集成回填材料的壓縮性能研究

范 香，易發成，朱寶龍

（西南科技大學，四川 綿陽 621010）

集成回填材料的壓縮性能研究

范 香，易發成，朱寶龍

（西南科技大學，四川 綿陽 621010）

緩沖材料是高放廢物深地質處置多重屏障系統中非常重要的一道人工屏障，通過研究一定配比的集成回填材料在不同含水量條件下的壓實成型性、不同壓實干密度和不同含水量壓實樣品的無側限壓縮性能，認為：含水量為15%的集成回填材料壓實成型性最好,含水量為20%次之，壓實干密度越大，無側限抗壓強度越大；在無側限壓縮實驗時，含水量為20%的高密度壓實回填材料樣品比含水量為10%和15%的樣品的抗壓強度小，變形大。

集成回填材料；壓實成型性；抗壓強度；彈性模量

1 引言

隨著核工業的發展和人類核安全意識的增強，安全處置高放廢物已成為核工業可持續發展、保護人民健康和保護環境的一項長期戰略任務[1]。深地質處置是目前被國際上公認的處置高放廢物的有效方法[2,3]。根據深地質處置多重屏障體系的概念模式，其屏障體系由內到外依次為：固化體、廢物包裝容器、緩沖回填材料(人工屏障)、花崗巖等天然地質體(天然屏障)。其中，回填材料是一道重要的人工屏障，其作為廢物處置庫的工程阻擋層，填充在廢物罐和圍巖之間用于封閉處置庫、密封廢物處置區、填塞巖石縫隙、起著化學屏障與機械屏障的雙重作用，因此研究回填材料壓實膨脹性、低透水性和力學強度等很有意義。此外，鑒于目前國內外對單一礦物的研究較多，而對于復合礦物研究較少，因此開展集成回填材料的研究具有較大意義。回填材料必須壓實加工成一定的密度和形狀才能放入高放廢物處置庫中,成為合適的緩沖材料,將容器固定在一定的位置緩沖圍巖壓力對廢物罐的影響[4]。因此,必須研究膨潤土的壓實成型性和力學性能。

2 實驗材料

實驗所用原材料由新疆阿爾泰膨潤土(Ca基)、新疆沸石、四川江油黃鐵礦按一定的配比組合而成。其中新疆阿爾泰膨潤土為淺灰白色，礦床地處新疆準噶爾盆地北部邊緣，位于塔城地區和布克賽爾縣境內。該礦賦存于白堊系上統艾里克湖組地層中，屬內陸湖相沉積型礦，是目前我國和世界上發現儲量較大的膨潤土礦床。由X-射線衍射試驗新疆阿爾泰膨潤土主要礦物為蒙脫石，且含量較高，含有少量α-石英，樣品的陽離子交換容量為65.20mmol/100g，膠質價＞100mL/15mg，膨脹容為14mL/g，膨脹值為7.33mL/g，pH值8.45。顆粒密度2.66g/cm3，自然風干狀態下含水量14.47%，吸水率＞300%，塑限26.3%，液限59.7%，塑性指數33.4，由于其特殊的物化及工程性能在本次實驗作為主要實驗基材。

新疆沸石主要為板狀、片狀、針狀。由X-射線衍射試驗可知沸石主要礦物組成為絲光沸石、斜發沸石、葉沸石、石英,含少量蒙脫石、長石、水云母。由于沸石的陽離子交換容量遠遠超過新疆膨潤土礦(65.2mmol/100g)，表明該沸石的陽離子交換吸附性能明顯優于新疆膨潤土礦。但沸石具有多孔的特點，隔水性差，需要添加膨潤土來提高其隔水性，阻止地下水進入廢物容器罐，防止放射性核素隨地下水遷移、擴散。回填材料放到地下幾千米，核素釋放出來的能量很難從廢物灌中散熱出來，而硫鐵礦有很好的導熱性能解決此問題。因此，根據不同礦物材料在性能上的互補性，按一定的配比組合從而較好的發揮三種材料的優越性能，達到優化集成。

將三種天然樣品自然風干，粉碎為200目，將膨潤土、沸石、黃鐵礦按一定比例混合，預制所需干密度和含水率的樣品。

3 壓實成型性

制備不同含水率和不同密度的壓實樣品的方法為:根據試驗所需的土量與含水率，計算制備試樣所需的加水量；天然風干樣品加水后充分攪拌，土樣置于盛土器具中密封潤濕48h備用；根據體積及所需的干密度，計算制樣所需的濕土量；將預定干密度所需濕土倒入壓樣裝置內(圖1)。實驗采用液壓萬能試驗機，加載速率為0.5mm，試樣品為扇形圓環，外半徑70mm，內半徑30mm，高度20mm。試驗預定含水量分別為(%)：10、15、 20、25，預定壓實干密度分別為1.5、1.7、1.9g/cm3。

試驗表明，壓制預定干密度的樣品所需的壓制載荷與含水率和壓制時間有關(圖2)。在相同壓制時間條件下，壓制干密度小于1.9g/cm3的樣品，含水率越大，所需的制樣載荷越小。

