(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーライトを４０質量％以上含むセメントとポゾランとを含むセメント組成物であって、１）当該ポゾランが石炭ガス化スラグ及びフライアッシュを含み、２）当該セメントの粉末度が８００〜３２００ｃｍ2／ｇかつ当該ポゾランの粉末度が４０００ｃｍ2／ｇ以上である、ことを特徴とする水和反応遅延型セメント組成物。
【請求項２】
石炭ガス化スラグ及びフライアッシュがそれぞれセメント組成物中１０質量％以上であって、かつ、両者の合計がセメント組成物中３０〜７０質量％である請求項１記載の水和反応遅延型セメント組成物。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放射性廃棄物遮蔽用セメント組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水和反応遅延型セメント組成物に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年において、環境問題への関心の高まりとともに、原子力発電所等の原子力関連施設をはじめ、病院、各種研究施設等から排出される廃棄物をより環境学的に安全に処分しようとする要請が高まりつつある。とりわけ、放射性廃棄物は、生体等に深刻な影響を及ぼすものであることから、より確実かつ安全に処理する必要がある。
【０００３】
従来、放射性廃棄物の一般的な処分方法としては、廃棄物の容量を減少させた後、これをドラム缶、コンクリート缶等の廃棄物処理容器に入れ、さらに固化材料を充填して固化処理を行い、これを容器ごと地中埋設施設中に埋設することによって処理する方法が知られている。
【０００４】
上記の地中埋設処理施設の概略図（断面図）を図１に示す。この処理施設では、まず廃棄物を固化材料で固化処理したドラム缶等の廃棄物処理容器（１）を充填モルタル（２）で囲い、その周囲をコンクリート（３）で囲い、さらにその周囲をベントナイト（４）で囲むようなかたちで廃棄物が封じ込められる。
【０００５】
上記の処分方法は、人工バリア（上記セメント系材料）及び天然バリア（上記ベントナイト）による多重バリアによって核種の外部への移行を抑制しようとするものである。すなわち、第１段階（約２０〜３０年の期間）では主に人工バリアによって核種の漏洩を防ぎ、第２段階（第１段階終了後、約３０〜３５年の期間）では人工バリア及び天然バリアの両者によって核種の漏洩を防ぎ、第３段階（第２段階終了後、約３００年以上の期間）では天然バリアで核種の漏洩を防ぐものである。各バリアには、放射性廃棄物に含まれる核種の放射性濃度、半減期等に応じた期間、核種封じ込め機能の継続性能（当該機能の耐久性能）が要求される。
【０００６】
従って、特にセメント系材料を放射性廃棄物処理施設の人工バリアとして用いる場合、施工性、初期力学特性、核種封じ込め性能及び長期耐久性の諸特性が要求される。
【０００７】
施工性とは、長期耐久性が要求される構造体の施工時において、長期耐久性を阻害する要因となるひびわれ、空隙等の各種の欠陥の発生を未然に予防できるような材料特性である。この特性は、特にセメントの流動性と密接に関連しており、流動性が良好であればそれだけ緻密な硬化体が得られる。
【０００８】
初期力学特性とは、廃棄物の荷重を支持するために必要な強度特性をいう。通常、廃棄物の設置は施工後数ヶ月後に行われることから、その時までに廃棄物の荷重を受け持つだけの強度が発現されている必要がある。換言すれば、この特性は、比較的短期の強度あるいは弾性係数発現性を意味するものである。
【０００９】
核種封じ込め性能とは、核種の外部への移行を防止ないし抑制するという性能である。核種の移行に最も影響を及ぼすのは、地下水の処理施設への侵入であることから、これをできるだけ抑制ないし防止し、廃棄物との接触をできるだけ避ける必要があり、バリア材に要求される最も重要な機能である。
【００１０】
核種封じ込め性能は、物理的性能と化学的性能に大別される。物理的核種封じ込め性能、特に止水性能は地下水の侵入を極力抑えることにより、核種の移行を抑止するものである。この性能を発現させるために、一般に低透水係数・低透気係数を有する材料が用いられる。また、低発熱型のセメントを用いて構造体に発生する温度によるひびわれの防止を図ること、あるいは低硬化収縮型のセメントを用いて硬化体の収縮に伴うひびわれの発生を防止することも上記性能に含まれる。
