不同條件下集成緩沖材料導(dǎo)熱系數(shù)的研究

劉延　王哲　易發(fā)成

摘 要：緩沖材料是高放廢物處置庫的最后一個(gè)人工屏障，其導(dǎo)熱性是評(píng)估整個(gè)處置庫熱導(dǎo)性能的重要參數(shù)。文章則是針對(duì)緩沖材料在不同的含水率、干密度及不同含量條件下，采用基于瞬變平面熱源法的Hot Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)集成緩沖材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，集成緩沖材料的導(dǎo)熱系數(shù)與添加劑含量呈正比例增大，與含水率和干密度含量呈正相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：不同含水率；干密度；添加劑；集成緩沖材料；導(dǎo)熱系數(shù)

中圖分類號(hào)：TL942 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）32-0026-02

Abstract： Cushioning material is the last artificial barrier of high-level radioactive waste repository， and its thermal conductivity is an important parameter to evaluate the thermal conductivity of the whole repository. In this paper， Hot Disk thermal constant analyzer based on transient plane heat source method is used to study the thermal conductivity of integrated cushioning materials under different moisture content， dry density and different contents. The results show that the thermal conductivity of integrated cushioning materials is better than that of integrated cushioning materials. The thermal conductivity of the integrated cushioning material increases in direct proportion to the additive content， and it is positively correlated with the moisture content and the dry density content.

Keywords： different moisture content； dry density； additive； integrated cushioning material； thermal conductivity

1 概述

隨著核能技術(shù)的發(fā)展，不可避免地產(chǎn)生了大量的高放廢料，對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅。然而，當(dāng)高放廢物處置庫關(guān)閉并投入運(yùn)營后，高放廢物固化體內(nèi)的放射性核素會(huì)發(fā)生衰變并產(chǎn)生熱量，如果這些增生熱量不能及時(shí)傳遞到處置庫圍巖中，則將會(huì)對(duì)緩沖材料產(chǎn)生熱應(yīng)力影響，這可能導(dǎo)致緩沖材料內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，進(jìn)而會(huì)對(duì)緩沖材料功能的有效性產(chǎn)生影響，因此，在設(shè)計(jì)高放廢物處置系統(tǒng)時(shí)必須考慮熱緩沖材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。目前，國內(nèi)外對(duì)于緩沖材料導(dǎo)熱性的研究較多，并且主要是以膨潤土和基于膨潤土的混合型緩沖材料的導(dǎo)熱性開展的研究。崔玉軍[1]等探討了干密度、含水率、飽和度與MX80膨潤土導(dǎo)熱系數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，建立了導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙氣體體積的線性方程；Pacavsky[2]的研究表明干密度和含水率是影響導(dǎo)熱系數(shù)的重要參數(shù)；劉月妙[3]和謝敬禮等[4]認(rèn)為緩沖材料的導(dǎo)熱性能與其含水量、干密度、礦物組成和微結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)材料選擇

目前，國內(nèi)外緩沖材料的構(gòu)成大都以膨潤土為主，且緩沖材料中膨潤土含量一般不低于50%，添加劑主要以石英砂為主，摻入量不超過50%。此外，在劉月妙對(duì)高廟子鈉膨潤土的理化性質(zhì)研究中，建議密實(shí)干密度為1.6g/cm3，膨潤土含水量為10%～15%。而崔素麗[5]和梁健等通過對(duì)膨潤土、石英砂的配比合理優(yōu)化研究，得出混合物材料的合適干密度為1.6至1.8g/cm3。

本次實(shí)驗(yàn)研究以新疆阿爾泰膨潤土為主料，沸石為輔料，鑒于以上研究觀點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)膨潤土含量不低于60%，然后以不同含量的黃鐵礦為添加劑，以確定添加劑量的變化對(duì)緩沖材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響并確定該黃鐵礦的最優(yōu)添加量；其次以不同含水率和干密度的緩沖材料為基礎(chǔ)，研究含水率及干密度對(duì)集成緩沖材料導(dǎo)熱性的響應(yīng)特征，不同黃鐵礦、含水率及干密度的選取如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

