高放廢物處置庫回填材料導熱特性研究

王茂麗 易發成 王哲 王建威

摘 要：利用Hot disk熱常數分析儀研究了集成回填材料在不同條件下的導熱特性。探討了干密度、含水率、孔隙度、飽和度與導熱特性的關系。得到熱傳導系數隨干密度、含水量、飽和度的增大而增大，隨孔隙度的增大而減小；通過擬合得到飽和度與熱傳導系數、具有明顯的線性或指數關系。

關鍵詞：高放廢物；回填材料；熱傳導系數；擬合

引言

高壓實膨潤土作為高放處置庫的最后一道人工屏障，要求其具有良好的導熱性能和熱穩定性能，因此，緩沖/回填材料的熱傳導性能參數是高放廢物深地質系統設計的一項關鍵指標[1]。劉月妙等[2]得到GMZ01與GMZM回填材料的熱傳導系數隨著含水量、干密度的增大而增大，但是與含水量和壓實干密度不具有一致的線性關系；謝敬禮等[3]得到砂一膨潤土混合物的熱傳導系數隨樣品的壓實密度、含水率的增大而顯著增大；崔玉軍等[4]研究了干密度、含水量、飽和度等對美國MX80膨潤土熱傳導系數的影響，發現孔隙氣體體積與熱傳導系數具有線性關系；J Pacavsky[5]得出溫度對熱傳導系數的影響不明顯，而密度和含水量對回填材料的熱傳導系數影響很明顯。

1 試驗

1.1 試樣制作

將烘干的200目膨潤土、凹凸棒石和黃鐵礦按一定配比組成集成回填材料，制成Φ62mm×20mm的圓柱體試樣。試樣干密度1.2-1.8g·cm-3，含水量12-18%，一式兩塊。

1.2 試驗設備

試驗采用基于瞬變平面熱源法的Hot disk TPS2005S熱常數分析儀。測試時，在探頭上加載恒定電流，引起溫度增加，從而在探頭兩端產生電壓差。通過記錄在一段時間內電壓的變化，可以較為精確地測得被測樣品的熱傳導系數。

2 試驗結果與討論

2.1 干密度、含水量與導熱特性的關系

圖1和圖2分別為集成回填材料干密度、含水量與熱傳導系數的關系圖，由圖知：在相同含水量條件下，熱傳導系數隨干密度的增大而增大；在相同干密度條件下，熱傳導系數隨含水量的增大而增大。當干密度為1.77g·cm-3，含水量為17.69%時，熱傳導系數值最大達到1.2970 W·m-1·K-1。

2.2 孔隙度與導熱特性的關系

圖3為集成回填材料熱傳導系數與孔隙度的關系，由圖可以明顯看出：在相同含水量條件下，熱傳導系數隨著孔隙度的增大而顯著減小。

2.3 飽和度與導熱特性的關系

圖4為集成回填材料飽和度與熱傳導系數的關系圖。顯然，熱傳導系數隨飽和度的增大明顯上升。對試驗數據用ORIGIN8.5分別進行了線性擬合和指數擬合，擬合效果較佳，得到的表達式如下：

λ=-0.04629+0.01657Sr（R2=0.98707）；

λ=3.43786-3.63282×0.99364Sr（R2=0.98943）。

以上式中：λ為熱傳導系數（W·m-1·k-1）；Sr為飽和度（%）；R為相關系數。

3 結束語

（1）集成回填材料的飽和度大于51.71%時，熱傳導系數均高于0.8W·m-1·k-1，滿足國際原子能機構（IAEA）對回填材料熱傳導系數的推薦值；（2）在相同條件下，熱傳導系數隨干密度、含水量、飽和度的增大而增大，隨孔隙度的增大而減小；（3）通過擬合得到了熱傳導系數與飽和度的關系方程。

參考文獻

[1]劉月妙，徐國慶，劉淑芬，等.內蒙古高廟子膨潤土基本性能研究[M].北京：中國核工業音像出版社，2001：1-20.

[2]劉月妙，蔡美峰，王駒.內蒙古高廟子鈉基膨潤土導熱性能研究[A].第二屆全國巖土與工程學術大會論文集（下冊）[C].北京：核工業北京地質研究院，2006：742-746.

[3]謝敬禮，劉月妙，周宏偉.砂-膨潤土混合物熱傳導特性研究[A].第三屆廢物地下處置學術研討會論文集[C].北京：核工業北京地質研究院，2010：439-444.

[4]崔玉軍，陳寶.高放核廢物地質處置中工程屏障研究新進展[J].巖石力學與工程學報，2006，25（4）：842-847.

[5]Pacovsky J.Some Results from Geotechnical Research on Bentonite[A].Konvalinka P， Lxemburk Fed. CTU Reports -Experimental Investigation of Bulding Materials and Technologies [C].[S.l.]： [s.n ]，2002：107-116.