(57)【要約】【課題】簡易かつ安価に製造することが可能な不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法を提供する。【解決手段】放射性物質を含有する廃棄物の中間貯蔵施設１の不透水層２を形成するための混合土であって、脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなり、母材は、粒度調整がなされていない岩級区分がＣＬ〜Ｄ級の脆弱岩の掘削残土であり、ベントナイトは、混合土の乾燥重量に対する混合率が５％〜１０％の範囲内で混合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなる不透水層用の混合土であって、
前記母材は、掘削土であることを特徴とする、不透水層用の混合土。
【請求項２】
乾燥重量に対する前記ベントナイトの混合率が、５％〜１０％の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の不透水層用の混合土。
【請求項３】
前記脆弱岩の岩級区分がＣＬ〜Ｄ級であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の不透水層用の混合土。
【請求項４】
脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなる混合土の配合設計方法であって、
前記脆弱岩が締固め時の粒子破砕により適度な細粒分を有する粒度分布に調整されることを考慮して前記ベントナイトの混合率を設定することを特徴とする、混合土の配合設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種廃棄物の貯蔵施設等では、施設底部、施設斜面部および廃棄物層下部に不透水層を形成する場合がある。
不透水層は、遮水性能および変形追随性能を備えている必要がある。また、放射性物質を含有する廃棄物の中間貯蔵施設では、遮水性能および変形追従性能に加えて、流出防止性能を備えている必要がある。なお、本明細書において「不透水層」とは、不透水性の土壌層をいい、「難透水性土壌層」も含むものとする。
【０００３】
このような不透水層を構成する材料には、締固めに適した粒度分布を確保するための複数種類の母材と、ベントナイトとを混合してなるベントナイト混合土を使用する場合がある。
【０００４】
また、特許文献１には、乾土重量比で、礫２０〜６０％、ベントナイト５〜２０％、残部が砂よりなるベントナイト混合土が開示されている。
このベントナイト混合土は、礫同士による骨格形成による強度確保、膨潤変形の抑止、ベントナイトによる止水性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−１１３２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来のベントナイト混合土は、母材の調達に費用が掛かり、また粒度調整に手間がかかる。また、特許文献１記載のベントナイト混合土も、母材に複数種類の材料を使用するため、費用がかさむ。
【０００７】
このような観点から、本発明は、母材の調達に費用を掛けず、また粒度調整の手間を掛けない（省いた）不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明の不透水層用の混合土は、脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなるものであって、前記母材は掘削土であることを特徴としている。
【０００９】
前記不透水層用の混合土の乾燥重量に対する前記ベントナイトの混合率は、５％〜１０％の範囲内であるのが望ましい。
また、前記脆弱岩の岩級区分はＣＬ〜Ｄ級であることが望ましい。
【００１０】
かかる不透水層用の混合土は、１種類の母材とベントナイトとを混合することにより、簡易かつ安価に製造することができる。
また、母材として脆弱岩を主体とした材料を使用しているため、締固めにより容易に母材が破砕されて好適な粒度分布になる。このような母材を使用すれば、ベントナイトの混合率が小さい(貧配合)場合でも飽和度が高く、空気間隙率が小さく密実で、遮水性状と力学特性とを備えた不透水層を形成することができる。
【００１１】
また、破砕性を備えた母材のため、過剰な締固めエネルギーを必要とせずに、高い乾燥密度を得ることができる。
