(57)【要約】【課題】  吹付け工法を用いて高い乾燥密度の止水層を形成することができるベントナイト系材料を提供する。【解決手段】  ベントナイト系材料は、ベントナイトを含む主材料と、ベントナイトの層間陽イオンと同種の陽イオンを含有する層間陽イオン含有水とを含んで構成されている。主材料に層間陽イオン含有水を添加して混合体を生成し、混合体を止水層形成位置に吹き付けて、廃棄物処理施設を造成する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物内で止水層を形成するベントナイト系材料であって、
ベントナイトを含む主材料と、
ベントナイトの層間陽イオンと同種の陽イオンを含有する層間陽イオン含有水と、を含んで構成され、
前記主材料に前記層間陽イオン含有水を添加して前記主材料と前記層間陽イオン含有水とを含む混合体を生成し、前記混合体を止水層形成位置に吹き付けることによって、前記止水層を形成することを特徴とするベントナイト系材料。
【請求項２】
前記層間陽イオン含有水が、炭酸イオン含有水である請求項１に記載のベントナイト系材料。
【請求項３】
前記炭酸イオン含有水が、炭酸塩水溶液および重炭酸塩水溶液のうちの少なくとも一方である請求項２に記載のベントナイト系材料。
【請求項４】
前記炭酸塩水溶液が、炭酸ナトリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、および炭酸鉄水溶液のうちの少なくとも１つであり、
前記重炭酸塩水溶液が、重炭酸ナトリウム水溶液、重炭酸カリウム水溶液、および重炭酸鉄水溶液のうちの少なくとも１つである請求項３に記載のベントナイト系材料。
【請求項５】
前記ベントナイトの乾燥密度が１．８Ｍｇ／ｍ３〜１．９Ｍｇ／ｍ３である請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載のベントナイト系材料。
【請求項６】
前記ベントナイトが粗粒ベントナイトであり、
前記粗粒ベントナイトの粒径が１０ｍｍ以下とされている請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載のベントナイト系材料。
【請求項７】
前記主材料に対する前記層間陽イオン含有水の含水比が１５〜３０％の間に調整されている請求項１〜請求項６のうちのいずれか１項に記載のベントナイト系材料。
【請求項８】
前記構造物は、地中における廃棄物処理施設である請求項１〜請求項７のうちのいずれか１項に記載のベントナイト系材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乾式吹付け工法に用いられるベントナイト系材料に係り、特に、放射性廃棄物などの廃棄物を処理する廃棄物処理施設の造成に用いて好適なベントナイト系材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射性廃棄物を廃棄するにあたり、たとえば放射性廃棄物をガラス質の素材に溶け込ませ、これを鉄鋼製の容器に鋳込んで地層内に埋め込む放射性廃棄物地層処分（以下「地層処分」という）が行われることがある。この地層処分においては、放射性廃棄物を確実に隔離するために、粘土質材料による人工バリア（止水層）が構築される。
人工バリアの構築を行う方法としては、ベントナイトブロックを積み上げる方式や、現場での締固めによる方式が知られている。このうち、ベントナイトブロックを積み上げる方式は、工場などで作製したベントナイトブロックを現場に搬入し、吸引把持し、またはクレーンで吊り上げるなどして定置するものである。一方の現場での締固めによる方式は、振動ローラ、コンクリートはつり機を改良した空圧式打撃ハンマ、重錘落下式自動締固め機械などでの転圧をそれぞれ施すものである。このような放射性廃棄物を廃棄するための方法として、たとえば特許第３０５４７２８号公報（特許文献１）に開示された廃棄物処理施設、特開２０００−１９３７９６号公報（特許文献２）に開示された埋め戻し方法およびそれに使用するブロックの製造方法がある。
【０００３】
また、粘土質材料としては、ベントナイトを主体とし、ベントナイトまたはベントナイトに砂など含有させたベントナイト混合土からなるベントナイト系材料が一般的に用いられている。このベントナイト系材料は、通常、ベントナイト粉体を主体とする原料に所定の含水比となるまで加水したものが使用される。
【０００４】
