高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特征

 高放废物深地质处置中，缓冲/回填材料系统起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是高放废物地质处置库长期安全性和稳定性的有效保障。前人研究表明，膨润土是理想的缓冲/回填材料。在归纳总结压实膨润土膨胀力的室内试验研究成果的基础上，采用恒体积试验法研究高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特性，该膨润土已经被确定为我国高放废物地质处置库首选缓冲材料。结果表明，高压实高庙子膨润土GMZ01膨胀力随时间的变化曲线是一条渐近线，而时间/膨胀力与时间之间存在很好的线性关系；膨胀力发展过程曲线与吸水量曲线具有明显的阶段性特征；高压实高庙子膨润土的膨胀力和干密度之间存在指数关系，干密度是影响膨胀力的一项重要的因素。所取得的膨胀力特性成果，对于高庙子膨润土膨胀性能的正确判定具有非常重要的意义。     

高庙子膨润土及其混合材料导热性能研究

导热性能是高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要性能之一。采用瞬变平面热源法,研究了我国高放废物地质处置首选缓冲/回填材料高庙子膨润土,及以其为主料,添加不同含量石英砂、北山花岗岩碎屑组成的混合材料的导热性能。分析了添加剂种类和含量、干密度、饱和度等因素对导热系数的影响。研究结果表明:高庙子膨润土及其混合材料的导热系数、热扩散系数都随干密度和含水量的增大而增大;石英砂、北山花岗岩碎屑能够不同程度提高膨润土的导热系数,石英砂的作用优于北山花岗岩碎屑;饱和度对添加剂发挥其提高缓冲/回填材料导热性能的作用影响明显,饱和度越高,添加剂的作用越显著。     

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。     

高庙子膨润土的土水特征曲线

近年来，用于高放废物深地质处置工程屏障的高压密膨润土越来越受到关注。经过全国范围内的比较和筛选，内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物处置库缓冲材料的首选矿床。采用渗析法和水汽平衡法来控制吸力技术，通过上水特征曲线测定试验、环境扫描电镜和乐汞试验，研究高庙子高压密膨润土在不同吸力下的持水特性及其微观结构特征。利用压汞试验结果推算膨润土在恒体积条件下的土水特征曲线，并与实测数据进行比较。研究结果表明：在不同吸力作用下，膨润土的持水特性与其微观结构之间有着密切关系。     

混合型缓冲回填材料抗剪强度特性研究

高放废物深地质处置中,缓冲回填材料的抗剪性能对处置库的安全设计、施工及运营有重要的影响。本文从工程应用的角度出发,测试不同掺砂率时膨润土-砂混合物标准击实样在最优含水率条件下的抗剪强度指标。研究结果表明:随着掺砂率的增大,膨润土-砂混合物的抗剪强度指标略有下降;纯膨润土的抗剪强度指标随着干密度的增大而增大,随着含水率的增大而减小。通过测试和分析不同干密度和含水率时纯膨润土的抗剪强度指标,引入有效粘土密度和有效含水率的概念,对最优含水率条件下不同标准击实样的抗剪强度指标进行分析。     

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。     

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。     

膨润土渗透试验误差分析和可行性探究

在高放废物深地质处置缓冲/回填材料研究中,缓冲材料作为填充在废物罐和地质体之间的最后一道人工屏障,起着水力学屏障的重要作用,阻止地下水流至废物罐表面,同时阻止废物核素渗漏至围岩中.因此,研究膨润土的渗透性可以为处置库设计提供重要的基础参数.通过6组膨润土常规变水头渗透试验,分析渗透系数随时间的变化关系,得出渗透系数随时间的变化曲线.根据膨润土物理化学特性、变水头渗透原理和试验的环境条件,分析渗透系数变化曲线形成的原因和数据测量的准确性,进而进行渗透系数的误差分析,并根据误差产生的原因提出改进试验方案,即采取封闭试验系统消除水分蒸发的影响,并进行可行性分析.     

