Vol.23 No.1

原子力バックエンド研究

技術報告

幌延 URL における低アルカリ性セメント系材料の適用性確認
中山雅＊1 丹生屋純夫＊2

南出賢司＊3

高レベル放射性廃棄物の地層処分施設において，坑道の空洞安定性確保や周辺岩盤のゆるみ領域の抑制，掘削に伴う湧水量の抑制のため，セメント系材料を用いた吹付けコンクリートやグラウトが検討されている．これらの材料の影響で坑道周辺の地下水の pH が高アルカリ化することにより，緩衝材を構成するベントナイトや周辺の岩盤を変質させ，人工バリアおよび天然バリアとしての性能に影響を与えることが懸念されている．このような影響を低減するために，
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構では，普通ポルトランドセメントにポゾラン材料を混合した低アルカリ性セメント（以下，HFSC）を開発し，化学的特性，機械的特性，施工性などについて検討を実施してきた．本報告では，
HFSC を吹付けコンクリートとして，幌延深地層研究センター地下施設の深度 350m 調査坑道の施工に適用し，施工性について確認した．その結果，HFSC が現地のプラントを用いて製造可能であること，地下施設の設計基準強度を上回る強度発現が可能であること，および地下施設の通常の施工に使用されているセメント系材料と同等の施工性を有することが確認され，HFSC の地下坑道への適用性が確認された．
Keywords: 幌延 URL，低アルカリ性セメント，ポゾラン材料，吹付けコンクリート，地層処分
In Japan, high-level radioactive waste repository will be constructed in a stable host rock formation more than 300m underground.
Tunnel support is used for safety during the construction and operation, so, shotcrete and concrete lining are used as the tunnel
support. Concrete is a composite material comprised of aggregate, cement, water and various additives. Low alkaline cement has
been developed for the long term stability of the barrier systems whose performance could be negatively affected by highly alkalineconditions arising due to cement used in a repository. Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has developed the low alkaline cement,
named as HFSC (Highly fly-ash contained silicafume cement), containing over 60wt% of silicafume (SF) and Fly-ash (FA).
JAEA is presently constructing the underground research laboratory (URL) at Horonobe for research and development in thegeosciences and repository engineering technology.
HFSC was used experimentally as the shotcrete material in construction of part of the 350m deep gallery in the Horonobe URL in2013.
The objective of this experiment was to assess the performance of HFSC shotcrete in terms of mechanics, workability, durability,and so on. HFSC used in this experiment is composed of 40wt% OPC (Ordinary Portland Cement), 20wt% SF, and 40wt% FA. This
composition was determined based on mechanical testing of various mixes of the above components. Because of the low OPC
content, the strength of HFSC tends to be lower than that of OPC in normal concrete. The total length of tunnel constructed usingHFSC shotcrete is about 112m at 350m deep drift. The workability of HFSC shotcrete was confirmed by this experimentalconstruction. In this report, we present detailed results of the in-situ construction test.
Keywords: Horonobe Underground Research Laboratory, low alkaline cement, pozzolanic material, shotcrete, geologicaldisposal

1 緒言

NaOH などのアルカリ成分により，pH が 13 程度の高アルカリ性を呈する．この特性は，鉄筋コンクリート中の鉄筋高レベル放射性廃棄物（以下，HLW）の処分施設は，地の表面に不動態皮膜を生成し，鉄筋の耐腐食性を高め，鉄下 300m 以深に建設されることから，坑道の空洞安定性確筋コンクリートが長期にわたりその性能を保持するために保や周辺岩盤のゆるみ領域の抑制，掘削に伴う湧水量の抑必要な条件となっている．

制のため，セメント系材料を用いた吹付けコンクリートや一方，HLW 処分施設では，上記のセメント硬化体中に含グラウトが検討されている．また，坑道埋め戻し時に設置まれる高アルカリ成分が地下水に溶出した場合，緩衝材をされるプラグのうち，埋め戻し材に混合されるベントナイ

