JP4219475B2 - 多層構造型遮蔽体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメント組成物、該セメント組成物に用いるセメントクリンカー及び該セメント組成物を使用した多層構造型遮蔽体に関し、特に、超長期耐久性に優れる水和反応遅延型であるセメント組成物、該セメント組成物に用いるセメントクリンカー及び、該水和反応遅延型であるセメント組成物を使用して超長期に渡り廃棄物を密閉遮蔽することができる長期耐久性を有する多層構造型遮蔽体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、原子発電所等の原子力関係施設、病院、各種研究施設等から排出される廃棄物を環境学的に安全に処分することが高く望まれており、特に放射性廃棄物は増大の傾向にあるため、該廃棄物に含まれる核種の放射性濃度及び半減期に応じて核種を長期に渡り環境学的に安全に封じ込める性能が要求されている。
【０００３】
一般的には、これらの放射性廃棄物は容量を減少させた後、ドラム缶やコンクリート缶等の放射性廃棄物処理容器に入れられ、次いで該処理容器に固化材料を充填して固化処理を行い、該廃棄物を封じ込め、固化処理した該廃棄物含有処理容器を地中埋設施設中に設置、保管することにより、放射性廃棄物を処分している。
【０００４】
上記固化処理に際して用いられる固化材料としては、セメント、アスファルト、プラスチック、セラミック等があり、安価で入手が容易であるセメントが最も広く使用されている。このようなセメント組成物としては、例えば特公平６−４６２３５号公報、特公平７−８２１１３号公報等に開示されているものがある。
【０００５】
かかる放射性廃棄物の処分に関する基本概念は、人工バリア及び天然バリアによる多重バリアによって核種の移行を抑制するというものであり、第１段階（約２０〜３０年の期間）は主に、人工バリアによって、核種の漏洩を防ぎ、第２段階（第１段階終了後、約３０〜３５年の期間）は、人工バリア及び天然バリア双方で核種の漏洩を防ぎ、第３段階（第２段階終了後、約３００年以上の期間）は、天然バリアで核種の漏洩を防ぐというものである。
【０００６】
従って、各バリア材には廃棄物に含まれる核種の放射性濃度及び半減期に応じた期間、核種閉じ込め機能の継続性能（当該機能の耐久性能）が要求される。
【０００７】
従来の地中の放射性廃棄物処理施設は、概略的に図１のように、廃棄物を固化材料で固化処理したドラム缶等の廃棄物処理容器１を、充填モルタル２で囲い、その周囲をコンクリート３で、更にその周囲をベントナイト４で囲っている構成となっており、特にセメント系材料は施設構成材料及び人工バリア（躯体コンクリート、内部充填モルタル及び廃棄物の固化材）として用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
放射性廃棄物処理施設の人工バリア材としてセメント系材料に要求される機能は、施工性、初期力学特性、核種閉じ込め性能及び長期耐久性である。
【０００９】
施工性とは、長期耐久性を有する構造体の施工時において、耐久性を阻害する要因となるひびわれや空隙等の各種欠陥の発生を予防できるような材料特性である。特に、セメントの流動性が最も重要な特性の一つであり、流動性が良ければ、密実な硬化体を打設することができるようになる。
【００１０】
初期力学性とは、施工後、数カ月後には廃棄物の貯蔵等が開始されるので、その時までに貯蔵等に伴う荷重を受け持つ強度等の力学特性が保障されていることを保障することである。これは比較的短期の強度や弾性係数発現性を指すものである。
【００１１】
核種閉じ込め性能とは、核種の移行に最も影響を及ぼすのは、地下水の処分施設への侵入であることから、これをできるだけ遅らせ、廃棄物との接触をできるだけ避ける、バリア材に要求される最も重要な機能である。基本的に物理的核種閉じ込め性能、特に止水性能は、低透水係数、低透気係数を有する材料を用いて、地下水の浸入を極力抑えることにより、核種の移行を抑止するものであり、また、低発熱型のセメントを用いて構造体に発生する温度に依るひびわれの防止を図ることや、低硬化収縮型のセメントを用いて硬化体の収縮に伴なうひびわれの発生を防止することも含まれる。化学的核種閉じ込め性能、特に吸着性能は、セメント固化体が強アルカリ性（ｐＨ＝１２程度）であることに起因されると考えられるイオン吸着性能により、核種の移行を抑止するものである。
また、セメントの主たる水和反応はＣ3 Ｓ及びＣ2 Ｓの水和であり、これにより生成するＣ−Ｓ−Ｈが硬化体の緻密化に寄与している。しかし、この水和反応に伴い生成するＣａ（ＯＨ）2 は遷移帯生成の一因となって、硬化体の緻密化の阻害要因となることもある。
【００１２】
長期耐久性に関しては、第１期埋設処分事業では、セメント系材料は第１段階終了後、透水係数は１０-3ｃｍ／ｓ（砂程度）まで劣化するものとして、第２段階以降の止水性能は考慮されておらず、第２段階以降は、天然バリア（ベントナイト混合土）のみで地下水の浸入を抑制している。
これは、従来のセメント系材料は、全て早強性に指向しており、その耐久性は数十年のオーダーで設計実施されているからである。
【００１３】
従って、耐久性が数百年以上のオーダーを有する材料が得られれば、第２段階以後も人工バリア材が止水性能を持つことが保障でき、相対的に天然バリアへ要求される止水性能が緩まり、掘削量の低減等の観点等から、設計の合理化が図れ、低レベル放射性廃棄物のみならず、更に放射能レベルのより高い、中高レベル放射性廃棄物、ＴＲＵ放射性廃棄物の処分施設の設計を行うにあたり、立地サイトの選定や構造設計、経済性の観点からみて自由度が広がる。
【００１４】
