JP2012013503A - 膨潤試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて短時間で鉱物材料の膨潤性に関するデータを取得できる膨潤試験法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る膨潤試験方法は、鉱物材料を含有する試料と粒状及び／又は粉状の氷とを混合して混合物を調製する混合工程と、混合物を圧縮成形して供試体を得る成形工程と、供試体を測定装置内に封入した状態で供試体に含まれる氷を解凍させて試料の膨潤性に関するデータを取得する測定工程とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉱物材料の膨潤性を評価するための膨潤試験方法に関する。

ベントナイトは水と接触すると吸水して膨潤する鉱物材料である。かかる性質を有するベントナイトは、止水材料として使用されている。例えば、放射性廃棄物処分場や高速道路などの構造物を地下に構築する際、地下水の浸入などを防止する目的で構造物の周囲にベントナイトを含有するバリア層が形成される。止水材料の膨潤性の程度は、バリア層の性能に影響を与えるため、地下構造物を設計するに際し、これを評価するための膨潤試験が実施される。

下記非特許文献１には、岩石の体積の変位を拘束した状態で膨潤圧を測定する膨潤圧試験方法が記載されている。従来、粒状又は粉状のベントナイトの膨潤性は、非特許文献１に記載の方法に準拠し、以下のようにして評価されていた。まず、ベントナイトを含む試料を圧縮成形して所定の乾燥密度の供試体を得る。この供試体を測定装置内に封入した状態で供試体の上面及び下面の少なくとも一方に水を供給する（図２参照）。これにより膨潤圧を発生させ、ロードセルで膨潤圧を測定する。なお、所定の圧力条件下において供試体に給水して供試体の体積変位量（膨潤量）を測定する膨潤量試験を実施する場合もある。

土質工学会、「岩の調査と試験」、１９８９年、ｐ．４２３−４２５

ところで、従来の膨潤試験は供給された水が供試体内に均一に拡散するのに時間がかかるため、測定に長期の時間を要するだけでなく、計測時間に余裕が無い場合には膨潤圧を過小評価することもあった。鉱物材料の膨潤性や供試体の圧縮度（乾燥密度）にもよるが、測定値が安定するまでに数週間かかる場合もある。さらに、数ｍ程度の大型供試体の場合、試験期間が数年に亘ることもある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、供試体寸法に因らず、供試体作製時から水分が均一であり従来と比較して極めて短時間で鉱物材料の膨潤性に関するデータを正確に取得できる膨潤試験法を提供することを目的とする。

本発明に係る膨潤試験方法は、鉱物材料を含有する試料と粒状及び／又は粉状の氷とを混合して混合物を調製する混合工程と、混合物を圧縮成形して供試体を得る成形工程と、供試体を測定装置内に封入した状態で供試体に含まれる氷を解凍させて試料の膨潤性に関するデータを取得する測定工程とを備える。

本発明の膨潤試験方法によれば、従来の方法と比較して膨潤挙動が極めて短時間で定常状態となり、測定時間の短縮化が図れる。すなわち、本発明においては、供試体の内部に予め氷を分散させておき、その後、氷を解凍させることにより、供試体の広範囲にわたる水分供給が極めて短期の間に生じる。これに対し、従来の試験方法では、供試体の上面及び下面から給水を行うため、供試体の給水部付近には短時間のうちに水分が供給されるものの、供試体全体には水分が行き渡りにくく、定常状態に至るまでに時間を要する。これに加え、従来の方法は、供試体内部に飽和度の分布が生じやすく、膨潤挙動が複雑で定常状態に至ったか否かの見極めが困難な場合もある。

また、本発明の膨潤試験方法によれば、試料と氷の配合比率を調整することにより、供試体（解凍後）の飽和度を容易に且つ十分に高い精度で調節できる。このため、所望の飽和度におけるデータを取得できる。これに対し、従来の試験方法にあっては、供試体内部にまで水分を浸透させるのに比較的多量の水を給水する必要があり、取得できるデータが一定以上の高い飽和度のものに限定されていた。これに加え、従来の試験方法では、必ずしも供試体の飽和度を正確に把握できないという問題があった。すなわち、従来の試験方法では、試験後に測定装置から取り出した供試体を乾燥させ、乾燥前後の供試体の重量変化から含水比を測定して飽和度を算出していた。測定装置から供試体を取り出すときに減圧が生じ、測定装置の給水路やポーラスメタルの間隙に存在していた水が試料に吸収されてしまい、１００％を超える飽和度が算出される場合もあった。

