JP2007210871A

JP2007210871A - セメント系充填固型化材

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Publication number: JP2007210871A
Application number: JP2006058608A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Osawa; 勉大澤; Ryuichi Ouchi; 隆一大内
Original assignee: Taiheiyo Consultant Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Consultant Co Ltd
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: JP4984112B2

Abstract

【課題】品質（性能）変動が少なく、低レベル放射性廃棄物処分用の充填固型化材として好適な、セメント系充填固型化材を提供する。
【解決手段】固体廃棄物が収納された容器内の空隙に流し込んで充填固型化するのに用いるセメント系充填固型化材であって、混練水以外はセメントと粒径１．２ｍｍ以下の細骨材と減水剤のみからなる。
【選択図】図７

Description

本発明は、例えば、原子力発電所や放射性物質処理施設における「固体廃棄物をドラム缶等の廃棄物収納容器に収納し空隙を固型化材で固定化した廃棄体」を作製する際の固型化材として好適なセメント系充填固型化材に関する。

従来、放射性固体廃棄物等の有害固体廃棄物を処理する方法として、ドラム缶等の大型容器に塊状の上記廃棄物を収納し、空隙に充填固型化材を充填して廃棄体を作製する方法が知られている。この方法に用いる充填固型化材には、セメント、アスファルト、水ガラス、レジンなど種々のものがあるが、安価で耐火性があり安定供給が可能であるセメント系充填固型化材が一般的である。例えば、特公平７−３４７６には、セメントと砂と混和剤からなるセメントモルタルが開示されている。特開２００１−２０１５９６には、セメントと特定粒径の細骨材と減水剤を含む充填固型化材が開示されている。

また、原子力環境整備センターの「低レベル放射性廃棄物処分用廃棄体製作技術について」（平成１０年）には、低レベル放射性廃棄物処分用固型化材の要求品質として、具体的に次の数値が示されている。
ｉ）Ｐロート流下時間の目安が１６〜５０秒
ｉｉ）材令２８日経過後の一軸圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上
ｉｉｉ）練り混ぜ後２４時間経過後のブリーディング率が０％
一方、上記廃棄物の処分以外でもセメント系充填固型化材は、グラウト材やプレパックドコンクリート用の注入モルタルなどとして、種々の配合のものが知られている。

例えば、特開平１１−３４３１５９には、結合材（セメント）と特定粒径の細骨材からなるモルタルが開示されている。特開２０００−４４３０８には、セメントと特定粒径の細骨材と減水剤を含むグラウト剤が開示されている。特開２００１−２７０７６２には、セメントと細骨材と減水剤を含むプレパックドコンクリート用の注入モルタルが開示されている。特開２００５−４７７７２には、セメントと特定粒径の細骨材と減水剤を含み良好な流動性を有する、充填工事に使用されるモルタル組成物が開示されている。
特公平７−３４７６号公報特開２００１−２０１５９６号公報特開２００１−３４３４８８号公報特開平１１−３４３１５９号公報特開２０００−４４３０８号公報特開２００１−２７０７６２号公報特開２００５−４７７７２号公報

放射性廃棄物処理用固型化材、グラウト材、プレパックドコンクリート用注入材、充填工事に用いられるモルタルなどの従来のセメント系充填固型化材には、種々の要求性を満たすべく、セメント、細骨材、減水剤の他に、シリカフュームやフライアッシュやカルシウムアルミネートなどのセメント混和材、膨張材、石膏、収縮低減剤、増粘剤といった様々な材料を用いている。このようにセメント系充填固型化材を構成する材料の種類が多いと、各構成材料の品質変動に起因する性能変動が起こりやすくなるとともに、トラブルの原因究明や対策がし難くなる。例えば、減水剤の減水効果は一緒に用いられる粉体の種類や粉末度によって変わるので、同じ添加量で同じ減水効果が得られ難くなる。また、各構成材料は各々温度に対する影響を受けるので、使用する環境温度が異なると性能が異なり、使用材料や配合割合が同じでも使用温度によって要求性能を満たさなくなることが起こる。特に放射性廃棄物処理用固型化材として使用する場合、これらの品質変動は重大問題である。また、構成材料の種類が多いとコストアップにも繋がる。

そこで、前記品質性能を満たすとともに上記課題を解決することのできるセメント系充填固型化材について鋭意検討した結果、使用材料を混練水以外はセメントと細骨材と減水剤のみとし、細骨材の粒度構成を特定すればよいことを見出し、発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、固体廃棄物が収納された容器内の空隙に流し込んで充填固型化するのに用いるセメント系充填固型化材であって、混練水以外はセメントと粒径１．２ｍｍ以下の細骨材と減水剤のみからなることを特徴とする。使用する材料の種類を極力少なくすることによって、減水剤の添加量や使用温度に対し品質（性能）変動の少ない（特に流動性に対して）固型化材が得られる。

