Study on long-term leaching behavior of low alkaline cement

人見 尚*; 入矢 桂史郎*; 中山 雅; 佐藤 治夫

Proceedings of 3rd International Conference on Sustainable Construction Materials & Technologies (SCMT-3) (Internet), p.e0179_1 - e0179_9, 2013/08

http://www.claisse.info/2013%20papers/data/e179.pdf

日本における高レベル放射性廃棄物処分場では、構造材料にコンクリートの使用を検討している。処分場では止水材にベントナイトを用いるため、カルシウム溶出量の低い低アルカリ性セメントが適すると考えられている。本研究では、低アルカリ性セメントにHFSC(Highly Fly-ash containing Silica-fume Cement)を用い、1cmに加工したHFSCの試験体を用いて北海道幌延地域の地下水に対する浸漬試験を行った。2年11か月のまでの試験の結果、以下に示す溶出特性を得た。浸漬水のpHは、開始時のHFSCの8.9程度、普通ポルトランドセメント(OPC)の11.5程度から、緩やかな減少傾向を見せ、試験期間終了時ではHFSCで7.9程度、OPCで8.5程度まで減少した。HFSC及びOPCとも水結合材比にかかわらず同様にこの傾向を示した。浸漬試験体(以下、試験体)を採取し、FE-SEMを用いた試料表面観察を行い、HFSCのすべてのW/Bの試料の水接面に近い深さ1mm周辺の領域において、変質を示す結果を得た。OPCでは、ほぼすべての観察像で組織の変化とともに、空隙部分の面積の増大が見られた。試験体の断面について、EPMAによる元素分布を求めた結果、HFSC及びOPCのいずれの試料においても水接面からのCa溶脱が認められた。いずれのW/BにおいてもHFSCの溶脱範囲はOPCの1/2以下と考えられ、OPCと比較すると高い溶脱抵抗性を持つことがわかった。

幌延深地層研究計画における低アルカリ性セメントの適用性に関する研究,3(委託研究)

中山 雅; 小林 保之; 野口 聡; 三浦 律彦*; 納多 勝*; 入矢 桂史郎*; 人見 尚*

JAEA-Research 2009-036, 49 Pages, 2009/11

JAEA-Research-2009-036.pdf:20.34MB

幌延深地層研究計画では、坑道の一部において低アルカリ性セメント(HFSC)を用いたコンクリートの施工性確認試験(原位置試験)の実施を計画しており、それまでにHFSCが実工事での施工に耐えうる性能を持つことを確認しておく必要がある。平成20年度は、HFSCを立坑の支保工に適用するための覆工コンクリートとしての配合選定,pH低下挙動の把握及び幌延の地下水を模擬した溶液との相互作用についての検討を実施した。HFSCを用いた覆工コンクリートの配合選定においては、補強繊維であるポリプロピレン短繊維を使用した場合と使用しない場合について、高強度配合と一般強度配合の合計4種類の配合を検討し、推奨配合を選定した。幌延の地下施設建設においては、型枠の脱型などで36時間での極初期強度が要求されるが、HFSC424と高性能AE減水剤の組合せで、要求性能を満足できることを確認した。pH低下挙動については、HFSC226, 325, 424, 523及び吹付け配合のHFSC424に対して、材齢3年または6年における浸漬水のpHの測定及び固相,液相の組成について分析評価した。その結果、pHは11.3程度であり、緩やかに低下する傾向を示した。幌延の地下水を模擬した溶液との相互作用については、HFSC424に対して、溶脱試験を実施した。3日ごとの溶液交換を30回繰り返し、固相及び液相の分析を行った。その結果、HFSC424は、OPCに比べ溶脱量が小さく、溶脱範囲は1/4程度に留まる結果を得た。

幌延深地層研究計画における低アルカリ性セメントの適用性に関する研究(委託研究)

松田 武*; 納多 勝*; 入矢 桂史郎*; 小西 一寛*; 中山 雅; 小林 保之

JAEA-Research 2007-089, 139 Pages, 2008/05

JAEA-Research-2007-089.pdf:13.57MB

幌延深地層研究センターでは、地下施設の一部において低アルカリ性セメント(HFSC)を用いたコンクリートの施工性確認試験(原位置試験)の実施を計画している。それまでにHFSCが実工事で施工可能な性能を持つことを確認しておく必要がある。本年度は、幌延地下施設内での原位置試験計画を検討するとともにHFSCコンクリート材料のpH低下挙動の把握を実施した。また、HFSCを用いた原位置試験計画では、HFSC424N(普通ポルトランドセメント:シリカフューム:フライアッシュ=4:2:4)を吹付けコンクリートとして使用することを前提とした原位置試験計画を検討した。実施場所は地下施設の140m坑道、試験期間は10年程度を目安とし、普通コンクリート支保工との比較が可能な計画とした。また、現地で調達する材料を使用した場合もその強度を満足できることを確認するため、平成17年度に選定した配合に基づき、現地調達の細骨材・粗骨材を使用して強度試験などを実施した。HFSCコンクリート材料のpH低下挙動の把握に関しては、長期間の密封浸漬試験の供試体について、浸漬液のpH測定及び成分分析並びに固相の成分分析を行った。