ここで、本明細書の「脆弱岩」とは、いわゆるＣＬ〜Ｄ級岩盤（日本道路公団の岩盤分類）に区分される堆積軟岩である。
【００１２】
また、本発明の混合土の配合設計方法は、脆弱岩を主体とする母材にベントナイトを混合してなるものであって、前記脆弱岩が締固め時の粒子破砕により適度な細粒分を有する粒度分布に調整されることを考慮して前記ベントナイトの混合率を設定することを特徴としている。
【００１３】
かかる混合土の配合設計方法によれば、母材として脆弱岩を主体とした材料を用いることで、脆弱岩の粒子破砕性を有効に利用して粒度分布の向上を図り、粒子破砕による適度な細粒分を有する貧配合のベントナイト混合土の配合設計が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の不透水層用の混合土および混合土の配合設計方法によれば、簡易かつ安価にベントナイト混合土を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の廃棄物処分場の概要を示す断面図である。
【図２】母材の粒度分布を示すグラフである。
【図３】本実施形態の混合土の締固め前後の粒径加積曲線を示すグラフであって、（ａ）は母材が泥岩Ａの場合、（ｂ）は母材が泥岩Ｂの場合である。
【図４】混合土の締固め前後の粒径加積曲線を示すグラフであって、（ａ）は母材として花崗岩Ａを使用した場合、（ｂ）は母材として花崗岩Ｂを使用した場合である。
【図５】ベントナイト混合土の締固め曲線を示すグラフである。
【図６】締固めエネルギーの違いによる有効粘土密度の関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は本実施形態の混合土の透水係数と有効粘土密度の関係を示すグラフ、（ｂ）は母材として花崗岩を使用した混合土の透水係数と有効粘土密度の関係を示すグラフである。
【図８】締固め直後のベントナイト混合土を破壊させた後の自己修復性能を確認するために自己シール性試験による透水係数と経過時間の関係を示すグラフであって、（ａ）は本実施形態の混合土、（ｂ）は母材として稲城砂を使用した混合土である。
【図９】本実施形態の混合土の三軸圧縮試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本実施形態では、放射性物質を含有する廃棄物（放射性廃棄物４）の中間貯蔵施設１の不透水層（混合土）２について説明する。
中間貯蔵施設１は、図１に示すように、地盤を掘削することにより形成された凹部３（溝等）に構築されている。
【００１７】
不透水層２は、放射性廃棄物４の側面および底面を覆うように、凹部３の底部および斜面部に形成されている。すなわち、中間貯蔵施設１は、いわゆる土壌貯蔵施設II型Ｂタイプ（「中間貯蔵施設安全対策検討会（第４回）資料３」環境省）である。なお、放射性廃棄物４の上面は覆土５により覆われている。また、放射性廃棄物４を複数層に分けて埋め立てる場合には、各廃棄物層の底部にも不透水層２を形成する。
【００１８】
不透水層２は、脆弱岩を主体とする母材に貧配合のベントナイトを混合してなる混合土を締固めることにより形成されている。
【００１９】
本実施形態では、母材として、凹部３の形成時に地盤（脆弱岩）を掘削することにより発生した掘削残土を使用している。
すなわち、不透水層２を構成する混合土は、凹部３の掘削時に発生した岩盤層の掘削残土に、貧配合のベントナイトを混合することにより構成されている。
【００２０】
本実施形態では、岩級区分がＣＬ〜Ｄ級の泥岩（脆弱岩）である新第三系鮮新統の泥岩の掘削残土を、粒度調整することなく混合機に投入し、ベントナイトおよび水と混合する。
なお、ベントナイトの混合率は、脆弱岩が締固め時の粒子破砕により適度な細粒分を有する粒度分布に調整されることを考慮して、混合土の乾燥重量に対して５％〜１０％の範囲内とする。
【００２１】
本実施形態では、母材として脆弱岩を使用しているが、脆弱岩を主体としていれば、脆弱岩以外の材料（砂等）が母材に含まれていてもよい。なお、掘削残土に、脆弱岩以外の材料が２０％程度以上含まれている場合には、母材としては使用しないものとする。また、掘削残土に粘土やシルトが含まれている場合も、母材としては使用しないものとする。
【００２２】
不透水層２は、混合土を撒き出したのち、締固めることにより形成されている。
混合土の撒き出し方法は限定されないが、例えば、ブルドーザ等の建設機械を使用すればよい。また、混合土の締固めは、例えば振動ローラやコンパクタ等の建設機械を用いて転圧すればよい。
