改性材料對膨潤土工程特性的影響研究

王 傳 樂

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

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改性材料對膨潤土工程特性的影響研究

王 傳 樂

(解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007)

介紹了緩沖回填材料的作用，結合相關文獻資料，從膨脹性、抗滲性、熱傳導性三方面，系統分析總結了混合型緩沖回填材料的工程特性，對深地質處置庫的建設具有一定的意義。

緩沖回填材料，膨脹性，抗滲性，熱傳導性

0 引言

緩沖回填材料填充于圍巖和廢物罐之間，起著保護廢物罐、隔絕地下水、傳導衰變熱等重要作用。膨潤土作為緩沖回填材料具有良好膨脹性、低滲透性和高核素阻滯吸附能力等優點，但也存在熱傳性能低、可塑性高和施工性能差的缺點。為克服這些缺點，世界各國針對具體國情通過采用不同的改性緩沖回填材料保證混合材料綜合性能不降低的條件下來增強其導熱性能和可施工性。膨脹性作為緩沖回填材料主要的技術指標，研究表明其隨著摻加改性材料的相對含量呈指數降低關系。伴隨著摻加量的增加，滲透性能在未達到臨界點時，基本保持不變，當超過其臨界點將發生突變。由于摻加料的導熱性大于膨潤土的導熱性更遠大于空氣，所以導熱系數與改性物摻加量成正比，與孔隙率成反比。

1 膨脹特性影響研究

膨脹性能過大會對結構造成較大的壓力，使圍巖產生較多徑向裂縫。過小將無法發揮其自愈性能，失去阻隔作用。Xu等[1]試驗研究表明，在摻砂率0%，50%兩種狀態下，混合型緩沖回填材料的膨脹性隨著初始干密度的增加呈指數增長，在80%狀態時，試件的膨脹性與初始干密度呈線性增加的關系，且增長速度較低。Sivapullaiah等[2]研究表明摻砂率從0%增加到90%時，最大膨脹率依次減小，且符合二次函數關系。Sun等對砂—膨潤土混合型緩沖回填材料的膨脹性能進行了試驗研究，認為試件的膨脹性能與試件的干密度、初始含水率、摻砂率以及應力狀態有關。用蒙脫石孔隙率概念對混合型緩沖回填材料的膨脹性能進行了解釋。表明膨脹性能與蒙脫石相對含量為指數增長關系。kamland等將不同摻砂率的混合型材料放置于不同濃度溶液中，觀察其膨脹性能。發現摻加量小于30%時，緩沖回填材料膨脹性能在0.2 mol/L的溶液中沒有明顯的降低，當摻加量大于30%時，膨脹性明顯降低。Lioret等通過不同摻砂率混合型材料的試驗研究，發現膨脹性隨著初始含水率的增加幾乎不改變，即初始含水率對緩沖回填材料膨脹性的作用可以忽略不計。

2 抗滲特性研究現狀

低滲透性有利于隔斷地下水流入侵蝕廢物罐和阻止核素流出到外界生物圈。溫度、初始含水率、摻加量、初始干密度、微觀結構等是影響混合型緩沖回填材料滲透性的主要因素。R P CHAPUIS等[3-5]對膨潤土—砂混合緩沖回填材料進行了多次滲透性能試驗，表明當摻砂率小于85%時，緩沖回填材料滲透性與摻砂率的含量沒有明顯關系。T. C. Kenney等[6]試驗研究表明，摻砂率為80%以下時滲透性沒有明顯的提高，膨潤土膨脹后能否填充砂顆粒間間隙是滲透系數變化的主要因素。LOISEAU C[7]通過滲透試驗，表明其滲透性隨吸力不是單一的變化，而是存在一個臨界值。當吸力大于臨界值時，滲透性與吸力呈線性增長的關系，相反則減小。張虎元等[8]借助柔性壁滲透儀試驗發現摻砂率為0%～50%時混合物的滲透系數保持在一個數量級內，滲透系數沒有明顯增加。陳永貴等[9]通過對不同含量膨潤土材料的研究，發現膨潤土相對含量在混合物滲透性能方面起著決定性作用。滲透性隨著膨潤土相對含量增大先增加之后趨于穩定，所以當膨潤土相對含量超過某一值之后，繼續提高膨潤土相對含量對于減少滲透性的作用微小；級配良好混合物滲透性較小，最優含水率下壓密得到的混合物的滲透性最小。