なお、本発明における粒状の氷と粉状の氷との間には明確な境界はなく、「粒状及び／又は粉状の氷」とは、粒径３０ｍｍ程度以下の氷を意味する。また本発明でいう「飽和度」とは、土粒子、水及び空気からなる三相の土質材料において、間隙の体積（Ｖ_Ｖ）に占める水の体積（Ｖ_Ｗ）を意味する。
飽和度Ｓｒ（％）＝Ｖ_Ｗ／Ｖ_Ｖ×１００％

本発明においては、測定工程後における測定装置内の供試体の飽和度が所定の値となるように、混合工程において試料と氷の混合比率を調整することが好ましい。また、試料と氷の混合比率が互いに異なる供試体を複数準備し、当該複数の供試体についてそれぞれ測定工程を実施することが好ましい。所定の飽和度における供試体の膨潤性に関するデータが得られることは、地下構造物を設計するにあたり有用である。

混合工程において、試料及び氷の温度を氷点下に保持することが好ましい。これにより、混合工程において氷が解けることを防止でき、試料と氷の混合比率を所望の値に設定しやすい。

成形工程において、供試体の温度を氷点下に保持することが好ましい。これにより、成形工程において氷が解けて試料が膨潤することを防止でき、供試体の飽和度を所望の値に設定しやすい。

本発明においては、測定装置内に供試体を封入する作業を行う前に、測定装置を−５℃以下の温度に冷却することが好ましい。測定装置を事前に冷却しておくことで、測定工程よりも前に装置内の氷が解けるのを十分に抑制でき、より精度の高い測定を実施できる。

本発明の膨潤試験方法に供する試料として、ベントナイトを含有するものが挙げられる。

成形工程において、供試体を平板状に成形することが好ましい。平板状の供試体は、測定装置の収容部の内壁面と接触する部分（供試体の側面）の面積が十分に小さいため、この部分の摩擦力による測定誤差をより小さくできる。

本発明によれば、従来と比較して極めて短時間で鉱物材料の膨潤性に関するデータを取得できる。

本発明に係る膨潤試験方法を実施するための測定装置の一例を示す断面図である。 従来の膨潤試験方法を実施するための測定装置の一例を示す断面図である。 実施例１〜３の膨潤圧試験の結果を示すグラフである。 比較例１〜６の膨潤圧試験の結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明する。

＜測定装置＞
図１に示す測定装置１０は、鉱物材料を含有する試料の膨潤圧又は膨潤量を測定するためのものであり、供試体Ｓ１を封入する収容部５を備える。

収容部５は、円筒状の試料リング１の内面と、底板２の上面と、載荷ピストン３の下面とによって画成された空間である。試料リング１と底板２はボルト６ａによって固定されており、試料リング１の内側に載荷ピストン３が挿入される。試料リング１と当接する底板２の上面及び載荷ピストン３の側面にはＯリング７ａ，７ｂがそれぞれ装着されており、収容部５から水が漏れないようになっている。収容部５の大きさは、供試体Ｓ１のサイズ（例えば、直径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍ）に応じて適宜設定すればよい。なお、試料リング１は、その上端面にボルト６ｂによって膨張抑止板８を装着できるようになっている。膨張抑止板８は、測定を開始する前に供試体Ｓ１の体積が変位するのを防止するためのものであり、測定の際には外される。

供試体Ｓ１の膨潤圧を測定する場合は、供試体Ｓ１の体積を拘束するため、反力板１５ａを備えるフレーム１５を準備する。載荷ピストン３と反力板１５ａとの間にロードセル１２を配置して膨潤圧を測定する。なお、膨潤量を測定する場合は、ロードセル１２や反力板１５ａを使用する代わりに変位計を使用すればよい。

＜膨潤試験方法＞
評価対象となり得る鉱物材料としては、ベントナイトに限らず、スメクタイトなどの膨潤性を有する鉱物が挙げられる。ここではベントナイトの膨潤圧を評価対象とする場合を例に挙げる。

例えば、放射性廃棄物処分場を設計するに際し、バリア層の性能を評価する場合には、バリア層の敷設に使用する比較的高純度のベントナイトを採取して試料とする。高性能のバリア層を敷設するには、ベントナイトの含有率（固形分の質量基準）は、９５質量％以上であることが好ましく、９８質量％以上であることがより好ましい。更には、固形分が実質的にベントナイトのみからなることが最も好ましい。

なお、高度な止水性が要求されないバリア層を敷設する場合には、ベントナイトの含有率が低い固形分（ベントナイト含有率：５質量％以上９５質量％未満）を使用してもよい。本実施形態に係る試験方法は、ベントナイトの含有率が低い試料の膨潤性も評価することが可能である。試料に含まれるベントナイト以外の固形分としては、砂や土などの土質系材料が挙げられる。

