Modelling on the swelling of Na-bentonite in the saturated condition based on the thermodynamic properties of interlayer water in Na-montmorillonite

Naモンモリロナイト中の層間水の熱力学特性に基づいた飽和条件でのNa型ベントナイトの膨潤に関するモデリング

佐藤 治夫

Sato, Haruo

幌延深地層研究計画では、地層処分における処分技術の信頼性向上と安全評価モデルの高度化の一環として、緩衝材や埋め戻し材として使用予定のベントナイトの物理化学特性について研究している。Na型ベントナイトの構成粘土鉱物のNaモンモリロナイトに着目し、モンモリロナイトの層間水と、異なる塩濃度の溶液の水の熱力学データに基づいて、モンモリロナイト含有率や珪砂混合率の異なるベントナイトがさまざまな塩濃度の地下水と接触したときの膨潤圧を求めることができる熱力学モデルを構築した。解析は、実測値が報告されているさまざまな溶液条件(蒸留水,NaCl溶液,人工海水,幌延地下水)に対して行い、実測値と比較検討した。膨潤圧の解析値は、塩濃度の増加に伴い低下した。この傾向は、一般にベントナイトの膨潤圧が塩濃度の増加に伴い減少するという知見とも一致する。実測値は、可溶性鉱物の溶解による間隙水のイオン強度の増加の効果も含むと考えられるため、塩濃度の影響は明確には見られず、バラツキの範囲内である。計算結果もこの範囲内であり、塩濃度の影響はこの範囲内であると推定される。このモデルにより、さまざまな塩濃度の地下水で飽和されたときの、Naモンモリロナイト含有率や珪砂混合率の異なるベントナイトの各乾燥密度に対する膨潤圧を計算することが可能となる。さらに、エンタルピーとエントロピーデータを考慮すれば、飽和条件でのTHMC連成計算が理論計算で可能となる。

Swelling pressure versus Na-montmorillonite partial density was estimated for solutions of various salinities (pure water, NaCl solutions, artificial saline water, Horonobe groundwater) based on the thermodynamic data of the interlayer water of Na-montmorillonite and of water in the solutions of various salinities coming in contact with the montmorillonite and compared to data measured under the same salinities for various kinds and different silica sand contents of bentonites. The calculated swelling pressures decreased with increasing salinity. This is in good agreement with the fact that swelling pressure of bentonite generally decreases with increasing salinity. Since all measurements were carried out under the condition that soluble minerals remain being contained, all measured data are considered to contain the effect of the increase of the ionic strength of porewater by dissolution of the soluble minerals and the calculated values were within the range of the scattering in the measured data. By this model, swelling pressures for various Na-montmorillonite contents and silica sand contents of bentonites saturated with solutions of various salinities can be calculated as a function of the bentonites. Furthermore, an analysis for THMC coupled processes can be also carried out by considering those enthalpy and entropy data.