【００１１】
化学的核種封じ込め性能、特に吸着性能は、セメント固化体が強アルカリ性（ｐＨ＝１２程度）であることに起因すると考えられるイオン吸着性能によって、核種の移行を抑止するものである。
【００１２】
また、核種封じ込め性能は、セメントの水和反応の影響も受ける。すなわち、セメント水和反応における主たるものはＣ3Ｓ及びＣ2Ｓ水和であり、これにより生成するＣ−Ｓ−Ｈが硬化体の緻密化に寄与しているが、この水和反応により生成する水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）2が遷移帯生成の一因となり、硬化体の緻密化の阻害要因となっている。ここに遷移帯とは、水酸化カルシウム、カルシウムアルミネート系のいわゆる外部水和物と称されるものが骨材界面に生成した脆弱層をいう。
【００１３】
長期耐久性に関しては、数百年以上のオーダーを有するセメント系材料が得られれば、第２段階以後も人工バリア材が止水性能を発揮でき、相対的に天然バリアへ要求される止水性能が緩和され、掘削量の低減等の観点から設計の合理化が図れる。また、低レベル放射性廃棄物のみならず、さらに放射能レベルの高い中高レベル放射性廃棄物、ＴＲＵ放射性廃棄物の処分施設の設計を行うにあたり、立地サイトの選定、構造設計、経済性の観点からみて自由度が広がる。これに対し、従来は、第１期埋設処分事業においてセメント系材料は第１段階終了後、透水係数は１０-3ｃｍ／ｓ（砂程度）まで劣化するものとして、第２段階以降の止水性能は考慮されておらず、第２段階以降は天然バリア（ベントナイト混合土）のみで地下水の侵入を抑制するものである。つまり、従来のセメント系材料では、すべて早強性に指向しており、その耐久性は数十年オーダーで設計実施されているだけである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
セメント系材料に要求される上記諸特性をさらに向上させるためには、特に、施工性、初期力学特性等を維持つつセメント系材料の水和反応を長期にわたって緩慢に持続させるような技術を開発することが必要である。ところが、そのような技術手段は未だ開発されるに至っていないのが現状である。
【００１５】
従って、本発明は、施工性、初期力学特性等を維持しつつ、水和反応遅延作用を効果的に発揮できるセメント組成物を提供することを主な目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術の問題点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、特定の構成からなるセメント組成物が上記目的を達成できることを見出し、ついに本発明を完成するに至った。
【００１７】
すなわち、本発明は、下記１〜３に示す水和反応遅延型セメント組成物に係るものである。
【００１８】
１．ビーライトを４０質量％以上含むセメントとポゾランとを含むセメント組成物であって、１）当該ポゾランが石炭ガス化スラグ及びフライアッシュを含み、２）当該セメントの粉末度が８００〜３２００ｃｍ2／ｇかつ当該ポゾランの粉末度が当該セメント粉末度よりも大きいことを特徴とする水和反応遅延型セメント組成物。
【００１９】
２．石炭ガス化スラグ及びフライアッシュがそれぞれセメント組成物中１０質量％以上であって、かつ、両者の合計がセメント組成物中３０〜７０質量％である第１項又に記載の水和反応遅延型セメント組成物。
【００２０】
３．第１項又は第２項に記載の放射性廃棄物遮蔽用セメント組成物。
【００２１】
また、本発明は、下記４〜９に示す本発明組成物を使用した多層構造型遮蔽材も提供する。
【００２２】
４．廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも２層以上からなる多層構造型遮蔽体であって、最外層以外の内層に上記第１項〜第３項のいずれかに記載の水和反応遅延型セメント組成物を使用することを特徴とする多層構造型遮蔽体。
【００２３】
５．廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも３層以上からなる多層構造型遮蔽体であって、最内層及び最外層以外の内層に第１項〜第３項のいずれかに記載の水和反応遅延型セメント組成物を使用することを特徴とする多層構造型遮蔽体。
