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。     

氢氧根离子在膨润土中的弥散规律及其溶蚀作用

高放废物地质处置库中可能出现的碱性孔隙水,会对膨润土的缓冲封闭性能产生不良影响,尤其是碱性孔隙水中的OH^-离子。本文用NaOH溶液模拟碱性孔隙水,用蒸馏水模拟处置库现场的地下水,对初始干密度为1.70 g/cm³的高庙子(GMZ)膨润土试样开展弥散试验,研究OH^-离子在高压实GMZ膨润土中的弥散规律;用pH值为13和13.8的NaOH溶液模拟孔隙水侵蚀GMZ膨润土试样,研究碱性孔隙水侵蚀,GMZ膨润土的溶解规律。结果表明,非稳态条件下,OH^-离子在GMZ膨润土中的弥散系数为1.49×10^-11~1.89×10^-10 m²/s,且弥散系数随着试样两侧溶液浓度差的减小而降低;高pH值碱性孔隙水侵蚀,首先会造成膨润土中含Si和Al矿物的迅速溶解,溶解速率与时间呈近似线性增长关系,且溶液的pH值越高,溶解速率越快。     

膨润土在高碱环境中的反应变化特征

膨润土具有高膨胀性、低渗透性以及优良的核素吸附能力,被选为高放废物处置库的缓冲回填材料。然而,作为处置库主要建造材料的混凝土会随着时间衰退分解产生高碱性溶解物,与地下水形成高碱性孔隙水,膨润土会与之反应,使得孔隙结构和性能发生较大的变化而影响处置库的封闭性。本文分析了膨润土和高碱性孔隙水的反应过程以及两者之间反应的主要影响因素,总结出高碱性环境中膨润土的反应变化特征。     

化–力耦合条件下膨润土的体变特性

在处置库长期运营中,由于地下水水位、温度等变化导致地下水离子浓度变化,围岩和废物罐的限制产生反压力,不可预知的地质构造活动或者地质环境变化导致附加应力变化都会影响缓冲/回填材料的体变。为模拟缓冲/回填材料在地下水离子浓度和附加应力变化下的体变情况,在不同化学–力学应力路径下,以不同浓度NaCl溶液和去离子水作为入渗溶液,采用高压固结仪对干密度1.6 g/cm~3的膨润土试样进行膨胀–压缩–回弹试验,从宏观和微观的角度系统地分析膨润土在化–力耦合条件下的体变特性。结果表明,随着NaCl溶液浓度增加,膨润土试样的最终膨胀率及压缩指数减小。通过对经历淡化(入渗溶液由盐溶液替换为去离子水)–盐化(入渗溶液由去离子水替换为原盐溶液)循环与未经历该循环的试样体变特性对比发现宏观结构塑性性状在一定程度上表现出不可逆性状,而微观结构性状是可逆的。在淡化循环下,随着循环前溶液浓度的增加以及循环时竖向应力的减小,循环膨胀率随之增加。     

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。     

考虑渗透吸力影响膨润土的修正有效应力及其验证

普遍认为膨润土是高放废物地质处置库缓冲/回填层的理想材料,膨润土在地下水溶液中的膨胀变形和剪切强度关乎高放废物地质处置库的安危。地下水溶液中膨润土膨胀变形和剪切强度受到渗透吸力影响,根据膨润土表面分形模型,建立考虑渗透吸力应力影响的修正有效应力公式,用竖向应力p和渗透吸力π表示为■,并采用膨润土在NaCl溶液中的膨胀变形和剪切强度进行验证。NaCl溶液中膨润土的膨胀变形与修正有效应力p~e表示为同一曲线■,峰值剪切强度与修正有效应力p~e表示为同一直线■,符合Mohr–Coulomb准则。     