構成するベントナイトや周辺の岩盤を変質させ，人工バリト等の膨潤応力に対する反力を確保するための力学プラグ

アおよび天然バリアとしての性能に影響を与えることが懸についてもコンクリートの使用が想定されている[1]．HLW念されている[3]．このため，国内外の各機関においてコン処分施設の建設に用いられる支保工に関する要求性能につクリートからの浸出水の pH を 10.5～11 程度に抑える低ア

いては，Table 1 のようにまとめられている[2]が，設計要件

ルカリ性セメントの開発が行われているとともに，高アルのうち，力学安定性と施工性は，通常のトンネル工事でのカリ性のセメント系材料からの浸出水が，緩衝材や岩盤の支保工においても要求される事項であり，化学的安定性は性質に与える影響がさまざまな研究機関で検討されているHLW 処分施設に特有な要件である．

[4,5]．また，セメント系材料は，水和生成物の地下水へのセメント系材料として，生産量が最も多い普通ポルトラ溶脱などによる劣化に伴い発生した空隙が核種移行経路とンドセメント（Ordinary Portland Cement; 以下，OPC）は，なる可能性もあることから，セメントの長期挙動特性を把セメント硬化体の細孔溶液中に含まれる Ca(OH)2，KOH，握することも重要であるとされている[6]．
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（以下，原子Confirmation of the applicability of low alkaline cement-based material in the
Horonobe Underground Research Laboratory by Masashi NAKAYAMA(nakayama.masashi@jaea.go.jp), Sumio NIUNOYA, Masashi MINAMIDE.
＊1 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構幌延深地層研究センター
Horonobe Underground Research Center, Japan Atomic Energy Agency〒098-3224 北海道天塩郡幌延町北進 432-2＊2 株式会社大林組 Obayashi Corporation〒108-8502 東京都港区港南 2-15-2 品川インターシティ B 棟＊3 大成建設株式会社 Taisei Corporation〒060-0061 札幌市中央区南 1 条西 1 丁目 4 番地 大成札幌ビル(Received 11 November 2015; accepted 23 February 2016)力機構）では，セメント系材料の低アルカリ性を担保する
材 料 と し て ， OPC の 50% 以 上 を ， シ リ カ フ ュ ー ム（Silicafume; 以下，SF）およびフライアッシュ（Fly-ash; 以下，FA）で置換した低アルカリ性セメントである，HFSC（Highly Fly-ash contained Silicafume Cement）を開発している[7]．

25June 2016

原子力バックエンド研究Table 1 Requirements for concrete support [2]
設計要件
力学安定性
(本来的に必要な機能)
化学的安定性(人工バリアを保護する機能)
施工性(付随して期待する機能)概要
建設～閉鎖までの期間において，周辺岩盤を安定に保持
コンクリートと緩衝材の接触により，緩衝材が許容限度を超えて劣化することを回避
コンクリートの劣化により，支保工部分が許容限度を超えた高透水ゾーンとなることを回避
地山の安定のため早期架設が可能で初期強度の発現が早い支保工を選択

HFSC は，ポゾラン材料である，SF や FA のポゾラン反道で 37m，試験坑道 2,3,4 で各 25m の合計 112m である．

応により，セメント水和物中で高アルカリ性を示す
Ca(OH)2 を珪酸カルシウム水和物（以下，CSH）などの難換気立坑

溶性の水和物に変化させ，Ca(OH)2 の量を減少させるとと
西立坑

もに，カルシウムシリカモル比（以下，C/S）を OPC のみ

東立坑の場合よりも低下させることにより，pH を低下させることを指向した材料である．これまでに，HFSC を実際の坑道に適用するために，最適配合の検討，強度発現性，模擬ト

140m調査坑道

ンネルに対する吹付け施工性の確認などを実施してきた[8]．
HFSC を用いた吹付けコンクリートについては，幌延深250m調査坑道地層研究センター地下施設（以下，幌延 URL）の深度 140m
および 250m 調査坑道における原位置施工試験を実施して350m調査坑道