また、病院等の施設から排出される汚染物は、そのまま地中に埋設されているのが現状であり、環境学的な問題が生じている。
【００１５】
よって、請求項１〜２記載の発明の目的は、耐力、止水性能及び化学的安定性等の超長期耐久性に優れたセメント組成物及び該セメント組成物に使用するセメントクリンカーを提供するにある。
【００１６】
また請求項１〜４に記載の発明の目的は、前記セメント組成物を使用して廃棄物を超長期に封じ込めることができる耐力、止水性能及び化学的安定性等の超長期耐久性に優れた多層構造型遮蔽体を提供するにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、セメント組成物の水和反応が急激に進行すると、早期強度には優れるが、生成した水和組織が緻密ではなく、長期材令における細孔量の減少も少なくなり、長期耐久性には劣ってしまうため、水和反応を緩慢かつ継続的に進行させることにより、緻密な水和物組織を超長期に渡り形成し、これによりセメント組成物に超長期耐久性が付与されることを見い出し、本発明に到達した。
【００１８】
請求項１〜２に記載のセメントクリンカーは、セメントクリンカー中のAl2O3 とFe2O3 がAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ；Iron Modulus）で０．０５〜０．６２であり、またビーライト含有量が６０〜９０重量％であることを特徴とする。
【００１９】
請求項１〜２に記載のセメント組成物は、上記セメントクリンカーを含有することを特徴とする。
【００２０】
請求項１に記載の多層構造型遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも４層以上から成る多層構造型遮蔽体であって、最外層以外の内層に上記セメント組成物を使用することを特徴とする。
【００２１】
請求項２に記載の多層構造遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも４層以上から成る多層構造型遮蔽体であって、最内層及び最外層以外の内層に上記セメント組成物を使用することを特徴とする。
【００２３】
請求項１又は２に記載の多層構造型遮蔽体は、最内層の外側に隣接する層から最外層の内側に隣接する層に向かって水和反応が早くなるようにすることを特徴とする。
【００２４】
請求項３に記載の多層構造型遮蔽体は、請求項１〜２に記載の多層構造型遮蔽体において、廃棄物に直接隣接する最内層が、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早くなるようにすることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に記載の多層構造型遮蔽体は、請求項１〜３に記載の多層構造型遮蔽体において、最外層には、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、フライアッシュセメント及び高炉セメントから成る群より選ばれるセメント組成物を使用することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の態様】
本発明のセメントクリンカーは、その組成成分であるAl2O3 、Fe2O3 がAl2O3 ／Fe2O3 （ＩＭ）で０．０５〜０．６２であり、またビーライト含有量が６０〜９０重量％のもので、本発明のセメント組成物は、前記セメントクリンカーを含有するものであり、水和反応遅延型のセメント組成物である。
【００２７】
このような組成とすることにより、セメント組成物の水和反応を緩慢かつ継続的に進行させることができ、緻密な水和組織を超長期に渡り形成して超長期耐久性をもたらすことを可能とする。
【００２８】
本発明のセメント組成物は、セメントクリンカー中のAl2O3 とFe2O3 がAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）で０．０５〜０．６２である。これにより、水和発熱量が少なく、ひびわれ発生などの初期欠陥を小さくすることが可能となり、更には、セメントの流量性に優れることから施工性が向上し、硬化体の緻密化に寄与することを可能とする。
【００２９】
また、本発明のセメント組成物は、セメントクリンカー中のビーライト含有量が６０〜９０重量％である。このようにビーライトを高含有量で含むことにより、早期強度発現を担っているエーライトの含有量を低くくし、中後期以降の強度発現を担っているビーライトの含有量を高くして、セメントの水和が緩慢かつ継続的に進行し、緻密な水和組織を生成することができることを可能にする。
更に、Al2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）が上記したように０．０５〜０．６２と低く、且つエーライト含有量も低いため、遷移帯が生じにくいという特性も有している。
【００３０】
ここで遷移帯とは、水酸化カルシウムやカルシウムアルミネート系のいわゆる外部水和物と称されるものが骨材界面に生成した脆弱層であり、硬化体中の水−セメント比が大きい場合や、セメント中のエーライトを多量に含む場合に比較的生長し易いものである。
【００３１】
しかしこのように、本発明のセメント組成物は、ビーライトを高含有含むセメントクリンカーを用いているため、セメントの水和反応に伴い生成する水酸化カルシウム量が少なく、緻密なＣ−Ｓ−Ｈを生成することから遷移帯を小さくすることができるのである。
更に、マスコンクリートにおけるような高温履歴を受けた場合でも、標準養生に比べた強度低下が少ない。
【００３２】
また、本発明のセメント組成物は、上記セメントクリンカーを含有するとともに、必要に応じて３．５重量％以下の石こう（ＳＯ3)を含有することができる。
