JP3839023B2 - 遮水構造体およびその施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、難透水性の遮水材、遮水構造体およびその遮水構造体の施工方法に関するもので、特に、廃棄物の最終処分や放射性廃棄物などの地層処分または造成地の構築等において使用されるものである。

廃棄物の最終処分場では、そこに含まれる鉛、クロム等の重金属やある種の有機化合物等の有害物質の流出を防ぐため、遮水構造体を設置した上に合成ゴム等の遮水シートを設け、その上に廃棄物を投入し、埋め立てを行っている。一般廃棄物あるいは管理型産業廃棄物の最終処分場にあっては、遮水層に粘土等を用いる場合には、透水係数の小さな粘土等を用いることとなっている。遮水シートの不良、劣化、破損等により有害物質が遮水シートを通り抜けて流出した場合に、この遮水構造体は有害物質の処分場外への流出を防止する止水機能が必要である。

この遮水構造体を形成する遮水材には、透水係数の小さな良質の粘土鉱物が必要とされ、この粘土材料をローラー等で圧縮敷設した後、その上に遮水シートを被覆する。その遮水材としては、処分場建設時に発生する土を利用する場合が多いが、他の場所で適する土を採取し用いるかまたは一部混合利用して、遮水性能を改善する方策が取られる。しかし、粘土は天然物であるため、所定の止水性を持つ遮水材を得るのは容易ではない。また、粘土に代えて、アスファルトを用いるものもある。
そこで、骨材表面にアスファルトをコーティングしたものとベントナイトを混合した遮水材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、原子力発電所や医療、教育機関などから発生する放射性廃棄物の処分方法として地下岩盤に空洞部を構築し、その空間を利用する方法が実施されつつある。この地層処分法は、廃棄物を封入した金属容器（キャニスター）を地上の貯蔵設備で数十年貯蔵した後、オーバーパックといわれる肉厚鋼板製の密閉容器に収納し、これを地下深部、例えば、５０ｍ〜１００ｍ更には数百ｍの深さの岩盤中に処分坑道を掘削し、その坑道に廃棄物を封入した密閉容器を埋設するというものである。その坑道の周辺岩盤とこの密閉容器との間には、遮水構造体(緩衝層)が施工される。

この遮水構造体を構成する遮水材は、地下水の浸入を防ぐ止水能と、将来放射性核種が漏洩した場合に核種を吸着する吸着能をもつことが必要である。
この周辺岩盤と密閉容器との間で使用されているベントナイト遮水材は、所定の透水係数以下となるように施工されなければならない。その施工方法として、工場にて締固められたブロックを作製し、設置する手法と、現場にて遮水材の締固めを行う手法の二種類が考えられている。
このような遮水材（緩衝材）として、ベントナイト、バーミキュライト等と微細なクラックを持つ溶結凝灰岩さらには鉱物質微粉末（フライアッシュ等）等を混合使用する例があり、その透水係数は１０^−６〜１０^−７ｃｍ／秒である（例えば、特許文献２参照）
また、宅地造成等において、セメント、ベントナイト、水ガラス系、高分子系物質等の注入材で遮水壁を形成する方法がある。

特開２０００−３３４４１２号公報 特開２００３−１４９３９１号公報

従来の市販の粉末状ベントナイト等を用いて、遮水材の締固めを行う場合には、高い乾燥密度が得られないとか、粉立ちが生じ易いといった施工上の問題があり、粒状ベントナイトが有効であると考えられている。また、乾燥密度を高くするには、ベントナイトと砂等を混合して必要な密度を達成することは可能であるが、ベントナイトの配合率が減少するため、止水性の点で満足することができない。
そこで、本発明は、粉立ちを低くすることができ、締固めが容易で、動的に締固めを行うことで、ベントナイト配合率１００％であっても好ましい乾燥密度と透水係数を得ることができる優れた難透水性構造用ベントナイト遮水材を用いた、締固めが容易であり、且つ締固め後に優れた止水性を有する遮水構造体およびその施工方法を提供するものである。

