關于按性能分層設置緩沖、回填材料的探討

王建威

摘 要：本文以測試三種配方的混合材料在不同介質中表現出的不同膨脹特性為出發點，提出了按特性將緩沖/回填材料分層設置的觀點。

關鍵詞：緩沖、回填材料；分層設置

引言：甘肅北山被視為修建高放廢物處置庫的首選地區[1]。依據國內學者對于處置庫預選區地下水化學類型、特征的研究結果，處置庫預選區的地下水可以認為是鹽溶液環境。而根據國內外學者研究[3]：高水平放射性核廢物（高放廢物）處置庫中的混凝土經長期使用將逐漸衰解，與地下水作用形成高堿性孔隙水（pH>12），并可能與處置庫中的緩沖、回填材料發生反應，從而對緩沖、回填材料的膨脹等性能產生消極影響，且放射性核素衰變產生的熱量會加速水泥的老化，使得pH變得更高。故可認為在一定時間后，處置庫內將會產生pH>12甚至更高的溶液，形成堿液環境，并向外滲透。綜上，緩沖回填材料的功能可由下圖1-1表示：

如上圖所示，處置庫及內部的核廢物有向外界自然環境釋放核輻射、熱量、滲透堿液的趨勢，處置庫所在環境含鹽溶液的地下水有向處置庫方向侵蝕的趨勢，這就需要處于兩者之間的緩沖回填材料發揮作用以利于處置庫產生的熱量向外傳導并阻止輻射、堿液、含鹽地下水的滲透。

結合本人進行的以新疆阿爾泰膨潤土為基材多種配方的混合試樣膨脹性能的研究，得出一些結論，現僅以膨脹性能為基礎進行緩沖/回填材料按功能特性分層設置的探討。

一、試驗介紹

（1）試驗內容簡介。本人所進行的試驗包括：介質溶液分別為自來水、模擬北山預選處置庫地下水的NaCl-Na2S04溶液（質量比為2：1濃度為4.3g/L、8.3g/L、12.3g/L）、模擬處置庫內的水泥構筑物會老化產生的堿性溶液的NaOH溶液（摩爾濃度為0.1mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L），試驗樣品干密度（1.8g/cm3）和含水率（12%）一致，分別為純膨潤土試樣、膨潤土-石英砂（質量比9：1）混合試樣、膨潤土-沸石-黃鐵礦（質量比63：27：10）混合式樣。（2）試驗結論。實驗過程參照《土工試驗方法標準》

GB/T50123—1999進行。所的實驗結果如下：①自來水作用下純膨潤土試樣膨脹力2924.544KPa，膨潤土-石英砂試樣膨脹力2034.194KPa，膨潤土-沸石-黃鐵礦樣膨脹力2291.64KPa；②鹽溶液（濃度為0、4.3、8.3、12.3g/L）作用下純膨潤土試樣膨脹力2924.54、2519.808、2310.912、2206.464KPa，膨潤土-石英砂試樣膨脹力2034.194、1893.12、1788.672、1579.776KPa，膨潤土-沸石-黃鐵礦樣膨脹力2291.64、2102.016、1893.12、1475.332KPa；③堿溶液（濃度為0、0.1、0.3、0.5mol/L）作用下純膨潤土試樣膨脹力2924.54、2611.2、2297.856、1932.288KPa，膨潤土-石英砂試樣膨脹力2034.194、1880.064、1697.28、1514.496KPa，膨潤土-沸石-黃鐵礦樣膨脹力2291.64、2193.408、2088.96、1775.616KPa；

目前國外學者對于緩沖/回填材料應具備的膨脹力的大小已有見解，如比利時要求緩沖材料的膨脹力高于2 MPa，以使孔隙自行封閉，另一方面又要求膨脹力低于4 MPa，使得廢物包裝容器不至承受太大應力，并防止對于母巖的侵擾[7]。從以上三個表格中膨脹力值可以清楚的知道，所采用的試驗材料均滿足這一要求，那么我們再從材料在濃度不同的鹽、堿溶液作用下膨脹力的變化來判斷材料的穩定性，將表2-3、2-4數據進行處理，如圖2-1、2-1所示：

其中，膨潤土-沸石-黃鐵礦混合式樣組膨脹力變化趨勢擬合曲線為y=2008.67-1009.62x（R2=0.98419），膨潤土-石英砂混合式樣組膨脹力變化趨勢擬合曲線為：y=2308.33-981.89x（R2=0.92051），由國內外的研究可知純膨潤土的諸多缺點決定了其不能作為緩沖/回填材料直接使用，本研究僅將其作為試驗參照參照。由圖2-1可知，在不同濃度鹽溶液作用下，膨潤土-石英砂混合試樣的膨脹力較為穩定；由圖2-2及擬合曲線對比可知，在不同濃度堿溶液作用下，膨潤土-石英砂混合式樣的膨脹力則無膨潤土-沸石-黃鐵礦混合式樣的膨脹力表現的穩定。

三、結論探討

綜上，當介質溶液為自來水時，實驗試樣中，膨潤土-沸石-黃鐵礦試樣的膨脹力表現較好；當介質溶液換成鹽溶液時，膨潤土-石英砂試樣的膨脹力穩定性較好；而當介質溶液換成堿溶液時，膨潤土-沸石-黃鐵礦試樣的膨脹力穩定性較好。這說明了一種類型的緩沖/回填材料很難在不同介質溶液作用下均表現較好的穩定性。因此，我們可以考慮將用作屏障作用的緩沖/回填材料根據材料特性進行分層設置，如下圖3-1所示：

根據各試樣的性能設置三層緩沖/回填材料，各層的主要功能分別為：①抗堿溶液腐蝕③抗鹽溶液侵蝕②吸附放射性物質。其中①、③兩層回填材料的另一個重要作用就是將鹽、堿溶液阻隔在②層以外，使之不被鹽、堿溶液破壞。

四、分層設置優缺點討論

按照材料特性進行分層設置的優點：1、降低了材料選擇的工作量，因為雖然不能否定存在各類性能均表現較好的材料，但是實際試驗驗證的工作量會很大；2、有利于利用已知性能的材料，便于多學科的參與，使得本類工作在選材方面的開放程度更高。

按照材料特性進行分層設置的缺點：由于①、②、③層的材料不同，膨脹性能有差異，導熱性能也不同，作為緩沖/回填材料，它的整體性不如使用一種材料的好。

參考文獻：

[1] 王駒，鄭華鈴，徐國慶，范顯華等。我國高放廢物地質處置研究十年進展[Z].2004，7：1-12.

[2] 劉莉，田豐，張明波.甘肅西部北山地區地下水類型及其富水特征[J].巖土工程界，2003，7（6）： 33-36.