本発明のセメント系充填固型化材においては、細骨材の粒度構成が、粒子径１．２ｍｍ以下で０．６ｍｍを超えるものが７〜１０％、粒子径０．６ｍｍ以下で０．３ｍｍを超えるものが４０〜５２％、粒子径０．３ｍｍ以下で０．１５ｍｍを超えるものが２４〜３７％、粒子径０．１５ｍｍ以下のものが２〜３０％であるであることが好ましい。
本発明者らは、使用する材料の種類を少なくしても、細骨材の粒度構成を調整することにより、後述の流動性や強度等における要求品質を満たすことができることを見出した。

また、該要求品質を容易に満たすためには、細骨材／セメント重量比が０．６〜１．２であることが好ましい。ここでいう要求品質とは、原子力環境整備センターが「低レベル放射性廃棄物処分用廃棄体製作技術について」（平成１０年）で示す低レベル放射性廃棄物処分用固型化材に対する要求品質であり、具体的には、
ｉ）Ｐロート流下時間が１６〜５０秒
ｉｉ）材令２８日での一軸圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上
ｉｉｉ）練り混ぜ後２４時間経過後のブリーディング率が０％
である。本発明のセメント系充填固型化材では、混練水量と減水剤の添加量を調整することにより、これらの要求品質を満たすものを得ることができる。

本発明のセメント系充填固型化材は、減水剤の添加量や使用温度に対し品質（性能）変動の少ない（特に流動性に対して）固型化材であり、原子力環境整備センターの「低レベル放射性廃棄物処分用廃棄体製作技術について」（平成１０年）に記載される低レベル放射性廃棄物処分用固型化材の要求品質をも満たす。したがって、容器収納による固体廃棄物処理の安定化が図れる。

本発明のセメント系充填固型化材は、固体廃棄物が収納された容器内の空隙に流し込んで充填固型化するのに用いるセメント系充填固型化材である。
固体廃棄物は特に限定されないが、塊状のものが好ましい。材質は、プラスチック、金属、セラミックス、繊維状物、コンクリート、レンガ、タイルなど様々なものが挙げられる。特に原子力関係施設から排出される放射性固体廃棄物は好適に処理できる。
固体廃棄物を収納する容器も特に限定されないが、放射性廃棄物の処理にはドラム缶が一般的に用いられている。高耐久性・耐アルカリ性の材質のものが好ましい。

本発明のセメント系充填固型化材は、混練水以外はセメントと粒径１．２ｍｍ以下の細骨材と減水剤のみからなり、他のセメント混和材や化学混和剤（有機系収縮低減剤、増粘剤等）は含まない。このように、構成材料をシンプルにすることによって、成分のバラツキや使用温度の影響による品質変動、性能変動を抑制（特に流動性に対して）することができる。また、コストアップも抑制できる。

セメントは、普通セメント、早強セメントなどのポルトランドセメントを用いることができる。混合セメントは構成材料を増やすことになるので好ましくないが、高炉セメントは用いることができる。

細骨材は、珪砂、硬質砂岩の砕砂、川砂などを用いることができるが、珪砂が好ましい。石灰分の多い砕砂、軽量骨材などは品質や性能の安定性を欠く要因となるので好ましくない。細骨材の粒径は、１．２ｍｍ以下である。１．２ｍｍを超えるものを含むと骨材同士の噛み合いにより容器への充墳時に閉塞し易くなる。細骨材の粒度構成は、粒子径１．２ｍｍ以下で０．６ｍｍを超えるものが７〜１０％、粒子径０．６ｍｍ以下で０．３ｍｍを超えるものが４０〜５２％、粒子径０．３ｍｍ以下で０．１５ｍｍを超えるものが２４〜３７％、粒子径０．１５ｍｍ以下のものが２〜３０％であることが好ましい。この粒度構成にすれば、前記原子力環境整備センターの「低レベル放射性廃棄物処分用廃棄体製作技術について」（平成１０年）に記載される低レベル放射性廃棄物処分用固型化材の要求品質をすべて満たすことができる。したがって、本発明のセメント系充填固型化材を放射性廃棄物の処理に好適に用いることができる。この粒度構成を有する細骨材は、例えば、珪砂の５号品〜７号品を適宜混合することによって得られる。