【００２３】
本実施形態の不透水層用の混合土は、母材として掘削残土（現地発生土）の脆弱岩を使用しているため、礫や砂等の購入土を使用する場合に比べて、費用を大幅に削減することができる。
また、母材となる掘削残土に対して手間のかかる粒度調整等の処理を施す必要が無く、簡易な事前破砕のみが必要とされるため、施工性および経済性に優れている。
【００２４】
本実施形態の混合土によれば、脆弱岩を主体とした母材にベントナイトを混合しているので、遮水性に優れた不透水層２が形成される。
また、母材に脆弱岩を使用しているため、粒度調整がなされていなくても、転圧により母材が破砕して、適切な粒度分布に調整され、適度な細粒分が含まれる。そのため、ベントナイトが貧配合であっても、遮水性に優れた不透水層２が形成される。
【００２５】
また、本実施形態の混合土を転圧すれば、脆弱岩が破砕して適度な粒度分布に調整されるため、母材同士の間隙が小さくなる。すなわち、高い締固め密度で、飽和度が高く、空気間隙率が低い良好な締固め性状が得られる。そのため、高品質の不透水層２を構築することができる。
【００２６】
さらに、不透水層２にせん断破壊等が生じた場合であっても、ベントナイトの膨潤変形により、必要な止水性が回復される。
【００２７】
また、締固めによる脆弱岩の粒度分布の改善効果が、ベントナイト混合土のせん断抵抗力の発現性に寄与し、盛土材として必要なせん断抵抗力を発現する。また、ひずみが大きくなっても残留応力が維持される力学変形特性を有する変形追随性が発現される。
【００２８】
次に、本実施形態の混合土の不透水層２の材料としての適用性を確認するために行った確認試験の結果について説明する。
なお、各確認試験では、均等係数４〜５以下の粒度の泥岩Ａ（粒度が悪い土：砕石２００５を想定）と、均等係数が１０以上の粒度の泥岩Ｂ（粒度の良い土）の２種類の母材を使用した（図２参照）。確認試験に使用した脆弱岩は、新第三系鮮新統の泥岩を使用した。また、比較例として、風化花崗岩と稲城砂を使用した。表１に各材料の物性を示す。ここで、「モンモリロナイト」はベントナイトの主成分を構成する鉱物の一種である。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
まず、脆弱岩（泥岩Ａ，Ｂ）の破砕性の確認を行った結果を図３に示す。
破砕性の確認は、締固め前と、締固めを１サイクル行った場合（１Ｅｃ）と、締固めを２サイクル行った場合（２Ｅｃ）の粒度分布を比較することにより行った。
【００３１】
粒度が悪い脆弱岩（泥岩Ａ）を母材とした混合土の締固め後の粒度分布（図３の（ａ））は礫分が減少しており、粒度が良い脆弱岩（泥岩Ｂ）を母材とした混合土の締固め後の粒度分布（図３の（ｂ））と同程度の幅となった。例えば、泥岩Ａを母材とした混合土は、図３の（ａ）に示すように、締固めることで２ｍｍ以下含有率が７．１％から２２．９％に増加する結果となった。すなわち、脆弱岩の破砕性により、締固め前の粒度分布とは大きく変化する結果となった。
【００３２】
なお、図４の（ａ）および（ｂ）に示すように、花崗岩を母材とした混合土は、締固め前後で大きな粒度分布の差異は生じなかった。
【００３３】
次に、各試料に対して、突固めによる土の締固め試験を行った結果を示す。突固め方法は、Ａ−ｃ法により行った。
図５に示すように、母材が脆弱岩（泥岩Ａ，Ｂ）の混合土は、最大乾燥密度において飽和度Ｓｒ＝９０％、空気間隙率ｖａ＝０〜１０％程度であり、良好な締固め特性を示した。
【００３４】
一方、母材が花崗岩の混合土は、最大乾燥密度において、飽和度Ｓｒ＝８０％、空気間隙率ｖａ＝０〜１０％程度であった。
また、母材が稲城砂の混合土は、ベントナイトの混合率が５％の場合は、最大乾燥密度において、飽和度Ｓｒ＝８０％、空気間隙率ｖａ＝０〜１０％程度であったが、混合率が１０％の場合に飽和度がＳｒ＝８０％以下、空気間隙率ｖａ＝５〜１０％程度であった。
【００３５】
したがって、母材として脆弱岩を使用することで、ベントナイトの配合が貧配合であっても、良好な締固め性状を確保することができる結果となった。
【００３６】
次に、締固めエネルギーの違いによる有効粘土密度を比較した結果を示す。
有効粘土密度は、式１を用いて算出した。
【００３７】
【数１】
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【００３８】
