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。     

高压实高庙子膨润土的热传导性能

采用基于热探针法的热传导仪,研究了作为我国高放废物深地质处置首选缓冲/回填材料的内蒙古高庙子钠基膨润土和膨润土–石英砂混合材料的热传导特性,探讨了含砂量、干密度和含水率等因素影响,并运用多种热传导模型进行了预测对比分析。结果表明:高压实高庙子膨润土及膨润土–混合物的热传导系数均随干密度和含水率的增大而增大;在不同的干密度条件下,混合物的热传导系数均随含砂量的增加而增大,且干密度越大,热传导系数随含砂量的增加越明显;含水率不为零时,膨润土–砂混合物的热传导系数随含砂量的增加而增大;烘干试样(含水率为零)在石英含砂量为0～30%的范围内,混合物中石英砂的比例越大,热传导系数越高,石英砂比例为50%时,热传导系数有所下降。Kahr方程能较好地预测高庙子膨润土的热传导系数;Fricke方程预测的高庙子膨润土–砂混合物热传导系数与实测值拟合较好,可用于高庙子膨润土–砂混合物热传导系数的预测。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

自由膨胀条件下高压实砂–膨润土混合物非饱和渗透特征

选择合适的配合比,使得膨润土–石英砂混合物在增加导热性能和强度的同时,又能满足渗透性要求并维持适当的膨胀力,是混合型缓冲/回填材料研究的关键。采用瞬时截面法,通过试验研究了干密度1.9 g/cm³、配合比为7∶3的高庙子膨润土–石英砂混合物的非饱和渗透特性。结果表明,所测非饱和渗透系数主要集中在2.1×10^-15～1.0×10^-13 m/s,且趋势上随吸力的增大而减小但变化较为平缓;与自由膨胀条件下、纯膨润土试样的非饱和渗透系数相比,混合物渗透系数稍有增大,但变化幅度不太明显。石英砂的加入,改善了混合物的导热性能,且仍然基本符合缓冲/回填材料的低渗透性要求。     

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.     

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.     

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。     

石英砂掺量对膨润土–砂混合物泥浆样干缩开裂的控制机制

高放废物地质处置工程中,膨润土–砂混合物作为缓冲回填材料的干缩开裂特征对工程屏障的安全性有重要影响。以混合型缓冲回填材料为研究对象,分别制备掺砂率为0%～50%膨润土–砂的浆状试样,通过室内恒温干燥试验,研究混合物的干缩开裂特征。结果表明:当掺砂率小于30%时,混合物的收缩曲线与径向应变曲线均基本重合,石英砂悬浮在膨润土中,混合物的干缩开裂特性由膨润土决定;当掺砂率大于30%时,混合物中石英砂逐渐相互接触,增加了颗粒间的摩擦力且有大孔隙形成,进而能够抑制混合物的干缩开裂。石英砂颗粒的相互接触显著提高了混合物进气值,略微提高了缩限,限制了混合物的干燥收缩。大孔隙的形成导致毛细水作用力的降低;颗粒间摩擦力的增加,增强了混合物抵抗断裂的能力,进而抑制了混合物干燥裂隙的发展。最终确定了抑制膨润土–砂混合物干缩开裂的最低掺砂率为30%。