安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020
論 文

ベントナイトの透水挙動モデル構築に関する実験的研究
伊藤歩夢 *1・千々松正和 *1
締め固めたベントナイトの透水係数は，間隙率の大きさに対して一般的な土質材料の透水係数と比較すると非常に小さい。また，浸透水の水質によっても透水係数は大きく異なり，その粘性の違いだけでは，透水性の違いを評価できない。本研究の目的は，これらの要因を解明し，最終的にベントナイト中での水の浸潤・浸透挙動を理解した上で，数値解析モデルに落とし込むことである。本研究ではその前段階としていくつかの実験を行った。本論文は，透水試験やXRD分析の結果から明らかとなったベントナイト中の水の透水挙動についてまとめたものである。
キーワード： ベントナイト，透水挙動，透水係数，Ｘ線回折，水質分析

１．はじめにことである。このようなモデルを作成することでバリア層の長期にわたる性能評価が可能となれば，安全性を重視す

ベントナイトは単独または砂礫との混合土として，放る放射性廃棄物の処分事業に与える影響は非常に大きい。

射性廃棄物の処分施設でのバリア材への利用が検討され本研究では，その第一歩として実験的な研究を行った。
その結果得られた知見について報告する。ている。ベントナイトおよびベントナイト混合土を用いて構築したバリア層には，長期間にわたって地下水の侵２．研究概要入を抑制するとともに，周辺環境への放射性物質の流出を遅延させるといった機能が期待されている。
室内試験で得られるバリア層の透水係数は，ベントナ

本研究では図 -１に示すように，モンモリロナイトがイトの土粒子密度と圧縮成型したときの供試体の乾燥密膨潤することによって供試体の間隙率が減少し，透水係度から算出される間隙率から考えると，一般的な土質材数が低下するという仮定のもと，モンモリロナイトの層料と比べて小さい。また，試験水が蒸留水の場合と海水間距離と透水係数との相関を調べることで水の透水挙動等のイオン強度の高い溶液の場合とでは透水係数は大きく異なり，試験水の粘性の違いだけでは，その透水性を評価することはできない。
ベントナイトの主要鉱物であるモンモリロナイトは層状構造をしており，周囲の水を層間に取り込み体積が膨張する性質を持つ。膨潤と呼ばれるこの性質により，飽和状態においてモンモリロナイトが通水経路となりうる間隙を埋めるため，土構造物全体の透水係数が低下すると考え

図 -１

間隙の考え方図 -２

試験水の考え方られる。その際のモンモリロナイトによる間隙の閉鎖挙動は，非常に微小な領域で生じており，電子顕微鏡等による直接観察は非常に難しい。また，モンモリロナイトの膨潤特性は浸潤水の性質にも影響を受ける。締め固めたベントナイトでは透水性を評価する際に考慮すべきパラメータが非常に多く，複雑である。そのためベントナイト中の水の浸潤挙動を正確に再現したモデルは考案されていない。
本研究の目的は，様々な水質条件下でのベントナイト供試体の透水挙動をモデル化し，数値解析モデルを構築する*1 原子力部1

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

（３）透水試験後の水質を評価することを試みた。
供試体の間隙はベントナイトの層間と有効間隙で構成

透水試験で乾燥密度 1.00Mg/m³ の供試体を通過した試されているとし，透水試験において水は有効間隙を流れ験水を採取し，水質分析を行った。測定にはイオンクるものと考える。有効間隙とは、供試体内で随伴鉱物とロマトグラフを用い，主要元素（Na, Ca, K, Mg, SO4,モンモリロナイト以外の部分と定義する。