いる[9,10,11]．その結果，HFSC を用いた吹付けコンクリー
トは，現場のバッチャープラントで作製可能であり，幌延URL の坑道の支保工として使用可能であることが確認された．また，坑道での施工に際しては OPC よりも粉塵の発生量が少ないことなどが確認された．本研究では，HLW 処

このイメージ図は、今後の調査研究の結果次第で変わることがあります

分施設（深度 300m 以深）での使用を想定した場合に考えられる，地圧が増加することによる変位拘束効果などへのFig. 1対応や，移送距離の増加に伴うポンプ圧送性などの施工性

Layout of the Horonobe URLへの対応などが，HFSC を用いた吹付けコンクリートの品質や施工性へ影響するのかどうか，などに関する知見を蓄積するために深度 350m 調査坑道において実施した原位置施工試験について述べる．
換気立坑

2 原位置施工試験

東連絡坑道
試験坑道2
試験坑道3

西連絡坑道

2.1 概要試験坑道4西立坑

原位置施工試験は，幌延 URL の水平坑道である，深度東立坑

350m 調査坑道(Fig. 1)の掘削サイクル内で実施するため，試験により施工される吹付けコンクリートには，空洞安定
Fig. 2のための十分な力学特性，施工性を有していることが求め

Layout of the drift used HFSC shotcrete at the 350m
gallery

られる．
万が一，力学特性，施工性などが不十分であった場合には，幌延の地下施設工事の安全性確保や工程に重大な影響

2.2 吹付け施工試験を与える可能性がある．そのため，深度 140m および 250m

2.2.1 調査坑道の施工手順

調査坑道における原位置施工試験の際には，坑内での試験調査坑道の掘削は，小型バックホウにブレーカを取り付施工に先立ち，実際に工事で使用するバッチャープラント

け，ブレーカにより岩盤を破砕することにより行った．なおよび吹付け機器などを用いて，地上で型枠への吹付け試

お，地下施設の建設対象としている地層（声問層および稚験を実施し，HFSC 吹付けコンクリートが十分な強度およ内層）中に存在する地下水には可燃性のメタンガスが溶解び施工性を有することを確認した[9,10,11]．深度 350m 調査

しており，掘削に伴い，メタンガスが発生する．したがっ

坑道における HFSC 吹付けコンクリートの施工範囲を Fig.て，作業安全のために，掘削に当たって事前にガスチェッ2 に赤色で示す．HFSC を施工する坑道の延長は西連絡坑クボーリングを行い，ガス濃度の測定を行った．また，切26

幌延 URL における低アルカリ性セメント系材料の適用性確認
羽において作業に使用する重機，電気機器類に対しては防便性を考慮し，東立坑のスカフォード下の底盤部（深度爆仕様を義務付けた．裸坑の状態で坑道壁面の観察（写真350m）に設置した．調査坑道の掘削が進展することにより撮影，壁面のスケッチなど）を行った後，当該施工サイク送り距離が長くなり，コンクリート吹付け機の圧送能力がルにおける後続の作業の安全を確保するために 1 次吹付け低下した場合には，ピストン式コンクリートポンプコンクリート工（厚さ 5cm）を実施し，鋼製支保工を設置（160-40-8 コンクリートポンプ，理論吐出量：1-10m3/hr）した．
鋼製支保工の間の坑道壁面全面に溶接金網を設置し，に変えてコンクリートを圧送し，吹付け施工を行った．た

2 次吹付けコンクリート工（厚さ 15cm）を行った．なお，だし，HFSC の吹付け施工試験においては，ピストン式コ調査坑道の交差部などの応力集中が生じやすい場所においンクリートポンプのみの使用であった．Fig. 4 に施工のイては，ひび割れ防止のためにコンクリートに繊維補強材をメージ図を示す．

