膨润土–砂混合型缓冲/回填材料渗气规律试验研究

为研究高庙子膨润土–砂混合型缓冲/回填材料的渗气规律,利用改进的三轴渗气试验装置,对不同掺砂率、干密度和含水率的混合物试样进行一系列试验研究。结果表明:在试验研究的条件范围内,膨润土–砂混合物(含纯膨润土)的渗气系数为3.9×10-4~2.1×10-2 cm/s;膨润土–砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律,但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响;掺砂率、干密度和含水率均对混合物的渗气性质有影响,混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加,随干密度和含水率增加呈指数形式降低;在试验研究范围内建立了考虑不同条件下的混合物渗气系数的公式,与试验结果吻合较好。得到的一系列试验数据能为我国高放废物地质处置库的建设提供科学依据。     

高放废物地质处置缓冲回填材料研究进展综述

随着核能的发展,不可避免要产生大量高放射性废物。对于高放废物的处置国际上普遍接受的方法是深部地质处置。膨润土及其含砂混合料以其优异的性能被认为是高放废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。该文从仪器设备的研制、本构模型、膨胀特性、模型实验及原位试验、热-力-水耦合过程的理论研究及其数值模拟等方面简要总结了膨润土及其含砂混合料作为缓冲/回填材料的一些国际研究进展。作者期待国家相关部门能加大经费投入和支持力度,推动我国这一领域的研究走向全面和深入,为核能事业的发展保驾护航。     

石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制

高放废物深部地质处置工程中,向膨润土中加入一定比例的石英砂可以优化缓冲回填材料的热传导性和可施工性。从"混合土"的概念出发,设计干密度和含水率相同、掺砂率不同的压实膨润土-砂混合物试样,通过剪切试验揭示掺砂率对抗剪强度的控制机制。试验材料选用内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土),石英砂按照质量0%～50%的比率添加。剪切试验结果表明:随着掺砂率的增大,压实混合物由应变软化型向应变硬化型过渡,黏聚力及内摩擦角逐渐减小,即抗剪强度降低。基于混合土孔隙结构假说,通过类比分析,对黏土-砂混合物抗剪强度的界限掺砂率进行估计,提供孔隙结构的扫描电镜证据。引入有效黏土密度和有效含水率的概念,描述石英砂颗粒之间的黏土基质的物理状态,阐释石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制。     

核废物地质处置缓冲/回填材料研究综述

随着核能的发展,将要产生大量高放射性核废物。对于核废物的处置国际上普遍采用的方法是地质处置。膨润土及其混合集成材料以其优异的缓冲性能被很多核能国家选为核废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。文章通过对目前国内外研究现状进行分析,简要总结了膨润土及其混合集成材料的基本特性、热传导性、渗透性以及多场耦合等方面的研究进展,期待能为推动我国这一领域的研究走向全面和深入提供参考。     

缓冲回填材料的室内制样方法研究

对缓冲回填材料的拌样、湿化、养护与压制过程进行了研究,提出了一套缓冲回填材料小尺度人工制样工艺(即采用分步搅拌法将石英砂均匀掺入膨润土,搅拌结束后,采用喷雾法湿化材料至目标含水率)及4种压(击)实方法(恒定击实能动力击实法、变击实能动力击实法、恒定压实能静力压实法和变压实能静力压实法).对变压实能静力压实法压制的试样进行检验后发现,试样中部的干密度略高于试样的干密度平均值.利用三变量正交试验设计对缓冲回填材料的岩土性质进行研究后认为,变压实能静力压实法可同时满足室内试验及原位试验研究的目的.     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料研究现状与展望

高放废物处置中,膨润土-砂混合型缓冲/回填材料力学性质的研究对高放废物地下处置库的建设具有重要意义。在总结国内外缓冲/回填材料研究现状和成果基础上,该文认为试验仪器的研制、开发添加不同材料的混合材料、考虑高温-高压-高吸力条件的试验研究、模型试验、热-水-力-化耦合模型的建立和数值分析是今后一段时间内混合型缓冲/回填材料研究的重点。     