CL）のイオン濃度の測定を行った。比較のため，蒸留水と人工海水のブランクの水質データも併せて測定した。

試験水に関しては，図 -２に示すように供試体の含水比調整に用いる調整水，不飽和状態から飽和状態になる

２. ２ 供試体作製まで通水する浸潤水，飽和状態において通水を行う浸透

今回の室内試験に用いたベントナイトは，Na 型ベン水の 3 種類を区別する。

トナイトのクニゲル V1（クニミネ工業）3) である。
供試体は試験容器内で直接締め固めて作製した。地層

２. １ 試験条件および試験項目処分で検討されているバリア材の配合は，クニゲル V1：

放射性廃棄物の地層処分環境で考えられる淡水と塩水70％，珪砂：30％であり，乾燥密度は 1.60Mg/m³ である。の地下水条件を想定し，蒸留水（Distilled water）で飽有効粘土密度４）に換算すると 1.37Mg/m³ である。今回は

和（以下，DW），人工海水（Artificial seawater）で飽和（以基礎的な検討を行うこととし，珪砂の影響を避けるため

下，SW），蒸留水で飽和させた後に人工海水を通水（以下，珪砂の混合は行わずベントナイト単体材料を試験に使用DWSW）の 3 条件で各種試験を実施した。人工海水には市した。そのため試験には，地層処分で検討されているベ販の試薬であるマリンアート SF-1（富田製薬）1) を使用

ントナイト混合土の有効粘土密度 1.37Mg/m³ を参考に，した。試験項目は透水係数，XRD 分析，透水試験後の試

1.37Mg/m³ および 1.00Mg/m³ の 2 条件を乾燥密度条件と験水の水質分析である。試験条件の一覧を表 -１に示す。

して設定し，比較することとした。
供試体は透水試験用で直径 60 ㎜および高さ 50 ㎜，（１）透水係数

XRD 測定用で直径 11 ㎜および長さ 51 ㎜とした。透水試

各試験水の条件における透水係数を求めるため，透水験用には，飽和過程を観察できるように側面に透明なア試験を実施した。試験方法は地盤工学会の学会基準 2) にクリルを用いて，試験容器を作製した。XRD 分析では，従った。DWSW 条件では，蒸留水飽和時と人工海水通水飽和状態で測定ができるようにポリカーボネイトを用い後の両方で透水係数を測定した。試験水の切り替えは蒸て試験容器を作製した。それぞれの試験容器を写真 -１

留水の通水量が初期空隙量を上回り，かつ，透水係数がに示す。

安定したタイミングで行った。

表 -２

試験ケース一覧

条件名 調整水 浸潤水 浸透水（２）モンモリロナイトの層間距離
各試験水の条件でモンモリロナイトの層間距離を調べるために，飽和させた供試体に対して XRD 分析を行った。
また，層間距離から層間に含まれる水分子の層数を推定した。測定は，（株）リガク製Ｘ線回折装置 Ultima Ⅲを用いて，表 -１に示す測定条件で行った。測定箇所は給DW①
DWSW①
SW①
DW②
DWSW②

DW
DW
DW
DW
DW

SW②

DW

DW
DW
SW
DW
DW

DW
SW
SW
DW
SW

XRD
分析〇-SWSW〇1.00
DW…蒸留水，SW…人工海水

水端から排水端にかけて 5 ㎜間隔とし、複数箇所で測定を行った。
表 -１

XRD 測定条件

管球
スキャンステップ
スキャン速度
スリット幅
発散スリットMoKα
0.25°
0.05deg/min
5㎜
1/4°

受光幅0.3㎜

写真 -１2

乾燥設定
密度 含水比1.3710.01.3710.01.3710.01.0010.01.0010.0

試験容器10.0安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020（２）モンモリロナイトの層間距離

３．結果および考察

乾燥密度 1.00Mg/m³ のケースでの DW 試料と SW 試料の３．
１ 試験結果（１）透水係数

Ｘ線回折結果を図 -５に示す。図中に示した数字は、測定箇所の給水端からの距離である。図中のピーク位置が左にシフトするほど、モンモリロナイトの層間距離が増透水試験結果を図 -３，図 -４に示す。図 -３には透加していることを示している。

