粒状ベントナイトの膨潤圧・吸水特性に及ぼす最大粒径の影響～最大粒

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D - 04
第 47 回地盤工学研究発表会
（八戸）　2012 年 7 月
粒状ベントナイトの膨潤圧・吸水特性に及ぼす最大粒径の影響
～最大粒径 2mm と粉砕試料の比較～
ベントナイト吸水特性膨潤
茨城大学大学院学生会員 ○小山田拓郎
茨城大学国際会員小峯秀雄村上哲
戸田建設正会員関口高志関根一郎
1. はじめに
地層処分および余裕深度処分におけるベントナイト系緩衝材には，現場施工する場合
の材料として粒状ベントナイトが期待されている．緩衝材には処分施設の再冠水に伴う
表 1 ベントナイト GX の基本的性質 3), 4)
地下水の浸入が想定されるため，人工バリアの性能を評価する上で，吸水特性と膨潤圧
ベントナイト
GX
(最大粒径 2mm)
の発生挙動を把握することは重要と考えられる 1)．既往の研究では，試料の最大粒径によ
タイプ
Na 型
って，膨潤圧の発生挙動が異なることが報告されている．膨潤圧の発生挙動が異なるメ
土粒子の密度(Mg/m3)
2.654)
カニズムとして吸水特性の違いが推察されているものの，その実験的な調査には至って
液性限界(%)
355.1
いない．そこで本研究では，膨潤圧・吸水特性に及ぼす最大粒径の影響を実験的に調査
塑性限界(%)
22.8
することを目的として，最大粒径 2mm に粒度調整した試料および最大粒径 0.18mm に粉
塑性指数
332.3
モンモリロナイト
含有率(%)
47.1
2)
砕した試料の 2 種類を用いて，膨潤圧発生に伴う吸水量測定試験を実施した．
2. 使用した試料および供試体作製方法
本研究では，粒状ベントナイトであるベントナイト GX(クニミネ工業製・クニゲル GX)
の最大粒径を 2mm に粒度調整した試料を使用した．表 1 に最大粒径を 2mm に調整した
モンモリロナイト含有率は，純モンモリロナイ
トのメチレンブルー吸着量 140(mmol/100g)を基
準に算出された値である．
ベントナイト GX の基本的性質を示す 3), 4)．また，粒状ベントナイトの膨潤圧・吸水特性
に及ぼす最大粒径の影響を調査するために，最大粒径 2mm の試料（以下，粒状試料と記
ビュレット管最大容量：25mL, 最小目盛り：0.1mL
す）とともに，最大粒径を 0.18mm に粉砕した試料（以下，粉砕試料と記す）の 2 種類
ベロフラム
シリンダー
を実験に用いた．粉砕は，メノウ乳鉢を用い，試料が全て 180μm ふるいを通過するまで
ピストン固定用
クランプノブ
ロードセル
最大容量：10kN
最小目盛り：0.025
繰り返した．試料の含水比は，粒状試料と粉砕試料でそれぞれ，5.0～5.8%，4.6～6.9%で
変位計
あった．供試体は直径 28mm の円柱形とし，高さ 10mm を目標に，油圧ジャッキを用い
最大容量：25mm
最小目盛り：0.002
5)
た上下方向からの静的締固めにより作製した．
供試体
3. 膨潤圧発生に伴う吸水量測定試験の概要
直径：28mm
高さ：10mm
本試験は，供試体の膨潤変形を抑制した状態において，供試体への水の供給量と膨潤
圧を経過時間ごとに同時に測定するものである．図 1 に膨潤に伴う吸水量測定試験装置
の概略図を示す．最大容量 25mL，最小目盛り 0.1mL のビュレット管から供試体へ給水
ポーラスメタル
およびろ紙
し，ビュレット管内の水の体積変化を目視により測定する．試験は膨潤圧がほぼ定常状
図 1 膨潤圧発生に伴う
吸水量測定試験装置の概略図
態に達するまで行った．試験期間はおおよそ 17～19 日間(24300～27240min)であった．ま
た，供試体の体積変化を完全に抑制することは困難であるため，鉛直方向の微小な変位
量を測定し，乾燥密度の補正を行った．
4．膨潤圧発生挙動に及ぼす最大粒径の影響
2000
粉体状ベントナイト
（ベントナイトA，ρd=1.62Mg/m3，wo=8.6%）
図 2 に，乾燥密度約 1.6Mg/m3 における粒状試料および粉砕試料の膨潤圧
と経過時間の関係を示す．図 2 には，比較対象として，粉体状のベントナイ
膨潤圧の発生挙動も示した．図 2 において，粒状試料は試験開始から経過時
間 1000 分程度まで膨潤圧が急激に増加した後，その増加が緩やかとなり最
大膨潤圧に至る．一方，粉砕試料および粉体状のベントナイト A では膨潤
圧の増加過程において，経時変化にピークが確認できる．これらはいずれも，
ピーク
1500
膨潤圧 Ps(kPa)
ト A（クニミネ工業製・クニゲル V1，モンモリロナイト含有率：57%5)）の
