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3D-microstructure analysis of compacted Na- and Cs-montmorillonites with nanofocus X-ray computed tomography and correlation with macroscopic transport properties

ナノフォーカスX線CTによるNa型及びCs型の3次元微細構造分析と物質移行特性との関係

高橋 宏明*; 舘 幸男

Takahashi, Hiroaki*; Tachi, Yukio

異なる膨潤特性をもつNa型及びCs型モンモリロナイトの微細構造と物質移行特性が、ナノフォーカスX線CTによる3次元微細構造分析と重水の拡散実験とを組み合わせて調査された。X線CT観察により、乾燥状態の圧縮Na型モンモリロナイトが飽和膨潤する過程で、連結性マクロ間隙はゲル相によって埋められ、粘土粒子のサイズは小さくなることが確認された。Cs型モンモリロナイトでは、それとは対照的に飽和過程でのゲル相の生成や粒子・間隙サイズの変化は認められなかった。X線CTによって評価された飽和Cs型モンモリロナイトの連結性マクロ間隙の屈曲度及び収れん度を含む幾何学因子は、重水の拡散試験から評価された値と整合した。Na型モンモリロナイトの場合、X線CTと拡散試験から導出された幾何学因子の差異が確認され、これは静電的相互作用による収れん度とX線CTの解像度では観察できないゲル相や層間間隙の屈曲度に起因するものと考えられた。

Microstructural and mass transport properties of compacted Na- and Cs-montmorillonites with different swelling properties were investigated by combining 3D microstructure analysis using nanofocus X-ray CT and diffusion measurement of HDO. The X-ray CT observations indicated that macropores in the dry state of compacted Na-montmorillonite are filled with gel phases, and the grain sizes of clay particles shifted toward smaller values through the saturation and swelling processes. By contrast, no gel phase and no decrease in the grain and pore volumes were observed for saturated Cs-montmorillonite. The geometrical factors of the macropores including tortuosity and geometric constrictivity of saturated Cs-montmorillonite determined by the X-ray CT was consistent with the corresponding values derived in the HDO diffusion test. In the case of Na-montmorillonite, the larger differences between the geometric factors evaluated by the X-ray CT and the diffusion tests can be explained by the electrostatic constrictivity factor and the additional geometrical factors in gel phase and interlayer that are smaller than the detection limit of the X-ray CT.

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