水係数の経時変化を示し，図 -４には各試験条件で透水係数が安定したときの透水係数の値と供試体の有効粘土通水前の供試体をＸ線回折により測定したところ 16密度の関係を示す。DW と SW のケースを比較すると，いÅのピークが卓越し，層間は 2 分子層膨潤していること

ずれの乾燥密度のケースも SW の方が DW より透水係数がが明らかとなった。図 -５には通水前のピーク位置であ大きい。また，その差は乾燥密度が小さいケースの方がる 16 Åの位置を実線で示している。通水後の試料では大きい。すなわち，試験水が人工海水のときの方が蒸留蒸留水と人工海水の両ケースで層間距離が増大し，モン水のときより透水係数が大きくなる，また，蒸留水のとモリロナイトの膨潤が確認できた。

きは今回の試験条件（密度）が透水係数に与える影響蒸留水で飽和させたケース（図 -５の上図）では，19は小さいが，人工海水のときは影響が大きいと言える。

Åのピークに加えて低角側のカウント数が高くなってい

DWSW 条件の試料では，乾燥密度に関わらず，SW 試料よることから，3 分子層膨潤と無限膨潤した層が共存してりも透水係数が小さくなった。また，DWSW 条件下では，いると考えられる。一方，人工海水で飽和させたケー供試体の乾燥密度により透水係数の結果に差が表れた。

ス（図 -５の下図）では 19 Åのピークが卓越しており，乾燥密度が 1.37Mg/m³ のケースでは，試験水切り替え後3 分子層膨潤が形成されていると考えられる。人工海水に透水係数が低下したのに対し，1.00Mg/m³ のケースでで飽和させたケースでは，相対的に蒸留水で飽和させたは透水係数が増大した。なお，乾燥密度 1.00Mg/m³ のケーケースよりも層間距離が短く，膨潤変形量が小さいこと

スで試験水を蒸留水から人工海水に切り替えたことによがわかる。その結果，供試体中の間隙が蒸留水飽和試料り透水係数が大きくなったが，最初から人工海水を通水よりも大きいことが推察される。

させた場合と比べるとかなり小さい値である。

図 -３

図 -４

透水試験結果

透水試験結果の比較

図 -５

3

XRD 分析結果（上：ＤＷ②，下：ＳＷ②）

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020と人工海水で異なることに起因すると考えられる。小峯（３）透水試験後の水質
透水試験後の試験水の水質測定結果を図 -６，図 -７

らの研究５) では人工海水条件においてモンモリロナイトに示す。図 -６では各元素の絶対量を，図 -７では抽出の膨潤変形量が低下することが報告されている。このこ陽イオンの割合を示している。ブランクとして蒸留水ととから，人工海水で飽和した場合は蒸留水で飽和した場

人工海水の試験結果も併せて図中に示している。

合に比べて間隙を埋めるモンモリロナイトの膨潤変形量

図 -７において通水前の蒸留水と，通水後の蒸留水をが小さく，透水係数が高くなったと考えられる。XRD 分比較すると，通水後の溶液のナトリウムイオンと硫酸イオ析の結果からも，膨潤変形量の違いが観察された。蒸留ンの濃度の増加が見られたが，その絶対量は小さかった。

水で飽和した場合は，3 分子層膨潤から無限膨潤してい通水前の人工海水と，通水後の人工海水を比較すると，るのに対し，人工海水で飽和した場合は大部分で 3 分

通水後の溶液のナトリウムイオンとカルシウムイオンの子層膨潤していることが分かった。一般的に Ca 型ベン濃度が増加した。一方，マグネシウムイオンやカリウムトナイトに比べて Na 型ベントナイトは膨潤変形量が大イオンの濃度は減少している。

