膨潤土-砂混合型緩沖/回填材料研究現狀與展望

汪 龍，方祥位,申春妮，李春海

膨潤土-砂混合型緩沖/回填材料研究現狀與展望

汪 龍1，方祥位1,申春妮2，李春海1

（1后勤工程學院巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室，重慶 401311；2重慶科技學院，重慶401331）

高放廢物處置中，膨潤土-砂混合型緩沖/回填材料力學性質的研究對高放廢物地下處置庫的建設具有重要意義。在總結國內外緩沖/回填材料研究現狀和成果基礎上，該文認為試驗儀器的研制、開發添加不同材料的混合材料、考慮高溫-高壓-高吸力條件的試驗研究、模型試驗、熱-水-力-化耦合模型的建立和數值分析是今后一段時間內混合型緩沖/回填材料研究的重點。

高放廢物；混合型；緩沖/回填材料；力學性質

引言

核能作為清潔高效的能源在世界各國的能源構成中所占比例正不斷增加，核技術不斷在國防工業、民用、農業、醫學等許多領域得到廣泛應用。但隨著核工業的發展，高放射性廢棄物的安全處置成為制約核工業可持續發展的新的瓶頸。從上世紀50年代研發核武器開始，我國已存放了大量的高放射性廢棄物[1]。近年來，隨著國民經濟的蓬勃發展，能源短缺問題日益嚴峻，使得我國越來越重視核能的利用和發展。如何安全處置核廢物是一個與核安全同等重要的問題，是確保我國核工業可持續發展、國土安全、環境安全和建設社會主義和諧社會的重大問題。

高放射性廢棄物（HLW）是一種放射性強、毒性大、半衰期長的核素。目前認為，深部地質處置是高放廢物與人類生存環境長期、可靠隔離可行性最好的處置方案[2]。緩沖/回填材料是指高放廢物暫存和深部地質處置庫中填充在廢物容器之間以及廢物容器與圍巖之間的材料，是高放廢物處置庫安全運行的重要保證。緩沖/回填材料需要滿足低滲透性、高膨脹性、自封閉性、高吸附性和良好的熱傳導性等要求，從而阻止放射性核素向自然環境的遷移。膨潤土因具有極高的膨脹性、極低的滲透性是理想的緩沖/回填材料的主料。但純膨土存在兩個難以克服的弊端：一是純膨潤土熱傳導性低不利于輻射熱的散發；二是純膨潤土塑性過高導致可施工性差。相反，向膨潤土中添加一定量的石英砂組成混合型緩沖/回填材料在不顯著降低膨潤土主料的防滲性能、吸附性能的前提下，可以明顯提高其熱傳導能力和力學強度，同時也不會明顯降低其膨脹自愈性能[3]。

深部地質處置工程屏障體系中，在膨潤土主料中添加石英砂，優化高性能的混合型緩沖/回填材料，是世界上主流研究開發的方向。對膨潤土摻砂組成的混合型緩沖/回填材料進行試驗研究，不僅可以研究其水、力學性質，也可為地質處置庫的建設提供科學的依據，這對核廢物的地質處置具有重要意義。

1 國內外對緩沖/回填材料力學性質研究概況

緩沖/回填材料力學性質的研究是隨著人們對高放廢物安全處置問題的日益關注而展開的，從提出膨潤土是合適的緩沖/回填材料到后來研究發現添加一定配合比的石英砂可以更好地發揮其力學性質，世界主要核能利用國家均對緩沖/回填材料進行大量的試驗研究，對緩沖/回填材料的力學性質有了一定的了解。如日本用Kunigel-Vl膨潤土添加30%石英砂，加拿大按5:5的比例向Avonseal膨潤土添加石英砂，美國向MX-80膨潤土添加10～15%比例的石英砂，比利時向純膨潤土中同時添加了5%的石墨、35%的石英砂等，并對上述組成的緩沖/回填材料進行了試驗研究。

1.1 國際上對緩沖/回填材料的研究

國際上對非飽和膨潤土或膨潤土-砂混合型緩沖/回填材料力學性質的研究較早，取得了一定的研究成果。在緩沖/回填材料的水力性質研究方面，G.X.Tang等[4]通過濾紙法研究了摻砂比例為50%混合物在不同溫度下土水特征曲線的規律和不同溫度下吸力、應力和強度之間的關系。A.C.Jacinto等[5]研究了MX-80膨潤土在不同溫度和干密度下的持水曲線，建立了考慮溫度影響的修正的van Genuchten土水特征曲線模型用來分析膨潤土的熱-水-力耦合作用。E.E.Alonso和M.V.Villar等[6-7]利用水汽平衡法研究了壓實FEBEX膨潤土在不同溫度和干密度的土水特征曲線的規律，G.F.N.Gitiranar等[8]研究了膨潤土土水特征曲線方程的影響因素。在測試混合物的土水特征曲線時，缺少同時考慮不同溫度和不同摻砂率對混合物的持水能力的影響，不能為預測混合物的滲透性和強度提供可靠的依據。