本発明者らは上記課題に鑑み検討した結果、ベントナイトの物理・化学特性に着目し、その塑性限界（粒子の粘着性を表す尺度）の小さなものが良いことを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
すなわち
（１）塑性限界が１０〜３５％で、粒径を２０ｍｍ以下に調製した難透水性構造用粒状ベントナイト遮水材を含有する材料を締固めてなり、透水係数１０ ^−１１ ｃｍ／秒のオーダー以下の遮水構造体、
（２）前記遮水構造体が、産業廃棄物もしくは放射性廃棄物の地中処分の際の遮水構造体または造成地の遮水構造体であることを特徴とする（１）記載の遮水構造体、
（３）塑性限界が１０〜３５％で、粒径を２０ｍｍ以下に調製した塑性限界が１０〜３５％で、粒径を２０ｍｍ以下に調製した難透水性構造用粒状ベントナイト遮水材を、締固めエネルギー２０ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３以上で締固め、最大乾燥密度１．５ｇ／ｃｍ^３以上で且つ透水係数１０ ^−１１ ｃｍ／秒のオーダー以下とすることを特徴とする遮水構造体の施工方法、および、
（４）締固め時の難透水性構造用粒状ベントナイト遮水材の含水比を１５％以上２５％未満とすることを特徴とする（３）項記載の遮水構造体の施工方法、
を提供するものである。
なお、「塑性限界」は、土が塑性体から半固体の状態に移る境界の含水比であり、ＪＩＳ Ａ １２０５により測定される。

本発明に用いられる難透水性構造用ベントナイト遮水材は、塑性限界が小さな１０〜３５％のベントナイトを用いた粒状のものであるので、遮水構造体の施工において、粉立ちが少なく、締固めエネルギー２０ｃｍ・ｋｇｆ／ｍ^３以上で動的に締固めることができる優れた締固め性をもつものである。また、締固めは現場で容易に行うことができ遮水構造体を形成できるが、工場等でブロック状の遮水構造体を作製し、それを組み立て、現場に適合する遮水構造体を形成することもできる。そして、得られる遮水構造体は、高い乾燥密度と共に、優れた止水性を示すので、特に廃棄物の地中処分における遮水構造体として高い信頼性を有する。

本発明の遮水構造体およびその遮水構造体の施工方法の好ましい実施の態様について、詳細に説明する。
本発明では、ベントナイト遮水材に求められる性質として、締固めて遮水構造体とした後、その遮水構造体が１０^−１１ｃｍ／秒オーダー以下の透水係数を有し、且つ１．０以上の膨潤圧、乾燥時体積収縮率２．０％以下、含水比７％での熱伝導率１．０Ｗ／ｍＫ以上を示すものである。そして、最大乾燥密度が１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^２となるような締固めができることが必要である。この最大乾燥密度とは、ベントナイトの締固め時の含水比と乾燥密度との関係を図示したときに描かれる曲線の極大値における乾燥密度である。そして、その最大乾燥密度におけるベントナイトの含水比を最適含水比という。

一般に、砂質土や礫などの締固め乾燥密度は、その粒度配合に大きく影響される。そこで、各種粒度分布をもつ代表的なベントナイトの締固め試験を、「突き固めによる土の締固め試験方法（ＪＳＦ Ｔ ７１１−１９９０）」に準拠し、締固めエネルギー４．５Ｅｃ（２５．２ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３）で行った。含水比は加水により調整した。粒状ベントナイトの最大乾燥密度がその粒度分布に依存するものではないかと、各種粒度分布の試料について検討したところ、最大乾燥密度は、粒度分布よりも、むしろ原鉱石の物理・化学的特性に支配されていることをつき止めた。

その物理・化学的特性のうち、塑性限界が最大乾燥密度および止水性に係わるものであった。塑性限界が１０〜３５％、好ましくは２０〜３３％であるベントナイトを使用することが好ましい。塑性限界がこれ以上高いものを使用すると、目標とする乾燥密度を持つ締固めができなかったり、締固めそのものが不可能であったりする。また、塑性限界が低すぎると、塑性限界から推定される乾燥密度へ締固めることが難しく、施工上の問題が発生する危険性があるため、遮水構造体として不適当である。
本発明に用いられる塑性限界が上記範囲内にあるベントナイト遮水材は、その範囲内にある塑性限界を有するベントナイト原鉱石を乾燥し、粗砕・篩い分けにより得られる。