膨胀性非饱和土统一硬化模型

缓冲和回填材料的选择作为高放废物处置中的重要一环,有着非常重要的作用。许多研究表明:高庙子膨润土的诸多优良特性如低渗透性、高膨胀性、热稳定性等非常适合作为高放废物处置的缓冲和回填材料。针对高庙子膨润土的高膨胀性,在超固结非饱和土统一硬化模型的基础上,通过引入一项与原有塑性体变相耦合的膨胀体变,建立了能够反映土体湿化膨胀的膨胀性非饱和土统一硬化模型。该模型能够较好地反映出膨胀性非饱和土的高膨胀性及其膨胀效应随初始干密度、超固结程度变化等特性。     

缓冲材料热-水-力耦合模型试验研究

高放废物深地质处置采用多重屏障设计体系,缓冲材料是位于废物罐和围岩之间的一道重要的人工屏障。在放射性衰变热、地下水入侵和围岩应力等作用下,缓冲材料经历复杂的热-水-力耦合过程,评价其长期性能对高放废物地质处置库的稳定运行至关重要。缓冲材料模型试验是研究膨润土在多场耦合环境下性能变化的重要途径。中型实验台架是大型实验台架(China-Mock-up)的重要补充,用来模拟与大型实验台架边界相同的环境下,即热量和水分别从缓冲材料的不同侧向另一侧传递和渗透的条件下膨润土的行为特征。通过实时监测缓冲材料在长期加热和加水条件下的温度、相对湿度、力学等特征参数,揭示了在热-水-力耦合条件下缓冲材料的性能变化规律,同时对台架进行了拆解,对拆解样品的含水量、干密度和微观结构等进行了分析测试,研究结果可为高放废物处置库缓冲材料的工程设计提供参数支持。     

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。     

Influence of heating and water-exposure on the liquid limits of GMZ01 and MX80 bentonites

Bentonite has been considered as a buffer material for embedding canisters with high-level radioactive waste（HLW） in deep geological repositories.GMZ bentonite deposit,located in Xinghe County,Inner Mongolia Autonomous Region,China was proposed as a buffer/backfill material for HLW repository in China.The liquid limits of natural Na-bentonite GMZ01 and commercial Na-bentonite MX80,which are previously heated at 80 ℃ and 95 ℃,respectively,and exposed to water for different times are measured.It is observed that the liquid limit of GMZ01 increases slightly at the beginning,and then decreases as the heating time increases,while the liquid limit of MX80 decreases with the heating time.The liquid limits of both GMZ01 and MX80 decrease with increasing water-exposure time.After the samples are heated at 80℃and 95 ℃ for several months,the mineralogical composition of GMZ01 does not exhibit evident change,whereas MX80 experiences some changes.In addition,the chemical composition,cation exchange capacity（CEC） and exchangeable cation of all the samples do not change significantly.     

高庙子膨润土在高温高压下的强度特性研究

高庙子膨润土是中国高放废物地质库的首选缓冲/回填材料,将长期在高温(100℃左右)高压(数十兆帕)条件下工作。为了探讨高庙子膨润土在高温高压条件下的强度特性,使用高温高压土工三轴仪,共做了81个三轴不排水剪切试验,系统研究了干密度、围压、温度和含水率对其强度特性的影响。研究结果表明:(1)围压和干密度对高庙子膨润土的破坏形态的影响很大;(2)高庙子膨润土的强度随含水率增大而减小;温度和干密度对其强度的影响比较复杂,干密度较低时,偏应力–轴向应变曲线的位置随温度升高而上移;但干密度较高时的情况则完全相反;(3)分别建立了高庙子膨润土的黏聚力和内摩擦角随干密度、含水率和温度变化的公式。本文的研究成果为分析缓冲材料的热–水–力耦合性状提供了科学依据。     

混合型缓冲回填材料压实性能研究

 根据国外高放废物地质处置领域缓冲回填材料研发趋势,提出我国混合型缓冲回填材料开发新构想,即在纯膨润土中添加一定量的石英砂,期望在不显著降低渗透性能的前提下明显改善其热传导性能和力学强度。选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土)为主料,添加0%～50%含量的石英砂,采用标准击实试验和重型击实试验,研究混合土的动力压实特性;采用专门设计的压实模具,研究混合土在20和50 MPa压力下的静力压实特性。研究结果表明,不同掺砂率的膨润土–砂混合物,最大干密度与最优含水率存在统一的幂函数关系,而与压实方法及压实能大小无关。对于不同的压实方法及压实能大小,最优含水率与掺砂率之间存在线性关系。利用这些关系,就可以针对特定的压实目标选择适宜的压实方法。研究表明,高庙子膨润土掺加10%～30%的石英砂有助于改善压实质量,预计防渗性能也不会降低。     