緩沖/回填材料的膨脹性質和強度等力學性質研究方面，Z.G.KALP等[9]通過試驗研究了高摻砂率（70%～85%）的膨潤土加砂混合物膨脹特性和壓實特性。Graham等[10]通過三軸試驗對膨潤土加砂混合物的強度和體積變化進行了研究。S.K. Vanapalli等[11]運用塑限和含水量的變化建立了可預測膨脹力的經驗公式。Hussain等[12]通過壓縮試驗對膨潤土加砂混合物的膨脹和壓縮特性進行了研究。A.Lloret等[13]研究了FEBEX膨潤土的結構特點、持水能力、滲透性、膨脹性質和力學性質對膨潤土的熱-水-力耦合（THM）作用。S.M.Shirazi等[14]通過試驗研究了不同溫度和干密度對壓實膨潤土的膨脹力特征的影響，建立了預測膨脹力特征的方程。W.Baille等[15]通過室內固結試驗研究了膨潤土膨脹力和一維狀態下最大膨脹力與含水率、干密度和壓實度之間的關系。E.Castellanos等[16]通過實驗研究了鹽溶液對高密度FEBEX膨潤土水力特性的影響，研究結果發現，在恒體積膨脹儀中鹽溶液可以明顯提高膨潤土的膨脹力，高壓實飽和膨潤土的水力傳導能力隨著鹽溶液濃度升高而增長，尤在低吸力段表現更為明顯。上述對緩沖/回填材料膨脹特性的研究主要集中在一維狀態的膨脹力，但在實際地質處置庫中緩沖/回填材料處于三維狀態，因此有必要研究材料三向膨脹力特性，同時根據試驗得到的本構模型適用條件有限。

1.2 國內對緩沖/回填材料的研究

我國參考世界發達國家對高放廢物處置的經驗，擬定用膨潤土作為我國處置庫的緩沖/回填材料的基材，現已選定內蒙古高廟子膨潤土礦床為我國高放廢物處置庫緩沖/回填材料的首選礦床，全國廢物地下處置研討會已成功舉行4屆，綜合會議情況，我國對緩沖/回填材料的研究投入比較大，研究內容也日益豐富。

在純膨潤土力學性質研究方面，劉月妙等[17]研究了高廟子膨潤土的礦物組成、物理化學性能、物理水理性質等，確定了高廟子膨潤土的礦物成分和基本力學性質。葉為民等[18-19]試驗研究了高壓實純膨潤土的膨脹力特性、微觀結構變化特征和持水曲線特征，得到了膨脹力與干密度和時間的變化規律和壓實試樣的持水能力，建立了相應的土水特征曲線公式，可以較好地用來分析預測膨潤土的性質。秦冰等[20]通過實驗研究了高廟子膨潤土脹縮變形特性，試驗研究結果表明，干密度、豎向壓力、浸泡溶液及其濃度均對膨潤土的膨脹變形有顯著影響，在加卸載循環過程中，既表現出塑性壓縮變形，亦存在塑性膨脹變形。陳寶等[21-22]通過試驗研究了堿性孔隙水對高廟子膨潤土的滲透侵蝕，發現堿性孔隙水長期入滲會對膨潤土產生溶蝕作用，降低膨潤土的膨脹性能，同時接縫的存在導致膨潤土的膨脹力減小、滲透性增大，最終導致緩沖/回填材料的封閉性能降低。通過對純膨潤土的試驗研究有助于了解膨潤土的性質，這對緩沖/回填材料的研究有重要作用，同時也可為混合型緩沖/回填材料的力學性質的研究提供參考。

