高放廢物處置庫(kù)中膨潤(rùn)土性質(zhì)研究進(jìn)展＊

陳經(jīng)明，李尋，羅躍，周澤超

高放廢物處置庫(kù)中膨潤(rùn)土性質(zhì)研究進(jìn)展＊

陳經(jīng)明，李尋，羅躍，周澤超

（東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

膨潤(rùn)土作為中國(guó)高放廢物深地質(zhì)處置庫(kù)緩沖回填材料的首要選擇，引起了中國(guó)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究熱情。總結(jié)了前人對(duì)膨潤(rùn)土的物理、化學(xué)性質(zhì)研究的內(nèi)容及意義，展望了膨潤(rùn)土作為處置庫(kù)緩沖回填材料未來可能的研究方向。

膨潤(rùn)土；高放廢物處置庫(kù)；緩沖回填材料；膨脹性

1 引言

膨潤(rùn)土遇水會(huì)膨脹的特性成為高放廢物深地質(zhì)處置庫(kù)的首選緩沖回填材料。高放廢物是指核反應(yīng)堆乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液及其固化體。接下來討論發(fā)生在回填材料（膨潤(rùn)土）中物理和化學(xué)問題的研究進(jìn)展。

2 回填材料（膨潤(rùn)土）中物理和化學(xué)問題的研究進(jìn)展

從中國(guó)開展高放廢物深地質(zhì)處置工作開始就將膨潤(rùn)土確定為處置庫(kù)的緩沖回填材料[1]。在1994—1996年期間開展了膨潤(rùn)土礦床篩選工作，期望篩選出適宜中國(guó)處置庫(kù)的膨潤(rùn)土，并且設(shè)想今后關(guān)于緩沖/回填材料的所有工作將圍繞該膨潤(rùn)土進(jìn)行。并且確定將高廟子膨潤(rùn)土作為中國(guó)深地質(zhì)處置庫(kù)的緩沖回填材料的首選[2]。

后來大量學(xué)者對(duì)該場(chǎng)地膨潤(rùn)土的含量、組分、礦物學(xué)特性、導(dǎo)熱性、巖石力學(xué)性質(zhì)、物理水理性、壓實(shí)膨脹性、核素吸附特性等進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究，為確認(rèn)該場(chǎng)地的膨潤(rùn)土可以作為深地質(zhì)處置庫(kù)的緩沖回填材料提供了可靠的科學(xué)依據(jù)[3-4]。

2.1 物理性質(zhì)研究進(jìn)展

牛文杰等人模擬了非飽和條件下膨潤(rùn)土的滲透特性，結(jié)果表明膨潤(rùn)土的吸力分布與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果基本吻合，為處置庫(kù)中膨潤(rùn)土的數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)[5]。劉泉聲等研究了砂-膨潤(rùn)土混合物的膨脹力的影響因素，混合物的干密度、膨潤(rùn)土百分比以及初始含水率對(duì)混合物的膨脹性起決定性作用[6]。葉為民等對(duì)高壓實(shí)膨潤(rùn)土的膨脹力特性進(jìn)行了研究，高壓實(shí)膨潤(rùn)土的膨脹性隨時(shí)間的演化趨勢(shì)為一條漸近線，但是膨脹力與時(shí)間卻存在明顯的線性關(guān)系；膨脹力演化曲線與含水量曲線有較明顯的滯后特性；高壓實(shí)膨潤(rùn)土的膨脹力也與干密度之間存在一定的指數(shù)關(guān)系，因此認(rèn)為干密度是影響膨脹力的重要因數(shù)[7]。在混合型緩沖回填材料（膨潤(rùn)土與石英砂混合物）中，根據(jù)膨潤(rùn)土-石英砂的不同比例，膨潤(rùn)土的防滲阻隔能力、熱傳導(dǎo)性能、力學(xué)強(qiáng)度等性能能夠達(dá)到最佳[8]。賴小玲等通過對(duì)比膨潤(rùn)土在不同含水率和干密度情況下膨脹力時(shí)效性，在樣品干密度一定情況下初始含水率高或當(dāng)含水率固定時(shí)干密度越大，靜置時(shí)膨脹力的演化情況均隨時(shí)間衰減越明顯、時(shí)效性越強(qiáng)，同時(shí)結(jié)果也表明膨潤(rùn)土中蒙脫石水化是導(dǎo)致膨脹性衰減的主要內(nèi)因[9]。劉龍波等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明膨潤(rùn)土滲透系數(shù)受孔隙度及含水率的影響十分明顯，同時(shí)提出在工程中可以通過改變壓力和含水率使得膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)滿足工程要求；在砂-膨潤(rùn)土混合物中，當(dāng)砂的比例小于70%混合物的滲透系數(shù)與純膨潤(rùn)土相當(dāng)，在實(shí)際工程中可以用混合物替代膨潤(rùn)土以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最佳[10]。張虎元等通過引入黏土巖有效干密度概念，探究干密度和含砂率共同作用下對(duì)滲透系數(shù)的影響，提出了不同壓實(shí)條件下的膨潤(rùn)土-石英砂混合物滲透系數(shù)的預(yù)測(cè)關(guān)系式[11]。只要體積不變并且膨潤(rùn)土的飽和度在70%～90%之間，膨脹力才具有實(shí)際價(jià)值和物理意義[12]。軸向應(yīng)力會(huì)對(duì)吸水量產(chǎn)生影響，并且軸向應(yīng)力與吸水量是負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)給定一個(gè)軸向應(yīng)力（大小、方向固定），實(shí)驗(yàn)樣品會(huì)達(dá)到飽和，膨潤(rùn)土的本構(gòu)關(guān)系式在考慮了吸水量變化的情況下更加貼近膨潤(rùn)土加砂混合物吸水膨脹的實(shí)際情況[13]。利用冰-土混合物制成的緩沖回填材料含水集中率高、可調(diào)節(jié)性好，此方法為膨潤(rùn)土緩沖回填提供了新的參考[14]。