Swelling pressure characteristics of compacted Chinese Gaomiaozi bentonite GMZ01

Gaomiaozi bentonite (GMZ01) has been decided upon as the first option for use as buffer/backfill materials in the deep disposal of high-level radioactive waste in China. The basic functions of the materials used in the waste repositories request among others a sufficient swelling pressure and low hydraulic conductivity in order to provide long-term stability to the barrier system under environmental pressure and behavior of the waste loads. As such, it is necessary to investigate the influence of initial dry density on the swelling properties of Gaomiaozi bentonite (GMZ01) in order to achieve better design of buffer/backfill materials. In this study the swelling pressure of GMZ01 has been studied and analyzed by multi and one-step wetting constant volume tests with five different dry densities (1.15, 1.35, 1.50, 1.60 and 1.75 mg/m³). Results show that swelling pressure changes with time nonlinearly, while there is a linear relationship between time/swelling pressure and time. Curves of swelling pressure and the amount of absorbed water varying with time can be classified into typical phases. For the GMZ01 tested here, the initial dry density is an important factor influencing the swelling pressure. The results show that there is an exponential relationship between swelling pressure and dry density. Moreover, comparison was done between the experimental swelling pressure results of used GMZ bentonite in this study and other bentonites cited in literature: (i) other GMZ׳s and (ii) different types of bentonites proposed as buffer/backfill materials (i.e., MX80, Kunigel, Montigel, and Calcigel). The effect on the microstructure of the density and the wetting under the constant volume condition (after the swelling pressure test) has been investigated by studying the results of pore size distribution for GMZ01 by using the mercury intrusion porosimetry (MIP) test and the environmental scanning electron microscope (ESEM) photos. Finally, two different theoretical concepts were used to estimate the swelling pressure (the modified DDL and thermodynamics approaches). The results of the two methods show that the swelling pressure results compare relatively well with the experimental data for the GMZ bentonite.     

Swelling characteristics of Gaomiaozi bentonite and its prediction

Gaomiaozi （GMZ） bentonite has been chosen as a possible matrix material of buffers/backfills in the deep geological disposal to isolate the high-level radioactive waste （HLRW） in China. In the Gaomiaozi deposit area, calcium bentonite in the near surface zone and sodium bentonite in the deeper zone are observed. The swelling characteristics of GMZ sodium and calcium bentonites and their mixtures with sand wetted with distilled water were studied in the present work. The test results show that the relationship be- tween the void ratio and swelling pressure of compacted GMZ bentonite-sand mixtures at full saturation is independent of the initial conditions such as the initial dry density and water content, hut dependent on the ratio of bentonite to sand. An empirical method was accordingly proposed allowing the prediction of the swelling deformation and swelling pressure with different initial densities and bentonite-sand ratios when in saturated conditions. Finally, the swelling capacities of GMZ Na- and Ca-bentonites and Kunigel Na-bentonite are compared.     

盐溶液饱和高庙子膨润土的强度特性

膨润土因具有高膨胀性、低渗透性、优良的核素吸附性等性质,被选作深层地质处置库的缓冲和回填材料。为研究围岩孔隙溶液对膨润土强度的影响,将GMZ07膨润土试样在不同浓度的Na₂SO₄溶液中饱和、固结后进行直剪试验,分析溶液浓度对GMZ07膨润土抗剪强度的影响。试验结果表明,随着盐溶液浓度的增加,膨润土试样的黏聚力及内摩擦角均增大,强度显著提高。在膨润土表面分形模型的基础上,引入考虑渗透吸力的修正有效应力对试验结果进行了解释。将通过修正有效应力计算得到的GMZ07膨润土在Na2SO4溶液中的抗剪强度与实测抗剪强度进行比较,二者基本吻合,验证了考虑渗透吸力的修正有效应力的正确性。