JP4552136B2 - 粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粘土系難透水材料による大型ブロックの製造方法、特に、産業廃棄物や放射性廃棄物の遮水工に用いる大型ブロックを、所定の含水比を有する粘土スラリーを用い、粘土系難透水材料の小型ブロックを接合して製造する大型ブロックの製造方法に関するものである。

従来、産業廃棄物や放射性廃棄物を地中に埋設して処分する場合において、地下水に毒性物質を漏出させない遮水工に、ベントナイト或いはベントナイトと骨材を混練した高密度な粘土系材料から成る遮水材が使われている。遮水材としては、難透水性が求められており、特に、放射性廃棄物の埋設処分施設では、透水係数が１Ｅ-１３ｍ／秒程度の難透水性を要求される。そのため、高性能な粘土（例えば、ベントナイトを乾燥密度で１６００ｋｇ／ｍ³以上にプレス加工したもの）で取り囲んで埋設することが現実的である。

高レベル放射性廃棄物の地層処分施設において、水平坑道に放射性廃棄物の廃棄体を埋設処分する際には、扇形形状のブロックを使用している。例えば、直径２ｍ程度の水平坑道に埋設する廃棄体は、直径約０．８ｍ、長さ約１．７ｍの円筒状である。このような円筒状の廃棄体の周囲に、扇形形状の粘土ブロックを定置充填することになる。このような形状の廃棄体、粘土ブロックは、非特許文献１に記載されている。

遮水材に使用するブロックは、小型ブロックでは小さいエネルギーでプレス成形できるため、その製造装置をコンパクトにすることができる。ところが、作製した小型ブロックを、埋設処分を行う施設に定置する作業では、小型ブロックの個数に比例した時間を要するため、大型ブロックを使用する方が効率的である。

原子力発電環境整備機構著、「高レベル放射性廃棄物地層処分の技術と安全性−「処分の概要」の説明資料−」、２００４年５月

しかしながら、大型ブロックをプレス成形するためには、膨大なプレス力が必要であるため、大型の製造装置が必要となる。また、大型ブロックは自重だけでも材料強度に比して大きくなるため、衝撃を与えない積載、搬送及び定置方法が必要となり、大型ブロックを埋設処分施設に運搬して定置するのは、運搬性及び作業性が劣るという問題点があった。

本発明は、以上のような従来の課題を解決するためになされたものであって、小型ブロックから容易に大型ブロックを作製することができる、粘土系難透水材料の小型ブロックを、接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法は、粘土系難透水材料の小型ブロックを、接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法であって、含水比が４００％〜８００％となるように粘土と水とを混合して得られる粘土スラリーを前記接合材として適用し、互いに接合する前記小型ブロックの接合面の少なくともいずれかに前記接合材を塗布し、互いに接合する前記小型ブロックを接合面で接着して押圧し、前記小型ブロックを押圧した状態で所定時間保持することにより大型ブロックとすることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法は、上述した方法において、前記粘土スラリーの含水比は、６００％〜８００％の範囲であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法は、上述した方法において、枠体と、前記枠体に設置した押圧板と、前記押圧板に対向する位置に設けた加圧部とを備えた押し付け装置を適用し、前記押圧板と前記加圧部との間に接合面で接着した小型ブロックを配置し、前記加圧部を駆動することによってこれら小型ブロックを押圧することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法にあっては、小型ブロックの接合を、シート状パレット上で行うことを特徴とする。

本発明の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法によれば、大型ブロックを作製する大型の製造装置を必要とせずに、搬送定置の際の強度が十分な大型ブロックを容易に作製することができる。

以下に、本発明にかかる粘土系難透水材料の小型ブロックを接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１により、小型ブロックを接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法を説明する模式図である。実施の形態１では、ブロックとして、扇形ブロックを使用する場合について説明する。図１において、扇形形状の小型薄肉成形ブロック１（以下、単に扇形ブロック１とする）を用意する。扇形ブロック１（図１中、（１）で示す）としては、高性能な粘土、例えばベントナイトを用い、厚さ数ｃｍ程度のブロックを使用できる。タイル成形技術の産業界では、タイルを大量高速生産する技術が確立しており、このような従来のタイル成形技術により、扇形ブロック１を作製することができる。