細骨材／セメントの重量比は、０．６〜１．２であることが好ましい。０．６未満では、セメントや細骨材微粉等の粉体表面への水の吸着量の増大によりモルタルの流動に必要な自由水が不足し、実施条件によっては過大な粘度となることがある。また、１．２を超えると粘度は低下するが、骨材粒子同士が直に接触することにより噛み合いが発生し、容器への充填時における閉塞が起こり易くなる。

減水剤はナフタレン系、ポリカルボン酸系などの減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤（本明細書では、併せて減水剤と称す。）が用いられる。減水剤の使用量は特に限定されないが、セメントに対して０．３〜０．５重量％用いるのが好ましい。減水剤の形態は、粉末でも液体でもよい。粉末の場合は、セメントや細骨材と混合して用いられる。液体の場合は、混練水に添加して用いられる。

混練水としては、水道水、工業用水、回収水などが使用できる。混練水量は特に限定されないが、セメントに対し３０〜６０重量％が好ましい。少なすぎるとセメント系充填固型化材は十分な流動性が得られず、多すぎるとブリーディングが発生しやすくなる。

本発明のセメント系充填固型化材を放射性廃棄物処理に用いる場合は、前記低レベル放射性廃棄物処分用固型化材の各要求品質を満たすことが好ましい。

流動性については、Ｐロート試験での流下時間が１６〜５０秒であることが好ましい。この範囲の流動性であれば、材料分離を起こすことなくドラム缶等の容器の空隙への充填がスムーズにできる。Ｐロート試験は、モルタルを漏斗状試験器具（いわゆるＰロート）に装填し、下部を開口させてその流下時間や閉塞状況を測定することで、粘性や間隙通過性を求める試験である。

強度については、材令２８日での一軸圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。この範囲であれば、硬化体が緻密であるので、固体廃棄物の安定固定化ができ、放射能や有害成分の漏出を防ぎ易くなる。一軸圧縮強度試験は、供試体に一方向（通常、縦方向）から圧縮力を加え、破壊時の強度を求める試験である。強度の増大は、セメントの水和に伴う空隙の減少による組織の緻密化によってもたらされるので、硬化体中の物質移動性や形状安定性の指標となる。

モルタル充填後の材料分離により容器中の廃棄物下部に滞留した水によって生ずる空隙の発生を防ぐには、練り混ぜ後２４時間経過後のブリーディング率が０％であることが好ましい。０％であれば、モルタル硬化体の組織は均一となり、ブリーディング水による空隙は形成されないので、固体廃棄物の安定固定化ができ、ドラム缶等の容器の腐食による放射能や有害成分の漏出を防ぎ易くなる。ブリーディング試験は、練り混ぜ後のモルタルをビニール袋に充填し、３時間後及び２４時間後に上面に発生した水量を測定することで、材料分離性を求める試験である。

本発明のセメントと細骨材を用いれば、前記減水剤の添加量と混練水の量を適宜調整することにより、前記３つの要求品質をすべて満たすセメント系充填固型化材を容易に得ることができる。本発明のセメント系充填固型化材は、プレミックス材とすることが好ましい。この場合には、減水剤は粉末減水剤が用いられる。

以下に、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
Ａ．セメント系充填固型化材の性能確認試験
モルタル試験体を作製し、Ｐロート試験、一軸圧縮強度試験、ブリーディング試験を行った。

〔１〕使用材料と配合割合
（１）使用材料
・セメント：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社）
高炉セメント（デイ・シイ社）
・珪砂：４号品、５号品、６号品、７号品
・シリカフューム：（エルケム社）
・フライアッシュ：ＩＩ種
・高性能減水剤：ナフタレン系
（２）配合割合
実施例、比較例における各セメント系充填固型化材の配合割合を表１に示す。

なお、細骨材は、前記各号品の珪砂を表２に示す所定の粒度分布になるよう適宜調整した。

〔２〕試験方法
（１）Ｐロート試験
ｉ）試験体の作製
表１の各配合で、パン型ミキサーを用いて２分間混練し、各モルタル混練物を作製した。
ｉｉ）Ｐロート試験
ＪＳＣＥ−Ｆ５２１に準じて試験を行った。実施例と比較例の各配合については、２０℃以外に１０℃と３０℃でも試験を行った。

（２）一軸圧縮強度試験
ｉ）試験体の作製
上記試験体の作製と同様にして作製したモルタル混練物を４ｃｍ×４ｃｍ×１６ｃｍの型枠に充填して成形し、各試験体を作製した。
ｉｉ）一軸圧縮強度試験
材令７日と２８日で、ＪＳＣＥ−Ｇ５２１に準じて試験を行った。実施例と比較例の各配合については、２０℃以外に１０℃と３０℃でも試験を行った。

