和物 関東化学株式会社製試薬鹿一級
マイクロクリスタリンワックス 日本精蝋株式会社Luvax 2191
ステアリン酸亜鉛 関東化学株式会社製試薬鹿一級
ステアリン酸アルミニウム 関東化学株式会社製試薬鹿一級
ステアリン酸マグネシウム 関東化学株式会社製試薬鹿一級
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
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、着火燃焼源であるアルミニウムを火炎に触れさせないようにするか又はテルミット反応の根元である燃料（可燃剤）と酸化剤との接触或いは又明礬との接触を阻害することによって、破砕組成物が持つ脆性体の破砕（破壊）性能を大きく低下することなく特定の感度性能のみを低減することができた。
【００４７】
その結果、改正消防法に基づく第２類危険物判定試験法である小ガス炎着火試験に合格させ、本非火薬破砕組成物を危険物第２類第一種可燃性固体から危険物第２類第二種可燃性固体へと鈍感化することができる。

Claims (2)

1. アルミニウム、酸化第二銅から成るテルミット剤と、
   カリウム明礬又はアンモニウム明礬から成るガス発生剤と、
   塩化ビニルから成るバインダーと、
   ステアリン酸カルシウムから成る小ガス炎着火感度を低減する鈍感化剤とで構成し、
   鈍感化剤の含有量が、０．５〜５．０重量％の範囲である
   ことを特徴とする非火薬破砕組成物。
2. 鈍感化剤の含有量が、０．７〜３．０重量％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の非火薬破砕組成物。