扇形ブロック１の上面全体に、ハケ２で接合材３を塗り付ける（図１中、（２）で示す）。接合材３としては、後述するように、含水比を４００％〜１０００％の範囲とした粘土スラリーが好適に使用できる。さらに好適には、含水比を４００％〜８００％の範囲とした粘土スラリーが使用できる。接合材３は、扇形ブロック１の上面に塗り付ける方法でも良いし、扇形ブロック１，４の接合面中央部に滴下し、扇形ブロック１に向けて扇形ブロック４を上から押し付けて、接合材３を扇形ブロック１，４の接合面全体に均一に広げることも可能である（図１中、（３）で示す）。このような操作を繰り返すことによって、扇形ブロック１上に扇形ブロック４を接合し（図１中、（４）で示す）、さらにその上に扇形ブロック５を接合することにより（図１中、（５）で示す）、厚みのある大型の扇形ブロック６を作製することができる。

ここで、接合材３としては、粘土としてベントナイトを使用し、含水比を４００％〜１０００％の範囲で粘土と水を混合した粘土スラリーを好適に使用できる。このような接合材３を使用することにより、例えば、無垢のベントナイトに対して、１／３〜１／２程度の強度が得られる。従って、大型ブロックとして積載、搬送、定置する際に、十分に耐え得る強度を有する大型ブロックを作製することができる。また、粘土スラリーを接合材として使用するので、小型ブロック間に異物が生じない。その結果、ブロック相互の間隙に水みちの発生しにくい高性能な遮水性大型ブロックを作製できる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２により、小型ブロックを接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法を説明する模式図である。実施の形態２では、立方体或いは直方体形状の大型粘土ブロックを、小型ブロックの接合によって作製する場合について説明する。図２において、立方体形状の小型粘土ブロック７（以下、単に小型ブロックとする）を用意する。この小型ブロック７の側面に、実施の形態１で説明した接合材３として粘土スラリーをハケ（図示しない）で塗り付ける。或いは、上述したように、小型ブロック７の側面中央部に接合材３を適量塗り、小型ブロック８を押し付けて小型ブロック１，８の接合面全体に均一に広げてもよい（図２中、（１）で示す）。

次に、小型ブロック７の他の側面に接合材３を塗りつけ、小型ブロック９を押し付けて小型ブロック７と小型ブロック９とを接合する（図２中、（２）で示す）。さらに、小型ブロック８と小型ブロック９とで囲まれるこれらのブロックの両側面に、接合材３を塗りつけ、小型ブロック１０を接合させる（図２中、（３）で示す）。こうして、小型ブロック７〜１０を４個接合することができる。

次に、小型ブロック７の上面に接合材３を塗りつけ、小型ブロック１１を接合する（図２中、（４）で示す）。接合した小型ブロック１１の側面及び小型ブロック８の上面に接合材３を塗り付け、小型ブロック１２を接合する（図２中、（５）で示す）。次に、小型ブロック９の上面及び小型ブロック１１の側面に接合材３を塗り付け、小型ブロック１３を接合する（図２中、（６）で示す）。さらに、小型ブロック１０の上面及び小型ブロック１２，１４の側面に接合材３を塗り付け、小型ブロック１４を接合する（図２中、（７）で示す）。こうして、小型ブロック７〜１４が接合された大型ブロック１５が作製される（図２中、（８）で示す）。

