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。     

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。     

高碱性溶液对高庙子膨润土溶蚀作用的研究

 在高放性核废物地质处置库中,碱性孔隙水长期入渗可能会对膨润土的缓冲封闭性能产生不良影响。为了研究高碱性溶液对膨润土的溶蚀作用及其机制,本文用NaOH溶液模拟高碱性孔隙水,对初始干密度为1.70 g/cm3的高庙子膨润土试样进行渗透侵蚀,并借助X射线衍射(XRD)和能谱分析(EDS)测试,对侵蚀后各试样的矿物成分和Mg元素含量的变化进行测定分析。结果表明：高庙子膨润土含有蒙脱石、石英、斜长石和微斜长石(或方石英),且主要有效组分为蒙脱石;在试验过程中,经高碱性溶液的侵蚀,试样的主要原生矿物的种类没有减少,也没有检测到新物质生成,但膨润土试样中的蒙脱石和Mg元素的含量随着侵蚀碱性溶液浓度的增大而降低,这说明在高碱性溶液的侵蚀作用下,膨润土中的蒙脱石发生溶解。因此,碱性孔隙水的长期入渗会对膨润土产生溶蚀作用,进而降低膨润土的膨胀性能,增大膨润土的有效孔隙比和渗透性,最终削弱了膨润土的缓冲封闭性能。     

高吸力下高庙子钙基膨润土的土水-力学特性

高庙子钙基膨润土具有明显的湿胀干缩特性,吸力变化会引起持水状态和孔隙比的变化。用蒸汽平衡法测得高吸力段（3～287 MPa）高庙子钙基膨润土的土水特性和变形特性。分析比较了吸力路径、试样初始孔隙比、应力加载历史以及土体结构对土水特性、变形及吸力应力的影响。研究表明,脱湿和吸湿过程中孔隙比的差异会引起体积含水率和饱和度的滞回。饱和度与吸力间关系受试样初始孔隙比和孔隙结构影响较大,与应力加载历史无直接关系。由吸力引起的吸力应力随吸力的增大而非线性增大,并在较高吸力时趋向于一定值。吸力应力受吸力路径、初始孔隙比以及孔隙结构的影响。     

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。     

双孔隙压实膨润土的细观导热模型

压实膨润土导热系数是评价核废料处置库散热安全以及计算温度场分布的关键指标,准确预测不同条件下压实膨润土导热系数对于处置库的安全设计具有重要意义.数值模拟是预测土体导热系数的有效途径之一,然而,由于压实膨润土双孔隙结构的复杂性,基于细观数值模拟的压实膨润土导热模型较少.建立了一种适用于双孔隙压实膨润土导热系数的细观模型,...     

核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH, HM, TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。     

高压实膨润土孔隙结构特征研究进展

在详细阐述高压实膨润土孔隙结构组成及其界限孔径确定方法的基础上,全面总结了处置库近场条件下孔隙结构演化规律及其对水力特性影响的研究成果.结果表明:高压实膨润土具有由晶层间孔隙、层叠体间孔隙、集合体间孔隙组成的三孔结构,而描述本构关系时通常简化为由宏观孔隙和微观孔隙构成的双孔结构.双孔结构中宏、微观孔隙界限孔径的确定方法...     

盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土膨胀变形特性

高放射性废物深地质处置库中,混凝土材料在地下水和辐射热的长期耦合作用下,不断衰解生成高碱性物质,进而影响高压实膨润土的膨胀变形特性,危及处置库运行安全。针对中国北山处置场地下水特征对缓冲/回填材料高压实高庙子(GMZ)膨润土变形特性的影响,分别配制北山地下水(BSW)、早期混凝土衰解液(YCW)和后期混凝土衰解液(ECW),开展了盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土的一维膨胀变形试验,获取了初试干密度(1.50,1.60,1.70,1.80 g/cm³)和上覆荷载(0.1,0.2,0.4 MPa)对膨润土变形的影响规律。结果表明：随着BSW、YCW和ECW 3种溶液相继入渗,高压实膨润土的稳定膨胀变形率不断增加,但增加值逐渐减小;当YCW和ECW入渗时,稳定膨胀变形率的增加值随干密度增加而减小,随荷载增大而减小。基于压汞试验结果,阐明了盐碱演化环境下高压实膨润土持续膨胀的微观机理。研究成果可为中国处置库缓冲/回填材料的选择和工程屏障设计提供依据。     

