画像解析に基づくセメンテーションによるベントナイトの膨潤圧低下の要因の定量的検証

Quantitative investigation of factors contributing to swelling pressure decrease of bentonite by cementation based on image processing

石渡 翔丸*; 菊池 亮佑*; 大竹 翼*; 佐藤 努*; 川喜田 竜平  ; 高山 裕介  ; 三ツ井 誠一郎  

Ishiwata, Tobimaru*; Kikuchi, Ryosuke*; Otake, Tsubasa*; Sato, Tsutomu*; Kawakita, Ryohei; Takayama, Yusuke; Mitsui, Seiichiro

高レベル放射性廃棄物の地層処分では、緩衝材として膨潤性粘土であるベントナイトの利用が考えられており、ベントナイトが膨潤することで低透水性を維持し、放射性核種の移行を抑制することなどが期待されている。しかし長期的には、ベントナイトが変質し、本来求められるバリア機能が低下することが懸念されている。想定される変質過程の一つに、二次鉱物が空隙に沈澱してモンモリロナイトに固着するセメンテーションがあり、セメンテーションされることでベントナイトの膨潤性が低下する可能性がある。そこで本研究では、セメンテーションされたベントナイトのアナログ試料としてベントナイト原鉱石を分析し、セメンテーションが膨潤圧に及ぼす影響を検討した。まず、SEMおよびEPMAで得られた結果を組み合わせて、鉱物の種類を区別してその分布を可視化する「鉱物マップ」を作成し、鉱物の含有割合、粒度分布、粒子どうしの距離といった岩石組織のパラメータを定量化した。続いて重回帰分析を行い、定量したパラメータと測定した膨潤圧の相関関係を検討した。その結果、膨潤圧はモンモリロナイト含有量が多いほど大きくなる一方で、マトリクス中の随伴鉱物の周囲長が長いほど小さくなる傾向が見られた。随伴鉱物の周囲長は、モンモリロナイトと随伴鉱物が固着した部分の面積の指標となるパラメータであり、二次鉱物の固着の程度がセメンテーションされたベントナイトの膨潤圧に影響する可能性が示唆された。

Bentonite clay is planned to be used as a buffer material in the geological disposal of high-level radioactive wastes. The swelling property of bentonite is expected to keep low permeability and control the migration of radionuclides thereby ensuring the safety of geological disposal. In the long-term, however, cementation of bentonite may degrade the swelling property where secondary minerals precipitate and adhere to the montmorillonite component of bentonite. In the present study, natural bentonite ores were investigated as analogues to cementation of bentonite in geological disposal. The images of SEM and EPMA were integrated into "mineral map", which could visually illustrate the distributions of individual mineral grains including fine cementitious minerals. Finally, multi regression analysis (MRA) was used to investigate correlation between petrographic parameters and swelling pressure. MRA showed swelling pressure of bentonite increases with the content of montmorillonite, and decreases with the total perimeter of accessary minerals. This suggests that the presence of secondary minerals can inhibit the swelling of montmorillonite and the area of contact between montmorillonite and secondary minerals might be a key parameter.