【００３３】
本発明のセメント組成物中の上記セメントクリンカーの含有量は特に限定されないが、高含量となる程本発明の上記効果が顕著となり好ましい。
【００３４】
他の本発明は多層構造型遮蔽体であり、該遮蔽体は本発明のセメント組成物を使用して製造することができる。
【００３５】
当該多層構造型遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも２層以上から成り、好ましくは少なくとも４層以上から成り、最外層以外の内層に本発明のセメント組成物が使用される。
【００３６】
また他の多層構造型遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも３層以上から成り、好ましくは少なくとも４層以上から成り、最内層及び最外層以外の内層に本発明のセメント組成物が使用される。
ここで廃棄物には、廃棄物自体のみならず廃棄物含有処理容器をも含むものである。
【００３７】
前記多層構造遮蔽体は、その一例が図２に示されるように、数百年以上の貯蔵を必要とする廃棄物を核とし、その周囲を本発明のセメント組成物を用いて取り囲み、好ましくは多層構造で取り囲み、最外層には従来のセメント系材料を用いて構成される。
【００３８】
最外層に用いられる従来のセメント系材料としては、従来の全てのセメント組成物を用いることができ、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、フライアッシュセメトン及び高炉セメントから成る群より選ばれるセメント組成物がある。
【００３９】
最外層に従来のセメント組成物を用いるのは、水和反応遅延型である本発明のセメント組成物は水和が十分に進行していない段階で、物理的、化学的作用を受けると、水和が停止し、所望する性能に到達することができないため、良好な養生環境を確保することが要されるからであり、地下水の侵入やクラックの発生等の外的要因を早期に防ぐことができるからである。従って最外層には早強性が発現される従来のセメント組成物が好適となり、これにより初期力学特性が確保できる。
【００４０】
廃棄物に直接隣接する最内層は、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早いセメント組成物を用いる。これは、廃棄物をある程度物理的に早期に保持する必要があるため、廃棄物に直接接触する構造材が、物理的作用にある程度耐性を有さなければならないからであり、廃棄物の特性に応じて最内層に用いるセメント組成物を設定することができる。
【００４１】
かかる最内層に用いるセメント組成物としては、従来の全てのセメント組成物や、含有する本発明のセメントクリンカー中のAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）やビーライト含有量を制御することにより得られた、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早い水和反応遅延型の本発明のセメント組成物がある。該従来の全てのセメント組成物には、上記最外層に用いられるセメント組成物が使用できる。
【００４２】
本発明の多層構造型遮蔽体は、最外層、又は最内層及び最外層以外の内層に、本発明の水和反応遅延型であるセメント組成物を用い、好ましくは多層構造で用いる。
かかる本発明の水和反応遅延型であるセメント組成物は、各層ごとに、セメント組成物中に含有される本発明のセメントクリンカー中のAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）やビーライト含量を変化させることにより水和反応の速度を制御することができ、所望する年代時に設計強度を発現させることができる。
【００４３】
各層毎の水和反応速度の序列は特に限定されず、例えば内側から外側に向って、または外側から内側に向って水和反応が遅くなるように、含有する本発明のセメントクリンカー中のAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）やビーライト含量が各々規定された本発明のセメント組成物を使用したり、更には層ごとの水和反応がランダムとなるように本発明のセメント組成物を用いてもよい。
【００４４】
好適には、前記最内層の外側に隣接する層から最外層の内側に隣接する層に向かって水和反応が早くなるように、本発明の水和反応遅延型であるセメント組成物を段階的に用いる。このことは、強度発現を外側から内側に向って順次発現させることとなり、地下水の侵入を防止する核種閉じ込め性能や長期耐久性を更に向上させる。
【００４５】
図２には、本発明の一態様として５層構造型のものが例示されており、具体的には最外層５は従来のセメント系コンクリートから成り、廃棄物に直接隣接する最内層９は、その内側に隣接する層８よりも水和反応が早く、即ち強度の発現が層８よりも早く発生し、かつ最外層５よりは水和反応が遅く、また最内層９の外側に隣接する層８から最外層５の内側に隣接する層６に向って水和反応が早くなるように本発明のセメント組成物を段階的に用いて多層構造型を構成する。
【００４６】
このように、本発明の多層構造型遮蔽体は、上記水和反応遅延型である本発明のセメント組成物を段階的に用いた多層構造とすることにより、セメントの強度の発現を段階的に制御でき、従って、廃棄物遮蔽体の構造材としての供用期間を段階的とすることができるため、数百年以上のオーダーで廃棄物を閉じ込めることができる。
【００４７】
好適には、本発明の多層構造型遮蔽体は、例えば放射性廃棄物や病院から排出された汚染物等の廃棄物を遮蔽するのに用いることができる。
【００４８】
【実施例】
本発明を次の実施例及び比較例により説明する。
