高放廢物處置庫中膨潤土性質(zhì)研究進(jìn)展＊

陳經(jīng)明，李尋，羅躍，周澤超

高放廢物處置庫中膨潤土性質(zhì)研究進(jìn)展＊

陳經(jīng)明，李尋，羅躍，周澤超

（東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

膨潤土作為中國高放廢物深地質(zhì)處置庫緩沖回填材料的首要選擇，引起了中國國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱情?？偨Y(jié)了前人對膨潤土的物理、化學(xué)性質(zhì)研究的內(nèi)容及意義，展望了膨潤土作為處置庫緩沖回填材料未來可能的研究方向。

膨潤土；高放廢物處置庫；緩沖回填材料；膨脹性

1 引言

膨潤土遇水會膨脹的特性成為高放廢物深地質(zhì)處置庫的首選緩沖回填材料。高放廢物是指核反應(yīng)堆乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液及其固化體。接下來討論發(fā)生在回填材料（膨潤土）中物理和化學(xué)問題的研究進(jìn)展。

2 回填材料（膨潤土）中物理和化學(xué)問題的研究進(jìn)展

從中國開展高放廢物深地質(zhì)處置工作開始就將膨潤土確定為處置庫的緩沖回填材料[1]。在1994—1996年期間開展了膨潤土礦床篩選工作，期望篩選出適宜中國處置庫的膨潤土，并且設(shè)想今后關(guān)于緩沖/回填材料的所有工作將圍繞該膨潤土進(jìn)行。并且確定將高廟子膨潤土作為中國深地質(zhì)處置庫的緩沖回填材料的首選[2]。

后來大量學(xué)者對該場地膨潤土的含量、組分、礦物學(xué)特性、導(dǎo)熱性、巖石力學(xué)性質(zhì)、物理水理性、壓實(shí)膨脹性、核素吸附特性等進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究，為確認(rèn)該場地的膨潤土可以作為深地質(zhì)處置庫的緩沖回填材料提供了可靠的科學(xué)依據(jù)[3-4]。

2.1 物理性質(zhì)研究進(jìn)展

牛文杰等人模擬了非飽和條件下膨潤土的滲透特性，結(jié)果表明膨潤土的吸力分布與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果基本吻合，為處置庫中膨潤土的數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)[5]。劉泉聲等研究了砂-膨潤土混合物的膨脹力的影響因素，混合物的干密度、膨潤土百分比以及初始含水率對混合物的膨脹性起決定性作用[6]。葉為民等對高壓實(shí)膨潤土的膨脹力特性進(jìn)行了研究，高壓實(shí)膨潤土的膨脹性隨時間的演化趨勢為一條漸近線，但是膨脹力與時間卻存在明顯的線性關(guān)系；膨脹力演化曲線與含水量曲線有較明顯的滯后特性；高壓實(shí)膨潤土的膨脹力也與干密度之間存在一定的指數(shù)關(guān)系，因此認(rèn)為干密度是影響膨脹力的重要因數(shù)[7]。在混合型緩沖回填材料（膨潤土與石英砂混合物）中，根據(jù)膨潤土-石英砂的不同比例，膨潤土的防滲阻隔能力、熱傳導(dǎo)性能、力學(xué)強(qiáng)度等性能能夠達(dá)到最佳[8]。賴小玲等通過對比膨潤土在不同含水率和干密度情況下膨脹力時效性，在樣品干密度一定情況下初始含水率高或當(dāng)含水率固定時干密度越大，靜置時膨脹力的演化情況均隨時間衰減越明顯、時效性越強(qiáng)，同時結(jié)果也表明膨潤土中蒙脫石水化是導(dǎo)致膨脹性衰減的主要內(nèi)因[9]。劉龍波等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明膨潤土滲透系數(shù)受孔隙度及含水率的影響十分明顯，同時提出在工程中可以通過改變壓力和含水率使得膨潤土的滲透系數(shù)滿足工程要求；在砂-膨潤土混合物中，當(dāng)砂的比例小于70%混合物的滲透系數(shù)與純膨潤土相當(dāng)，在實(shí)際工程中可以用混合物替代膨潤土以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最佳[10]。張虎元等通過引入黏土巖有效干密度概念，探究干密度和含砂率共同作用下對滲透系數(shù)的影響，提出了不同壓實(shí)條件下的膨潤土-石英砂混合物滲透系數(shù)的預(yù)測關(guān)系式[11]。只要體積不變并且膨潤土的飽和度在70%～90%之間，膨脹力才具有實(shí)際價值和物理意義[12]。軸向應(yīng)力會對吸水量產(chǎn)生影響，并且軸向應(yīng)力與吸水量是負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)給定一個軸向應(yīng)力（大小、方向固定），實(shí)驗(yàn)樣品會達(dá)到飽和，膨潤土的本構(gòu)關(guān)系式在考慮了吸水量變化的情況下更加貼近膨潤土加砂混合物吸水膨脹的實(shí)際情況[13]。利用冰-土混合物制成的緩沖回填材料含水集中率高、可調(diào)節(jié)性好，此方法為膨潤土緩沖回填提供了新的參考[14]。