钠钾盐梯度循环作用下高压实膨润土膨胀力衰变特性

高放废物深地质处置库近场环境中,高压实膨润土将长期遭受含盐地下水的循环化学作用,导致其膨胀性能不断衰变。针对干密度为1.7 g/cm3的高压实高庙子(GMZ)膨润土,分别开展了0.5 mol/L和1.0 mol/L两种盐梯度、Na Cl-水-KCl和Na Cl-水不同循环路径下的恒体积膨胀力试验,探讨盐梯度循环化学作用下其膨胀力的衰变特性。结果表明:盐梯度循环作用下,膨润土膨胀力的发展与离子种类、浓度和循环次数等因素有关。盐化阶段膨胀力不断降低,淡化阶段膨胀力有所提高;低盐度梯度循环下各阶段的稳定膨胀力均高于高盐度梯度循环时的膨胀力。随着循环次数的增加,稳定膨胀力逐渐下降,入渗溶液浓度越高,降幅越大,且衰减幅度随着循环次数的增加而减小。KCl溶液的入渗会引起膨润土发生矿物相变,膨胀力显著降低;当KCl溶液浓度达到一定值时,蒙脱石的充分溶解导致膨润土丧失膨胀能力。     

考虑侧壁摩阻的围岩裂隙中膨润土-砂混合物侵入过程及其模型

高放废物处置库建设与运营期间,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土-砂混合物侵入裂隙,在降低围岩渗透性的同时,会引起膨润土的流失与可能的核素外泄,危及处置库的运营安全.针对膨润土-砂混合物侵入围岩裂隙问题,开发试验装置,开展不同裂隙宽度(0.1,0.3,0.5,1.0 mm)情况下,不同含砂率(0％,15％和30％)的膨润...     

多边界条件下缓冲/回填材料的膨胀特性

高放废物处置库中缓冲/回填材料的膨胀特性是评价其屏障性能的关键因素。受试验仪器等条件的限制,以往的膨胀试验基本都是在恒体积和恒应力这两种极端边界条件下开展的,无法有效反映处置库中的复杂应力–应变环境。研发了一套新型的多边界条件膨胀仪,集成了恒体积、恒应力和柔性等刚度3种边界条件。利用该膨胀仪对中国高庙子(GMZ)缓冲/回填材料开展了一系列膨胀试验,分析了边界条件对试样膨胀特性的影响。结果表明:研发的多边界条件膨胀仪具有操作简单、性能稳定等特点,能有效地模拟各种边界条件;边界条件对试样膨胀指标具有重要影响,对应的最终膨胀力关系为:恒体积柔性等刚度恒应力边界条件,最终膨胀率关系为:恒应力柔性等刚度恒体积边界条件;膨胀平衡极限(SEL)曲线可作为评价土体在复杂边界条件下水化时的最终体变和膨胀力的参考。研究结果对进一步认识土体的膨胀特性和指导高放废物处置库中缓冲/回填材料的设计具有一定参考意义。     

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。     

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。     

地下水含盐量抑制缓冲砌块接缝的愈合效果

高放废物地质处置库在长期运营过程中,压实膨润土砌块水化膨胀,砌块之间的接缝逐渐封闭。地下水中的盐分会限制膨润土的膨胀量,进而抑制接缝体系的自愈合程度。以高庙子膨润土为研究对象,开展渗透试验、热传导试验及微观结构试验,评估渗透溶液含盐量对混合型缓冲砌块接缝愈合效果的影响。压制圆饼状含接缝试样,接缝中充填颗粒膨润土,以甘肃北山地下水模拟溶液开展刚性壁渗透试验,随后测试接缝附近的热传导系数和微观结构,与蒸馏水试验结果进行对比分析。试验结果表明,入渗液为蒸馏水时,接缝体系的水力传导系数最小。随着入渗液总溶解性固体浓度TDS上升到10 g/L,水力传导系数持续增大超过一个数量级,即含盐量越高,对接缝体系有效愈合的抑制效应越明显。渗透试验之后,试样接缝带内部干密度有所提高,非接缝部位的干密度有所降低,证明接缝愈合是通过膨润土向接缝低应力空间膨胀实现的。与蒸馏水相比,入渗液盐分浓度的升高,试样接缝带干密度的提高幅度减小,说明盐分抑制了接缝体系的愈合潜能。随着入渗液浓度增加,热传导系数总体呈微弱的减小趋势,而且接缝带内部的热传导系数方差增大,即接缝空间的热稳定性降低。     