添加するとともに，長期の空洞安定性を確実にするために，施工後にコンクリートおよび周辺岩盤のコアや地下水な坑道壁面への溶接金網の再度の設置と 3 次吹付けコンクリどのサンプリングに備え，繊維補強材を配合しない区間をート工（厚さ 5cm）を行った．Fig. 3 に，HFSC の吹付け施設定した．なお，繊維補強材を配合しない区間では，定着工試験を実施した坑道の標準断面図を示す．試験坑道 2 は材の化学的影響を避けるために，摩擦式のロックボルトを円形，試験坑道 3，4 および西連絡坑道は三心円馬蹄形であ使用した．

り，さらに試験坑道 4 は堆積岩における竪置き式の処分坑道の断面[12]とした．

4.5m

Table 2 Material used to make HFSC

3.6m

5.0m

4.0m
4.0m

4.0m

5.0m

4.4m

4.5m5.5m

試験坑道4Fig. 3

西連絡坑道
試験坑道3

試験坑道2

MaterialSpecOPC

Density=3.16 Mg/m3

Silicafume

Microsilica 940, Density=2.20 Mg/m3

Fly-ash*JIS-II grade, Density=2.20 Mg/m3

Sand*

F.M.=2.78, Density=2.66 Mg/m3

Aggregate*

Diameter;5-13 mm, Density=2.66 Mg/m3

Water Reducing

SP8SV (Polycarboxylic Acid Based)

Agent*

Typical cross section of the test gallery

2.2.2 使用材料および配合
HFSC を吹付けコンクリートとして使用した材料を Table

Set Accelerating

Natmic Type-10, 10% of Binder

Agent*(Calcium Sulphoaluminate Based)
Barchip M-K, Density=0.91 Mg/m3

Fiber*(Polypropylene Based)2 に示す．使用する材料は深度 250m 調査坑道での施工試*: Local Procurement Material験と同様であり，基本的に幌延 URL の建設工事で使用している材料（以下，現地材料）とした．地下施設建設工事
では OPC ではなく，高炉セメント B 種（以下，BB）を用いているため，Table 2 中の OPC および SF 以外が現地材料である．
これらの材料を用いて，Table 3 に示す配合で試験練りを行い，テストピース（φ100mm×200mm）を作製し圧縮強度試験（材齢 7 日，28 日，91 日）を実施し，設計基準強度（材齢 28 日，36N/mm2）を満足することを確認した後に，地下での実施工を実施した．試験結果については後述する．
2.2.3 地下での実施工
深度 350m 調査坑道の施工方法は，他の調査坑道と同様であり，標準断面（坑道代表幅 4m）の形状は三心円馬蹄形である（Fig. 3 参照）．吹付け方式は湿式吹付けであり，Fig. 4

コンクリート吹付け機（アリバ 285，吹付け能力：6-21m3/hr，Construction of the gallery used HFSC shotcrete

最大送り距離：60m）は地上からのコンクリート移送の利
Table 3 Mixed proportion of HFSC shotcrete using for 350m drift of the Horonobe URL
Water-Binder Sand
Unit weight (kg/m3)
Ratio
Ratio
BinderFineCoarse
Super Plasticizer
Type of cement
W/B
s/a Water
B
Aggregate Aggregate(SP8SV)
W
(%)
(%)
SGAd
OPCSFFA
HFSC

30.059.7

150200100

27200

9746553.25(0.65%)

June 2016

原子力バックエンド研究3 試験結果

3.2 吹付け施工性

3.1 圧縮強度試験

脈動状態，ノズルだれ，急結状態，粉塵，付着状態につい

地下での実施工における施工性については，混合状態，地下施設の建設工事で使用しているバッチャープラントて，吹付け施工時にトンネル工事の経験の多い技術者の目を用いて Table 3 に示した配合でテストピース，（φ100mm

視により確認し，5 点満点で点数を付けることで評価を行×200mm）を作製し，圧縮強度試験（材齢 7 日，28 日，91った．Table 4 に判断基準を，Table 5 に深度 350m 調査坑道日）を実施した．Fig. 5 に試験練りおよび吹付け時のバッでの評価結果，これまでに実施した深度 140m および 250m