在膨潤土-砂混合型緩沖/回填材料研究方面，Sun等[23-24]通過實驗研究了膨潤土加砂混合物膨脹力的影響因素、持水曲線特點和壓縮試驗。張虎元等[25-26]通過試驗研究了膨潤土加砂混合物膨脹力發展規律、滲透系數和體積膨脹變化和土水特征曲線，提出了有效黏土密度概念，并建立了相應的經驗模型公式。孟德林等[27]在低吸力段對不同配合比的高廟子膨潤土與砂混合物進行試驗，發現了配合比和空隙比與土水特征曲線之間的關系。李培勇等[28]通過一維有荷膨脹試驗研究了摻砂率為1:1的混合物的膨脹特性，建立了膨脹應變與軸向應力和吸水量三者之間的關系式。劉泉聲等[29]通過室內試驗研究均發現膨脹力與蒙脫石含量之間存在一定的關系，建立了以蒙脫石填充率為試驗參數的經驗模型，用于分析砂-膨潤土的膨脹力性質。孫文靜等[30]研究了飽和膨潤土與砂混合物的壓縮變形特性，發現在較高壓力時浸水飽和的試樣和抽真空飽和的試樣壓縮曲線趨于一致，得出混合物飽和試樣的壓縮指數與純膨潤土的壓縮指數關系。崔素麗等[31-32]對膨潤土-砂混合物壓實試樣進行室內試驗，研究了混合物的膨脹性質，得出膨脹率與摻砂率、干密度、時間和蒙脫石質量比率的變化規律。胡畔等[33]運用膨脹儀對膨潤土加砂混合物進行膨脹特性的試驗研究，得出了膨脹力隨時間的變化規律、兩向膨脹力之間關系和膨脹應變與時間及吸水量之間的關系。劉泉聲等[34]通過室內試驗研究均發現膨脹力與蒙脫石含量之間存在一定的關系，建立了以蒙脫石填充率為試驗參數的經驗模型來分析砂-膨潤土的膨脹力性質。

上述試驗結果從不同方面研究了非飽和膨潤土和膨潤土-砂混合型緩沖/回填材料力學性質，但還存在試驗設備沒有統一規范，對緩沖/回填材料的滲透性研究較少，特別是滲氣系數的測試和滲氣規律的研究，缺乏對不同摻砂率和溫度條件下的緩沖/回填材料力學性質的系統研究等不足。

2 緩沖/回填材料研究展望

使用純膨潤土作為緩沖/回填材料，存在許多難以克服的弊端，如熱傳導性低不利于輻射熱的散發、塑性過高條理性差、膨脹變形過大。膨潤土中添加一定量的輔助材料組成的混合物能夠提高緩沖/回填材料的熱傳導性能和力學強度，混合型緩沖/回填材料將是今后研究的主要方面。

（1）用于研究非飽和混合型緩沖/回填材料力學性質的試驗儀器設備的研制。對混合型緩沖/回填材料的試驗研究要考慮高放廢物輻射熱所產生的高溫（超過100℃）而帶來的溫度效應，對目前的試驗儀器和設備進行研制和改進，進而考慮溫度對緩沖/回填材料力學特性的影響。緩沖/回填料材在遇到地下水滲透時將產生巨大的膨脹力和膨脹變形，這些問題都大大超出現有非飽和土力學試驗儀器的試驗范圍，因此急需要對目前如固結儀、非飽和三軸儀、滲透儀、脹縮儀等進行研制和改進，以達到試驗研究的目的。

（2）目前在混合材料的研究開發方面主要集中在以膨潤土為主料添加石英砂來改變提高緩沖/回填材料的力學特性，輔助材料的選取相對比較單一。參考發達國家經驗對輔助材料的選擇可以從多個方面出發，如添加一定量的石墨和石英砂、沸石、碎石、黃鐵礦等其他材料共同研究開發出高性能的混合材料。

（3）限于試驗設備條件，緩沖/回填材料目前的研究主要集中在“常溫低壓低吸力”狀態，在考慮緩沖/回填材料在地質處置庫中實際條件“高溫高壓高吸力”后，目前的試驗研究成果能否為地質處置庫的建設提供科學可靠的依據是一個很大的疑問。通過添加石英砂等輔助材料，研制試驗儀器和設備，研究“高溫高壓高吸力”條件下對混合材料脹縮性質、強度性質等力學性質的影響，建立相應的可預測“高溫高壓高吸力”的經驗公式和本構模型，為地質處置庫建設和運行過程中的功能評價提供科學可靠的依據。

（4）目前試驗所用試樣尺寸都是按室內試驗標注進行的，這與地下室試驗以及現場原位試驗中存在很大的尺寸差異，試驗結果對建立評價實際運行狀態處置庫將產生很大的差異。因此，在室內試驗的基礎上，結合其他參數指標，優化摻砂率、干密度、初始含水量和試塊的尺寸，對其力學性質進行放大試驗。