小型ブロック７等を接合する場合、小型ブロック７等の接合面に接合材３を塗り付けた後、所定の押圧力で押し付ける必要がある。接合材３による粘着力は、数時間から数日で発揮する。図３−１〜図３−４は、小型ブロックの接合に使用する押し付け装置を示す概略斜視図である。図３−１〜図３−４において、押し付け装置２０は、矩形の枠体２１を備え、枠体２１には、ピストンなどの加圧部２２が接続されており、加圧部２２の先端には、小型ブロックを押圧する押圧板２３が設けられている。なお、加圧部２２の駆動機構は、図示を省略する。

押し付け装置２０は、加圧部２２を駆動することにより、押圧力を押圧板２３を介して小型ブロックに伝達し、小型ブロックを所定の圧力で所定時間、例えば数時間から数日間、押圧して締め付ける。これにより、小型ブロックが互いに接合する。図３−１〜図３−４は、図２に示す（３）、（４）、（７）、（８）の状態にそれぞれ対応しており、押し付け装置２０内で小型ブロック７〜１４を順次接合し、大型ブロック１５が作製された段階で（図３−４）、押圧力を加えて締め付けを行う。

なお、上述では、小型ブロックを４個及び８個接合した場合について説明したが、小型ブロックの側面に接合材を塗り付けて接合する操作を繰り返すことにより、小型ブロックを４個（２行２列１段）、８個（２行２列２段）だけでなく、１２個（３行２列２段）、９個（３行３列１段）、１８個（３行３列２段）、２７個（３行３列３段）など、定置する場所や必要に応じて、種々の大きさや形状の大型ブロックを作製することができる。

また、押し付け装置２０は、小型ブロックを縦横方向（ｘｙ軸方向）に押圧する場合を説明したが、さらに、上方向（ｚ軸方向）にも枠体及び加圧部を追加することによって、ｚ軸方向の締め付けを行うことも可能である。これにより、より強固に接合した大型ブロックを作製することができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３により、小型ブロックを接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法を説明する模式図である。実施の形態３では、シート状パレットを使用して、立方体或いは直方体形状の大型粘土ブロックを、小型ブロックの接合によって作製する場合について説明する。図４において、シート状パレット３０を予めセットしておき、その上で小型ブロックの接合作業を行う。すなわち、シート状パレット３０上に、実施の形態１で説明した小型ブロック７を用意する。

この小型ブロック７の側面に、実施の形態１で説明した接合材３として粘土スラリーをハケ（図示しない）で塗り付ける。或いは、上述したように、小型ブロック７の側面中央部に接合材３を適量塗り、小型ブロック８を押し付けて小型ブロック１，８の接合面全体に均一に広げてもよい（図４中、（１）で示す）。以下、実施の形態２と同様にして小型ブロック７〜１４を順次接合することによって、大型ブロック１５が作製される（図４中、（２）〜（８）で示す）。

（参考例）
次に、参考例にかかる大型ブロックの定置方法について説明する。実施の形態３のようにして作製された大型ブロック１５は、シート状パレット３０上に載せたままで、プッシュプル方式のフォークリフトのように積載、搬送、定置機能を有する運搬車に積載する。

図５は、大型ブロックを搬送する運搬車を示す概略側面図である。図５において、運搬装置、例えば運搬車４０は、フォークリフト４１に摺動可能に設けられた支持版４２に大型ブロック１５を搭載して運搬することができる。また、支持板４２の先端近傍には、シート状パレット３０の把持部３１を引っ張る引き手チャック４３を備えている。大型ブロック１５に接する運搬車４０の前面には、押板４４が設けられている。

図６−１〜図６−４は、シート状パレット上で作製した大型ブロックを運搬、定置する状態を示す模式図である。なお、図６−１〜図６−４では、図５に示した運搬車４０の支持板４２及び押板４４を、概略的に図示している。まず、大型ブロック１５をシート状パレット３０に載置した状態で、大型ブロック１５を運搬車４０の支持板４２上に搭載する。このとき、支持板４２をシート状パレット３０の下部に挿入し、シート状パレット３０の把持部３１を引き手チャック４３で引っ張ると同時に、押板４４を手元側に引き寄せる（図５、図６−１参照）。この操作により、大型ブロック１５をシート状パレット３０と共に一体として支持板４２上に搭載されるので、大型ブロック１５の破損を最小にすることができる。

