(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベントナイト系材料層を用いて構成される遮水層と，水硬性セメントを結合材としたモルタル層またはコンクリート層のセメント系材料層で構成される構造材とを用いて敷設される処分場構造物において，該遮水層と構造材とが接する境界部にシリカ系材料からなる緩衝層を介在させ、該セメント系材料層からベントナイト系材料層へのCaイオンの侵入を、この緩衝層でカルシウムシリケートを生成させることによって阻止することを特徴とする処分場構造物。
【請求項２】
シリカ系材料からなる緩衝層は，シリカフューム，フライアッシュ，鉄精錬スラグ，非鉄精錬スラグから選ばれる少なくとも１種の粉末を用いて構成される請求項１に記載の処分場構造物。
【請求項３】
処分場は，地中に構築される放射性廃棄物処分場である請求項１または２に記載の処分場構造物。
【請求項４】
緩衝層は，シリカフュームを主成分としたプレキャスト製品である請求項１ないし３のいずれかに記載の処分場構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，ベントナイト系材料層とセメント系材料層が近接して敷設される放射性廃棄物等の処分場構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電の運用にともなって排出される放射性廃棄物は，その放射線量が人体に及ぼす量以下になるまで，人間の生活圏から隔離する必要がある。現在，このような放射性廃棄物は，国際条約などによって，地下数百メートルの地中に埋設してその放射線量が一定値以下になるように処分することになっているが，通常，その放射線量と半減期から計算すると，数百年から数万年という長期にわたって地下数百メートルの地中で処分する必要がある。そのような環境に設置される処分敷設は，ベントナイト系材料（粘土系材料）とセメント系材料（水硬性セメントを硬化材としたモルタルまたはコンクリート）を用いて構成される。
【０００３】
ベントナイト系材料が使用されるのは，主としてベントナイトの吸水による膨潤圧でシール性を確保しようとするものであり，セメント系材料が使用されるのは構造物の強度を担保しようとするものである。とくに，日本のように，岩盤に亀裂が多く，岩盤全体として透水係数の大きい環境においては，地下水が処分場に浸入することを防止するために，ベントナイトのような膨潤性土質材料によって防水層を形成することが不可欠となっている。また，地下数百メートルに廃棄物を処分するための大空洞を建設するには，その構造物の安定のためにセメント系材料の使用も構造材料としては不可欠となっている。
【０００４】
このような構造は，放射性廃棄物に限らず，各種の産業廃棄物処分場などにおいても，セメント系材料層に近接してベントナイト等の膨潤性土質材料によって防水層を形成する例は多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ベントナイト系材料層とセメント系材料層とが接触して数百年から数万年程度の長期間放置されると，両層内の各種成分の濃度差に起因して両層間に物質移動が生じる。その主たるものとして，セメント系材料層からベントナイト系材料層へのＣａ2+の移動，ベントナイト系材料層からセメント系材料層へのＳＯ42-の移動がある。これらは水を媒体として行われる。またｐＨについてはセメント系材料層ではほぼ１３，ベントナイト系材料層が７近辺であるから，アルカリ成分もセメント系材料層からベントナイト系材料層への移動する。
【０００６】
ベントナイト系材料層に移動したＣａイオンは，ベントナイト系材料層でのイオン交換反応によってベントナイト系材料層内にＣａが吸着されると同時にＮａやＫを放出する。この現象を「ベントナイトのＣａ化」と称する。ベントナイトのＣａ化が起きると，ベントナイト系材料層の遮水性能が著しく低下する。
【０００７】
他方，セメント系材料層に移動したＳＯ42-はセメント水和物と反応して膨張性鉱物を生成し，セメント系材料層の膨張破壊をもたらす。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，ベントナイト系材料層を用いて構成される遮水層と，水硬性セメントを結合材としたモルタル層またはコンクリート層のセメント系材料層で構成される構造材とを用いて敷設される処分場構造物において，該遮水層と構造材とが接する境界部にシリカ系材料からなる緩衝層を介在させ、該セメント系材料層からベントナイト系材料層へのCaイオンの侵入を、この緩衝層でカルシウムシリケートを生成させることによって阻止することを特徴とする処分場構造物を提供する。緩衝層を構成するシリカ系材料としては，シリカフューム，フライアッシュ，鉄精錬スラグ，非鉄精錬スラグから選ばれる少なくとも１種の粉末を用いる。緩衝層は，シリカフュームを主成分としたプレキャスト製品であることができる。