（5）在輻射熱、地下水和氣態水、脹縮變形、礦物離子和高濃度的酸堿溶液在滲透過程中對混合材料的影響等復雜的熱-水-力-化耦合作用下，緩沖/回填材料的性能將發生復雜的變化，建立熱-水-力-化耦合模型來綜合分析緩沖/回填材料的力學性質至關重要。通過現場原位試驗和建立地下實驗室研究混合材料的性質存在很高風險和技術成本，利用數值模擬試驗分析混合材料處于復雜的熱-水-力-化耦合作用下的力學性質是切實可行的，但目前還沒有熱-水-力-化耦合模型可以完全反映混合材料的力學性質，而且模型的參數的獲得難度較大。因此，利用有限元分析混合材料熱-水-力-化耦合作用是一個重要的研究方向。

3 結語

高放廢物深地質處置中緩沖/回填材料的研究是一個十分重要而復雜的課題，本文簡要介紹了國內外在緩沖/回填材料力學性質的研究成果和進展，提出了今后研究開發的重點，希望推進此項研究，為我國高放廢物地質處置庫的建設提供科學可靠依據。

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責任編輯：孫蘇

梁側面腰筋的設置

《混凝土結構設計規范》規定，當梁的腹板高度hw≥450mm時，在梁的兩個側面應沿高度配置縱向構造鋼筋，每側縱向構造鋼筋(不包括梁上、下部受力鋼筋及架立鋼筋)的截面面積不應小于腹板截面面積6k的0.1%，且間距不宜大于200mm。工地上常把這種構造鋼筋稱為腰筋。

這里所指的腹板高度，對于矩形截面來說，取有效高度；對于T形截面來說，取有效高度減去翼緣高度；對于工形截面來說，取腹板凈高。在梁的設計和施工中執行這一規定時，卻發現了一個新問題：比如說，某一現澆鋼筋混凝土梁板結構，梁高h=600mm，梁寬為200mm，翼緣高度(板厚)為120mm，此時梁的有效高度ho=565mm，則腹板高度為k=565mm-120mm=445 mm<450mm。根據規范要求，梁的兩個側面可不設構造鋼筋。

但是，如果把現澆板的厚度減至110mm，此時，腹板高度k=565mm-110 mm=455 mm>450mm，按規范規定，梁的兩個側面應設置腰筋，每側腰筋的截面面積應不小于bhw×0.1%=91mm2，取2Φ8，截面面積為101mm2。如果梁寬為300mm，則需配筋2Φ100。

在遵守規范的同時，不免引起人們的思考，以避免和防止上述配筋的寒變和跳躍。如果參考《混凝土結構設計規范》的規定，"當梁的截面高度超過700mm，在梁的兩側沿高度每隔300～400 mm，應設置一根直徑不小于10mm的縱向構造鋼筋"，把現行規范中的"間距不宜大于200mm，改為"當600mm≤h<700mm，縱向構造鋼筋間距不宜大于300mm；當h≥700mm時，縱向構造鋼筋間距不宜大于200mm"。這樣分段處理的方法，不但避免和防止了上述腰筋的設置突變和跳躍，做到梁高較小時對于腰筋的設置要求可寬松些，對于梁高較大時對于腰筋的設置要求嚴格些，而且這種區別對待有利于鋼筋的合理使用和節約鋼材。

鑒于大截面尺寸的現澆鋼筋混凝土梁日益增多，而梁截面尺寸較大時，又有可能在梁側面產生垂直于梁軸線的收縮裂縫的情況下，規范關于設置腰筋的規定，對防止和減小梁側面收縮裂縫的產生，具有很大的現實意義。

（摘自：《建筑工人》。 作者：邱玉深）

（敬請作者速與本刊編輯部聯系，以便付酬）

Research Status and Prospect of Bentonite-sand Mixtures as Buffer/Backfill Material

Research into the mechanical properties of bentonite-sand mixtures as buffer/backfill material plays an important role in the construction of underground disposal house for high-level radioactive waste(HLW).Based on the research status and fruits of buffer/backfill material at home and abroad, key points of future research should be the development of test equipment,auxiliary materials with different additions，consideration of the experiment under high temperature-pressure-suction conditions，model test，establishment of thermal-hydraulic-mechanical-chemical coupling model and numerical analysis.

high-level radioactive waste；bentonite-sand mixtures；buffer/backfill material；mechanical properties

TU47

A

1671-9107（2013）03-0023-04

基金論文：該文為總后勤部基建營房部資助項目（BY211C014）論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.03.023

2012-12-26

汪龍（1988-），男 ，湖北房縣人，碩士研究生，主要從事特殊土與地基處理研究。