Development of low-alkaline cement using pozzolans for geological disposal of long-lived radioactive waste

三原 守弘; 入矢 桂史郎*; 鳥居 和之*

土木学会論文集,F, 64(1), p.92 - 103, 2008/02

https://doi.org/10.2208/jscejf.64.92

長半減期放射性廃棄物処分の安全評価における不確実性を低減させるため通常のセメント硬化体の浸出液のpHよりも低い低アルカリ性セメントを開発した。低アルカリ性セメントを開発するにあたり、シリカフュームを多量に添加することが有効であるが、多量のシリカフュームの添加は施工性の低下を招く。このため、シリカフュームの一部をフライアッシュに添加した低アルカリ性セメントを開発した。このセメントは、自己充填コンクリートへの適用が可能であり、高強度,低乾燥収縮及び低発熱性のコンクリートとなることから、処分システムの構造部材や充填材に適用可能であることが示された。

ポゾランを高含有した吹付けコンクリート

三浦 律彦*; 小西 一寛*; 入矢 桂史郎*; 中山 雅; 松井 裕哉

セメント・コンクリート, (728), p.63 - 67, 2007/10

半減期の長い核種を含む高レベル放射性廃棄物の処分施設は、地下深部に建設して多重バリアシステムにより、放射性核種を生物圏から隔離するコンセプトが採用されている。放射性廃棄物処分場は、地下数百mに建設されるが、日本の岩盤条件を考えると、特に堆積岩の場合、支保工なしに掘削することは困難と思われる。支保工としての吹付けコンクリートには普通ポルトランドセメントが広く用いられるが、高レベル放射性廃棄物処分場に要求される数千年を越える超長期の性能評価においては、セメント系材料からの浸出水が示す高アルカリ(pH12.5以上)の影響により、人工バリアや天然バリアを変質させる可能性が懸念されている。筆者らは、浸出水のpHを低下させる改善策としてポゾラン反応に着目し、シリカフュームやフライアッシュといったポゾラン材料をOPCに対して50%以上置換した低アルカリ性セメント(HFSC)の研究を行い、浸出水のpHを11程度とすることが可能との結論を得た。本報ではポゾランを高含有したHFSCを用いた低アルカリ性吹付けコンクリートの諸特性について紹介する。

幌延深地層研究計画における低アルカリ性セメントを用いた吹付けコンクリートの施工性に関する研究

小西 一寛; 中山 雅; 三原 守弘; 吉田 泰*; 入矢 桂史郎*; 秋好 賢治*; 納多 勝*

JAEA-Research 2006-040, 53 Pages, 2006/06

JAEA-Research-2006-040.pdf:12.6MB

本研究では、支保工の施工方法として吹付コンクリートを対象にHFSCを用いたコンクリートの配合を検討するとともにその施工性について評価を行った。幌延深地層研究施設における支保工の設計基準強度は28日材齢で36N/mmが求められており、この強度を満足するコンクリートの配合を検討した。急結剤添加前のベースコンクリートとして、普通セメントを用いる場合には水セメント比を0.4、早強セメントを用いる場合には水セメント比を0.45とすることにより、設計基準強度を満足する可能性のある2配合を選定し、模擬トンネルにおいて急結剤を用いた吹付施工試験を行った。従来、水セメント比は吹付コンクリートの施工性の観点から0.5程度が限界であったが、HFSCにおいては0.45及び0.4でも良好であった。吹付けコンクリートの表層部では空隙が多く認められたが、内部ではほぼ一定の単位体積質量であった。吹付けコンクリートのコアの28日材齢の平均強度は48N/mm程度あり、支保工の設計基準強度を上回る高強度となった。したがって、28日材齢のセメントペースト硬化体の浸漬液のpHは12.4程度であり、シリカフュームやフライアッシュのポゾラン反応はまだ十分ではないと考えられるものの、施工性は良好なことが明らかとなった。今後は、幌延で調達できる材料を用いて吹付けコンクリートの配合を確認するとともに、浸漬液のpHの長期的な低下挙動について評価を行っていく必要がある。

Development of low alkaline cement considering pozzolanic reaction for support system in HLW repository construction