図６に示すように、母材として花崗岩を使用した場合と、稲城砂を使用した場合は、有効粘土密度は、締固めエネルギーの大きさに依存する傾向にある。
母材が花崗岩の場合および稲城砂の場合は、締固めエネルギー２Ｅｃ（締固めを２サイクル行った場合）の方が、締固めエネルギー１Ｅｃ（締固めを１サイクル行った場合）よりも密度が増加する。
【００３９】
一方、母材として脆弱岩（泥岩Ａ，Ｂ）を使用した混合土の有効粘土密度は、図６に示すように、粒度の差およびベントナイト混合率の差にかかわらず、締固めエネルギーにほとんど依存しない結果となった。
これは、締固めエネルギーが母材（脆弱岩）の破砕に寄与し、母材の粒度分布が調整されることによって、間隙充填がなされた結果、混合土の密実性が増加し、締固めエネルギーによらずに有効粘土密度が確保されると考えられる。
【００４０】
この結果は、締固めによる泥岩の粒子破砕性に起因していると推測される。すなわち、締固めエネルギーが泥岩の破砕に寄与し、母材の粒度分布が良くなることによって、ベントナイト混合土全体としての粒度分布が良好となり、間隙充填に繋がる結果となった。
【００４１】
次に、混合土の遮水性能について確認するために行った透水試験の結果を示す。
図７の（ａ）に示すように、脆弱岩（泥岩Ａ，Ｂ）を母材とした場合は粒度による透水係数の違いが大きいものの、ベントナイト混合率が５％で１０−１１ｍ／ｓｅｃ程度、１０％で１０−１２ｍ／ｓｅｃ程度となった。したがって、遮水層として要求される透水係数（１０−８ｍ／ｓｅｃ以下）を大幅に下回る良好な遮水性能を有している。
【００４２】
なお、脆弱岩の岩塊について透水試験を実施したところ、１０−８ｍ／ｓｅｃ程度であった。すなわち、脆弱岩を破砕してベントナイトを貧配合で混合することで、遮水性能が向上する結果となった。
【００４３】
なお、花崗岩を母材とした場合は、図７の（ｂ）に示すように、ベントナイト混合率が５％で１０−１１ｍ／ｓｅｃ以下、１０％で１０−１１ｍ／ｓｅｃ程度であった。
【００４４】
次に、混合土について自己シール性試験を行った結果を示す。
自己シール性試験は、供試体を一軸圧縮試験によりせん断破壊させた後、透水試験用モールドにより実施した。
【００４５】
母材として脆弱岩（泥岩）を使用した混合土は、図８の（ａ）に示すように、ベントナイト混合率（５％、１０％）に大きく依存せず、ベントナイトの膨潤変形により止水性が回復し、１０−４ｍ／ｓｅｃであった透水係数が、１１日間で１０−７ｍ／ｓｅｃにまで回復する結果となった。
【００４６】
これに対して、母材として稲城砂を使用した混合土は、図８の（ｂ）に示すように、ベントナイト混合率が１０％の場合は、１０−４ｍ／ｓｅｃであった透水係数が、１１日間で１０−７ｍ／ｓｅｃにまで回復する。ところが、ベントナイト混合率が５％の場合は、透水係数の変化が小さく、１０−６ｍ／ｓｅｃに留まる結果となった。
【００４７】
次に、混合土について三軸圧縮試験を行った結果を示す。
図９に示すように、母材として脆弱岩を用いた場合は、ベントナイト混合率が５％では粘着力Ｃ’＝２０ｋＮ／ｍ２、内部摩擦角φ’＝２７°であった。したがって、脆弱岩を母材としたベントナイト混合土は、盛土材に適用できるせん断抵抗力を有する強度定数を有しており、主応力差はひずみの増加に伴い、急激なひずみ軟化を示すことなく応力が維持される変形追随性を有していることがわかる。ベントナイト混合率が１０％の場合は、粘着力Ｃ’＝１８ｋＮ／ｍ２、内部摩擦角φ’＝２５°であり、変形追随性を有していることがわかる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
【００４９】
また、脆弱岩は、必ずしも岩級区分がＣＬ〜Ｄ級である必要はない。
また、脆弱岩は、必ずしも現地発生土である必要はない。
【００５０】
覆土を構成する材料は限定されないが、雨水等の水の浸透を防止する層を形成することが可能な材料が望ましい。
中間貯蔵施設は、必要な排水施設や地下水モニタリング設備を備えているのが望ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１    中間貯蔵施設
２    不透水層
３    凹部
４    放射性廃棄物
５    覆土
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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