含水比１０〜２５％程度を有するベントナイト原鉱石を粗砕した後、含水比が３〜１５％、好ましくは５〜１０％となるように１００℃〜７００℃の熱風で乾燥する。その後、篩い分けにより粒径を調整する。原鉱石のままの含水比では、含水比に幅があるため、締固め後の乾燥密度にばらつきが生じてしまう。また、乾燥しすぎると、搬送や施工時の粉立ちの原因となり、乾燥が不十分であると、搬送時に粒子の圧密の原因となる可能性がある。なお、含水比（％）は、無水物の質量に対する水分の質量の百分率（水の質量×１００／絶乾固体の質量）である。
本発明の難透水性構造体用粒状ベントナイトは、その粒径を幅広くとることができ、粒径２０ｍｍ以下に調整するが、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下にするのがよい。しかし、細かすぎると、やはり搬送や施工時の粉立ちの原因となるため、一般に０．６ｍｍ以上、好ましくは１．６ｍｍ以上とするのがよい。また、粒径が大きすぎると、施工時に含水比調節をした際に、粒子によって含水比に違いが生じるため、目標とする乾燥密度へ締固めるのに過大なエネルギーを必要としたり、場合によっては締固めが不可能となる。

この粒状ベントナイトは締固め性に優れているため、遮水材材料として適用する場合１００％これを使用するのが好適であるが、他の材料、例えば粉末ベントナイト、フライアッシュ、礫、砂、掘削残土等と混合して使用することもできる。この場合、ベントナイトの適用量は適宜設定できるものであるが、所定の透水係数を満たすためには、この粒状ベントナイトは全遮水材料の５０質量％以上、好ましくは７０質量％以上を占めるようにするのがよい。

本発明の難透水性粒状ベントナイトを含む遮水構造体は、現場で締固める施工方法が好ましく、締固めは、数層に分けてランマーによって突き固めにより行うが、締固めエネルギーの上昇と共に最大乾燥密度も一般に大きくなる。また、本発明においては、難透水性粒状ベントナイトは、工場で締固めてブロック状の構造体に成形し、それを適用する場所の形状に合わせて組み立て遮水構造体を構成してもよい。
この遮水構造体は、放射性廃棄物の地層処分における坑道周辺の岩盤と密閉容器との間の遮水層もしくは廃棄物の最終処分場の遮水層等であり、また、造成地の遮水構造体である。あるいは、この遮水構造体は、前記のようにブロック状の構造体でもあり、これを前記の遮水層等の適用場所に用いる。

本発明の目的を達成する最大乾燥密度１．５ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．６ｇ／ｃｍ^３以上、透水係数１０^−１１ｃｍ／ｓｅｃのオーダー以下を得るためには、締固めエネルギーは２０ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３以上、好ましくは２５ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３以上で好ましくは動的に締固めるのが好ましい。その場合の含水比は、１５％以上〜２５％未満、好ましくは最適含水比、より好ましくは実際の施工に使用される実機を用いて締固め試験を行いそれによって定められた最適含水比であり、加水によって調整する。締固め時の含水比が高すぎても、低すぎても、目標の乾燥密度に締固める際に、過剰のエネルギーを要したり、また締固めが不可能になる可能性もあるので、注意が必要となる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
〔実施例１〕
難透水性粒状ベントナイトの調製
山形県月布産２種類(試料名Ｔ１，Ｔ２)及び米国ワイオミング州産１種類(試料名Ｗ１)のベントナイト原鉱石を使用した。含水比が１０％〜２０％である各ベントナイト原鉱石を破砕機で粗砕し、乾燥用キルンで１１０℃において含水比６±１％となるまで乾燥させた後、篩い分けによりそれぞれ粒径１０ｍｍ以下、２ｍｍ以下、１．６〜１０ｍｍの３種類の粒度に調整した。各原鉱石の粉砕乾燥試料の物理・化学特性を表１に示す。

なお上記表中、構成鉱物は、Ｘ線粉末回折、示差熱分析によるもので、Ｍｔはモンモリロナイトを、Ｑｚは石英を、Ｐｌは長石を、Ｐｙはパイライトを、Ｚｅｏはゼオライトを表す。