膨润土作为缓冲材料的研究现状及展望

高放废物处置是一个世界性的难题,对我国核能发展具有重大的意义。膨润土因为其优异的性能被作为理想的缓冲/回填材料。该文从缓冲/回填材料的各项性质方面总结了前人的研究成果,并对未来的研究方向做了展望,提出了今后研究的重点。     

集成回填材料的压实性能研究

核工业的生产会产生大量的核废物,如何安全处置这些核废物尤其是高放废物（HLW）日益成为摆在人类面前的严峻问题。本文通过轻型、重型压实实验得出击实功是影响压实性能的一个重要因素;添加一定量沸石或凹凸棒石可以得到较大的最大干密度和较小的最优含水率。在沸石或凹凸棒石添加为0～20%时混合材料的干密度增加不大,压实曲线相对平缓;随着沸石或凹凸棒石增加到20%～50%时,压实干密度急剧增大,但考虑到增加沸石或凹凸棒石超过50%时所需的压实功较大,因此沸石或凹凸棒石的含量在20%～30%较容易压实。     

膨胀条件下混合型缓冲回填材料的渗透特性

 选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土),分别向其中添加0%,10%,20%,30%,40%,50%的石英砂,采用电子压力试验机在20 MPa荷载下静力压实制样,利用柔性壁渗透仪实测300 kPa围压条件下膨润土–石英砂混合物的渗透系数和体积膨胀变化。研究表明,在0%～50%掺砂率范围内,GMZ001膨润土–石英砂混合物的渗透性随掺砂率增大没有明显的变化,能够满足高放废物处置缓冲回填材料低渗透性的要求。引入有效黏土密度的概念,分析掺砂率和干密度对渗透系数的共同影响可知,膨润土–石英砂混合物渗透系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系。结合压实试验结果发现,GMZ001膨润土–石英砂混合物的渗透系数为掺砂率的单值函数,据此提出不同压实条件下GMZ001膨润土–石英砂混合物渗透系数的预测关系式,期望为混合型缓冲回填材料的配比优化提供理论依据。     

混合型缓冲回填材料土水特征曲线测试与修正

 利用压力板法和水汽平衡法,对不同掺砂率和干密度的膨润土–砂混合物在脱湿过程中的土水特征曲线进行测试,探讨不同初始饱和条件、掺砂率与干密度对脱湿过程中混合物持水性能的影响。随着掺砂率和干密度增大,侧限饱和混合物试样持水性能下降;随着掺砂率增大,自由饱和混合物试样持水性能下降,而干密度对其持水性能基本没有影响。引入有效黏土密度和有效含水率的概念对混合物的实测土水特征曲线进行修正,发现饱和条件不同,混合物持水能力的控制因素也不同：侧限饱和条件下混合物持水性能主要受有效黏土密度控制,而自由饱和条件下混合物持水性能主要受掺砂率控制。根据试验数据拟合出侧限饱和与自由饱和后GMZ001膨润土–砂混合物修正土水特征曲线的经验公式,可用来估算高放废物处置工程中混合型缓冲回填材料的非饱和含水率。     

高放废物处置库缓冲材料导热性能研究

 缓冲材料是高放废物深地质处置库中的重要工程屏障,其导热性能参数是高放废物处置系统设计的关键参数之一。利用ISOMET导热仪,研究内蒙古高庙子天然钠基膨润土GMZ01与石英砂和石墨混合材料GMZM不同压实密度和不同含水量样品的导热性能。结果表明,GMZM的导热系数、热容量和热扩散系数随压实密度的增大而显著增大,随着含水量的增大而增大;与GMZ01的导热性能相比,随着压实密度的增大,石英砂和石墨作为添加剂可以明显提高缓冲材料的导热性能和热扩散性能,但对比热没有显著影响。压实干密度大于1.8 g/cm3后,GMZM的导热系数和热扩散系数比GMZ01的导热系数和热扩散系数均提高20%以上。缓冲材料的导热性能与其含水量、干密度、矿物组成和微结构等有关,导热系数随着含水量和干密度的增大而增大,但是导热系数与含水量和压实干密度不具有一致的线性关系。当GMZ01的饱和度大于20%时,不同压实干密度样品的导热系数、比热、热容量、热扩散系数均与饱和度具有线性关系。     