次に、図６−２に示すように、運搬車４０の支持板４２上に大型ブロック１５及びシート状パレット３０を積載した状態で、大型ブロック１５の定置位置に搬送する。大型ブロック１５を他の大型ブロック１６上に積載する場合（図６−３参照）、運搬車４０の支持板４２を定置させたい大型ブロック１６上に密着させる。次に、押板４４で大型ブロック１５を押さえながら、非常に薄い支持板４２のみを引き抜く（図６−４参照）。このとき、引き手チャック４３は停止するように伸長させておく。大型ブロック１５は、非常に薄い支持板４２のみから下ろされるので、損傷を受けることがない。

次いで、大型ブロック１５の底部から衝撃を受けないようにして、引き手チャック４３でシート状パレット３０を引き抜く。シート状パレット３０は非常に薄いので、大型ブロック１５は、シート状パレット３０によって底部を損傷されることなく大型ブロック１６上に定置されることになる。こうして、大型ブロックの角等の破損を防止して、作製した大型ブロックを埋設処分施設で効率的に定置することができる。

なお、上述では、運搬車４０を用いた場合について説明したが、シート状パレットを引っ張る機能と、底部支持板の機能と、押板の機能とを有する搬送装置であれば、特に限定することなく種々の搬送装置を使用することができる。また、大型ブロックの強度や定置条件によっては、支持板４２及びシート状パレット３０を同時に引き抜いても良い。さらに、本発明においては、大型ブロックを施設に定置するので、小型ブロックを施設に定置する場合に比べて、作業を効率的に行うことができる。

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに具体的に説明する。本発明による小型ブロックの接合に使用する接合材を用いて、曲げ強度試験及び接合強度試験を行った。試料として、ベントナイトを圧縮プレスし四角柱の接合供試体ブロックを作製した。粘土としてベントナイトを使用し、含水比を種々に変更した粘土スラリーを接合材とし、接合供試体ブロックを接合した。すなわち、２個の接合供試体ブロックの接合面に粘土スラリーを塗り付けて接合供試体ブロックを接着した。接着後、最初の数分間のみ締め付け力を与え、８日間経過するまでの期間は、締め付け力をゼロとした。

図７−１〜図７−３は、接合供試体ブロックに曲げ破壊試験装置で圧力を加える状態を示す模式図である。図７−１に示すように、接合材３によって接着した接合供試体ブロック５０及び接合供試体ブロック５１は、曲げ破壊試験装置の支持部５２でその端部近傍を支持した。接合供試体ブロック５０及び接合供試体ブロック５１の接着部分を、上方から加圧部材５３で加圧した。加圧部材５３により加える圧力を徐々に増大させ、接合供試体ブロック５０及び接合供試体ブロック５１が破壊する時の圧力から、最大たわみ量（図７−２参照）及び曲げ強度（図７−３参照）を測定した。測定した結果を表１に示す。また、接合材の含水比と曲げ強度との関係を図８に示す。なお、図８中、直線Ａは、ベントナイト無垢材の曲げ強度を示している。

表１及び図８から明らかなように、ベントナイトに水を混合した粘土スラリーを接合材として使用することにより、十分な接合強度が得られた。含水比が４００％〜８００％（重量）の範囲で、無垢材料（試料６）の１／３〜１／２相当の接合強度が得られた。含水比が４００％〜１０００％（重量）の範囲でも、良好な結果が得られる。

次に、接合供試体ブロックを接合材で接着し、１日経過した接合供試体ブロックと、８日経過した接合供試体ブロックの曲げ強度を、無垢材料の接合供試体ブロックと比較し、結果を表２にまとめた。

表２から明らかなように、１日経過した接合供試体ブロックで、継ぎ目のない無垢材料の接合供試体ブロックの約１／３の曲げ強度を呈しており、十分な接合強度を発現していることがわかった。