実施例１〜８、比較例１〜１３
表１に示すように、セメントクリンカー原料を調合し、電気炉にて１４５０℃で１時間焼成後、該電気炉より取り出して空気中で急冷して、表１に示す組成のセメントクリンカーを得た。
得られた各セメントクリンカーに、石こう（ＳＯ3 ）を２重量％量となるように添加し、テストミルで混合粉砕することによって、各セメント組成物を得た。得られたセメント組成物の粉末度は、ブレーン比表面積で２９００〜３０００cm2 ／ｇである。
【００４９】
【表１】
【００５０】
〔試験例〕
試験例１
実施例１〜８及び比較例１〜１３で得られた各セメント組成物を用い、フロー試験、圧縮強さ試験、水和熱試験及びパットエリア試験を実施した。その結果を表２に示す。
【００５１】
フロー試験
ＪＩＳのＲ５２０１−１９９２に基づいて測定を行なった。
【００５２】
圧縮強さ試験
ＪＩＳ Ｒ ５２０１−１９９２に基づいて測定を行なった。
【００５３】
水和熱試験
ＪＩＳ Ｒ ５２０３−１９９５に基づいて測定を行なった。
【００５４】
パツトエリア試験
減水剤を含有した混練水７０mlを入れたビーカー２００mlの中へ約１０秒間でセメント組成物２００ｇを投入し、ハンドミキサーで１分５０秒間激しく攪拌してペーストを調製した。
【００５５】
このペーストを、プラスチック板上においたミニスランプコーンにスプーンで流し込み、マイクロスパッチュラでミニスランプコーン内のペーストをよくかき混ぜた後、上面をならし、セメント組成物投入開始から３分後にミニスランプコーンを引き上げた。
【００５６】
プラスチック板上に広がったペーストの短径及び長径を測定し、パットエリアを算出した。
【００５７】
試験例２
ペースト試料の調製
実施例１〜８及び比較例１〜１３で得られた各セメント組成物を用いて、水セメント比４０％で調製した各セメントペーストを、２０℃で所定材齢まで養生し、Ｄ−ｄｒｙにより水和停止した試料を用いて、未水和カルシウムシリケート量の定量を行なった。尚、水和停止の材齢は、１３週、１年とした。
【００５８】
未水和カルシウムシリケート量
未水和カルシウムシリケート量の定量は、Ｘ線回折法により行なった。
１）検量線の作成
実施例１〜８及び比較例１〜１３で得られた各セメント組成物を、上記各セメントペースト試料に対するカルシウムシリケート相の標準試料とし、マトリックスに炭酸カルシウムを用い、カルシウムシリケート相含有量の異なる検量線の作成用試料を調整した。これに内部標準試料としてＮａＣｌを５％添加し、Ｘ線回折を行い、検量線を作成した。
【００５９】
２）未水和カルシウムシリケート量の定量
前述の所定材齢における水和停止ペーストに、内部標準試料としてＮａＣＬを５％添加して、Ｘ線回折を行なった。１）で作成した検量線を用いて、水和停止ペースト中の未水和カルシウムシリケート量を定量した。
このようにして測定した水和停止ペースト中の未水和カルシウムシリケート量は、水和停止ペーストの強熱減量より求めた結合水量で補正し、絶乾ベースでの未水和カルシウムシリケート量として、その結果を表２に示す。
【００６０】
【表２】
【００６１】
【発明の効果】
請求項１〜２に記載のセメントクリンカー及びセメント組成物は、該セメントクリンカーを使用したセメント組成物中の水和反応が超長期に渡り緩慢かつ継続的に進むため、耐力、止水性能及び化学的安定性等の超長期耐久性に優れるとともに、長期に渡り順次強度を発現させることができ、更に、高温履歴を受けた場合でも標準養生に比べて強度低下を少なくすることができるとともに、経済的にも優れる。また、水和発熱量の低減が図れるためクラック等の初期欠陥が少なく、施工性にも優れ、更に緻密な水和組成を生成することができる。
【００６２】
請求項１〜２に記載の多層構造型遮蔽体は、本発明のセメント組成物を内部に用いているため、内部に設置される廃棄物を地下水等の外的要因から防止することができ、超長期に渡り封じ込めることができる。
【００６３】
請求項１〜２に記載の多層構造型遮蔽体は、上記効果に加えて、多層構造にして水和反応を段階的とすることで、強度の発現を長期に渡り内側に向って遅くして段階的とすることができ、より長期耐性を向上させることができる。
【００６４】
請求項３に記載の多層構造型遮蔽体は、上記効果に加えて、外的環境と接する部分に早強性を確保することにより、良好な養生環境を確保することができる。
【００６５】
請求項４に記載の多層構造型遮蔽体は、上記効果に加えて廃棄物に直接接触する周辺の物理的耐性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の放射性廃棄物処理施設を模式的に示す図である。
【図２】 本発明の多層構造型遮蔽体を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 廃棄物処理容器
２ 充填モルタル
３ コンクリート
４ ベントナイト
５ 最内層
６〜８ 内層
９ 最外層
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメント組成物、該セメント組成物に用いるセメントクリンカー及び該セメント組成物を使用した多層構造型遮蔽体に関し、特に、超長期耐久性に優れる水和反応遅延型であるセメント組成物、該セメント組成物に用いるセメントクリンカー及び、該水和反応遅延型であるセメント組成物を使用して超長期に渡り廃棄物を密閉遮蔽することができる長期耐久性を有する多層構造型遮蔽体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、原子発電所等の原子力関係施設、病院、各種研究施設等から排出される廃棄物を環境学的に安全に処分することが高く望まれており、特に放射性廃棄物は増大の傾向にあるため、該廃棄物に含まれる核種の放射性濃度及び半減期に応じて核種を長期に渡り環境学的に安全に封じ込める性能が要求されている。