高庙子膨润土–砂混合料的三向膨胀力特性

 对不同干密度和含砂率高庙子膨润土–砂混合缓冲/回填材料的试样进行一系列三向膨胀力试验研究,结果表明,混合料三向膨胀力均随干密度呈指数关系递增,随含砂率呈指数关系递减。混合料存在各向异性,竖向膨胀力大于水平向膨胀力;含砂率和干密度均对试样的各向异性产生影响;当含砂率大于30%以后,含砂率的增加对其各向异性影响较小;混合料的各向异性随干密度的增大更加显著,并逐渐趋于稳定;对各向异性的机制进行分析,提出基于体积率的膨润土干密度这一指标,建立高庙子膨润土及其含砂混合料三向膨胀力的经验模型,并对模型进行验证和应用,研究成果可为高放废物深地质处置库中的缓冲/回填材料设计提供参考。     

中国高放废物处置库缓冲材料物理性能

深地质处置被国际上公认为处置高放废物的最有效可行的方法。中国深地质处置的概念模型采用多重工程屏障系统（包括废物固化体、废物容器、外包装、缓冲／回填材料）和适宜的地质围岩地质体共同作川来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润上由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能向被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国筛选，高庙子膨润土矿床被选作我国缓冲材料供应基地。从2000年起，对产自该矿床的钠基膨润土GMZ-1开始了系统的研究工作。介绍了GMZ-1的矿物组成、基本特征和GMZ-1在不同干密度、不同含水量条件下的热传导、水传导、力学性能参数及GMZ-1在不同干密度条件下的膨胀特性参数测定结果。GMZ-1钠基膨润土具有蒙脱石含量高（75％左右）、杂质矿物相对较少的特点，对于该材料的系统和深入研究对于开发我国缓冲回填材料技术，确保高放废物的安全有效处置有重要意义。     

土石混合料压实特性试验研究

对不同级配、不同粗粒含量及破碎率的土石混合料进行了击实试验，分析了击实功、击实方法及等效处理法对土石混合料击实结果的影响。试验结果表明：级配良好的试样，压实特性较好；粗粒含量超过75％时，最大干密度增加不明显，此时，击实功不宜太大；等量替换法与大型击实试验结果接近。在实际施工过程中，应综合考虑以上因素，这样便能获得更好的压实效果。     

高放废物处置库中COx黏土岩回填材料压缩特性研究

 高放废物处置库中回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的设计和安全性有重要影响。目前,粉碎后的Callovo-Oxfodian(COx)黏土岩(法国)被考虑为可选的回填材料之一。通过开展一维压缩试验,研究2种不同粉碎工艺下获得的粗/细COx土样的压缩特性,结果表明：压缩曲线受粒度成分的影响非常明显,为获得同等压实度,细粒土所需的压实功能较粗粒土高,除此之外,细粒土的压缩指数也高于粗粒土,表现出较强的压缩性;随着土样压实密度的增加,粗/细土样的压缩曲线逐渐靠拢,粒度成分对压实功能影响逐渐减弱;土样卸荷时回弹指数随干密度的增加而增加,受粒度成分的影响不明显;高压实(rd = 2.0 g/cm3)粗粒土样在7 MPa的轴向应力下饱和时,体积发生明显的塌陷现象,饱和后土样的压缩指数小于饱和前,而回弹指数则较饱和前高。     

OPHELIE回填混合物的热-水-力耦合特征

在以比利时高放废物处置参考设计方案的OPHELIE地面大型试验的框架为背景下，进行了一套完整的固结试验项目以获取回填材料的热-水-力反应特征。缓冲材料是预先经高压压实的土块，其主要成分为60%的FoCa泥岩，35%的砂以及5%的石墨（干燥重量），除了对温度和吸力控制设备的简要描述之外，还将阐述有代表性的试验结果，包括持水特性，不同应力，不同吸力，不同温度下的压缩性，膨胀性能，以及在吸湿，吸热条件下的塌陷现象。