ところが、ベントナイトブロックを積み上げる方式では、大型のジャッキなどを備えた大掛かりなプラントが必要となる。また、現場での締固めによる方式では、大型の振動ローラや転圧装置を用いる必要があり、やはり大掛かりなものとなってしまうという問題がある。また、これらの方式では、狭隘な部分に人工バリアを構築するのが困難であるという問題もある。
【０００５】
これらの問題に対して、ベントナイト系材料を用いた吹付け工法が検討されている。この吹付け工法では、ベントナイト系材料をトンネルなどの内面に吹き付けて、人工バリア（止水層）を構築しようというものである。従来における吹付け工法では、主に法面の遮水性を向上させることを目的としており、たとえば特開２００１−８１７６１号公報（特許文献３）、特許第３４９４３９７号公報（特許文献４）に開示されたものがある。これらの吹付け工法においては、大型のジャッキや振動ローラなどの装置を用いる必要がないので、容易に人工バリアを構築することができる。しかも、狭隘な部位についても容易に人工バリアを構築することができる。
【特許文献１】特許第３０５４７２８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９３７９６号公報
【特許文献３】特開２００１−８１７６１号公報
【特許文献４】特許第３４９４３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、地層処分において構築される人工バリア（止水層）には、高い遮水性が要求されることから、高い乾燥密度、たとえば１．６Ｍｇ／ｍ３程度の非常に高い乾燥密度が要求される。吹付け工法には、いわゆる湿式吹付け工法と乾式吹付け工法とがあり、このように、高い遮水性を要求される場合には、主に乾式吹付け工法が採用される。ここで、湿式吹付け工法とは、材料と水とを予め混練して得られた混練物を、ホースを介して圧送し、ホースの先端に設けられたノズルから施工面に吹き付けて止水層を形成する工法である。一方、乾式吹付け工法とは、水を含ませることなく空練りした材料を、ホースを介して圧送し、ホースの先端に設けられたノズルから施工面に吹き付ける際に、水を混合させることにより、材料と水の混合体を施工面に吹き付けて止水層を形成する工法である。
【０００７】
しかし、上記従来の吹付け工法において、上記特許文献３，４に開示されたベントナイト系材料を用いる場合、乾燥密度を高めるためには、含水比を低くする必要が生じるが、この場合、付着に対するロス率が高くなってしまう。このため、人工バリア（止水層）に要求されるほどの高い乾燥密度を得るのは困難であるという問題があった。このように、吹付け工法を用いることによって、高い乾燥密度の止水層を形成できることが望まれていた。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、吹付け工法を用いて高い乾燥密度の止水層を形成することができるベントナイト系材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決した本発明に係るベントナイト系材料は、構造物内で止水層を形成するベントナイト系材料であって、ベントナイトを含む主材料と、ベントナイトの層間陽イオンと同種の陽イオンを含有する層間陽イオン含有水と、を含んで構成され、主材料に層間陽イオン含有水を添加して主材料と層間陽イオン含有水とを含む混合体を生成し、混合体を止水層形成位置に吹き付けることによって、止水層を形成することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係るベントナイト系材料においては、ベントナイトを含む主材料と、ベントナイトの層間陽イオンと同種の陽イオンを含有する層間陽イオン含有水とを含んで構成されている。たとえば、廃棄物処理施設を造成するにあたり、ベントナイト系材料と水を吹き付けると、その乾燥密度を高めることが困難となる。これに対して、本実施形態に係るベントナイト系材料は、ベントナイトの層間陽イオンと同種の陽イオンを含有する層間陽イオン含有水を含んで構成されている。このため、ベントナイトの層間陽イオンと、層間陽イオン含有水に含有される陽イオンとが同種であるので、高い付着性を発揮させることができる。したがって、含水比が低い状態であっても吹付けの際における付着率に対するロス率の低減を図ることができる。
【００１１】
なお、ベントナイトの層間陽イオンと同種の陽イオンとしては、具体的には、Ｎａイオン、Ｃａイオンを例示することができる。
【００１２】