【０００３】
一般的には、これらの放射性廃棄物は容量を減少させた後、ドラム缶やコンクリート缶等の放射性廃棄物処理容器に入れられ、次いで該処理容器に固化材料を充填して固化処理を行い、該廃棄物を封じ込め、固化処理した該廃棄物含有処理容器を地中埋設施設中に設置、保管することにより、放射性廃棄物を処分している。
【０００４】
上記固化処理に際して用いられる固化材料としては、セメント、アスファルト、プラスチック、セラミック等があり、安価で入手が容易であるセメントが最も広く使用されている。このようなセメント組成物としては、例えば特公平６−４６２３５号公報、特公平７−８２１１３号公報等に開示されているものがある。
【０００５】
かかる放射性廃棄物の処分に関する基本概念は、人工バリア及び天然バリアによる多重バリアによって核種の移行を抑制するというものであり、第１段階（約２０〜３０年の期間）は主に、人工バリアによって、核種の漏洩を防ぎ、第２段階（第１段階終了後、約３０〜３５年の期間）は、人工バリア及び天然バリア双方で核種の漏洩を防ぎ、第３段階（第２段階終了後、約３００年以上の期間）は、天然バリアで核種の漏洩を防ぐというものである。
【０００６】
従って、各バリア材には廃棄物に含まれる核種の放射性濃度及び半減期に応じた期間、核種閉じ込め機能の継続性能（当該機能の耐久性能）が要求される。
【０００７】
従来の地中の放射性廃棄物処理施設は、概略的に図１のように、廃棄物を固化材料で固化処理したドラム缶等の廃棄物処理容器１を、充填モルタル２で囲い、その周囲をコンクリート３で、更にその周囲をベントナイト４で囲っている構成となっており、特にセメント系材料は施設構成材料及び人工バリア（躯体コンクリート、内部充填モルタル及び廃棄物の固化材）として用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
放射性廃棄物処理施設の人工バリア材としてセメント系材料に要求される機能は、施工性、初期力学特性、核種閉じ込め性能及び長期耐久性である。
【０００９】
施工性とは、長期耐久性を有する構造体の施工時において、耐久性を阻害する要因となるひびわれや空隙等の各種欠陥の発生を予防できるような材料特性である。特に、セメントの流動性が最も重要な特性の一つであり、流動性が良ければ、密実な硬化体を打設することができるようになる。
【００１０】
初期力学性とは、施工後、数カ月後には廃棄物の貯蔵等が開始されるので、その時までに貯蔵等に伴う荷重を受け持つ強度等の力学特性が保障されていることを保障することである。これは比較的短期の強度や弾性係数発現性を指すものである。
【００１１】
核種閉じ込め性能とは、核種の移行に最も影響を及ぼすのは、地下水の処分施設への侵入であることから、これをできるだけ遅らせ、廃棄物との接触をできるだけ避ける、バリア材に要求される最も重要な機能である。基本的に物理的核種閉じ込め性能、特に止水性能は、低透水係数、低透気係数を有する材料を用いて、地下水の浸入を極力抑えることにより、核種の移行を抑止するものであり、また、低発熱型のセメントを用いて構造体に発生する温度に依るひびわれの防止を図ることや、低硬化収縮型のセメントを用いて硬化体の収縮に伴なうひびわれの発生を防止することも含まれる。化学的核種閉じ込め性能、特に吸着性能は、セメント固化体が強アルカリ性（ｐＨ＝１２程度）であることに起因されると考えられるイオン吸着性能により、核種の移行を抑止するものである。
また、セメントの主たる水和反応はＣ3 Ｓ及びＣ2 Ｓの水和であり、これにより生成するＣ−Ｓ−Ｈが硬化体の緻密化に寄与している。しかし、この水和反応に伴い生成するＣａ（ＯＨ）2 は遷移帯生成の一因となって、硬化体の緻密化の阻害要因となることもある。
【００１２】
長期耐久性に関しては、第１期埋設処分事業では、セメント系材料は第１段階終了後、透水係数は１０-3ｃｍ／ｓ（砂程度）まで劣化するものとして、第２段階以降の止水性能は考慮されておらず、第２段階以降は、天然バリア（ベントナイト混合土）のみで地下水の浸入を抑制している。
これは、従来のセメント系材料は、全て早強性に指向しており、その耐久性は数十年のオーダーで設計実施されているからである。
【００１３】
従って、耐久性が数百年以上のオーダーを有する材料が得られれば、第２段階以後も人工バリア材が止水性能を持つことが保障でき、相対的に天然バリアへ要求される止水性能が緩まり、掘削量の低減等の観点等から、設計の合理化が図れ、低レベル放射性廃棄物のみならず、更に放射能レベルのより高い、中高レベル放射性廃棄物、ＴＲＵ放射性廃棄物の処分施設の設計を行うにあたり、立地サイトの選定や構造設計、経済性の観点からみて自由度が広がる。
【００１４】
また、病院等の施設から排出される汚染物は、そのまま地中に埋設されているのが現状であり、環境学的な問題が生じている。
【００１５】
よって、請求項１〜２記載の発明の目的は、耐力、止水性能及び化学的安定性等の超長期耐久性に優れたセメント組成物及び該セメント組成物に使用するセメントクリンカーを提供するにある。
【００１６】
また請求項１〜４に記載の発明の目的は、前記セメント組成物を使用して廃棄物を超長期に封じ込めることができる耐力、止水性能及び化学的安定性等の超長期耐久性に優れた多層構造型遮蔽体を提供するにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、セメント組成物の水和反応が急激に進行すると、早期強度には優れるが、生成した水和組織が緻密ではなく、長期材令における細孔量の減少も少なくなり、長期耐久性には劣ってしまうため、水和反応を緩慢かつ継続的に進行させることにより、緻密な水和物組織を超長期に渡り形成し、これによりセメント組成物に超長期耐久性が付与されることを見い出し、本発明に到達した。