2.2 化學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展

中國關(guān)于膨潤土與處置罐的化學(xué)關(guān)系研究較少，膨潤土在不同的溶液中浸泡膨脹性能差異較大，將樣品由NaCl溶液換到蒸餾水中，膨脹變形量則小于直接在蒸餾水中浸泡的結(jié)果；將溶液由NaCl溶液換成蒸餾水樣品膨脹，溶液順序調(diào)換樣品則壓縮，Na+對膨潤土的化學(xué)性質(zhì)影響效應(yīng)較復(fù)雜。在深地質(zhì)處置庫中，堿性孔隙水在緩沖回填材料中的長期滲流會影響工程屏障的封閉性能，強(qiáng)堿溶液會將膨潤土中的蒙脫石溶解，使得其中部分雙電層結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致膨潤土的膨脹性能降低，并且這種溶蝕破壞與堿性溶液的濃度及膨潤土的孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。緩沖材料應(yīng)具備多種優(yōu)良特性，如為了緩沖應(yīng)力作用和保護(hù)處置罐的膨脹性能，但是在處置庫的進(jìn)場中，緩沖材料的作用主要是吸收高放廢物的輻射放熱。電子輻照?熱順序老化作用和γ-射線輻照?熱順序老化作用對不同膨潤土的吸水膨脹性能影響都較小。在大氣的作用下蒙脫石中的Na+、Ca2+、Mg2+發(fā)生離子交換作用溶解到孔隙水中，導(dǎo)致孔隙水的pH增大，引起長石、碳酸鹽雜志礦物的溶解，但是在一定物理、化學(xué)條件下會發(fā)生沉淀反應(yīng)，使得溶液中的離子重新組合生成沉淀物。

3 總結(jié)及展望

通過研究膨潤土的物理、化學(xué)性質(zhì)，可以清楚地認(rèn)識到膨潤土在不同物理化學(xué)條件下的性質(zhì)演化結(jié)果。從土力學(xué)的角度分析影響膨脹性的各種因素，可以為膨潤土作為緩沖回填材料提供可靠的科學(xué)依據(jù)。目前不論是物理性能還是化學(xué)性質(zhì)的研究均處于實(shí)驗(yàn)室階段，現(xiàn)場驗(yàn)證較少。中國對于處置庫工程屏障膨潤土的性質(zhì)研究由于條件的限制，處于數(shù)值模擬研究階段。今后對于膨潤土實(shí)驗(yàn)室和數(shù)值模擬研究，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目或中國北山核廢物處置庫的深地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。

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TL942

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.001

2095－6835（2019）13－0001－02

陳經(jīng)明（1994—），在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移。

國家自然基金資助項(xiàng)目“優(yōu)先流作用下非飽和多孔介質(zhì)中可移動膠體特征及對放射性核素遷移活化的影響研究”（編號：41761090）；國家自然基金資助項(xiàng)目“大亞灣海域表層沉積物中放射性核素60Co、137Cs、90Sr的賦存形態(tài)及其富集機(jī)制研究”（編號：11465002）；東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目“生物堆浸采鈾數(shù)值模擬及關(guān)鍵參數(shù)識別研究”（編號：NRE1612）；江西省教育廳基金項(xiàng)目“非飽和多孔介質(zhì)中可移動膠體特征及對放射性核素遷移活化的影響研究”（編號：20171ACB20021）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