本実施形態に係る膨潤試験方法は、測定装置１０を使用して実施するものであり、混合工程、成形工程及び測定工程をこの順序で備える。

混合工程は、ベントナイトと粒状及び／又は粉状の氷とを混合して混合物を調製する工程である。使用するベントナイト及び氷の粒径は供試体のサイズなどに応じて適宜選択すればよいが、ベントナイトと氷が十分均一に混合した混合物を得る観点から、これらの粒径はなるべく小さいことが好ましい。ベントナイトは粒状及び／又は粉状であることが好ましく、その粒径は好ましくは３０ｍｍ以下であり、より好ましくは１０ｍｍ以下である。また、氷の粒径は好ましくは３０ｍｍ以下であり、より好ましくは２０ｍｍ以下である。粒状及び／又は粉状の氷は、氷の塊を破砕したり、噴霧した水に液体窒素を吹き付けたり、圧縮水の断熱膨張を利用した降雪機によって作製することができる。

ベントナイトと氷の混合には、例えば、粉体ミキサーを用いることができ、粉体ミキサーを事前に氷点下（より好ましくは−５℃）に冷却しておくことが好ましい。また混合工程において、試料及び氷の温度を氷点下（より好ましくは−５℃）に保持することが好ましい。これにより、混合工程において氷が解けることを防止でき、試料と氷の混合比率を所望の値に設定しやすい。

成形工程は、混合工程で得た混合物を圧縮成形して供試体Ｓ１を得る工程である。本実施形態においては、測定装置１０の収容部５に投入し、載荷ピストン３によって混合物を圧縮することによって供試体Ｓ１を得る。混合物の圧縮度合いを調節することによって供試体Ｓ１の乾燥密度を調整することができる。なお、乾燥密度γ_Ｄ（ｇ／ｃｍ^３）は、土粒子、水及び空気からなる三相の土質材料の体積をＶ（ｃｍ^３）とし、土粒子の質量をＷ_Ｓ（ｇ）としたとき、下記式により算出される値である。
乾燥密度γ_Ｄ＝Ｗ_Ｓ／Ｖ

供試体Ｓ１の形状は、試料の物性やデータの用途などに応じて適宜設定することができるが、図１に示すように平板状であることが好ましい。平板状の供試体Ｓ１は、試料リング１の内面と接触する部分（供試体Ｓ１の側面）の面積が十分に小さいため、この部分の摩擦力による測定誤差をより小さくできる。供試体Ｓ１の厚さＴと直径Ｄの比Ｄ／Ｔは、好ましくは３以上である。

測定装置１０の収容部５に混合物を投入するに先立ち、測定装置１０を氷点下（より好ましくは−５℃以下）に冷却することが好ましい。測定装置１０を事前に冷却しておくことで、成形工程において氷が解けるのを十分に抑制できる。また成形工程において、混合物及び供試体Ｓ１の温度を氷点下（より好ましくは−５℃）に保持することが好ましい。これにより、成形工程において氷が解けて試料が膨潤することを防止でき、供試体Ｓ１の飽和度を所望の値に設定しやすい。

測定工程は、供試体Ｓ１を収容部５に封入した状態で供試体Ｓ１に含まれる氷を解凍させてベントナイトの膨潤性に関するデータを取得する工程である。本実施形態においては、ロードセル１２によってベントナイトの膨潤圧のデータを取得する。供試体Ｓ１に含まれる氷を解凍するには、測定装置１０を常温の環境下に放置してもよいし、あるいは、測定時間の短縮化のため測定装置１０に熱を加えてもよい。

本実施形態に係る膨潤試験方法によれば、供試体Ｓ１の内部には予め氷が分散させられている氷を解凍させることにより、供試体Ｓ１の広範囲にわたる水分供給が極めて短期の間に生じる。このため、膨潤挙動が極めて短時間で定常状態となり、測定時間の短縮化が図れる。供試体が数ｍ程度の大型のものであっても水分供給は極めて短期の間に生じ、供試体サイズによらず同様の効果を奏する。

上記試験方法にあっては、試料と氷の配合比率を調整することにより、解凍後の供試体Ｓ１の飽和度を容易に且つ十分に高い精度で調節できる。このため、所望の飽和度におけるデータを取得できる。従って、測定工程後における測定装置１０内の供試体Ｓ１の飽和度が所定の値となるように、混合工程において試料と氷の混合比率を調整してもよいし、あるいは、試料と氷の混合比率が互いに異なる供試体を複数準備し、当該複数の供試体についてそれぞれ測定工程を実施してもよい。所定の飽和度における供試体の膨潤性に関するデータが得られることは、地下構造物を設計するにあたり有用である。

