Long-term changes in the chemical, microstructural, and transport properties of a low-pH cement shotcrete during operation of the Horonobe Underground Research Laboratory, Japan

幌延深地層研究センターの操業期間における低アルカリ性吹付けコンクリートの化学・微細構造・輸送特性の長期変化

望月 陽人  ; 松井 裕哉 ; 中山 雅 ; 坂本 亮*; 柴田 真仁*; 本島 貴之*; 城 まゆみ*

Mochizuki, Akihito; Matsui, Hiroya; Nakayama, Masashi; Sakamoto, Ryo*; Shibata, Masahito*; Motoshima, Takayuki*; Jo, Mayumi*

放射性廃棄物の地層処分で使用される低アルカリ性セメントは、長期にわたる処分場の操業期間中に大気中の二酸化炭素による炭酸化や地下水との接触によってその特性が変化する可能性がある。本研究では、フライアッシュとシリカヒュームを混合した低アルカリ性セメント(HFSC)を用いた吹付けコンクリートの化学的特性、微細構造ならびに輸送特性に対して大気中での炭酸化および地下水との接触が与える影響を、幌延の地下研究施設において16年間にわたり調査した。HFSC吹付けコンクリートの炭酸化領域と溶出領域のいずれにおいても、直径約300nm未満の細孔の毛細管空隙率が増加し、全空隙率は非変質領域よりも高くなった。これらの空隙構造の変化は、ケイ酸カルシウム水和物(C-S-H)の脱灰とエトリンガイトの分解に関連していると考えられる。このような変化は、OPC吹付けコンクリートの変質領域では軽微であったことから、本研究の調査条件下において、HFSC吹付けコンクリートは炭酸化や地下水溶出に対する抵抗性が相対的に低いことが示された。しかしながら、HFSCの透水係数は、地層処分に用いられる低pHセメントに求められる機能要件を満たす程度に低かった。

The properties of low-pH cement used in the geological disposal of radioactive waste may change through atmospheric carbonation and degradation caused by groundwater during the long-term operation of a repository. In this study, we investigated the effects of atmospheric carbonation and groundwater contact on the chemical, microstructural, and transport properties of shotcrete made from low-pH, high-fly-ash silica-fume cement (HFSC) over a period of 16 years in an underground research laboratory. In both carbonated and degraded zones of the HFSC shotcrete, capillary porosity increased for pores of 300 nm in diameter, and the total porosity was higher than in undegraded zones. These changes in porosity may be associated with the decalcification of calcium-silicate-hydrate and decomposition of ettringite. Such changes were minor in altered zones of OPC shotcrete, indicating that HFSC shotcrete is less resistant to atmospheric carbonation and groundwater leaching under the studied conditions. However, the hydraulic conductivity in HFSC was low enough to fulfill the specific functional requirements of low-pH cements for geological disposal.