按照以含水率為14%、干密度為1.7/cm3，并以烘干過200目篩后膨潤土、沸石和黃鐵按表2中的比例混合，然后進(jìn)行濕化處理，將均勻濕化后的緩沖材料裝入內(nèi)徑Ф=61.8mm，高度H=25mm的壓樣模具內(nèi)，然后用微機(jī)控制電液式壓力試驗(yàn)機(jī)（YAW-300）以2kN/s的加載速度逐漸施加荷載至最終荷載50MPa后飽載10min，脫模后密封備用，再用同樣的方法壓制相同的另一塊試樣。再然后采用基于瞬變平面熱源法的 Hot Disk熱常數(shù)分析儀（TPS2500 S，Hot Disk AB Co， Ltd.），并將雙螺旋結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺薄膜探頭置于兩塊壓實(shí)試樣中間后開機(jī)測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析黃鐵礦添加量與導(dǎo)熱性之間的響應(yīng)特征。

4 結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到不同黃鐵礦的添加量對(duì)集成緩沖材料B-Z的導(dǎo)熱系數(shù)的影響特征圖，如圖1所示。

從圖中不難看出，當(dāng)黃鐵礦加入量為0～6%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)增加的快且明顯，當(dāng)加入量為6～10%時(shí)，隨著黃鐵礦的添加，導(dǎo)熱系數(shù)的升高趨勢(shì)逐漸變緩，當(dāng)黃鐵礦加入量大于10%，小于16%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)的變化曲線處于平穩(wěn)狀態(tài)，不在隨著黃鐵礦量的添加而增大。由此也可以看出，黃鐵礦含量為10%時(shí)，即是該黃鐵礦的最優(yōu)添加量。

選出黃鐵礦含量為10%，即在導(dǎo)熱系數(shù)最優(yōu)狀態(tài)下的集成緩沖材料導(dǎo)熱特性與其不同干密度、含水率條件下的變化關(guān)系圖，如圖2所示。

從圖中可以看出，當(dāng)含水率相同條件下，干密度在1.3～1.8g/cm3范圍內(nèi)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著干密度的增加而增大；當(dāng)干密度相同條件下，含水率在11%～20%范圍內(nèi)，集成緩沖材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水率的增加而增大。

5 結(jié)束語

通過對(duì)緩沖材料不同的含水量、干密度、以及不同礦物含量條件下利用Hot Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)集成緩沖材料的導(dǎo)熱性能研究，可以得出結(jié)論為：黃鐵礦添加量在0～15%范圍內(nèi)時(shí)，集成緩沖材料的導(dǎo)熱系數(shù)與添加劑呈正比例增大，黃鐵礦的最優(yōu)添加量為10%。干密度在1.3～1.8g/cm3范圍內(nèi)，含水率在11%～20%范圍內(nèi)時(shí)，集成緩沖材料的導(dǎo)熱系數(shù)與兩者呈正相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔玉軍，陳寶.高放核廢物地質(zhì)處置中工程屏障研究新進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（4）：842-847.

[2]Pacovsky J.Some results from geotechnical research on bentonite[C].CTU Reports-Experimental Investigation of Building Materials and Technologies，2002，[S.l.]：[s.n]：107-116.

[3]劉月妙，蔡美峰，王駒.高放廢物處置庫緩沖材料導(dǎo)熱性能研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（S2）：3891-3896.

[4]謝敬禮，劉月妙，周宏偉.砂-膨潤土混合物熱傳導(dǎo)特性研究[A].巖石力學(xué)與工程的創(chuàng)新和實(shí)踐：第十一次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2010：439-444.

[5]崔素麗，張虎元，梁健，等.膨潤土-砂的膨脹特性與蒙脫石質(zhì)量比率[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36（4）：95-99.