中山 雅; 入矢 桂史郎*; 藤島 敦; 三原 守弘; 畑中 耕一郎; 栗原 雄二*; 油井 三和

Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.932, p.159 - 166, 2006/00

数千年以上の半減期の核種を含む放射性廃棄物を処分するにあたって、セメント系材料を使用することが検討されている。しかし、普通セメントを用いた場合には、処分施設周辺環境が高アルカリ性となり、バリア材料として用いられるベントナイトや周辺の岩盤が超長期的に変質する可能性がある。この変質を低減させるために、ポゾラン材料を普通セメントに多量に混合することにより、普通セメントに比べ、浸出水のpHが低いセメントを開発した。本研究では,その浸出水のpHが11程度であること、締め固め不要コンクリートや吹付けコンクリートとして構造物への適用が可能であることを示した。

高アルカリと硝酸塩の影響を受けたベントナイトおよび岩石の水理特性評価(III)(概要)

入矢 桂史郎*; 久保 博*

JNC TJ8400 2005-003, 90 Pages, 2004/02

JNC-TJ8400-2005-003.pdf:2.97MB

TRU廃棄物処分施設における環境は、セメント系材料の溶出によりアルカリ性となる。また、廃棄物の中には、可溶性の硝酸塩を多量に含むものも存在しており、イオン強度の高い地下水となることが想定される。本研究では、高アルカリと硝酸塩の影響を受けたベントナイトの水理特性の評価を定量的に把握するため、圧密試験と透水試験に基づく研究を行った。また、これまでの実験結果を基にモデル化の研究を行った。得られた結果は以下のとおりである。 硝酸塩共存下におけるベントナイトの圧密試験による透水係数の評価に関して、交換性陽イオン置換処理を実施した3種類のベントナイトに各々ケイ砂30wt%混合した試料を用いて、段階載荷の圧密試験を行った結果、無処理のベントナイトに比べ40200倍程度透水係数が大きいことが認められた。高アルカリと硝酸塩によるベントナイトの水理特性変化の評価に関して、アルカリ溶液の通水では、蒸留水と比較して透水係数の変化は認められなかった。硝酸塩を含む溶液により通水すると透水係数は大きくなり、硝酸塩のイオン強度が強い程、透水係数は大きくなった。高アルカリの影響によるベントナイトと岩石モデルの評価に関して、凝灰岩のカラム試験とバッチ試験をシミュレートし、実験結果とフィッティングすることにより、短期試験の結果を整合的に説明するとともに、凝灰岩の溶解速度定数および二次鉱物沈殿の影響を見積った。また、ベントナイトの溶解に関する2つの速度論モデルのオプションを用い、バッチ試験とカラム試験をシミュレートすることにより、それぞれのモデルの妥当性を評価した。

幌延深地層研究センターにおけるコンクリート材料の施工性に関する研究(IV)

入矢 桂史郎*; 田島 孝敏*; 納多 勝*

JNC TJ5400 2003-008, 150 Pages, 2004/02

JNC-TJ5400-2003-008.pdf:21.54MB

幌延深地層研究センターでは地下施設の建設に際して、立坑と水平坑道の一部において、サイクル機構殿が開発したポゾランを高含有した低アルカリ性セメント(HFSC)を用いたコンクリートの施工性確認試験(原位置試験)を実施する予定である。施工を開始するまでに、低アルカリ性セメントが実際の工事で施工できるように問題点を解決しておく必要がある。 本研究では、幌延深地層研究センターのおかれる環境条件を考慮して、低アルカリ性セメントの施工性についての課題を解決する目的で実施した。 まず、低アルカリ性セメントの効果の評価として、セメント間隙水による岩石や緩衝材の機能に与える影響(溶解・変質など)を把握するための予察的なモデル解析とそれを補完する予察実験をOPCとHFSCの両方について実施した。また、岩盤とベントナイトおよびコンクリートが接触した場合の長期変質挙動を把握できる試験計画の立案を行った。 次に1.5年間のpH測定試験結果をもとに、低アルカリ性コンクリート(HFSC)の低アルカリ性発現の時間的予測を行った。さらに、低アルカリ性実現の基本コンセプトであるポゾラン反応についてのモデル化についての問題点や取得すべきデータについての提案を行った。 フライアッシュの品質変動について、北海道で産出されるフライアッシュを用いた試験を実施して、強度や施工性にどの程度影響を与えるかについて検討を行った。さらに、幌延深地層研究センター建設において、試験的にHFSCを使用した場合に、行われる各種の計測について、基本計画を作成した。 これらの結果を元に、幌延深地層研究センターで想定されるコンクリートの施工形態に対して、HFSCを用いたコンクリートの施工が可能であること、施工された構造物の品質が確保できることの見通しを得た。

高アルカリと硝酸塩の影響を受けたベントナイトおよび岩石の水理特性評価(II)

入矢 桂史郎*; 藤井 健介*; 久保 博*

JNC TJ8400 2003-067, 285 Pages, 2003/02

JNC-TJ8400-2003-067.pdf:18.35MB

高アルカリと硝酸塩の影響を受けたベントナイトおよび岩石の水理特性を評価した。