3 熱傳導性能研究

混合型緩沖材料作為深地質處置場內最后一道人為保護屏障，起著將高放廢物產生的衰變熱向周圍介質傳遞的作用。較低的導熱性能無法將放射性核素衰變產生的熱量快速地傳到周圍的巖體土層中，導致熱量積累，使緩沖回填材料中的液態水汽化產生過大的水汽壓力，對廢物罐產生較大的作用力。朱國平等[10]試驗研究表明膨潤土導熱系數與蒙脫石含量呈負相關關系。向膨潤土中添加一定量的改性材料來減少蒙脫石的相對含量以提高其導熱特性得到各國專家學者的認可。陳航等[11]試驗研究了摻砂量、初始干密度等對導熱特性的影響。試驗表明，導熱性能與初始干密度呈線性增長關系。當初始干密度一定時，隨著摻砂率與含水率的提高初始干密度的作用效果更明顯。葉為民等[12]研究發現當混合物含水率不為零時，熱傳導性能隨含砂量的增加持續增加。含水率是零時，在摻砂率為0%～30%范圍內，摻砂率越大導熱性能越高，但摻砂率超過50%時，熱傳導性能開始下降。導熱性能隨初始干密度和含水率的增加而增大的主要原因是由于砂、膨潤土和水的導熱性能大于空氣。謝敬禮等[14]通過試驗發現混合材料的導熱性和飽和度存在冪函數關系，初步得出了摻砂率與混合物的熱擴散性質的關系。

4 結語

緩沖回填材料膨脹性、滲透性以及導熱性等方面的研究對深地質處置庫建設具有巨大的指導意義。緩沖回填材料隨著干密度和壓實度的增加，抗滲性能提高。膨潤土的導熱性能隨著摻砂率的增加而增長，但是地質處置庫中高放廢棄物會長時間產生衰變熱，隨著熱量積累產生的高溫對處置庫結構影響目前還不明確。通過數值模擬與試驗相結合的方法研究解決深地質處置庫中衰變熱富集問題。

[1] Xu,Y.F,Matsuoka,H, Sun,D.A.Swelling characteristics of fractal-textured betonies and its mixtrue[J].App.Clay science,2003(22):197-209.

[2] Sivapullaiah，P.V，Sridharan，A.， Stalin，V.K. Swelling behavior of soil-bebtibute mixture[J].Can.Geotech，1996(33):808-814.

[3] CHAPUIS R P.Permeability testing of soil-bentonite mixture[A].Proceeding of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Stockholm[C].1981:744-745.

[4] CHAPUIS R P.Sand-bentonite liners：predicting permeability from laboratory test[J].Canadian Geotechnical Journal，1990,27(1)：47-57.

[5] CHAPUIS R P.The 200 R.M.Hard lecture：full-scale hydraulic performance of soil-bentonite and compacted clay lines[J].Canadian Geotechical Journal,2002,39(2)：417-439.

[6] KENNEY T C，VAN VEEN W A，SWALLOW M A，et al.Hydraulic conductivithy of compacted bentonite-sand mixture[J].Candian Geotechnical Journal，1992，29(3)：364-374.

[7] LOISEAU C.Water transfer and hydro-mechanical coupling in the artificial barrier[D].France:ENPC,2001.

[8] 張虎元，呂擎峰，王 寶，等.膨潤土緩沖材料滲透性能及其測試[A].中國巖石力學與工程學會廢物地下處置專業委員會成立大會暨首屆學術交流大會論文集[C].2006:742-746.

[9] 陳永貴，葉為民，王 瓊，等.砂胡彭潤土混合屏障材料滲透性影響因素研究[J].工程地質學報，2010，18(3):357-362.

[10] 朱國平，劉曉東，羅太安.含水率和添加劑對膨潤土導熱性能影響的研究[J].東華理工學院學報，2007,30(1)：60-63.

[11] 陳 航，張虎元，郭永強，等.混合型緩沖回填材料導熱性能測試與預測研究[J].巖石力學與工程學報，2014,33(S2):4312-4320.

[12] 葉為民，王 瓊，潘 虹,等.高壓實高廟子膨潤土的熱傳導性[J].巖土工程學報，2010,32(6):821-826.

[13] 劉月妙，蔡美峰，土 駒.內蒙古高廟子鈉基膨潤土導熱性能研究[A].全國巖土與工程學術大會論文集[C].2006:742-746.

[14] 謝敬禮，劉月妙，周宏偉.砂—膨潤土混合物熱傳導特性研究[D].成都：西南科技大學，2010.

Modification of materials research on the influence of the engineering properties of bentonite

Wang Chuanle

(CollegeofNationalDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

This paper introduced the role of buffer and backfill material, combining with relevant literature, from the expansibility, anti-permeability, thermal conductivity three aspects, system summarized the engineering characteristics of mixed buffer and backfill materials, had certain significance to deep geological repository construction.

buffer and backfill material, expansibility, anti-permeability, thermal conductivity

1009-6825(2016)31-0068-02

2016-08-26

王傳樂(1990- )，男，在讀碩士

TL942.1

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