チから作製したテストピースの結果を示す．比較のため，調査坑道での評価結果，さらに比較のために深度 140m お地下施設建設工事で通常使用している BB の試験結果の一よび 250m 調査坑道で実施した OPC および BB の吹付け施例（材齢 7 日，28 日）を合わせて示す．これらのテストピ工性の評価結果[9,10,11]を合わせて示す．Table 5 から，ースは，コンクリート製造設備で練り混ぜたコンクリート

HFSC の施工性について，混合状態や脈動状態は OPC やを地下に運搬する前に，トラックミキサー車から採取したBB と同じ点数（4 点）で同等と評価された．また，粉塵おコンクリートをモールドに入れ作製したものであり，材齢よび付着状態では HFSC（4 点）の方が OPC や BB（3 点）1 日で脱型し，その後試験材齢までは標準養生した．

より点数が高くなり，よりよい評価となった．実際の粉塵

Fig. 5 から，HFSC を用いた吹付けコンクリートが深度濃度およびはね返り率の測定値においても，目視判定結果

350m 調査坑道の設計基準強度（HFSC，BB 共通，材齢 28と同様に OPC および BB に対して HFSC は同等あるいは良日で 36N/mm2 以上）を満たしていることがわかる．また，好な値が得られた（Table 6）．HFSC に対する評価点は，全ポゾラン材料が多く配合されている HFSC の特徴として，体的に 3 点または 4 点であり，OPC および BB と同等の施

材齢 28 日から材齢 91 日にかけても強度が増加しているこ工性であることが確認された．とがわかる．HFSC の強度に見られるばらつきについては，コンクリート混練時の外気温や練り混ぜ量の違いなどが考Table 5 Workability of HFSC shotcrete compared with that

えられる．地下施設の建設工事で実施した BB の強度試験

of OPC and BB shotcrete2においても，材齢 28 日の時点で最大 15～20N/mm のばらつきが見られたことから，現場製造でのばらつきの範囲内Itemであるといえる．

350m以上より，HFSC は現場のバッチャープラントで十分製造可能と考えられる．
8070

圧縮強度(N/mm2)605040HFSC試験練りHFSC-西連絡坑道(繊維補強有り)
HFSC-西連絡坑道
HFSC-試験坑道4BB-周回坑道東設計基準強度3020100072856

Mixing state

44444

Pulsed conditionof pipes

44444Drips from nozzle

43444

Quick-settingstate44434Dust

44433

Adherent state443333.3 空洞安定性
深度 350m 西連絡坑道の施工中から，定期的に内空変位

91

材齢(日)

Fig. 5

Evaluation(point)
OPC
BB
140m
250m
(140m) (250m)[9,10][11][9,10][11]の計測を実施した結果を Fig. 6 に示す．横軸は支保工 No.6での測定開始時点からの経過日数であるため，測定区間にUni-axial compressive strength with time

よって測定開始の時期にずれが生じている．縦軸は，測定
Table 4 Criteria for visual judgement of workability of HFSC shotcrete
Item5(Good)

4

Score of visual judgement3(Normal)21(Bad)Mixing state

ノズルから吐出されるコンクリートと急結剤の混合状態から判断する．

Pulsed condition of pipes

マテリアルホースの脈動，あばれの状況から判断する．

Drips from nozzle

ノズルの先端から配管内のノロが落ちる状態から判断する．

Quick-setting state

壁面付着後の急結状態を吹付け後の触指で判断する．天端部では，吹付けエアによる下地コンクリートの「捲られ」などの動きで判断する．

Dust

粉じんの多少を判断する．通常の工区（OPC または BB）と HFSC の相対的比較で判断する．

Adherent state

リバウンド・たれ・圧送エアによる「捲られ」や，吹付け表面の平滑さを含む総合的な付着状態を判断する．ただし，急結性の判断は含まない．

28

幌延 URL における低アルカリ性セメント系材料の適用性確認
Table 6 Dust concentration and rate of rebound of HFSC
shotcrete compared with those of OPC and BB