温度对GMZ膨润土的膨胀性能影响研究

在25℃,40℃,60℃和90℃的蒸馏水中对高庙子(GMZ)膨润土进行了膨胀性能试验.由于在试验条件下渗透膨胀占主导地位,GMZ膨润土的膨胀性能随温度的升高而增大,其中最大膨胀率随温度线性增加,而膨胀力随温度呈指数增加.压实GMZ膨润土的膨胀性能可用em=KpD-3表示.N2吸附试验结果表明温度对GMZ膨润土的表面分维...     

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。     

温度对GMZ膨润土的膨胀性能影响研究

在25℃,40℃,60℃和90℃的蒸馏水中对高庙子(GMZ)膨润土进行了膨胀性能试验。由于在试验条件下渗透膨胀占主导地位,GMZ膨润土的膨胀性能随温度的升高而增大,其中最大膨胀率随温度线性增加,而膨胀力随温度呈指数增加。压实GMZ膨润土的膨胀性能可用em=Kp^D-3表示。N2吸附试验结果表明温度对GMZ膨润土的表面分维D基本没有影响。在渗透膨胀条件下,采用扩散双层模型计算发现膨胀系数K与温度T_c之间存在线性关系,并且通过GMZ膨润土和Bikaner膨润土的膨胀试验进行了验证。将K–T_c线性关系与e_m–p分形关系相结合,提出了温度作用下GMZ膨润土膨胀性能的一种简便定量评价方法。     

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。     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

压制压力对膨润土压实性能的影响

膨润土作为高放射性核废料处置库回填/缓冲层的首选材料,需实现隔离防渗的目标。获得高压实膨润土是实现这一目标的必备条件。而压制压力是影响膨润土密实度的因素之一。以纯膨润土粉末为研究对象,采用静力压实方法,开展了不同含水率(0%～30%)膨润土试样在不同压制压力(0 k N～45 k N)作用下的压实试验,提出干密度增长率与增长率增量参数评价压力对膨润土的压实效果。结果表明,在同一含水率状态下,膨润土的干密度随着压力的增大而增大。但在低含水率状态下,受粒间摩擦力的影响,膨润土干密度增长缓慢;在高含水率状态下,受粒间摩擦力与孔隙水压力的双重作用,导致压制压力持续增大到某一压力值后,膨润土的干密度增长率增量逐渐趋于稳定。压制膨润土试样时,可根据目标干密度值选择初始含水率以及压制压力,以便有效减少机械与时间成本。     

高碱溶液对高庙子膨润土侵蚀作用的研究

采用NaOH溶液模拟高放射性核废物处置库中可能产生的高碱性孔隙水,对初始干密度为1.70 g/cm³的高庙子（GMZ）膨润土试样进行渗透侵蚀试验,借助扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对侵蚀后试样的表观特性进行观察分析,对碱溶液侵蚀对膨润土试样膨胀性、渗透性、孔隙比和化学成分的影响规律进行解释,以研究碱性孔隙水侵蚀对膨润土性能影响的微观机理。结果表明,GMZ膨润土主要成分蒙脱石呈层片状结构,蒙脱石水化会在其表面形成羽翼状的胶体,会堵塞试样的孔隙;高碱性溶液的侵蚀会造成膨润土水化产生的羽翼状胶体溶解和膨润土结构的不可逆性破坏,并且破坏程度与碱溶液的浓度成正相关关系;经高碱性溶液侵蚀的膨润土试样,其表面有明显的溶蚀痕迹,说明碱溶液的入渗侵蚀会造成膨润土有效成分蒙脱石的溶解,试验结果与X射线衍射（XRD）测试结果吻合。因此,碱性孔隙水的入渗侵蚀会逐渐溶解膨润土中的蒙脱石,破坏了膨润土的结构,增大了膨润土的孔隙率,进而降低了膨润土的膨胀性,提高了膨润土的长期渗透性,最终造成膨润土的封闭和缓冲性能降低。     

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。