膨潤土作為緩沖材料的研究現狀及展望

范皓然，張佳佳，陳皓，范廣

（廣西大學 土木建筑工程學院防災減災研究所，南寧 530004）

0 引言

在核能被廣泛而深入應用的當代，隨著越來越多的核廢料的產生，如何處理高放廢物已經逐漸被廣大人民所關注。高放廢物是指含有放射性強、發熱量多、毒性大、半衰期長的核素的核廢料，為了人類的安全生存與發展，必須將其可靠地與人類隔離開來。各國學者關于如何處理高放廢物提出過多種方案，包括海洋處置、冰蓋處置、太空處置、海島處置、深部地質處置等等，但是經過大量的研究及討論，目前普遍認為深部地質處置是最可行的方法。緩沖/回填材料是指存在于廢物包裝容器與圍巖之間的材料，它必須具有自封閉性，高膨脹性，低滲透性，高吸附性，良好的熱傳導性等特點，從而保護核素不向外界遷移擴散，阻止地下水對廢物包裝容器的侵蝕，并將其產生的熱量傳遞到周圍母巖中去。膨潤土因為具有以上特性而成為理想的緩沖/回填材料。本文總結了近年來國內外學者對緩沖/回填材料各方面性質的研究結果，并對未來的研究發展方向進行了分析展望。

1 國內外對緩沖/回填材料研究概況

自從膨潤土被作為理想的緩沖/回填材料以來，各國的專家和學者就對其進行了多種深入研究。我國核能事業由于起步較晚，所以相對全球核能發展進程大約落后20年，但所取得的成果也是不容忽視的。目前國內外主要研究及成果集中在以下幾個方面：（1）緩沖/回填材料的水力性質方面的研究；（2）緩沖/回填材料的熱傳導性能研究；（3）緩沖/回填材料對核素的吸附性研究；（4）緩沖/回填材料的力學特性研究。

1.1 對緩沖/回填材料的水力性質研究

在緩沖/回填材料的水力性質方面，Ye等[1]通過實驗研究了不同濃度的NaOH溶液浸泡下壓實膨潤土的滲透系數，發現隨著NaOH溶液PH值的上升以及溫度的升高，壓實膨潤土試樣的滲透系數隨之增大。張虎元等[2]通過實驗研究了Eu（III）溶液作為滲入液時，膨潤土-砂混合物的滲透特性，結果表明，在膨潤土中加入少量石英砂并不會明顯減少其防滲透性。Zhang等[3]對不同干密度和摻砂率條件下膨潤土-砂混合物的非飽和試樣進行持水特性研究，發現在高吸力條件下，試樣持水能力受干密度和含砂率影響較大，而滲透系數受干密度和含砂率影響不大。汪龍等[4]利用水汽平衡法，對不同干密度、摻砂率及溫度條件下的膨潤土-砂混合物土水特征曲線進行了研究，結果表明，隨著溫度升高，混合物持水能力下降；隨著含砂率增加，混合物持水能力也下降，而干密度對混合物持水能力并無太大影響。

上述學者從不同方面研究非飽和膨潤土及其含砂混合料的水力性質，但對于緩沖/回填材料中氣體滲透的特性研究稍顯不足，在此方面有待加強，尤其對于不同干密度、含水率、含砂率等條件下氣體滲透系數和滲透規律的研究和測試更是迫在眉睫。

1.2 對緩沖/回填材料的熱傳導性質研究

緩沖/回填材料的熱傳導系數與土樣所含有的礦物種類及含量有關。葉為民等[5]對膨潤土-砂混合物進行了熱傳導性質研究，發現混合物的熱傳導系數均隨著干密度、含砂率和含水率升高而升高，且干密度越高，熱傳導系數隨著含砂率升高得越明顯。劉月妙等[6]對GMZ膨潤土進行了熱傳導系數測定，結果表明隨著壓實度增加，膨潤土的熱傳導系數也增加；在壓實度相同的情況下，含水率越高其熱傳導系數也越高。朱國平等[7]對膨潤土-砂混合物進行了導熱系數測量，結果表明，在混合物含水率小于塑限時，導熱系數隨著含水率的增加而增加，在含水率相同的情況下，導熱系數隨著石英砂含量的增加而增加。

上述實驗從不同方面研究了緩沖/回填材料的導熱性能，但其使用的儀器并未有效統一。因測量方法具有較大區別，所以導致實驗所測的數據可能存在一定差異，建議對儀器進行有效改進及統一，從而增強實驗數據的可靠性。另外，實驗所測數據均為無側限狀態下的導熱系數，而緩沖/回填材料實際處于高圍壓狀態下，今后應補充研究高圍壓狀態下的導熱系數。

1.3 對緩沖/回填材料核素吸附性質研究

在緩沖/回填材料對核素的吸附狀態研究方面，Wu等[8]對硒元素和錸元素在GMZ膨潤土中的擴散特性進行了實驗，發現GMZ膨潤土對硒元素的吸附大于錸元素，且當干密度上升時，兩種元素在GMZ膨潤土中的有效擴散系數隨之減小。Wang等[9]研究了MX-80膨潤土對鑭系元素銪的表面吸附作用，發現在不同的PH值下，MX-80膨潤土對銪元素的吸附機制是不同的，在低PH值條件下，吸附主要集中在膨潤土顆粒的外球表面，隨著PH值升高，吸附逐漸從外球表面轉移到內球表面，且吸附量也有所增加。Chen等[10]通過研究鈉基膨潤土對磷酸鹽和銪元素的吸附作用，建立了關于接觸時間、PH值、固液比、銪元素磷酸鹽濃度等指標的表面絡合模型，該模型能較好地描述實驗結果。劉艷等[11]通過研究膨潤土對鈾元素的吸附作用，測定了吸附平衡時間和平衡吸附量，而且吸附量隨著鈾元素的初始濃度升高而升高，吸附比和吸附率隨著鈾元素初始濃度身高而降低。當PH值升高時，鈾元素吸附量的增加比較快。鈾元素初始濃度一定時，吸附量隨膨潤土量增加而不斷減少，但是吸附率隨著膨潤土量增加而增加。