きい６)。蒸留水で飽和した場合は Na 型ベントナイトが蒸留水で飽和後，人工海水を通水させた試料に関して大部分を占めるのに対し，人工海水で飽和した場合は層は連続して複数回採水を行い，水質分析を行った。その間の Na イオンが人工海水中のイオンと陽イオン交換し，結果，図 -７に示すように間隙を満たしていた蒸留水がNa 型ベントナイトの割合が蒸留水で飽和した場合に比人工海水に徐々に置き換わっていく傾向を元素の構成割べて減少したと考えられる。そのため人工海水で飽和し合の変化から観察することができた。DWSW 条件の 4 回た場合は蒸留水で飽和した場合に比べて層間距離が小さ目の試験水採水時点で，初めて透水係数は安定した。

くなったと示唆された。水質分析からも，人工海水で飽和した場合は透水試験後の Na イオンの量が増加してい３．
２ 考察ることから，層間の Na イオンが人工海水により陽イオ人工海水で飽和した場合より蒸留水で飽和した場合のン交換されていると示唆される。

方が透水係数が低くなった理由は，膨潤変形量が蒸留水人工海水で飽和した場合より蒸留水で飽和した後に人工海水を通水させた場合の方が透水係数が低くなったことから，浸潤水の水質が透水係数に影響を与えている可能性が示唆される。蒸留水で飽和させた場合，供試体中の有効間隙は非常に小さくなる。その後，イオン強度の高い人工海水で通水させた場合，人工海水は主として有効間隙部分を浸透し，モンモリロナイトと接触するのは一部分のみであると考えられる。人工海水と接触したモンモリロナイトは，前述した陽イオン交換により，蒸留水で飽和した場合に比べて層間距離が小さくなる。人工

図 -６

海水で飽和した場合と蒸留水で飽和した後に人工海水を水質分析の結果通水させた場合の大きな違いは，人工海水と接触するモンモリロナイトの割合であり，その値は後者のほうが小さい。その結果，透水係数に差が生じたと考えられる。
蒸留水で飽和した後に人工海水を通水させた場合，乾燥密度が 1.37Mg/m³ のケースでは透水係数が低下した。
この理由は明らかになっていない。これについては試験が一年以上の長期に及ぶため，供試体内の通水経路に二次生成物が形成され，水が通りにくくなったということも考えられる。なお，二次生成物の有無に関しては，試
験容器を解体する際に固体分析を行うなどして明らかにする予定である。
図 -７

抽出陽イオンの割合4安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

試験水調整過程

浸潤過程

浸透過程

条件

（不飽和状態）（飽和状態）（飽和状態）増加すると考えられる。

４．まとめ
ＤＷ

（不飽和状態）（飽和状態）

４．
１ 成果
本研究ではモンモリロナイトの膨潤量と透水係数の関係を明らかにし，ベントナイト中での水の透水挙動モデルを構築するため，室内試験により基礎データの取得をＤＷＳＷ行った。以下にその成果をまとめる。
（1）初期飽和時の水質の影響
蒸留水飽和試料と人工海水飽和試料で透水試験を行っＳＷた結果，蒸留水飽和試料の透水係数の方が低くなった。
蒸留水で飽和した後に人工海水で通水した試料では，人工海水で飽和した試料ほど透水性が高くなることはなかった。以上より，初期飽和時における浸潤水の水質が供試体の透水係数に影響を及ぼすことが確認された。

図 -８（2）試験水の水質と層間距離

ベントナイトの透水挙動の概念図

飽和状態の試料の XRD 分析が可能な試験容器を作製し，浸潤水の条件を変えて測定を行った。その結果，蒸３．
３ ベントナイトの透水挙動のモデル化
以上の試験結果を踏まえて水の透水挙動の概念図を

留水飽和試料ではモンモリロナイトが 3 分子層～無限膨

図 -８のようにまとめた。含水比 10％で締め固めた不飽潤しており，人工海水飽和試料では 3 分子層膨潤してい和状態の供試体では，モンモリロナイトが 2 分子層膨潤ることが確認された。

している。本試験条件である乾燥密度 1.00 ～ 1.37Mg/m³（3）通水前後の水質変化
透水試験前後での試験水の水質を測定した結果，人工の場合，間隙率は 50 ～ 63％であり，不飽和状態の供試海水を通水させた試料において，Na イオンの増加を観体では，通水経路となりうる有効間隙が大部分を占める。