ここで、層間陽イオン含有水が、炭酸イオン含有水である態様とすることができる。
【００１３】
層間陽イオン含有水が炭酸イオン含有水であることにより、ベントナイト系材料に含まれるベントナイトの過剰な膨潤が抑制され、ベントナイトの表面がベントナイトペーストによってコーティングされた状態となる。このため、吹付けを行う際にベントナイト系材料の付着性をより高めることができる。
【００１４】
また、炭酸イオン含有水が、炭酸塩水溶液および重炭酸塩水溶液のうちの少なくとも一方である態様とすることもできる。
【００１５】
このように、炭酸イオン含有水が炭酸塩水溶液および重炭酸塩水溶液の少なくとも一方であることにより、無機材料を用いていることになるので、有機材料を用いた場合のような変質のおそれを無くすことができる。また、廃棄物処理施設が閉鎖された後、地下水によって希釈されるので、高い遮水性を発揮するものとなる。
【００１６】
さらに、炭酸塩水溶液が、炭酸ナトリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、および炭酸鉄水溶液のうちの少なくとも１つであり、重炭酸塩水溶液が、重炭酸ナトリウム水溶液、重炭酸カリウム水溶液、および重炭酸鉄水溶液のうちの少なくとも１つである態様とすることもできる。炭酸塩水溶液および重炭酸塩水溶液としては、上記の飽和濃度水溶液を好適に用いることができる。
【００１７】
また、ベントナイトの乾燥密度が１．８Ｍｇ／ｍ３〜１．９Ｍｇ／ｍ３である態様とすることができる。
【００１８】
このように、ベントナイトの乾燥密度が上記の範囲とすることにより、止水層の乾燥密度を１．６Ｍｇ／ｍ３程度としながら、ベントナイト系材料の付着率をより高くすることができる。
【００１９】
さらに、ベントナイトが粗粒ベントナイトであり、粗粒ベントナイトの粒径が１０ｍｍ以下とされている態様とすることもできる。
【００２０】
このように、ベントナイトが粗粒ベントナイトであり、その粒径が１０ｍｍ以下とされていることにより、さらに乾燥密度を高めながら付着率の向上を図ることができる。
【００２１】
そして、主材料に対する層間陽イオン含有水の含水比が１５〜３０％の間に調整されている態様とすることもできる。
【００２２】
このように、主材料に対する層間陽イオン含有水の含水比が１５〜３０％の間に調整されていることにより、さらに乾燥密度を高めながら付着率の向上を図ることができる。ベントナイト系材料の含水比が１５〜３０％の範囲としたのは、含水比が１５％未満では、付着率の低下が大きくなり、逆に含水比が３０％を超えると、乾燥密度の向上を十分に発揮できない可能性が大きくなるからである。
【００２３】
また、構造物は、地中における廃棄物処理施設である態様とすることができる。
【００２４】
構造物が廃棄物処理施設であっても、廃棄物処理施設を造成する際に求められる程度の非常に高い乾燥密度の止水層を形成することができるので、廃棄物処理施設造成用ベントナイト系材料として好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るベントナイト系材料によれば、吹付け工法を用いて高い乾燥密度の止水層を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００２７】
本実施形態に係るベントナイト系材料は、ベントナイト原鉱石と炭酸イオン含有水を有している。ベントナイト原鉱石は、粉体ベントナイトの製造過程で生じる粗粒ベントナイトのうちから、粒径１０ｍｍ以下のものを選別して用いられている。また、粗粒ベントナイトの乾燥密度は、１．８〜１．９Ｍｇ／ｍ３程度である。１０ｍｍ以下の粗粒ベントナイトは、粗砕きしたベントナイト原鉱石を目の粗さが１０ｍｍのふるい分けによって選別して得たものである。
【００２８】
また、炭酸イオン含有水としては、重炭酸ナトリウム水溶液（以下、「重曹水」という）が用いられている。ただし、炭酸イオン含有水としては、重曹水のほか、ＣＯ３２−、ＨＣＯ３２−などを供給可能な水溶液を適宜用いることができる。その例として、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸鉄などの炭酸塩の水溶液や、重炭酸カリウム、重炭酸鉄などの重炭酸塩の水溶液などを挙げることができる。
【００２９】