粉砕試料
（最大粒径 0.18mm，ベントナイトGX
ρd=1.62Mg/m3，wo=6.9%）
1000
粒状試料
（最大粒径 2mm，ベントナイトGX，
ρd=1.61Mg/m3，wo=5.7%）
500
経過時間 1000 分程度まで膨潤圧が急激に上昇した後，一度低下し，再度膨
潤圧が上昇し定常化する．同様な傾向は，既往の研究 2）でも確認されている．
本研究では粉砕試料について，乾燥密度 1.52～1.80Mg/m3 の範囲における 9
ケースの膨潤圧を測定しているが，乾燥密度 1.52～1.69Mg/m3 の 7 ケースの
ρd乾燥密度(Mg/m3)，wo：初期含水比(%)
0
0
5000
10000 15000 20000
経過時間 t(min)
25000
図 2 膨潤圧の発生挙動の比較
うち，5 ケースでこのような傾向が得られた．
Influence of maximum grain size on swelling pressure and
water absorption property on granular bentonite Comparison of granular bentonite and milled bentonite -
881
Oyamada, T., Komine, H., Murakami, S. Ibaraki University
Sekine, I., Sekiguchi, T. Toda Corporation
5. 吸水特性に及ぼす最大粒径の影響
5.0
ベントナイトGX
粉砕試料
（最大粒径 0.18mm，ρd0=1.52Mg/m3）
図 3 に吸水量と経過時間の関係を示す．試験において測定したビュレット管内の水
の減少量には，ポーラスメタルへの流入量も含まれる．図 3 では，ポーラスメタルへ
粒状試料
（最大粒径 2mm，
ρd0=1.51Mg/m3）
4.0
試験開始後最初の測定値である 1 分経過後の測定値を除いた値を吸水量とした．初期
3
3
乾燥密度が約 1.5 Mg/m および約 1.7Mg/m の場合を比較すると，経過時間が約 9000
分以降の吸水量は，それぞれの初期乾燥密度において，試料によらず同様に増加して
吸水量(mL)
の流入量による影響を小さくするために，測定したビュレット管内の水の減少量から，
3.0
粉砕試料
（最大粒径 0.18mm，
ρd0=1.74Mg/m3）
2.0
いることがわかる．一方，試験開始時から経過時間 9000 分程度までの吸水量の増加傾
粒状試料
（最大粒径 2mm，ρd0=1.72Mg/m3）
1.0
向には，試料によってわずかに差が生じている．
既往の研究より，吸水初期のベントナイトの吸水量は，経過時間の平方根の一次関
0.0
数として表されることがわかっている 4)．そこで，ビュレット管内の水の減少量を経
6.0
吸水量(mL/
min )， b は試験開始時のポーラスメタルへの流入量(mL)である．図 4
では図 3 に示したものと同じ試験ケースについて吸水挙動を比較した．図 4 より，初
期乾燥密度が約 1.5 Mg/m3 および約 1.7Mg/m3 の場合における単位時間 t あたりの吸
水量は，粒状試料でそれぞれ 0.035，0.027 (mL/
はそれぞれ，0.039，0.031(mL/
min )であるのに対し，粉砕試料で
min )であった．以上より，同程度の乾燥密度におけ
る単位時間 t あたりの吸水量は，粒状試料に比べ，粉砕試料の方が大きい値を示す
ビュレット管内の水の減少量(mL)
によって近似した初期の吸水量である．
ここで，Q はビュレット管内の水の減少量(mL)，a は単位時間 t あたりの供試体の
6000
ベントナイトGX
粉砕試料
（最大粒径 0.18mm,ρ d0=1.52Mg/m 3）
y=0.039x+2.69
4.0
粉砕試料
（最大粒径 0.18mm，
ρd0=1.74Mg/m 3）
y=0.031x+2.42
3.0
ρdo：初期乾燥密度(Mg/m 3)
y:近似直線
0
25
粒状試料と粉砕試料について，単位時間 t あたりの吸水量と初期乾燥密度の関係を
0.05
間 t あたりの吸水量は，粒状試料に比べ，粉砕試料の方が約 1.1 倍大きい値を示して
いる．以上より，粒状ベントナイトの吸水特性には，試料の最大粒径が影響を及ぼす
と考えられる．参考文献 7)によると，ベントナイト GX の原鉱の粒状体としての乾燥
密度は 1.701 Mg/m3 と報告されている．したがって，粒状試料を用いた供試体は，相対
75
100
ベントナイトGX
粒状試料（最大粒径 2mm）
粉砕試料（最大粒径 0.18mm）
単位時間(√min)あたりの