察することができた。これはモンモリロナイトの層間陽蒸留水で飽和させた場合，モンモリロナイトが 3 分子イオンの交換に起因するものと考えられる。

層膨潤～無限膨潤することで供試体の間隙の大部分を満たすと考えられる。乾燥密度が 1.00Mg/m³，1.37Mg/m³

４．
２ 今後の課題の両ケースで透水係数に差がなかったことから間隙率で今後は，乾燥密度 1.37Mg/m³ と DWSW 条件の供試体の50 ～ 63％の差があっても，モンモリロナイトの膨潤にX 線回折データを取得するとともに，試験後の供試体のより間隙を埋めることができると考えられる。

固体分析や水質分析を行い，モンモリロナイトの層間距一方，人工海水で飽和させた場合，モンモリロナイト離や二次生成物が透水係数に与える影響について検討をの 3 分子層膨潤により供試体の間隙が埋まるものの，最行う予定である。

終的な有効間隙率は蒸留水で飽和させた場合に比べて大上記の検討を行なうことにより，ベントナイト混合土のきいと考えられる。

透水挙動の精緻化を行い，これを評価可能なモデルの構

蒸留水で飽和した後に人工海水を通水させた場合，初築を行う。このようなモデルを構築することにより，超長期飽和でモンモリロナイトが 3 分子層膨潤～無限分子膨期の浸透挙動評価の信頼性の向上を目指す予定である。

潤することで供試体中の間隙の大部分が埋まり，有効間隙は減少する。その後，試験水を人工海水に切り替えて通水すると，人工海水は主として有効間隙中を流れるため，人工海水とモンモリロナイトとの接触確率が SW 条件に比べて低くなる。そのため大部分の無限分子膨潤は保持され，一部人工海水と接触した部分が 3 分子層膨潤となり，蒸留水で飽和させた場合と比較して透水係数が5安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

４）わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の謝辞
本研究の実験を行うにあたり，東京工業大学
行教授，クニミネ工業株式会社

技術的信頼性河村雄

め-諸留章二氏にご協力い- 地層処分研究開発第 2 次取りまと総論レポート，JNC TY1400 99-020，核燃料サイクル開発機構，1999

ただきました。ここに記して謝意を表します。

５）小峯秀雄，安原一哉，村上哲 : 人工海水環境下にお参考

文

けるベントナイトの一次元自己シール性，土木学会

献論文集 C，Vol.65，No.2，389-400，2009.

１）富田製薬株式会社：MARINE ART（最終閲覧日 2020 年

６）小峯秀雄，緒方信英 : 砂・ベントナイト混合材料お9 月 25 日），http://www.tomitaph.co.jp/products/

よび各種ベントナイトの膨潤特性，土木学会論文集data/catalog/marineart.pdf

No.701，Ⅲ -58, 373-385, 2002.

２）新規制定地盤工学会基準・同解説 低透水性材料の透水試験方法 (JGS 0312-2018)，地盤工学会，丸善
出版，2018.
３）クニミネ工業株式会社 : クニゲル V1（最終閲覧日
2020 年 9 月 25 日），https://www.kunimine.co.jp/
download/pdf/catalog/catalog_kunigel_v1.pdf

Experimental study on the construction of a permeability model of bentonite
Ayumu ITO, Masakazu CHIJIMATSU

The permeability coefficient of compacted bentonite is very small compared to the permeability
coefficient of common soil materials. In addition, the permeability coefficient differs greatly
depending on the quality of the test water, and the permeability coefficient cannot be evaluated onlyby the difference in viscosity. The purpose of this study is to elucidate these factors, and finally tounderstand the infiltration and penetration behavior of water in bentonite, and then incorporate it
into a numerical analysis model. In this study, some experiments were conducted as a preliminary
step. This is a summary of the permeability behavior of water in bentonite, which was clarified fromthe results of the permeability test and XRD analysis.

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