さらに、ベントナイト系材料における炭酸イオン含有水の含水比は、１５〜３０％の範囲に調整されている。ベントナイトと炭酸イオン含有水との混合は、ベントナイトを圧縮空気で圧送し、止水層形成位置に吹き付ける直前に行うことができる。この場合、止水層形成位置でベントナイトと炭酸イオン含有水との混合体が生成され、この混合体が止水層形成位置に吹き付けられる。あるいは、ベントナイトと炭酸イオン含有水とを予め混合して混合体を生成しておき、この混合体を圧縮空気によって圧送して、止水層形成位置に吹き付けることもできる。
【００３０】
次に、本実施形態に係るベントナイト系材料を用いた吹付け工法が行われる廃棄物処理施設の造成方法について説明する。本実施形態では、放射性廃棄物を処理する放射性廃棄物処理施設を造成し、放射性廃棄物の地層処分を行う。図１は、放射性廃棄物処理施設の正断面図である。図１に示すように、放射性廃棄物処理施設１０は、坑道１を有しており、坑道１内に放射性廃棄物２が埋められて廃棄される。坑道１は、たとえばコンクリートによって形成されている。また、放射性廃棄物２は、ガラス質の素材に溶け込まされ、鉄鋼製の容器に鋳込まれている。放射性廃棄物２を埋める際に、その周囲にベントナイト系材料を吹き付けて、止水層３を形成する。この止水層３により、放射性廃棄物２に対する地下水の流通を防止する。
【００３１】
放射性廃棄物を廃棄するにあたっては、まず、図２に示すように、坑道１内に放射性廃棄物２を載置する。放射性廃棄物２を載置したら、吹付け工法を行うことによって、ベントナイト系材料を吹付け、止水層３を形成する。ベントナイト系材料を吹き付ける際には、ノズル４が用いられる。ノズル４には、ホース５を介して図示しないコンプレッサに接続されており、ノズル４からは圧縮空気が噴出される。止水層３を形成するにあたっては、まず、坑道１における放射性廃棄物２が載置されている位置の周囲に上方からノズル４を用いて圧縮空気によってベントナイト系材料を吹き付ける。
【００３２】
また、ノズル４には、図示しない別個の液体搬送手段が接続されており、この液体搬送手段によって、ノズル４に対して炭酸イオン含有水が供給される。ベントナイト系材料の吹付けを行うにあたり、ノズル４に対して別個に供給されたベントナイトと炭酸イオン含有水とは、ノズル４の位置で混合される。具体的には、炭酸イオン含有水などの液体が添加されていないベントナイトを圧縮空気によってノズル４の位置まで搬送し、ノズル４の先端開口から対象面に対して吹き付ける。この吹付けが行われる際に、圧送路内のベントナイトの流れに向かって、独立して圧送された炭酸イオン含有水の水流を合流させる。それから、ノズル４でベントナイトと炭酸イオン含有水とを混合した混合体を生成し、放射性廃棄物２が載置されている位置の周囲に圧縮空気によって吹き付ける。
【００３３】
こうして、ベントナイト系材料の吹き付けが進み、図３に示すように、坑道１の下方における広い範囲に止水層３が形成されたら、坑道１の上方にも止水層を形成する。この場合には、図３に示すように、ノズル４を坑道１の内面に直接向けるなどしてベントナイト系材料を吹き付けて、止水層を形成する。その後、図１に示すように、坑道１がベントナイト系材料で埋め尽くされて、坑道１の内部全域に止水層３が形成され、放射性廃棄物２に対する坑道１の周囲の地下水が流通することを防止する。
【００３４】
このように、本実施形態に係るベントナイト系材料を用いることにより、吹付け工法によって、放射性廃棄物２を廃棄するための廃棄物処理施設１０に求められる程度の高い乾燥密度の止水層３を形成することができる。したがって、大型のクレーンや転圧ローラなどの大掛かりなプラントや装置を用いることなく、簡易に廃棄物処理施設１０を造成できるようになる。しかも、吹付け工法によって止水層３を形成するので、狭隘な部分に対しても容易に止水層３を形成することができる。
【００３５】
また、本実施形態に係るベントナイト系材料は、ベントナイトと同種の陽イオンが含有する層間陽イオン含有水である炭酸イオン含有水を有している。従来の吹付け工法では、水が用いられており、含水比を低くすると、十分な付着性を得ることができず、逆に含水比を高くすると、乾燥密度が低くなり、十分な遮水性を発揮することができなくなってしまう。
【００３６】
これに対して、本実施形態に係るベントナイト系材料では、炭酸イオン含有水の作用により、ベントナイトの過剰な膨潤が抑制されるので、ベントナイトの表面がベントナイトペーストによってコーティングされた状態となる。このため、吹付けを行う際に、止水層形成位置やベントナイト同士が付着しやすくなる。したがって、低い含水比であっても高い接着能力が発揮されるので、吹付け材料の含水比を低くしても十分な付着性および遮水性を得ることができる。
