カルシウム型化及びカルシウム型ベントナイトの基本特性; 膨潤圧、透水係数、一軸圧縮強度及び弾性係数

Mechanical properties of the Ca exchanged and Ca bentonite; Swelling pressure, hydraulic conductivity, compressive strength and elastic modulus

前田 宗宏*; 棚井 憲治 ; 伊藤 勝; 三原 守弘  ; 田中 益弘*

Maeda, Munehiro*; Tanai, Kenji; Ito, Masaru; Mihara, Morihiro; Tanaka, M.*

放射性廃棄物の処分施設における人工バリアシステムを構成する緩衝材には、拡散場を維持するための止水性や力学的安定性といった物理的、機械的な性能が要求される。一方、緩衝材としてナトリウム型ベントナイトを使用した場合、ベントナイト中の方解石や地下水成分の影響により、長期的にナトリウム型からカルシウム型に変化することが考えられる。また、TRU廃棄物処分施設においては、セメント系の材料を使用する可能性があり、その場合、ベントナイトのカルシウム型への変化は顕著になるものと考えられる。したがって、TRU廃棄物の処分研究においては、カルシウム型に変化したベントナイトの特性を知る必要がある。本報告書はTRU廃棄物の処分概念の検討の一環として行われた、カルシウム型化及びカルシウム型ベントナイトの膨潤圧測定試験、透水試験、一軸圧縮試験についてまとめたものである。膨潤圧測定試験では最大及び平衡膨潤圧を、透水試験では透水係数を、一軸圧縮試験では不飽和供試体の一軸圧縮強度及び弾性係数E50を得た。各試験は、乾燥密度やベントナイト混合率をパラメータとして行い、それらに対する依存性を明らかにした。そして、カルシウム型化及びカルシウム型ベントナイトとナトリウム型ベントナイトの各試験値を比較することにより、各ベントナイト材料の特性を明らかにしている。その結果、乾燥密度が1.8g/cm程度の場合、カルシウム型化ベントナイトとナトリウム型ベントナイトの膨潤圧及び透水係数は、大差ないことが明らかとなった。同条件の一軸圧縮強度及び弾性係数E50においては、カルシウム型化ベントナイトの方が若干ナトリウム型ベントナイトより大きな値を示す傾向にあった。カルシウム型ベントナイトでは乾燥密度1.4g/cm程度で、乾燥密度1.61.8g/cm程度のカルシウム型化及びナトリウム型ベントナイトと同程度の膨潤圧、透水係数、一軸圧縮強度及び弾性係数E50を示した。また、有効ベントナイト乾燥密度という概念を適用することにより、ケイ砂を混合した試料の結果と混合しない試料の結果を同次元で整理できることが分かった。

The buffer material component of the engineered barrier system of the radioactive waste repository, functions to maintain low groundwater flow and mechanical stability in the repository for long periods of time. If Na bentonite is used as a buffer material, it is possible that the Na bentonite will change to Ca bentonite by exposure to Ca ions derived from calcite in the ground water. In the TRU waste disposal repository if cementitious materials are used, the change from Na to Ca bentonite may be almost immediate. Therefore it is important to investigate the mechanical properties of Ca bentonite as part of TRU waste disposal research and development. This paper reports the results of swelling pressure, water permeability and compressive strength tests for compacted Ca bentonite and for bentonite which has undergone Na-Ca exchange. Maximum and equilibrium swelling pressure tests and water permeability tests were performed. Compressive strength tests produced compressive strength and elastic modulus values for unsaturated compacted bentonite. The results of these test correlate with the dry density and sand mixing contents of bentonite. Finally, the relative properties of Ca, Na and Ca-Na exchanged bentonite were compared. It is clear that the maximum and equilibrium swelling pressures and hydraulic conductivity of compacted Ca-Na exchanged bentonite are the same as Na bentonite when both their dry density was about 1.8 g/cm. The compressive strength and elastic modulus of compacted Ca-Na exchanged bentonite are a little higher than Na bentonite. When compacted, results are the same for either Ca bentonite (dry density 1.4g/cm) or Ca-Na exchanged bentonite compared with Na bentonite (dry density 1.6-1.8g/cm).