350m

140m
[10]

250m
[11]

OPC
BB
(140m) (250m)
[10]
[11]

No.16(HFSC)

No.21(HFSC)

No.26(HFSC)

No.36(HFSC)

No.41(HFSC-Fi)

No.46(BB-Fi)

No.51(BB-Fi)

716

11

16

19

21.3

22.5

24.4

37.8

27.5-4

Displacement /mm

Dust concentration(mg/m3)Rate of rebound(%)

No.11(HFSC-Fi)

No.31(HFSC)

0shotcrete
Item

No.6(BB-Fi)-8-12-16Excavation of West access shaft
from GL-350m to GL-365m-20

開始時点からの変位量を表しており，膨張を正，収縮を負0100200300

されており，図中の No.6，46，および 51 が通常の施工である BB の吹付け区間で，その他は HFSC による吹付け区

400500600700Time/dayとしている．内空変位の計測点は，およそ 5m 間隔に配置
Fig. 6Chronological change of convergence at the West
Connecting Gallery間を示しており，凡例に「-Fi」とある区間は繊維補強材を配合したことを示している．Fig. 7 に測定区間，HFSC 施工範囲および繊維補強材の配合範囲を示す．

東連絡坑道

掘削方向

幌延 URL の深度 350m 調査坑道は，珪質泥岩である稚内層に位置しており，地上からの調査において深度 350m 調査坑道は，断層と交差することが予想された．そのため，掘削に伴い湧水が増加する可能性が懸念されたことから，坑道の掘削前に深度 250m 調査坑道から湧水抑制対策（グラウト工）を施している．しかしながら，坑道掘削時には本報告における計測範囲において，想定した断層との交差西連絡坑道は確認されておらず，顕著な湧水量の増加なども確認されなかった．
Fig. 6 から，No.46 および No.51 をのぞいて，HFSC およ
HFSC施工範囲

び BB のどちらも数十日で変位は安定し，変位量はおよそ西立坑2～6mm 程度に収まっているのに対し，No.46 および No.51
では，掘削後の変位量が他の区間に比べて大きく，変位が安定するまでに 150 日程度かかっていることがわかる．こFig. 7

繊維補強材配合範囲

Measurement line of convergence at the West
Connecting Galleryの違いは，東連絡坑道の掘削完了から西連絡坑道の掘削まで約 10 ヶ月が経過しており，No.6 近傍の岩盤の変位がすしても，混合状態，粉塵濃度および付着状態などにおいてでに安定していたのに対し，西立坑が GL-350m に到達して同等以上の施工性を示した．また，施工後の空洞安定性に約 1 週間で西連絡坑道との連接部が掘削されたため，No.51

ついても，内空変位測定および高炉セメント B 種の施工区近傍では，西立坑の掘削の影響が強く残っていたためと考間との比較を行い，同程度の変位で収束していることを確えられる．また，No.41，No.46 および No.51 では，測定開認した．これらの結果から，HFSC は従来のセメントと同始後およそ 350 日を超えたところで，西立坑の深度 350m等またはそれ以上の品質および施工性を持つと判断される．

～365m の掘削に起因すると思われる変位量の増加が見られる（Fig. 6 の赤点線で示した区間）．
以上より，空洞安定性の指標とした内空変位は，連接する西立坑近傍では立坑掘削の影響を受けるものの，その影響は問題のない範囲であり，総じて HFSC は，空洞安定性においても BB と同等の性能を示すことが示唆された．
4 まとめ
原子力機構が坑道周辺の地下水の高アルカリ化を抑制することを目的に開発した，低アルカリ性セメント（HFSC）

今後は，深度 140m および 250m 調査坑道からの採取試料に対して実施している，周辺岩盤および地下水への影響評価試験を深度 350m 調査坑道からの採取試料に対しても実施し，通常セメントの施工部分との比較を通じて，HFSCが周辺の地質環境に与える影響についても考察する計画である．
参考文献
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30

June 2016