【００２４】
６．少なくとも４層以上からなる上記第４項又は第５項に記載の多層構造型遮蔽体。
【００２５】
７．最内層の外側に隣接する内層から最外層の内側に隣接する内層に向かって水和反応が早くなるようにする上記第６項記載の多層構造型遮蔽体。
【００２６】
８．廃棄物に直接隣接する最内層は、最内層の外側に隣接する内層よりも水和反応が早くなるようにする上記第４項〜第７項のいずれかに記載の多層構造型遮蔽体。
【００２７】
９．最外層に普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、高炉セメント及びフライアッシュセメントの少なくとも１種のセメント組成物を使用する上記第４項〜第８項のいずれかに記載の多層構造型遮蔽体。
【００２８】
【発明の実施の形態】
１．水和反応遅延型セメント組成物
本発明の水和反応遅延型セメント組成物は、ビーライトを４０質量％以上含むセメントとポゾランとを含むセメント組成物であって、１）当該ポゾランが石炭ガス化スラグ及びフライアッシュを含み、２）当該セメントの粉末度が８００〜３２００ｃｍ2／ｇかつ当該ポゾランの粉末度が当該セメント粉末度よりも大きいことを特徴とする。
【００２９】
上記セメントは、ビーライトを４０質量％以上（好ましくは５０質量％以上）含むものであれば特に限定されず、公知のもの又は市販品を用いることができる。市販品としては、例えば「ベータセメントＬ」（住友大阪セメント（株）製）等を好適に用いることができる。また、ビーライトは、一般には、Ｃ2Ｓを基本成分とし、その他にＡｌ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＭｇＯ等を含むものであるが、本発明の効果を妨げない限りいずれの組成であっても採用できる。なお、ビーライト成分の含有量の上限は最終製品の用途等に応じて適宜設定できるが、通常６０質量％程度とすれば良い。
【００３０】
本発明では、上記セメントは、その粉末度が通常８００〜３２００ｃｍ2／ｇ程度、好ましくは１０００〜３０００ｃｍ2／ｇとする。本発明における粉末度は、ブレーン比表面積であり、その測定方法はＪＩＳ  Ｒ  ５２０１「セメントの物理試験方法」によって行う。粉末度は、必要に応じて公知の粉砕機等によって適宜調節することも可能である。
【００３１】
上記ポゾランは、石炭ガス化スラグ及びフライアッシュを含む。本発明組成物において、上記ポゾランは、石炭ガス化スラグ及びフライアッシュ以外のポゾランを含んでいても良いが、特に石炭ガス化スラグ及びフライアッシュのみからなることが好ましい。なお、石炭ガス化スラグ及びフライアッシュは、シリカを主成分（特に４５質量％以上、好ましくは５０質量％以上）とするものであれば特に制限されない。
【００３２】
石炭ガス化スラグ及びフライアッシュ以外のポゾランとしては、シリカを主成分（特に４５質量％以上、好ましくは５０質量％以上）とするものであれば特に制限されず、人工ポゾラン及び天然ポゾランのいずれも使用することができる。例えば、人工ポゾランとしては、ａ）仮焼粘土、ｂ）都市ゴミ又は各種可燃性廃棄物の熱分解ガス化溶融スラグ、ｃ）下水汚泥、建設残土、スラッジ、石炭灰等の溶融スラグ、ｄ）シリカフューム、ｅ）もみがら灰等が挙げられる。また、天然ポゾランとしては、各種火山灰、ケイ酸白土、珪藻土等を例示できる。これらは１種又は２種以上を用いることができる。
【００３３】
本発明では、上記ポゾランの粉末度は、上記セメントの粉末度よりも大きくする。すなわち、上記セメントの比表面積よりも大きな比表面積を有するポゾランを用いる。従って、例えば用いるセメントの粉末度が３０００ｃｍ2／ｇであれば、粉末度が３３００ｃｍ2／ｇのポゾランを用いることができる。上記粉末度のセメントとその粉末度により大きな粉末度を有するポゾランを組み合わせて用いることによって、施工性、初期力学特性等を維持しつつ優れた水和反応遅延作用を得ることができる。ポゾランの粉末度は、特に３５００ｃｍ2／ｇを超えるものが好ましく、最も好ましくは４０００ｃｍ2／ｇ以上とする。なお、上限は特に制限されないが、経済性の観点より通常は１００００ｃｍ2／ｇ程度とすれば良い。
【００３４】