（３）ブリーディング試験
上記試験体の作製と同様にして作製したモルタル混練物を、ビニール袋に入れ（径５ｃｍ、高さ２０ｃｍ）静置後、３時間後と２４時間後にモルタル上面に発生する遊離水（ブリーディング水）の量をメスシリンダーで測定した。その量を混練水量で除してブリーディング率を求めた。実施例と比較例各配合については、２０℃以外に１０℃と３０℃でも試験を行った。

〔３〕試験結果
Ｐロート試験結果を表３に示す。また、高性能減水剤の添加率の影響（高性能減水剤の添加率を変えた実施例２と実施例５と実施例６による実施例、比較例１と比較例５と比較例６による比較例）を図１に示す。また、温度の影響（代表例として、実施例２による実施例、比較例１による比較例）を図２に示す。

一軸圧縮強度試験結果を表３に示す。また、高性能減水剤の添加率の影響（高性能減水剤の添加率を変えた実施例２と実施例５と実施例６による実施例、比較例１と比較例５と比較例６による比較例）を図３に、温度の影響（代表例として、実施例２による実施例、比較例１による比較例）を図４に示す。

ブリーディング試験結果を表３に示す。また、高性能減水剤の添加率の影響（高性能減水剤の添加率を変えた実施例２と実施例５と実施例６による実施例、比較例１と比較例３と比較例４による比較例）を図５に、温度の影響（代表例として、実施例２による実施例、比較例１による比較例）を図６に示す。

上記結果より、本発明のセメント系充填固型化材は、先に示した低レベル放射性廃棄物処分用固型化材の要求品質としての次の各数値をいずれも満たすものであることがわかる。
ｉ）Ｐロート流下時間の目安が１６〜５０秒
ｉｉ）材令２８日経過後の一軸圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上
ｉｉｉ）練り混ぜ後２４時間経過後のブリーディング率が０％
また、混和材を含むものに比べ、高性能減水剤の添加率の影響を受けにくいこと、温度の影響も受けにくいことがわかる。

Ｂ．廃棄体の作製（セメント系充填固型化材の廃棄物容器への充填試験）
図７に示すドラム缶２に、原子力発電所から排出された金属廃棄物やセラミック廃棄物等の固体廃棄物３を図７に示すように収納し、空隙に注入ポンプを用いて実施例２と実施例４のセメント系充填固型化材４を各々充填した。その後、蓋をして廃棄体１を作製した。
硬化後、廃棄体１を切断し、きちんと充填されていることを目視により確認した。また、廃棄体１の上部、中部、下部（図７中のＡ、Ｂ、Ｃ）からセメント系充填固型化材４の硬化物を充填後２８日でコア抜きし、各々一軸圧縮強度試験を行った。その結果、いずれも３０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを確認した。なお、２８日までは、廃棄体１は約２０℃の部屋に放置した。

Ｐロート流下時間に及ぼす高性能減水剤の添加率の影響を示す。Ｐロート流下時間に及ぼす温度の影響を示す。一軸圧縮強度に及ぼす高性能減水剤の添加率の影響を示す。一軸圧縮強度に及ぼす温度の影響を示す。ブリーディング率に及ぼす高性能減水剤の添加率の影響を示す。ブリーディング率に及ぼす温度の影響を示す。廃棄体の一例を示す。

符号の説明

１廃棄体
２ドラム缶（収納容器）
３固体廃棄物
４セメント系充填固型化材
Ａ硬化体のサンプリング箇所（上部）
Ｂ硬化体のサンプリング箇所（中部）
Ｃ硬化体のサンプリング箇所（下部）

Claims

固体廃棄物が収納された容器内の空隙に流し込んで充填固型化するのに用いるセメント系充填固型化材であって、混練水以外はセメントと粒径１．２ｍｍ以下の細骨材と減水剤のみからなることを特徴とするセメント系充填固型化材
上記において、細骨材の粒度構成が、粒子径１．２ｍｍ以下で０．６ｍｍを超えるものが７〜１０％、粒子径０．６ｍｍ以下で０．３ｍｍを超えるものが４０〜５２％、粒子径０．３ｍｍ以下で０．１５ｍｍを超えるものが２４〜３７％、粒子径０．１５ｍｍ以下のものが２〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載のセメント系充填固型化材
上記において、細骨材／セメント重量比が０．６〜１．２であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセメント系充填固型化材
上記において、セメント系充填固型化材の特性が次のようになるよう混練水量と減水剤の添加量を調整してなる請求項１に記載のセメント系充填固型化材
ｉ）Ｐロート流下時間が１６〜５０秒
ｉｉ）材令２８日での一軸圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２以上
ｉｉｉ）練り混ぜ後２４時間経過後のブリーディング率が０％