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られない。例えば、上記実施形態においては、成形工程及び測定工程を測定装置１０で実施する場合を例示したが、測定装置１０とは別の装置を用いて成形工程を実施してもよい。また、上記実施形態においては、取得するデータとして膨潤圧を例示したが、ロードセル１２や反力板１５ａの代わりに変位計を用いて膨潤量のデータを取得してもよい。

（実施例１）
図１に示す測定装置１０と同様の構成の装置を用いてベントナイトの膨潤圧を測定した。表１に示す通り、測定工程後の飽和度が９６．５％となるように、混合工程においてベントナイトと氷の混合比率を調整するとともに成形工程において供試体のサイズ（直径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍ）を調整した。なお、表１中の「湿潤密度」は土粒子、水及び空気の三相について区別せず、土全体に着目した場合の単体重量を意味し、「含水比」は土粒子の部分の重量（Ｗ_Ｓ）に対する水の部分の重量（Ｗ_Ｗ）の割合を意味する。
湿潤密度γ_Ｔ（ｇ／ｃｍ^３）＝Ｗ／Ｖ
含水比（％）＝Ｗ_Ｗ／Ｗ_Ｓ

収容部に供試体が封入された状態の測定装置を常温条件下に放置することによって供試体に含まれる氷を解凍させ、その間、ロードセルで膨潤圧を測定した。図３に膨潤圧の経時変化を示す。

（実施例２，３）
測定工程後の供試体の飽和度がそれぞれ９０％及び７０％となるように供試体を調製したことの他は実施例１と同様にして試験を行った。図３に膨潤圧の経時変化を示す。

（比較例１）
従来の測定装置を用いてベントナイトの膨潤圧を測定した。図２に示す従来の測定装置５０は、以下の点において図１に示す測定装置１０と相違する。
（１）氷が配合されていない試料のみからなる供試体Ｓ２が測定対象である点。
（２）供試体Ｓ２の上下にポーラスメタルからなるフィルタＦ１，Ｆ２が配置されている点。
（３）供試体Ｓ２に水を供給するための給水路５２ａが底板５２に設けられている点。
（４）収容部５５から必要に応じて水を排出するための排水路５３ａが載荷ピストン５３に設けられている点。

実施例１と同様の試料（ベントナイト）を収容部に投入した後、載荷ピストンによって試料を圧縮成形し、試料のみからなる供試体（直径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍ）を得た。給水路から収容部内に水を供給して供試体を膨潤させ、ロードセルで膨潤圧を測定した。図４に膨潤圧の経時変化を示す。測定後、装置から取り出した供試体を乾燥させ、乾燥前後の供試体の重量変化から含水比を測定して飽和度を算出した。表２に結果を示す。

（比較例２〜６）
水の供給量を変更したことの他は比較例１と同様にしてベントナイトの膨潤圧を測定した。表２及び図４に結果を示す。表２に示す通り、比較例３，６においては１００％を超える飽和度が算出されるとなった。これは測定装置から供試体を取り出すときに減圧が生じ、測定装置の給水路やポーラスメタルの間隙に存在していた水が試料に吸収されたためと推察される。

１０…測定装置、５０…従来の測定装置、Ｓ１…供試体。

Claims (8)

1. 鉱物材料を含有する試料と粒状及び／又は粉状の氷とを混合して混合物を調製する混合工程と、
   前記混合物を圧縮成形して供試体を得る成形工程と、
   前記供試体を測定装置内に封入した状態で前記供試体に含まれる氷を解凍させて前記試料の膨潤性に関するデータを取得する測定工程と、
   を備える膨潤試験方法。
2. 前記測定工程後における前記測定装置内の前記供試体の飽和度が所定の値となるように、前記混合工程において前記試料と前記氷の混合比率を調整する、請求項１に記載の膨潤試験方法。
3. 前記試料と前記氷の混合比率が互いに異なる供試体を複数準備し、当該複数の供試体についてそれぞれ前記測定工程を実施する、請求項１又は２に記載の膨潤試験方法。
4. 前記混合工程において、前記試料及び前記氷の温度を氷点下に保持する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨潤試験方法。
5. 前記成形工程において、前記供試体の温度を氷点下に保持する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の膨潤試験方法。
6. 前記測定装置内に前記供試体を封入する作業を行う前に、当該測定装置を−５℃以下の温度に冷却する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の膨潤試験方法。
7. 前記試料はベントナイトを含有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の膨潤試験方法。
8. 前記成形工程において前記供試体を平板状に成形する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の膨潤試験方法。

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