相同含水率的樣品，壓制密度越大，所需制樣載荷越大；壓制相同密度和含水率的樣品，制樣載荷增大，可縮短壓制時間，但樣品變形加快；相同含水率和壓制載荷作用下，隨壓制時間增大樣品壓實密度達到某值后就不再增大。

由于集成材料含有膨潤土，其壓實特性是由于蒙脫石具有吸水膨脹的結構所決定的。膨潤土的壓實性與含水量有關，壓制干密度小于1.7g/cm3的樣品，含水率越大越容易壓實；壓制高密度樣品時，含水量為25%的樣品在壓制載荷很低時就出現流變現象；15%和20%的樣品最容易壓實；含水量低于10%和高于25%的樣品很難壓制成高密度樣品。

4 回填材料無側限壓縮及變形試驗

4.1 試驗方法

本次試驗按壓樣法制備試樣，根據容積和所要求的干密度計算所需的濕土質量并將其倒人壓樣裝置內，通過電液伺服萬能實驗機壓緊到所需密度。抗壓強度測試所用儀器為液壓萬能試驗機，測試樣品直徑61.8mm，高50mm。壓實膨潤土無側限壓縮及變形試驗參照中華人民共和國行業標準《水利水電工程巖石試驗規程(SL264-2001)》。無側限壓縮及變形試驗加載速率為0.1～0.5mm/min。應變測量分別采用應變片法和應變計法。應變片法測定的應變為試樣中部的應變，應變計法測定的應變為試樣軸向的平均應變。應變片型號為BE120-6AA，電阻值R=119.6±0.1，靈敏度系數2.16±1%。室溫條件下，對集成回填材料的無側限抗壓強度隨干密度(1.5、1.7、1.9g/cm3)和含水率(10%、15%、20%、25%)的變化進行測試。制備預制干密度和含水率與壓實成型一樣。無側限抗壓強度計算公式：

式中：σc為試件無側限抗壓強度(MPa)；Pmax為試件最大破壞載荷(N)；A為試件受壓面積(mm2)。

彈性模量E、泊松比μ計算公式:

式中：E為試件彈性模量(MPa)；σc(50)為試件無側限抗壓強度的50%(MPa)；εh(50)、εd(50)分別為σc(50)處對應的軸向壓縮應變和徑向拉伸應變；μ為泊松比。

4.2 結果與討論

壓實回填材料無側限抗壓強度和彈性模量與含水量和壓實干密度有關(見下表)。

集成回填材料無側限壓縮性能

試驗表明，相同含水量的樣品，隨壓實干密度的增大，無側限抗壓強度明顯增大。相同壓實干密度的膨潤土，含水量為10%～15%時的無側限抗壓強度比含水量為20%無側限抗壓強度大(圖3)；相同含水量的樣品，隨壓實干密度的增大，彈性模量增大(圖4)。當含水量低于20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大有增大的趨勢；但當含水量為20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大沒有明顯增大，反而有下降趨勢。有實驗發現，應變片法(B)測出的彈性模量比應變計法(A)測出的彈性模量要明顯大，因為應變片粘貼于樣品的中部，而無側限壓縮時樣品中部的變形最大，應變計測得的應變為整個樣品的平均應變。

含水量為20%和15%時，泊松比隨著干密度的增大而增大，但當含水量為10%時，泊松比隨干密度的增大為減小(圖5)。說明壓實回填材料隨含水量增大，軸向塑性變形增大。

5 結語

相同含水率的樣品，壓制干密度越大，所需制樣載荷越大；壓制相同密度和含水率的樣品，制樣載荷增大，可縮短壓制時間，但樣品變形加快；相同含水率和壓制載荷作用下，隨壓制時間增大樣品壓實干密度達到某值后就不再增大。

試驗表明，相同含水量的樣品，隨壓實密度的增大，無側限抗壓強度明顯增大。相同含水量的樣品，隨壓實干密度的增大，彈性模量增大；當含水量低于20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大有增大的趨勢；但當含水量為20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大沒有明顯增大，反而有下降趨勢。

[1]劉月妙,蔡美峰,等.高放廢物地質處置庫預選緩沖材料壓縮性能研究[J].鈾礦地質,2007,(2):91-95.

[2]周文斌,劉曉東,等.乏燃料和高放及α廢物地質處置[M].北京:原子能出版社,1999:97-102.

[3]王駒.世界放射性廢物地質處置[M].北京:原子能出版社,1999:48-58.

[4]AECL.The disposal of Canada’s nuclear fuel waste: engineered barriers alternatives[R].AECL-10718,1994.216-228.

Compressibility of Integrated Backfill Material

Fan Xiang, Yi Facheng, Zhu Baolong
(Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Buffer material layer is one of the important engineering barriers in the high-level radioactivewaste (HLW)geologcal repository. Compressibility of the certain ratio of integrated backfill material with different water content and different compacted density has been studied. It is found that the certain ratio of integrated backfill material with 15% water content is easily to be compacted to high density. 20% is the second. The compacted integrated backfill with high density and 20% water content has low uniaxial strength and more train than that of 10% and 15% water content.

integrated backfill material; compressibility; uniaxial strength; modulus

P619.255;X771

A

1007-9386(2010)02-0015-03

國家自然科學基金項目(項目編號:10378028;A3120080126)。

2009-12-25