核废料处置库膨润土膨胀变形研究

膨润土因其优良的膨胀性,常被用于核废料处置库的土障材料。因为核废料处置库会受到温度、渗流、力学、化学等多场耦合作用,膨润土在复杂环境下的的膨胀特性也会受到影响。本文建立了一个核废料处置库的多场耦合模型,模拟了核废料处置库中膨润土土障的温度、饱和度、应力和位移情况,对复杂环境下的膨润土土障的安全性能进行了评价。     

膨润土防水毯在渗滤液环境下防渗性能的测试应用研究

膨润土防水毯作为一种优异的防渗材料,国内暂无其在渗滤液环境下的渗透性能报道。本文拟配置性能组分稳定的代表性合成渗滤液作为实际渗滤液的替代试验介质,研究合成渗沥液对膨润土原料膨胀性能和滤失性能的影响,测试在合成渗滤液环境中,不同压力和温度条件下膨润土防水毯的渗透系数,以此为垃圾填埋工程和其他固废填埋工程使用膨润土防水毯作为防渗衬垫提供指导。     

Constitutive modeling for compacted bentonite buffer materials as unsaturated and saturated porous media

Bentonite has remarkable swelling characteristics and low permeability that enhance the stability of the buffer materials in repositories for the geological disposal of radioactive waste. It is necessary to apply reliable numerical simulation techniques to assess the safety and mechanical stability of repositories over a long period of time. Having a constitutive model that can describe the mechanical behavior of bentonite is key to such numerical simulations. This paper proposes an elasto-plastic constitutive model to describe the changes in the mechanical properties of bentonite due to saturation in the progress of a repository becoming submerged under groundwater. In the proposed model, the swelling index is formulated as a function of the degree-of-saturation to express not only the swelling behavior, but also the dependency of the degree-of-saturation on the dilatancy characteristics. The montmorillonite content is used as a material parameter to determine the normal consolidation line. The experimental results of swelling volume and swelling pressure tests in previous literature are shown to have been satisfactorily predicted by the proposed model.     

软土弹粘塑性固结模拟(英文)

介绍一个新发展的三维弹粘塑性本构模型和它在软土有限元固结分析中的应用。在有限元固结分析中,变化蠕变参数Ψ／Ｖ,渗透系数ｋ和粘土厚度ｈ三关键参数来研究对变形,孔隙水压力的影响。本文特意研究孔隙水压力的变化。在其它条件相同下,有蠕变性质的土的孔隙水压力比无蠕变的土的孔隙水压力要高。蠕变有可能导致孔隙水压力不降反增。此被称为蠕变效应。对蠕变效应及其与ＭａｎｄｅｌＣｒｙｅｒ效应的区别有详细的解释和讨论。     

约束状态对高庙子膨润土的水力学特性的影响

在我国核废料深地质处置中,高庙子膨润土作为首选缓冲回填材料,起着阻隔核素迁移的作用。高压密膨润土填充于核废料包装罐与围岩之间,在水化初期和水化后期分别处于自由膨胀和侧限状态。因此,认识其在这两种约束状态下的水力学特性是十分重要的。为了加深对高庙子膨润土水力学特性的认识,对其分别进行了自由膨胀和侧限状态下的土水特征测定试验、微观结构测定试验和非饱和渗透系数测定试验。最后在以上试验结果的基础上,分析了约束状态的不同对高庙子膨润土水力学特性的影响。     

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。     

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。     

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。     

Deformation and water/gas flow properties of claystone/bentonite mixtures

As a potential engineered barrier material for disposal of radioactive waste in clay formations,claystone aggregate excavated from the Opalinus clay(OPA),its mixture with bentonite MX80 in a mass ratio of 7/3,and pure bentonite were extensively investigated with respect to the hydro-mechanical properties and performances.With these materials,a series of parallel experiments was performed under sequentially applied conditions of hydration with synthetic porewater of the clay formation,consolidation and water flow under increased stresses,and gas injection into the water-saturated and compacted materials under loading.Significant responses of the clay mixtures were observed.Main findings include:(1) the hydration and induced swelling of the mixtures are mainly dominated by bentonite content and dry density;(2) the consolidation decreases the porosity and water permeability exponentially by 2-3 orders of magnitude to low values of 10~(-18)-10~(-20) m~2 at stresses of 2-5 MPa,depending upon bentonite content;and(3) the gas penetration in the water-saturated and compacted bentonite is characterised by a cyclic pressure rising/dropping process limited in between the upper breakthrough and lower shut-off boundaries,whereas the compacted claystone and claystone/bentonite mixture allow for gas release at low and moderate pressures.The results are helpful for design of the engineered barriers for safe isolation of radioactive waste in repositories.