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。     

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。     

盐溶液中膨润土峰值剪切强度的计算方法

膨润土作为高放废物地质处置库的工程屏障材料,在高放废物储存罐与围岩间起缓冲作用,与地下围岩裂隙水接触,膨润土的剪切强度产生变化,危及核废物处置库缓冲层的安全。因此,计算盐溶液中膨润土的剪切强度对保障核废物处置库缓冲层安全具有十分重要的意义。利用双电层理论,从微观角度定性地解释了盐溶液浓度对膨润土峰值剪切强度影响的机理;根据膨润土在盐溶液中的应力平衡,提出考虑盐溶液的渗透吸力影响的修正有效应力概念,反映盐溶液浓度对膨润土强度的影响;基于膨润土表面的分形模型,导出与渗透吸力对应的修正有效应力的表达式,盐溶液的渗透吸力采用修正的Debye-Hückel公式计算;根据Mohr-Coulomb准则,膨润土在盐溶液中的峰值剪切强度(■)由修正有效应力(p~e)表示为统一线性关系:■。     

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。     

膨润土系隔离墙材料渗透特性研究综述

渗透特性是隔离墙材料的主要工程特征之一。根据大量文献中有关隔离墙材料渗透特性的相关报道,对比介绍了隔离墙材料渗透系数室内测试技术,总结分析了材料特性和化学溶液特性对渗透系数的影响规律。结果表明:渗透试验终止条件的合理选择对正确评价隔离墙材料长期渗透特性起决定性作用;级配较好的原位土可使材料渗透系数降低;渗透系数随膨润土掺量和双电层厚度增加而减小;溶液阳离子价数和离子浓度升高、溶液介电常数降低均可使渗透系数产生不同程度增大;膨润土预水化作用和离子水化半径对材料渗透特性的影响机制尚不完全明确。建议深入研究典型污染物和复合污染物与隔离墙材料间的相互作用,积极推广低质量膨润土及其改性土在中国隔离墙技术中的应用。     

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。     

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。     

膨润土中饱和渗透系数的计算

 当土工合成黏土衬垫用作垃圾填埋场衬垫时，渗滤液可能对其渗透性能产生重要的影响。为克服渗透试验可重复性差和试验时间长等缺点，从微观角度对土工合成黏土衬垫的饱和渗透系数进行研究。首先，以现有的膨润土微观结构的研究成果为基础，结合SEM方法对膨润土微观结构的分析结果，得出粒内孔隙比随CaCl2溶液浓度的变化规律。然后，将膨润土看作双重孔隙介质，推导出粒间孔隙内凝胶态蒙脱石矿物层间距离的计算公式。最后，根据Poiseuille定律，得到能够考虑CaCl2溶液浓度和孔隙比变化的膨润土饱和渗透系数的改进计算方法，并通过计算渗透系数与实测值的比较验证了这种渗透系数计算方法的有效性。结果表明，膨润土饱和渗透系数的变化是由表观孔隙率和凝胶体蒙脱石层间距离的共同作用引起的。     

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。     

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。