【００１８】
請求項１〜２に記載のセメントクリンカーは、セメントクリンカー中のAl2O3 とFe2O3 がAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ；Iron Modulus）で０．０５〜０．６２であり、またビーライト含有量が６０〜９０重量％であることを特徴とする。
【００１９】
請求項１〜２に記載のセメント組成物は、上記セメントクリンカーを含有することを特徴とする。
【００２０】
請求項１に記載の多層構造型遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも４層以上から成る多層構造型遮蔽体であって、最外層以外の内層に上記セメント組成物を使用することを特徴とする。
【００２１】
請求項２に記載の多層構造遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも４層以上から成る多層構造型遮蔽体であって、最内層及び最外層以外の内層に上記セメント組成物を使用することを特徴とする。
【００２３】
請求項１又は２に記載の多層構造型遮蔽体は、最内層の外側に隣接する層から最外層の内側に隣接する層に向かって水和反応が早くなるようにすることを特徴とする。
【００２４】
請求項３に記載の多層構造型遮蔽体は、請求項１〜２に記載の多層構造型遮蔽体において、廃棄物に直接隣接する最内層が、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早くなるようにすることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に記載の多層構造型遮蔽体は、請求項１〜３に記載の多層構造型遮蔽体において、最外層には、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、フライアッシュセメント及び高炉セメントから成る群より選ばれるセメント組成物を使用することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の態様】
本発明のセメントクリンカーは、その組成成分であるAl2O3 、Fe2O3 がAl2O3 ／Fe2O3 （ＩＭ）で０．０５〜０．６２であり、またビーライト含有量が６０〜９０重量％のもので、本発明のセメント組成物は、前記セメントクリンカーを含有するものであり、水和反応遅延型のセメント組成物である。
【００２７】
このような組成とすることにより、セメント組成物の水和反応を緩慢かつ継続的に進行させることができ、緻密な水和組織を超長期に渡り形成して超長期耐久性をもたらすことを可能とする。
【００２８】
本発明のセメント組成物は、セメントクリンカー中のAl2O3 とFe2O3 がAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）で０．０５〜０．６２である。これにより、水和発熱量が少なく、ひびわれ発生などの初期欠陥を小さくすることが可能となり、更には、セメントの流量性に優れることから施工性が向上し、硬化体の緻密化に寄与することを可能とする。
【００２９】
また、本発明のセメント組成物は、セメントクリンカー中のビーライト含有量が６０〜９０重量％である。このようにビーライトを高含有量で含むことにより、早期強度発現を担っているエーライトの含有量を低くくし、中後期以降の強度発現を担っているビーライトの含有量を高くして、セメントの水和が緩慢かつ継続的に進行し、緻密な水和組織を生成することができることを可能にする。
更に、Al2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）が上記したように０．０５〜０．６２と低く、且つエーライト含有量も低いため、遷移帯が生じにくいという特性も有している。
【００３０】
ここで遷移帯とは、水酸化カルシウムやカルシウムアルミネート系のいわゆる外部水和物と称されるものが骨材界面に生成した脆弱層であり、硬化体中の水−セメント比が大きい場合や、セメント中のエーライトを多量に含む場合に比較的生長し易いものである。
【００３１】
しかしこのように、本発明のセメント組成物は、ビーライトを高含有含むセメントクリンカーを用いているため、セメントの水和反応に伴い生成する水酸化カルシウム量が少なく、緻密なＣ−Ｓ−Ｈを生成することから遷移帯を小さくすることができるのである。
更に、マスコンクリートにおけるような高温履歴を受けた場合でも、標準養生に比べた強度低下が少ない。
【００３２】
また、本発明のセメント組成物は、上記セメントクリンカーを含有するとともに、必要に応じて３．５重量％以下の石こう（ＳＯ3)を含有することができる。
【００３３】
本発明のセメント組成物中の上記セメントクリンカーの含有量は特に限定されないが、高含量となる程本発明の上記効果が顕著となり好ましい。
【００３４】
他の本発明は多層構造型遮蔽体であり、該遮蔽体は本発明のセメント組成物を使用して製造することができる。
【００３５】
当該多層構造型遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも２層以上から成り、好ましくは少なくとも４層以上から成り、最外層以外の内層に本発明のセメント組成物が使用される。
【００３６】
また他の多層構造型遮蔽体は、廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも３層以上から成り、好ましくは少なくとも４層以上から成り、最内層及び最外層以外の内層に本発明のセメント組成物が使用される。