なお、一度接着接合した材料は、乾燥収縮で接合強度を増進することが推定できる。従って、締め付け力に必要な条件は、乾燥収縮に伴う体積変化に追随して押し付け力を与え、ブロック間の分離を防止することにある。すなわち、小型ブロックのプレス成型時に必要な圧力が３〜２０ＭＰａであるのに対して、締め付け力はその１／１０以下（収縮時にブロック相互が離れない程度の締め付け力）で十分であるから、機械式のジャッキでも良いし、空気枕構造の加圧方法でも十分である。また、上下方向の締め付け力は、小型ブロック自体の重量があるので無くても良い。

以上のように、本発明にかかる粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法は、搬送定置の際の強度が十分な大型ブロックを容易に作製することができ、大型ブロックの角等の破損を防止して、作製した大型ブロックを埋設処分施設で効率的に定置することができるので、一般廃棄物を地中に埋設処分する施設の遮水材に有用であり、特に、放射性廃棄物を地中に埋設処分する施設の遮水材に適している。

本発明の実施の形態１により、小型ブロックを接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法を説明する模式図である。 本発明の実施の形態２により、小型ブロックを接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法を説明する模式図である。 小型ブロックの接合に使用する押し付け装置を示す概略斜視図である。 小型ブロックの接合に使用する押し付け装置を示す概略斜視図である。 小型ブロックの接合に使用する押し付け装置を示す概略斜視図である。 小型ブロックの接合に使用する押し付け装置を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態３により、小型ブロックを接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法を説明する模式図である。 大型ブロックを搬送する運搬車を示す概略側面図である。 シート状パレット上で作製した大型ブロックを運搬、定置する状態を示す模式図である。 シート状パレット上で作製した大型ブロックを運搬、定置する状態を示す模式図である。 シート状パレット上で作製した大型ブロックを運搬、定置する状態を示す模式図である。 シート状パレット上で作製した大型ブロックを運搬、定置する状態を示す模式図である。 接合供試体ブロックに曲げ破壊試験装置で圧力を加える状態を示す模式図である。 接合供試体ブロックに曲げ破壊試験装置で圧力を加える状態を示す模式図である。 接合供試体ブロックに曲げ破壊試験装置で圧力を加える状態を示す模式図である。 実施例における接合材の含水比と曲げ強度との関係を示す線図である。

符号の説明

１，４，５ 扇形ブロック
２ ハケ
３ 接合材
６ 大型の扇形ブロック
７〜１４ 小型ブロック
１５ 大型ブロック
２０ 押し付け装置
２１ 枠体
２２ 加圧部
２３ 押圧板
３０ シート状パレット
３１ 把持部
４０ 運搬車
４１ フォークリフト
４２ 支持版
４３ 引き手チャック
４４ 押板
５０，５１ 接合供試体ブロック
５２ 支持部
５３ 加圧部材

Claims (4)

1. 粘土系難透水材料の小型ブロックを、接合材を用いて接合する大型ブロックの製造方法であって、
   含水比が４００％〜８００％となるように粘土と水とを混合して得られる粘土スラリーを前記接合材として適用し、
   互いに接合する前記小型ブロックの接合面の少なくともいずれかに前記接合材を塗布し、
   互いに接合する前記小型ブロックを接合面で接着して押圧し、
   前記小型ブロックを押圧した状態で所定時間保持することにより大型ブロックとすることを特徴とする粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法。
2. 前記粘土スラリーの含水比は、６００％〜８００％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法。
3. 枠体と、前記枠体に設置した押圧板と、前記押圧板に対向する位置に設けた加圧部とを備えた押し付け装置を適用し、前記押圧板と前記加圧部との間に接合面で接着した小型ブロックを配置し、前記加圧部を駆動することによってこれら小型ブロックを押圧することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法。
4. 前記小型ブロックの接合を、シート状パレット上で行うことを特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載の粘土系難透水材料大型ブロックの製造方法。

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