Models of Cement-Water Interaction and a Compilation of a Associated Thermodynamic Data

セメント-水反応に係わるモデルおよびセメント系鉱物の熱力学データ

Savage, D.*; Lemke, K.*; 笹本 広   ; 柴田 雅博 ; Arthur, R. C,*; 油井 三和

Savage, D.*; Lemke, K.*; Sasamoto, Hiroshi; Shibata, Masahiro; Arthur, R. C,*; Yui, Mikazu

本報告書では、セメント-水反応に係わるモデルのレビューおよび収集したセメント系鉱物の熱力学データについて報告する。本報告書でまとめた熱力学データには、鉱物およびセメントを構成する化合物の標準モル熱力学特性、関連する水和反応の平衡定数を含む。また、高アルカリ性環境下で安定な鉱物(例えば、沸石など)についても同様にデータ整備を行った。これらの鉱物は、放射性廃棄物処分場におけるセメント系材料から流出する高アルカリ性溶液と処分場周辺の岩盤との反応の結果生成すると考えられる。標準モル特性(すなわち、生成標準モルギブス自由エネルギー、生成標準モルエンタルピー、標準モルエントロピー)、関連する水和反応の平衡定数については、以下の文献による。・セメント鉱物および関係する混合物(Reardon,1992;Glasserほか、1999)・カルシウム-珪酸水和鉱物(Sarkarほか、1982)・沸石(熱量測定の値、様々なデータからの推定値)これらの全データは、個々の値としてとらえるべきものであり、データ全体としての内部整合性はとれていないかもしれない点に注意すべきである。また、本報告の中では、これら個々のデータの精度については評価していない点も留意する必要がある。近年、セメント-水系における幾つかの適切なモデルが提案されている。これらのモデルの多くは、CSHゲル-水系の室内実験データへの経験的な適合を示すものであり、熱力学的に正当化されているものではない。一方、近年、CSHゲルに適した固溶体挙動の熱力学的理論に基づいたモデル化手法が提案されている。この手法については、本報告書の中でレビューすると共に、JNCが行ったセメント-水反応に係わる実験結果と比較することにより検証した。固溶体モデルは、CSHゲルをポルトランダイトとカルシウム-珪酸塩を端成分組成とした非理想固溶体として表現する熱力学的・構造的に妥当なモデルである。2つの端成分の混和性の違いや溶解度は、固溶体の溶解挙動を調べるためのコンピュータコードである「MBSSAS」を求めた。MBSSASを用いて作られたLippmann相図は、ゲルの固溶体と平衡にある溶液組成を計算するPHREEQCへのデータを入力するために用いられた。ゲルの固溶体モデルで計算された溶液組成とCSHゲル-水系に係わる文献の実験データはよく一致している。

Modeling approaches that have been proposed for cement-water system are reviewed in this report, and relevant supporting thsrmodynamic data are compiled. The thermodynamic data include standard molal thermodynamic properties of minerals and related compounds comprising cements, and equilibrium constants for associated hydrolysis reactions. Similar data for minerals that are stable in hyperalkaline geologic environments (e.g., zeolites) are also included because these minerals could be formed as hyperalkaline fluids emanating from cementitious matelials in a repository for radioactive wastes interact with the surrounding host rock. Standard molal properties (i.e., standard molal Gibbs free energies and enthalpies of formation and standard molal entropies), and/or equilibrium constants for associated hydrolysis reactions, are included for. (1)cement minerals and related compounds (Reardon, 1992; Glasser et al., 1999) (2)calcium-silicate hydrate minerals (Sarkar et al., 1982), and (3)zeolites (calorimetric and estimated values from various sources) All these data are accepted at face value, and it is therefore cautioned that the data, considered as a whole, may not be internally consistent. It is also important to note that the accuracy of these data have not been evaluated in the present study. Several models appropriate for cement-water systems have been proposed in recent years. Most are similar in the sense that they represent empirical fits to laboratory data for the CSH gel-water system, and therefore not thermodynamically defensible. An alternative modeling approach based on thermodynamic principles of solid-solution behavior appropriate for CSH gel has recently been proposed, however. It is reviewed in the present study, and evaluated in relation to experimental results obtained by JNC on cement-water interactions. The solid-solution model is based upon a thermodynamically- and structually-justifiable description of CSH gel in terms of a non-ideal ...