【００３７】
また、ベントナイト系材料における層間陽イオン含有水は、ベントナイトの層間陽イオンと同種の陽イオンを含むので、環境負荷を小さなものとすることができる。さらに、炭酸イオン含有水は、無機材料であるので、アルコールなどの有機材料のような変質のおそれがない。このため、放射性廃棄物処理施設１０が完成して坑道１が閉鎖された後に、地下水によって希釈されるので、最終的には、たとえばベントナイトブロックを積み上げるなどの従来の工法と同様の遮水性などの性能を発揮することができる。
【００３８】
他方、本実施形態に係る廃棄物処理施設１０は、坑道１の表面がセメント系のコンクリートで形成されているので、炭酸イオン（含有水）がコンクリートの表層部を緻密化させる効果を発揮することができる。
【００３９】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態においては、乾式吹付け工法によって止水層を形成しているが、いわゆる湿式吹付け工法のように、ベントナイトに層間陽イオン含有水を混合して混合体を生成してから、止水層形成位置に混合体を吹き付ける態様とすることもできる。この場合、本発明では液体として層間陽イオン含有水を用いており、その含水比を低く設定していることにより、従来の湿式吹付け工法のように、混合体が液状となることはなく、スラリー状よりやや硬い状態の混合体となる。したがって、従来の湿式吹付け工法と比較して、ホースやノズル中に混合体が残存する割合を低くすることができる。
【００４０】
また、上記実施形態では、坑道１と放射性廃棄物２との間のすべてにベントナイト系材料を吹き付けるようにしているが、たとえば、坑道１と放射性廃棄物２との間に、できる限りベントナイトブロックを敷き詰めて、残りの狭隘部分にのみ本発明のベントナイト系材料を吹き付ける態様とすることもできる。さらに、上記実施形態では、主材料としてベントナイトを単体で用いているが、たとえばベントナイトとセメントの混合物を用いることもできる。さらには、ベントナイトに土砂や繊維などを混合したものを主材料として用いることもできる。もちろん、セメント、土砂、繊維などをすべて含むものやその一部を含むものを主材料として用いることもできる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００４２】
本発明例として、ベントナイトに炭酸イオン含有水（重曹水）を混合して得られたベントナイト系材料を製造した。ベントナイトは、粗粒ベントナイトであり、その粒径が１０ｍｍ以下のものである。また、重曹水は飽和濃度である。一方、比較例として、粒状ベントナイトに水を混合して得られたベントナイト系材料を製造した。そして、本発明例に係るベントナイト系材料の含水比を２０％に設定し、比較例に係るベントナイト系材料の含水比を２５％に設定して、それぞれのベントナイト系材料をコンプレッサから供給された圧縮空気によって対象面に吹き付けて乾燥密度を計測した。その結果を図４に示す。
【００４３】
図４から分かるように、本発明例に係るベントナイト系材料では、乾燥密度が１．６５Ｍｇ／ｍ３と大きな値になったのに対して、比較例では、１．４Ｍｇ／ｍ３と小さな値となった。したがって、本発明例では、高い乾燥密度を実現することができた。なお、比較例の含水比を２０％に設定した場合には、ベントナイト系材料が対象面に付着せず、乾燥密度を計測することができなかった。
【００４４】
以上の結果より、本発明に係るベントナイト系材料は、低い含水比で高い乾燥密度を実現することができ、地層処分における止水層に必要とされる要求性能（１．６Ｍｇ／ｍ３）を満足することが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】放射性廃棄物処理施設の正断面図である。
【図２】放射性廃棄物処理施設の造成過程の正断面図である。
【図３】図２に続く過程の正断面図である。
【図４】本発明例および比較例における含水比と吹付け後の乾燥密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１…坑道
２…放射性廃棄物
３…止水層
４…ノズル
５…ホース
１０…放射性廃棄物処理施設
【図１】
2007051246.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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