【０００９】
したがって，本発明の課題は，処分場構造物において，前記のような原因で発生するベントナイト系材料層並びにセメント系材料層の劣化の問題を解決しようとする点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，ベントナイト系材料層とセメント系材料層を用いて敷設される処分場構造物において，該ベントナイト系材料層と該セメント系材料層が接する境界部にシリカ系材料からなる緩衝層を介在させたことを特徴とする処分場構造物を提供する。緩衝層を構成するシリカ系材料としては，シリカフューム，フライアッシュ，鉄精錬スラグ，非鉄精錬スラグから選ばれる少なくとも１種の粉末を用いる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ベントナイト系材料層を遮水層として地中に放射性廃棄物処分施設を構築する場合，通常は，構造材としてのセメント系材料層の外側を囲うように該遮水層を敷設することになる。すなわち，ベントナイト系材料層の外側にセメント系材料層が接することになるが，この場合に，前述のように長い歴年の間に，水を媒介として物質移動が発生する。これを防止するために，両層の間に非多孔質の工業製品例えば金属や樹脂などの材料を介装するようなことは実際的ではない。なぜなら，両層間での施工が可能で且つ数百年から数万年もその機能を維持するような人工的な材料は実質的に見当たらないし，このような人工材料では予期せぬ劣化が発生するかも知れないからである。
【００１２】
このため，両層の間にセメント系材料層の細骨材として使用されているような砂質材料を充填することも検討されたが，細骨材では流動性が悪くて両層間への充填性が確保できず，また構造物が地下水に満たされていれば，この細骨材層を移動する水の速度が大きくなり，緩衝材としての機能を果たせないことになり，前述の課題が解決できない。
【００１３】
本発明によれば，主として前述のベントナイトのＣａ化現象や両層のｐＨ値の相違などに基づく構造物の劣化原因を，両層間にシリカ系粉末を介在させることによって解消することができる。シリカ系粉末は高ｐＨ環境においてＣａと反応し，化学的に安定なＣＳＨ（カルシウムシリケート水和物）を生成する（この反応はポゾラン反応と呼ばれる）。したがって，このようなシリカ系粉末の層を両層の間に介在させると，セメント系材料層からベントナイト系材料層にＣａや高ｐＨ水が移動するのを阻止する緩衝層としての役割を果たす。
【００１４】
本発明で使用するシリカ系粉末としては，シリカフューム，フライアッシュ，鉄精錬スラグ例えば高炉スラグ，非鉄精錬スラグ例えば銅スラグまたはフエロニッケルスラグ等が挙げられ，これらを単独または複合して使用する。とくに微粒子系のものは比表面積が大きいので，その層を通過する物質の移動工程が長くなり，結果として反応率が増大するので効率良くＣａを高ｐＨを遮断することができる。また，粒径が異なるシリカ粒子を混在させることによって，充填性や反応性を調節することもできる。使用にあたっては，これらのシリカ系粉末を水系媒体を用いてスラリー状（微粉末ではペースト状）として，セメント系材料層とベントナイト系材料層の層間に充填するのがよい。
【００１５】
このようなシリカ系粉末のスラリー若しくはペーストを吹付け施工することも可能である。吹付けは，既設のベントナイト系材料層の表面または既設のセメント系材料層の表面に対して行えばよく，その吹付け完了後に，セメント系材料層またはベントナイト系材料層を敷設する。また，吹付け施工と充填とを組み合わせることもできる。このようにしてベントナイト系材料層とセメント系材料層との境界面にシリカ系材料層を充填若しくは吹付けによって現場施工で形成するのが実際的であるが，場合によっては，シリカ系材料層をプレキャスト製品として予め製作しておき，これを両層の間に設置する方式でシリカ系材料層を形成することもできる。
【００１６】
図１は，地中の地盤１に対しベントナイト系材料層２を敷設し，その内側にセメント系材料層３を構築する場合において，ベントナイト系材料層２とセメント系材料層３との間に，前記のようにしてシリカ系材料層４を介装させた本発明例の一部断面を図解的に示したものであるが，この構造によると，長年の間にセメント系材料層３内に浸入した水分が関与して，このセメント系材料層３の側から高ｐＨ水やＣａイオンが図中の矢印で示すようにベントナイト系材料層２の側に移行しようとする場合に，シリカ系材料層４内で酸性のシリカ系粉末と中和反応が進行し且つ前述のポゾラン反応が起こって，ベントナイト系材料層２の側にはこれらの侵入が阻止される。シリカ系材料層２においてこれらの反応が効率よく進行するには，シリカ系材料層２が水が浸透できるシリカ系粉末の層で形成されていることが肝要である。本発明者らが行った試験によれば，シリカ系材料層の存在による高ｐＨ水の遮断効果とＣａイオンの遮断効果は明らかであった。その試験の代表例を以下に説明する。
