Thermodynamic model on swelling of bentonite buffer and backfill materials

ベントナイト緩衝材及び埋め戻し材の膨潤に於ける熱力学モデル

佐藤 治夫

Sato, Haruo

地層処分において使用される人工バリア材及び埋め戻し材を構成する主要構成粘土鉱物であるスメクタイトに着目し、その表面での水の熱力学データに基づいてベントナイトの膨潤圧を求めた。スメクタイト密度0.6-0.9Mg/mの範囲において、含水比(0-83%)をパラメータにスメクタイト表面の水の活量と相対部分モルギブスの自由エネルギー(dG)を測定した。スメクタイトは、あらかじめ、層間イオンをNaに置換させるとともに、可溶性塩を除去し、精製したものを用いた。活量とdGは含水比の減少に伴い低下し、過去に報告されたクニピアF(ほぼ100%がスメクタイト)と同様な傾向であった。自由水と含水したスメクタイト間での平衡状態における水の化学ポテンシャルバランスの差(dG)に基づいて膨潤圧を計算し、さまざまな種類のベントナイトや種々の条件で取得された実測値と比較した結果、計算値は実測値と一致した。このことは、ベントナイト中のスメクタイト含有率や珪砂混合率が既知の場合、スメクタイト表面での水の熱力学データに基づいて、任意のベントナイトや乾燥密度に対する膨潤圧を定量的に求めることができることを示している。

Swelling pressure of bentonite was estimated based on the thermodynamic data of water on the surface of smectite which is a major clay mineral constituent of the bentonite composing engineered barriers and backfill materials. The activity and the relative partial molar Gibbs free energy (dEa) of water on the surface of smectite as a function of water content in a density range of 0.6-0.9 Mg/m. The activity and dG of water decreased with decreasing water content and showed similar trend to data of Kunipia-F bentonite (almost 100wt.% smectite) reported in the past. Swelling presure was estimated from the difference in the chemical potential balance of water in equilibrium state between free water and misturized smectite, and compared to data measured for various kinds of bentonites. The calculated swelling pressures were in good agreement with the measured data. This indicates that swelling pressure of bentonite can be calculated based on the thermodynamic data of water.