上述研究對核素吸附的研究主要還是定性方面的，缺少定量方面的較為細致的研究，今后應加強對吸附特性模型方面的研究，測試溫度等其他條件對于吸附性質的影響，實現較為精確的吸附計算及預測模型。

1.4 對緩沖/回填材料力學性質研究

在緩沖/回填材料的力學性質研究方面，取得的成果較為豐富。Navarro等[12]通過研究膨潤土微觀結構的影響所造成的宏觀塑性應變，并結合膨潤土的自由膨脹過程建立了微觀與宏觀結構破損的直接聯系，推導出了自由膨脹過程中的膨潤土彈塑性本構模型。Hammadi[13]等對膨潤土中加入2%到4%的聚乙烯氧化物，研究其在剪切過程中的流變特性。發現Herschel–Bulkley模型能夠較好的符合其流動曲線，GeneralizedKelvin–Voigt模型能較好的應用于其粘彈性特性分析，并與其回歸數據吻合較好。實驗結果表明，添加2%到4%的聚乙烯氧化物，不僅可以使膨潤土的屈服應力提高，而且還可以減少其流動指數，提高粘彈性的特點。賈靈艷等[14]通過直剪實驗研究了不同摻砂率條件下的膨潤土-砂混合物在最優含水率下的抗剪強度指標，實驗結果表明，隨著摻砂率增加，應力-應變曲線由軟化型向硬化型過渡，且抗剪強度不斷降低。含水率增高或干密度降低均會使混合物的抗剪強度指標降低。崔素麗等[15]對不同濃度的孔隙液、不同摻砂率、不同干密度條件下的膨潤土-砂混合物進行了膨脹特性試驗，結果表明，隨著初始干密度增加，混合物的最大膨脹力和膨脹率均增加；在摻砂率增加的情況下，混合物最大膨脹力和膨脹率均降低。Graham等[16]對摻砂率50%條件下的膨潤土-砂混合物進行了三軸剪切實驗，得到了混合物抗剪強度及體積模量、切線模量等指標。Baxter等[17]對膨潤土-砂混合物進行了一維固結壓縮實驗和三軸剪切實驗，并與前人所得的結果進行比較發現，膨潤土-砂混合物的壓縮率比普通天然土小很多，在不排水條件下產生的超孔隙水壓比天然土大很多。李培勇等[18]對膨潤土-砂混合物進行了非飽和條件下的三軸剪切實驗，得出基質吸力或凈圍壓的增大均會使混合物的最大偏應力增加，并進一步得到基質吸力與總粘聚力的表達關系式。

上述對力學強度特性的研究主要集中在常溫低壓狀態下，和緩沖/回填材料實際所處的高溫高壓高吸力狀態存在一定差異，缺乏同時考慮干密度、含水率、溫度、含砂率及圍壓等條件的共同作用，不能為預測緩沖/回填材料的強度及變形特性提供有效保障。

2 緩沖/回填材料研究展望

上述研究成果從不同方面得到了緩沖/回填材料的各項特性，但是對于緩沖/回填材料本身來說依然存在一些需要改進的地方，比如純膨潤土塑性過高，可施工性差，熱傳導性能低下等等。如果想要克服這些弊端，可以考慮在純膨潤土中加入石英砂或者石墨等材料，在不顯著降低其滲透性及自愈性的條件下，可以大大增加熱傳導性和可施工性，這類混合型的緩沖/回填材料應該會是今后研究的重點。對于今后研究的展望主要集中在以下幾個方面。

（1）到目前為止所進行的實驗絕大多數都是在常溫低壓低吸力條件下進行的，但實際上地質庫中的緩沖/回填材料所處的環境是高溫高壓高吸力，而國內目前只有極少數能夠提供此類實驗條件的儀器，如陳正漢等[19]自主研制的溫控土工三軸儀，可以進行高溫高壓高吸力條件下的三軸實驗。其他儀器如固結儀、滲透儀等均未完全符合以上條件，在此方面急需改進。

（2）由于條件所限，目前所進行的實驗絕大多數都是室內實驗，這與實際現場及原位實驗可能存在差異，今后應增加對室內實驗所獲得的各項參數指標與原位實驗的對比研究，從而增強數據的可靠性。

（3）地質庫所處的狀態遠比實驗室內所提供的環境復雜，地下水的入侵、廢物包裝容器的發熱、圍巖的擠壓、緩沖/回填材料自身的脹縮以及酸堿溶液的侵蝕都會給緩沖/回填材料的性質造成很大的影響，其所處的環境實際是熱-水-力-化耦合作用下的復雜環境，今后對于此類復雜的耦合條件下的實驗研究將是一個重要的方向。

（4）膨潤土作為緩沖/回填材料，起著阻隔地下水的滲入和阻止核素向外擴散的重要作用。因為核廢料衰變過程中會放熱，且地下水中含有無機鹽，所以進行考慮溫度及鹽溶液影響的膨潤土滲透系數實驗就顯得十分必要了，目前國內外關于此方面的研究鮮有報道，今后應將其作為重點方向進行研究。

3 結語

高放廢物的處置是當今世界的重要難題，如何妥當地處理好它關系到廣大人民的切身利益及子孫后代的福祉。本文通過總結前人的研究成果，提出了今后需要重點研究的方向，希望能為我國的核能發展事業貢獻一份力量。

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