【００１７】
〔試験例〕
試験に用いた透水セルの略断面を図２に示した。この透水セルは，ステンレス鋼製の上型５と下型６とによって，試料を装填する円板状の気密な空洞を内部に形成し，この空洞内の試料に対して高圧水を通水できるようにしたもので，７は給水パイプ，８は排水パイプを示している。給水パイプ７は上型５を貫通して空洞に通じており，排水パイプ８は空洞から下型６を貫通して系外に通じている。両パイプとも弁９と弁10が介装され，実際には，空洞内の水圧を検出するための水圧計（図示せず）が上型５に取り付けられている。また，上型５と下型６の空洞に面した内面には，各パイプに連通する放射状の溝が穿ってあり，これらの溝により水が試料の全面に分散して行き渡るようにしてある。
【００１８】
図２の透水セルＡの空洞内に，厚みが２cmで直径φ10cmの円板状のセメント系材料11（硬化したモルタル板）と，厚みが１cmで直径φ10cmの円板状のシリカ系材料12を，セメント系材料11を通過した水がシリカ系材料12を通過するようにセメント系材料11を上流側にして，設置し，透水圧力を１０kgf/cm2 に維持しながら， 0.1〜 1.0ミリリットル／分の流量で２週間通水を続け，透水した水を定期的に採取してそのｐＨ値とカルシウム濃度を測定した。なお，水が各試料全体を透水するように，型の空洞内面と試料との間に濾紙を介在させておいた。
【００１９】
試験に供したモルタル板11は，水セメント比＝100 ％，ポルトランドセメント＝ 529kg/m3，細骨材＝794 kg/m3の配合のモルタルであり，材令56日 (50℃で促進養生) 後の硬化体である。また，試験に供したシリカ系材料12は，平均粒径が50μｍ程度のシリカフューム 100ｇ，水 100ｇ，細骨材 450ｇ，水酸化カルシウム 1.5ｇ，超微細シリカスラリー45ｇを練り混ぜ，これを約５kgf/cm2 の圧で前記寸法の円板に成形し，40℃，ＲＨ95％にて７日経過した後のものである。
【００２０】
また，比較のために，同じ構造の透水セルＢを使用し，シリカ系材料は使用せずに，前記試験（透水セルＡの試験）で用いたのと同じセメント系材料11のだけを透水セルＢの空洞内に設置し，前記の透水セルＡと全く同じ条件で，試験を続け，同じく透水した水を定期的に採取してそのｐＨ値とカルシウム濃度を測定した。それの結果を図４と図５に示した。
【００２１】
図４の結果から，比較例の透水セルＢでは，セメント系材料層を通過した水はほぼｐＨ値が１３を維持しているのに対し，透水セルＡにおいてセメント系材料層を通過し且つシリカ系材料層を通過した水はｐＨは約１０に低下していることがわかる。また，図５の結果から，比較例の透水セルＢに対し，本発明例の透水セルＡでは，透水中のカルシウム濃度は半減していることがわかる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，構造材としてのセメント系材料層に隣接して地中にベントナイト系材料層を敷設する放射性廃棄物処分施設等において，両層の化学成分の濃度差に起因する水を媒介した物質移動によって生じる各層の経年による機能劣化を軽減することができる。また，本発明で用いるシリカ系の粉末材料は，安価で且つ施工しやすく，しかも性質変化が起きがたく且つ透水性も有するので長年にわたってその効果を維持することができる。このため，数百年から数万年もの貯蔵を必要とするような放射性廃棄物処分場の保全機能を高める材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う処分場構造物の層構造を図解的に示した略断面図である。
【図２】本発明に従う層構造の透水試験に用いた透水セルの略断面図である。
【図３】比較例の層構造の透水試験に用いた透水セルの略断面図である。
【図４】セメント系材料層を通過した透水についてシリカ系材料層を有する場合のｐＨ値の挙動をシリカ系材料層を有しない場合と対比して示した図である。
【図５】セメント系材料層を通過した透水についてシリカ系材料層を有する場合のＣａ濃度の変化をシリカ系材料層を有しない場合と対比して示した図である。
【符号の説明】
１  地盤
２  ベントナイト系材料層
３  セメント系材料層
４  シリカ系材料層
【図１】
0003984088.tif 000002
【図２】
0003984088.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003984088.tif 000006