吸水量 a(mL/√min)
とがわかる．全体的な傾向として，初期乾燥密度が約 1.5～1.8 Mg/m3 における単位時
50
図 4 ビュレット管内の水の減少量と
経過時間の平方根の関係
比較した．図 5 に単位時間 t あたりの吸水量と初期乾燥密度の関係を示す．図 5 よ
近においてばらつきがみられるものの，粉砕試料の方が大きい値を示す傾向があるこ
粒状試料
（最大粒径 2mm，
ρd0=1.72Mg/m 3）
y=0.027x+2.65
経過時間の平方根(√min)
があると考えられる．そこで，吸水特性に及ぼす最大粒径の影響を把握するために，
り，粒状試料と粉砕試料を比較すると，初期乾燥密度 1.52 Mg/m 付近と 1.62 Mg/m 付
24000
（最大粒径 2mm，
ρd0=1.51Mg/m 3）
y=0.035x+2.59
単位時間 t あたりの吸水量は小さい値を示す傾向があることから，両者には相関性
3
18000
5.0 粒状試料
2.0
傾向があることがわかる．また，いずれの試料においても，初期乾燥密度が高いほど，
3
12000
図 3 吸水量と経過時間の関係
少量と経過時間の平方根の関係を示す．図 4 において，y で表される式は，以下の式(1)
・・・(1)
0
経過時間(min)
過時間の平方根で整理し，吸水挙動の比較を行った．図 4 にビュレット管内の水の減
Q = a t +b
ρdo：初期乾燥密度(Mg/m3)
的に乾燥密度が高い状態の粒状体を含有していると考えられる．また図 4 より，粉砕
試料を使用した比較的均一な供試体においても，初期乾燥密度の増加に伴い，単位時
間 t あたりの吸水量は低下する傾向があることがわかる．以上から，粒状試料を用
いた供試体は，図 6 に示すように相対的に乾燥密度が高い粒状体を多く含有すること
によって，単位時間 t あたりの吸水量が比較的小さい値を示したものと推察される．
6. まとめ
0.04
0.03
0.02
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
初期乾燥密度 ρ d0(Mg/m3)
図 5 単位時間 t あたりの吸水量と
初期乾燥密度の関係
：モンモリロナイト
：非膨潤性鉱物
供試体
ベントナイト GX について，最大粒径 2mm に粒度調整した試料と最大粒径を 0.18mm に
粉砕した試料を比較すると，膨潤圧の発生挙動は，粒状試料では試験開始から経過時間 1000
分程度まで膨潤圧が急激に増加した後，その増加が緩やかとなり最大膨潤圧に至ったのに
対し，粉砕試料では膨潤圧の増加過程において，経時変化にピークが確認された．一方，
吸水特性については，初期乾燥密度が約 1.5～1.8 Mg/m3 において，単位時間 t あたりの供
試体の吸水量(mL/
min )は，粉砕試料の方が 1.1 倍程度大きい値を示した．以上より，粒
状ベントナイトの吸水・膨潤圧特性には試料の最大粒径が影響を及ぼすと考えられる．
-参考文献-
最大粒径2mm以下の粒状体
相対的に乾燥密度が高い
単位時間あたりの吸水量が小さい
図 6 試料の最大粒径が吸水特性に
及ぼす影響の模式図
1)原子力発電環境整備機構：地層処分事業の安全確保(2010 年度版)-確かな技術による安全な地層処分の実現のために-, NUMO-TR-11-01, 2011. 2)杉浦航, 小峯秀雄, 安原一哉, 村
上哲, 関口高志：ベントナイト原鉱石の膨潤特性および膨潤挙動メカニズムの考察, 土木学会第64 回年次学術講演会, CS5-050, 2009. 3)小峯秀雄：余裕深度処分のための粒状ベン
トナイトの膨潤圧特性に関する基礎的研究～最大粒径10mm と2mm の粒状ベントナイトの膨潤圧特性の比較～, 第46 回地盤工学研究発表会, D-05, pp.2087-2088, 2011. 4)伊藤弘
志, 千々松正和, 村上利一：ベントナイト層の現場施工材料の開発, 土木学会第 62 回年次学術講演会, CS5-001, 2007. 5) 直井優, 小峯秀雄, 安原一哉, 村上哲, 百瀬和夫, 坂上武
晴：各種ベントナイト系緩衝材の膨潤特性に及ぼす人工海水の影響, 土木学会論文集, No.785/III-70, pp.39-49, 2005. 6)長谷川琢磨：ベントナイトの透水・浸潤特性への海水影響, 電
力中央研究所報告, N04005, 2004. 7)財団法人原子力環境整備促進・資金管理センター：平成16 年度地層処分技術調査等遠隔操作技術高度化調査報告書(2／2), pp.3-572 – 3-583, 2005.
882

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