粒状ベントナイトの締固め試験
締固め試験はＪＩＳ Ａ１２１０に従って、各試料各粒度の粒状ベントナイトの含水比をアイリッヒミキサーにより５〜３０％の間で４〜６水準に調整して、１０００ｃｍ^３のモールド、４．５ｋｇｆランマーを用いて１層当たり２５回突き、全５層の突き固めで行った。締固めエネルギーは２５ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３である。締固まった体積と投入質量とから、各試料の各粒度での最適含水比と最大乾燥密度を求めた。
この試験の結果、各試料の各粒度で得られた最大乾燥密度および最適含水比を次の表２に示す。

また、各試料の各粒度での塑性限界と最大乾燥密度の関係を図１に、塑性限界と最適含水比の関係を図２に示す。これをみると、塑性限界が小さく、粒径の幅が広いほど、最適含水比が小さく、最大乾燥密度が大きくなることがわかる。従って、締固めエネルギーは２５ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３において、遮水構造体の好ましい仕様に対応できる最大乾燥密度１．５ｇ／ｃｍ^３となるような粒状ベントナイトの仕様は、塑性限界は１０〜３５％、好ましくは２０〜３３％であり、粒径は２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下であることが適当である。また、施工時の締固めエネルギーは２０ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３以上であることが好ましい。

粒状ベントナイトの透水試験
各試料の各粒度の透水試験用供試体は、締固め時含水比（Ｔ１，Ｔ２，Ｗ１それぞれ１８％,１６％,２０％）に調整されたサンプルを、１０００ｃｍ^３モールド内で最大乾燥密度となるように動的に締固めたものを使用した。供試体のサイズは直径１０ｃｍ、高さ２ｃｍである。動水勾配２０００以下の条件で注水を行った。得られた結果を表３に示す。この結果、塑性限界が３５％付近で、乾燥密度が１．６ｇ／ｃｍ^３よりも若干小さい値（試料Ｗ１）であっても、透水係数１０^−１１ｃｍ／秒のオーダーをクリアできる。従って、粒状ベントナイトを充分に締固めることができ、所定の範囲の透水係数を得るには、塑性限界は１０〜３５％、好ましくは２０〜３０％であり、粒径は２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下である。そして、締固め時含水比は１５％〜２５％、より好ましくは最適含水比であるのが適当である。

〔比較例１〕
原鉱石の塑性限界が３９％の粒状ベントナイト（米国ワイオミング州産：試料名Ｗ２）および塑性限界が３８％の粒状ベントナイト（米国ワイオミング州産：試料名Ｗ３）を上記実施例１と同様の手法で各粒度の試料を調整し、同様に締固め試験を行った。使用原鉱石の基本特性を表４に、締固め試験の結果を表５に示す。この結果から、塑性限界が３８％を超えると、締固めが不可能であり、塑性限界が３８％であれば締固めは可能となるが、目標の最大乾燥密度１．５ｇ／ｃｍ^３には締固めができなかった。締固めが可能であった試料Ｗ３は熱伝導率や膨潤圧の点で満足な値が得られなかった。

表中、Ｍｔ、Ｚｅｏ、Ｐｌ、Ｐｙは表１と同様であり、Ｃｒはクリストバライトを表す。

本発明のベントナイト遮水材の塑性限界と最大乾燥密度との関係を示すグラフである。 本発明のベントナイト遮水材の塑性限界と最適含水比との関係を示すグラフである。

Claims (4)

1. 塑性限界が１０〜３５％で、粒径を２０ｍｍ以下に調製した難透水性構造用粒状ベントナイト遮水材を含有する材料を締固めてなり、透水係数１０ ^−１１ ｃｍ／秒のオーダー以下の遮水構造体。
2. 前記遮水構造体が、産業廃棄物もしくは放射性廃棄物の地中処分の際の遮水構造体または造成地の遮水構造体であることを特徴とする請求項１記載の遮水構造体。
3. 塑性限界が１０〜３５％で、粒径を２０ｍｍ以下に調製した難透水性構造用粒状ベントナイト遮水材を、締固めエネルギー２０ｃｍ・ｋｇｆ／ｃｍ^３以上で締固め、最大乾燥密度１．５ｇ／ｃｍ^３以上で且つ透水係数１０ ^−１１ ｃｍ／秒のオーダー以下とすることを特徴とする遮水構造体の施工方法。
4. 締固め時の難透水性構造用粒状ベントナイト遮水材の含水比を１５％以上２５％未満とすることを特徴とする請求項４記載の遮水構造体の施工方法。
   

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