上記セメントとポゾランの配合割合は、最終製品の用途、所望の水和反応速度等に応じて適宜設定することができるが、通常は質量比でセメント：ポゾラン＝７：３〜３：７程度、好ましくは６：４〜４：６とすれば良い。
【００３５】
また、ポゾランについては、石炭ガス化スラグ及びフライアッシュがそれぞれセメント組成物中１０質量％以上（特に１５質量％以上）であって、かつ、両者の合計がセメント組成物中３０〜７０質量％（特に４０〜６０質量％）であることが好ましい。
【００３６】
本発明組成物では、これらの成分のほかに、その効果を損なわない範囲内で必要に応じて他のセメント混和材、添加剤等を添加することもできる。
【００３７】
本発明組成物を使用する場合は、公知のセメント組成物の場合と同様にすれば良い。これによって得られる硬化体を後記の遮蔽体の構成部材（特に壁材、床材等）として用いることができる。このような硬化体は、水和反応が長期にわたって緩慢に持続するので、特に放射性廃棄物用遮蔽体としても有用である。すなわち、本発明組成物は、放射性廃棄物遮蔽用セメント組成物としても有効に利用することができる。
２．多層構造型遮蔽体
本発明の多層構造型遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも２層以上（好ましくは４層以上）からなる多層構造型遮蔽体であって、最外層以外の内層に本発明の水和反応遅延型セメント組成物を使用することを特徴とする。
【００３８】
すなわち、本発明遮蔽体は、少なくとも２層以上からなる壁材から構成されており、廃棄物がこれらの壁材により囲われることによって外部から遮蔽される。この場合において、最外層以外の内層（最内層も含む。）に上記の本発明セメント組成物を使用する。使用に際しては、本発明セメント組成物に所定量の骨材、水等を混練したモルタル材又はコンクリート材を硬化させてなる硬化体を内層として用いれば良い。上記モルタル材又はコンクリート材の組成は、廃棄物の種類等に応じて適宜設定することができる。
【００３９】
最外層としては、公知のセメント組成物を使用することができる。例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、高炉セメント及びフライアッシュセメントの少なくとも１種のセメント組成物を使用することが好ましい。これらのセメント組成物に骨材、水等を混練し、これを硬化させた硬化体を最外層とすることができる。その他の施工方法は、公知の施工方法に従えば良い。
【００４０】
本発明遮蔽体では、上記壁材が３層以上（好ましくは４層以上）で構成される場合は、特に最内層及び最外層以外の内層に上記水和反応遅延型セメント組成物を使用することができる。最内層及び最外層は、上記の最外層と同様に公知のセメント組成物を使用しても良い。この場合、特に、最内層は、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早くなるようにすることが好ましい。
【００４１】
また、本発明では、最内層の外側に隣接する内層から最外層の内側に隣接する内層に向かって水和反応が早くなるようにすることが好ましい。すなわち、最外層の内側に隣接する内層は、最内層の外側に隣接する内層よりも水和反応が早くなる結果として、強度発現が最内層の外側に隣接する内層より早くすることができる。
【００４２】
本発明の遮蔽体を用いた廃棄物の処分方法を図示しながら説明する。図２には、５層からなる本発明遮蔽体（断面図）の一例を示す。この遮蔽体は、廃棄物処理容器（１）を中心とし、外側から容器に向かって最外層（５）、内層（６）〜（８）及び最内層（９）の順で構成されている。各層の厚さは、廃棄物の種類、各層の材質等に応じて適宜設定すれば良い。また、遮蔽体自体の形状も特に制限されず、図２のような長方体のほか、立方体、球体、不定形体等のいずれであっても良い。廃棄物は、容器（１）に直接設置しても良い。また、従来法のようにドラム缶、コンクリート缶等に廃棄物を入れ、必要に応じて固化材料を充填し、密封した状態で容器（１）に直接しても良い。上記固化処理に際して用いられる固化材料としては、例えばセメント、アスファルト、プラスチックス、セラミックス等の公知のものが使用でき、この中でも安価で入手が容易な点でセメントが好ましい。これらセメントも公知のもの又は市販品を使用できる。ドラム缶等に廃棄物を封入した場合は、設置されたドラム缶等の隙間に図１のような充填モルタルを充填しても良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明組成物は、特定の粉末度を有するセメント及びポゾランから実質的に構成され、しかもポゾランとしてフライアッシュ及び石炭ガス化スラグを併用することから、施工性、初期力学特性等を維持しつつ、水和反応遅延作用を効果的に発揮することができる。その結果、長期耐久性等に優れた遮蔽体を提供することができる。