ここで廃棄物には、廃棄物自体のみならず廃棄物含有処理容器をも含むものである。
【００３７】
前記多層構造遮蔽体は、その一例が図２に示されるように、数百年以上の貯蔵を必要とする廃棄物を核とし、その周囲を本発明のセメント組成物を用いて取り囲み、好ましくは多層構造で取り囲み、最外層には従来のセメント系材料を用いて構成される。
【００３８】
最外層に用いられる従来のセメント系材料としては、従来の全てのセメント組成物を用いることができ、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、フライアッシュセメトン及び高炉セメントから成る群より選ばれるセメント組成物がある。
【００３９】
最外層に従来のセメント組成物を用いるのは、水和反応遅延型である本発明のセメント組成物は水和が十分に進行していない段階で、物理的、化学的作用を受けると、水和が停止し、所望する性能に到達することができないため、良好な養生環境を確保することが要されるからであり、地下水の侵入やクラックの発生等の外的要因を早期に防ぐことができるからである。従って最外層には早強性が発現される従来のセメント組成物が好適となり、これにより初期力学特性が確保できる。
【００４０】
廃棄物に直接隣接する最内層は、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早いセメント組成物を用いる。これは、廃棄物をある程度物理的に早期に保持する必要があるため、廃棄物に直接接触する構造材が、物理的作用にある程度耐性を有さなければならないからであり、廃棄物の特性に応じて最内層に用いるセメント組成物を設定することができる。
【００４１】
かかる最内層に用いるセメント組成物としては、従来の全てのセメント組成物や、含有する本発明のセメントクリンカー中のAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）やビーライト含有量を制御することにより得られた、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早い水和反応遅延型の本発明のセメント組成物がある。該従来の全てのセメント組成物には、上記最外層に用いられるセメント組成物が使用できる。
【００４２】
本発明の多層構造型遮蔽体は、最外層、又は最内層及び最外層以外の内層に、本発明の水和反応遅延型であるセメント組成物を用い、好ましくは多層構造で用いる。
かかる本発明の水和反応遅延型であるセメント組成物は、各層ごとに、セメント組成物中に含有される本発明のセメントクリンカー中のAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）やビーライト含量を変化させることにより水和反応の速度を制御することができ、所望する年代時に設計強度を発現させることができる。
【００４３】
各層毎の水和反応速度の序列は特に限定されず、例えば内側から外側に向って、または外側から内側に向って水和反応が遅くなるように、含有する本発明のセメントクリンカー中のAl2O3 ／Fe2O3 比（ＩＭ）やビーライト含量が各々規定された本発明のセメント組成物を使用したり、更には層ごとの水和反応がランダムとなるように本発明のセメント組成物を用いてもよい。
【００４４】
好適には、前記最内層の外側に隣接する層から最外層の内側に隣接する層に向かって水和反応が早くなるように、本発明の水和反応遅延型であるセメント組成物を段階的に用いる。このことは、強度発現を外側から内側に向って順次発現させることとなり、地下水の侵入を防止する核種閉じ込め性能や長期耐久性を更に向上させる。
【００４５】
図２には、本発明の一態様として５層構造型のものが例示されており、具体的には最外層５は従来のセメント系コンクリートから成り、廃棄物に直接隣接する最内層９は、その内側に隣接する層８よりも水和反応が早く、即ち強度の発現が層８よりも早く発生し、かつ最外層５よりは水和反応が遅く、また最内層９の外側に隣接する層８から最外層５の内側に隣接する層６に向って水和反応が早くなるように本発明のセメント組成物を段階的に用いて多層構造型を構成する。
【００４６】
このように、本発明の多層構造型遮蔽体は、上記水和反応遅延型である本発明のセメント組成物を段階的に用いた多層構造とすることにより、セメントの強度の発現を段階的に制御でき、従って、廃棄物遮蔽体の構造材としての供用期間を段階的とすることができるため、数百年以上のオーダーで廃棄物を閉じ込めることができる。
【００４７】
好適には、本発明の多層構造型遮蔽体は、例えば放射性廃棄物や病院から排出された汚染物等の廃棄物を遮蔽するのに用いることができる。
【００４８】
【実施例】
本発明を次の実施例及び比較例により説明する。
実施例１〜８、比較例１〜１３
表１に示すように、セメントクリンカー原料を調合し、電気炉にて１４５０℃で１時間焼成後、該電気炉より取り出して空気中で急冷して、表１に示す組成のセメントクリンカーを得た。
得られた各セメントクリンカーに、石こう（ＳＯ3 ）を２重量％量となるように添加し、テストミルで混合粉砕することによって、各セメント組成物を得た。得られたセメント組成物の粉末度は、ブレーン比表面積で２９００〜３０００cm2 ／ｇである。
【００４９】
【表１】
〔試験例〕
試験例１
実施例１〜８及び比較例１〜１３で得られた各セメント組成物を用い、フロー試験、圧縮強さ試験、水和熱試験及びパットエリア試験を実施した。その結果を表２に示す。
【００５１】
フロー試験
ＪＩＳのＲ５２０１−１９９２に基づいて測定を行なった。
【００５２】
圧縮強さ試験
ＪＩＳ Ｒ ５２０１−１９９２に基づいて測定を行なった。
【００５３】
水和熱試験
ＪＩＳ Ｒ ５２０３−１９９５に基づいて測定を行なった。