2.2 化學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展

中國(guó)關(guān)于膨潤(rùn)土與處置罐的化學(xué)關(guān)系研究較少，膨潤(rùn)土在不同的溶液中浸泡膨脹性能差異較大，將樣品由NaCl溶液換到蒸餾水中，膨脹變形量則小于直接在蒸餾水中浸泡的結(jié)果；將溶液由NaCl溶液換成蒸餾水樣品膨脹，溶液順序調(diào)換樣品則壓縮，Na+對(duì)膨潤(rùn)土的化學(xué)性質(zhì)影響效應(yīng)較復(fù)雜。在深地質(zhì)處置庫(kù)中，堿性孔隙水在緩沖回填材料中的長(zhǎng)期滲流會(huì)影響工程屏障的封閉性能，強(qiáng)堿溶液會(huì)將膨潤(rùn)土中的蒙脫石溶解，使得其中部分雙電層結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致膨潤(rùn)土的膨脹性能降低，并且這種溶蝕破壞與堿性溶液的濃度及膨潤(rùn)土的孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。緩沖材料應(yīng)具備多種優(yōu)良特性，如為了緩沖應(yīng)力作用和保護(hù)處置罐的膨脹性能，但是在處置庫(kù)的進(jìn)場(chǎng)中，緩沖材料的作用主要是吸收高放廢物的輻射放熱。電子輻照?熱順序老化作用和γ-射線輻照?熱順序老化作用對(duì)不同膨潤(rùn)土的吸水膨脹性能影響都較小。在大氣的作用下蒙脫石中的Na+、Ca2+、Mg2+發(fā)生離子交換作用溶解到孔隙水中，導(dǎo)致孔隙水的pH增大，引起長(zhǎng)石、碳酸鹽雜志礦物的溶解，但是在一定物理、化學(xué)條件下會(huì)發(fā)生沉淀反應(yīng)，使得溶液中的離子重新組合生成沉淀物。

3 總結(jié)及展望

通過研究膨潤(rùn)土的物理、化學(xué)性質(zhì)，可以清楚地認(rèn)識(shí)到膨潤(rùn)土在不同物理化學(xué)條件下的性質(zhì)演化結(jié)果。從土力學(xué)的角度分析影響膨脹性的各種因素，可以為膨潤(rùn)土作為緩沖回填材料提供可靠的科學(xué)依據(jù)。目前不論是物理性能還是化學(xué)性質(zhì)的研究均處于實(shí)驗(yàn)室階段，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證較少。中國(guó)對(duì)于處置庫(kù)工程屏障膨潤(rùn)土的性質(zhì)研究由于條件的限制，處于數(shù)值模擬研究階段。今后對(duì)于膨潤(rùn)土實(shí)驗(yàn)室和數(shù)值模擬研究，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目或中國(guó)北山核廢物處置庫(kù)的深地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。

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TL942

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.001

2095－6835（2019）13－0001－02

陳經(jīng)明（1994—），在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移。

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目“優(yōu)先流作用下非飽和多孔介質(zhì)中可移動(dòng)膠體特征及對(duì)放射性核素遷移活化的影響研究”（編號(hào)：41761090）；國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目“大亞灣海域表層沉積物中放射性核素60Co、137Cs、90Sr的賦存形態(tài)及其富集機(jī)制研究”（編號(hào)：11465002）；東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目“生物堆浸采鈾數(shù)值模擬及關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別研究”（編號(hào)：NRE1612）；江西省教育廳基金項(xiàng)目“非飽和多孔介質(zhì)中可移動(dòng)膠體特征及對(duì)放射性核素遷移活化的影響研究”（編號(hào)：20171ACB20021）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