【００４４】
本発明組成物を用いてなる遮蔽体は、特に本発明組成物を使用してなる層と通常の層との組み合わせより構成されているので、長期にわたって廃棄物を外部から遮蔽することができる。特に、放射性廃棄物の処分に適したものである。
【００４５】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明の特徴をより一層明確にする。但し、本発明は、これら実施例の範囲に限定されるものではない。
【００４６】
実施例１
表１に示す組成を有するビーライトセメント（ビーライト５６質量％含有）７０質量％、表２に示す組成を有するフライアッシュ１５質量％及び表３に示す組成を有する石炭ガス化スラグ１５質量％を用い、表４に示す粉末度の組み合わせで両者を混合し、本発明組成物を調製した。
【００４７】
なお、表１は、セメント（ブレーン比表面積２０００ｃｍ2／ｇ）の組成を示す。また、表２には、フライアッシュ（ブレーン比表面積４０００ｃｍ2／ｇ及び８０００ｃｍ2／ｇ）の組成をそれぞれ示す。表３には、石炭ガス化スラグの組成を示す。
【００４８】
【表１】
0003711442.tif 000002
【００４９】
【表２】
0003711442.tif 000003
【００５０】
【表３】
0003711442.tif 000004
【００５１】
実施例２〜１０
フライアッシュ及び石炭ガス化スラグの粉末度及び含有量を表４に示すようにしたほかは、実施例１と同様にして本発明組成物を調製した。
【００５２】
【表４】
0003711442.tif 000005
【００５３】
試験例１
各実施例で得られた組成物を用いて以下の試験を実施した。
（１）フロー試験
「ＪＩＳ  Ｒ  ５２０１−１９９２ セメントの物理試験方法」に準じ、各試料５２０ｇ、細骨材１０４０ｇ（豊浦標準砂）及び上水道水２８６ｇを混練し、モルタルを調製した。水セメント比は５５％とした。調製されたモルタルを用い、フロー試験を行った。その結果を表３に示す。
（２）水酸化カルシウム量の定量
各試料と蒸留水とを用い、水セメント比４０％で混練してセメントペーストを調製し、これを２０℃で表３に示す所定材齢まで養生し、Ｄ−ドライ（減圧乾燥）により水和停止したものについて水酸化カルシウム量の定量を行った。材齢は、１ヶ月（１Ｍ）、３ヶ月（３Ｍ）、６ヶ月（６Ｍ）及び１年（１Ｙ）とした。
【００５４】
水酸化カルシウム量は、熱重量分析・示差熱分析（ＴＧ／ＤＴＡ）により、  Ｃａ（ＯＨ）2の脱水時の重量減少及び一部炭酸化した試料についてはＣａＣＯ3の脱炭酸時の重量減少を測定してＣａ（ＯＨ）2の生成量に換算した。なお、水酸化カルシウム量は、水和停止ペーストの強熱減量により求めた結合水量で補正し、絶乾ベースでの水酸化カルシウム量として算出した。
（３）未水和ポゾラン量の定量
未水和ポゾラン量は、上記の所定材齢における水和停止セメントペースト中の酸不溶残分量から定量した。酸不溶残分量の定量は、（社）セメント協会コンクリート専門委員会報告Ｆ−１８（硬化コンクリートの配合推定）に示されている不溶残分（ｉｓｏｌ．）の定量方法に準じて行った。このようにして測定した水和停止ペースト中の未水和ポゾラン量は、水和停止ペーストの強熱減量により求めた結合水量で補正し、絶乾ベースでの水和ポゾラン量として求めた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の放射性廃棄物処理施設の概略図である。
【図２】本発明の多層構造型遮蔽体の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  廃棄物処理容器
２  充填モルタル
３  コンクリート
４  ベントナイト
５  最内層
６  内層
７  内層
８  内層
９  最外層
【図１】
0003711442.tif 000006
【図２】
0003711442.tif 000007