【００５４】
パツトエリア試験
減水剤を含有した混練水７０mlを入れたビーカー２００mlの中へ約１０秒間でセメント組成物２００ｇを投入し、ハンドミキサーで１分５０秒間激しく攪拌してペーストを調製した。
【００５５】
このペーストを、プラスチック板上においたミニスランプコーンにスプーンで流し込み、マイクロスパッチュラでミニスランプコーン内のペーストをよくかき混ぜた後、上面をならし、セメント組成物投入開始から３分後にミニスランプコーンを引き上げた。
【００５６】
プラスチック板上に広がったペーストの短径及び長径を測定し、パットエリアを算出した。
【００５７】
試験例２
ペースト試料の調製
実施例１〜８及び比較例１〜１３で得られた各セメント組成物を用いて、水セメント比４０％で調製した各セメントペーストを、２０℃で所定材齢まで養生し、Ｄ−ｄｒｙにより水和停止した試料を用いて、未水和カルシウムシリケート量の定量を行なった。尚、水和停止の材齢は、１３週、１年とした。
【００５８】
未水和カルシウムシリケート量
未水和カルシウムシリケート量の定量は、Ｘ線回折法により行なった。
１）検量線の作成
実施例１〜８及び比較例１〜１３で得られた各セメント組成物を、上記各セメントペースト試料に対するカルシウムシリケート相の標準試料とし、マトリックスに炭酸カルシウムを用い、カルシウムシリケート相含有量の異なる検量線の作成用試料を調整した。これに内部標準試料としてＮａＣｌを５％添加し、Ｘ線回折を行い、検量線を作成した。
【００５９】
２）未水和カルシウムシリケート量の定量
前述の所定材齢における水和停止ペーストに、内部標準試料としてＮａＣＬを５％添加して、Ｘ線回折を行なった。１）で作成した検量線を用いて、水和停止ペースト中の未水和カルシウムシリケート量を定量した。
このようにして測定した水和停止ペースト中の未水和カルシウムシリケート量は、水和停止ペーストの強熱減量より求めた結合水量で補正し、絶乾ベースでの未水和カルシウムシリケート量として、その結果を表２に示す。
【００６０】
【表２】
【発明の効果】
請求項１〜２に記載のセメントクリンカー及びセメント組成物は、該セメントクリンカーを使用したセメント組成物中の水和反応が超長期に渡り緩慢かつ継続的に進むため、耐力、止水性能及び化学的安定性等の超長期耐久性に優れるとともに、長期に渡り順次強度を発現させることができ、更に、高温履歴を受けた場合でも標準養生に比べて強度低下を少なくすることができるとともに、経済的にも優れる。また、水和発熱量の低減が図れるためクラック等の初期欠陥が少なく、施工性にも優れ、更に緻密な水和組成を生成することができる。
【００６２】
請求項１〜２に記載の多層構造型遮蔽体は、本発明のセメント組成物を内部に用いているため、内部に設置される廃棄物を地下水等の外的要因から防止することができ、超長期に渡り封じ込めることができる。
【００６３】
請求項１〜２に記載の多層構造型遮蔽体は、上記効果に加えて、多層構造にして水和反応を段階的とすることで、強度の発現を長期に渡り内側に向って遅くして段階的とすることができ、より長期耐性を向上させることができる。
【００６４】
請求項３に記載の多層構造型遮蔽体は、上記効果に加えて、外的環境と接する部分に早強性を確保することにより、良好な養生環境を確保することができる。
【００６５】
請求項４に記載の多層構造型遮蔽体は、上記効果に加えて廃棄物に直接接触する周辺の物理的耐性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の放射性廃棄物処理施設を模式的に示す図である。
【図２】 本発明の多層構造型遮蔽体を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 廃棄物処理容器
２ 充填モルタル
３ コンクリート
４ ベントナイト
５ 最内層
６〜８ 内層
９ 最外層
Claims (4)
- 廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも４層以上から成る多層構造型遮蔽体であって、
最外層以外の内層に、セメントクリンカー中のAl2O3とFe2O3がAl2O3／Fe2O3比（ＩＭ）で０．０５〜０．６２であり且つビーライト含有量が６０〜９０重量％であるセメントクリンカーを含有するセメント組成物を使用してなり、
最内層の外側に隣接する層から最外層の内側に隣接する層に向かって水和反応が早くなるようにすることを特徴とする多層構造型遮蔽体。 - 廃棄物が内部に設置され、その周囲が少なくとも４層以上から成る多層構造型遮蔽体であって、
最内層及び最外層以外の内層に、セメントクリンカー中のAl2O3とFe2O3がAl2O3／Fe2O3比（ＩＭ）で０．０５〜０．６２であり且つビーライト含有量が６０〜９０重量％であるセメントクリンカーを含有するセメント組成物を使用してなり、
最内層の外側に隣接する層から最外層の内側に隣接する層に向かって水和反応が早くなるようにすることを特徴とする多層構造型遮蔽体。 - 廃棄物に直接隣接する最内層は、最内層の外側に隣接する層よりも水和反応が早くなるようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の多層構造型遮蔽体。
- 最外層には、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、フライアッシュセメント及び高炉セメントから成る群より選ばれるセメント組成物を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多層構造型遮蔽体。
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