納米材料改性膨潤土膨脹變形特性研究進展

胡毓浩

摘? 要：納米材料因其優異的導熱性、吸附性和力學性能，被用于核廢料處置庫首選緩沖/回填材料——膨潤土的改性研究。鑒于膨潤土的膨脹變形特性在處置庫設計中具有重要的作用，文章梳理了各種類型的納米材料對膨潤土膨脹變形的影響規律，分析了納米材料改性膨潤土的膨脹變形機理，并對未來的研究工作提出了合理的建議。

關鍵詞：納米材料;膨潤土;膨脹變形;摻量;團聚效應

Abstract： Because of its excellent thermal conductivity， adsorption capacity and mechanical properties， nanomaterials have been applied in the study of modification of bentonite， which is the preferred buffer/backfill material for nuclear waste repositories. Since the swelling deformation of bentonite plays an important role in the design of the repository， this paper summarizes the influence of various types of nanomaterials on the swelling deformation of bentonite， and the swelling deformation mechanism of the bentonite modified by nanomaterials was analyzed. Finally， some reasonable suggestions were given for future study.

1 概述

核電工業產生的高放射性廢物會對地球的生態環境產生極大的危害，目前世界各國公認的解決辦法是建設核廢料深地質處置庫來隔絕高放射性廢物與地表的聯系，從而減弱其對生態圈的影響。核廢料深地質處置庫主要由儲存高放射性廢物的金屬罐、緩沖/回填材料及天然圍巖三部分組成，其中緩沖/回填材料主要起到維護處置庫結構穩定、阻止地下水滲流、阻滯核素遷移以及控制核輻射熱擴散等關鍵作用。目前，膨潤土已被世界多國確定為高放射性廢物深地質處置庫緩沖/回填材料的首要選擇，但在處置庫運行期間，其過高的膨脹變形將對罐體和圍巖造成損傷，且膨潤土長期受強輻射熱、高地應力及地下水入滲等的作用，其強度逐漸降低，導熱性能變差。為此，國內外學者開展了大量膨潤土改性研究。目前，納米材料因其具有高導熱性、強吸附性及卓越的力學性質，已成為膨潤土改性材料的熱門選擇。在處置庫的設計中，緩沖/回填材料的膨脹變形特性是評價其緩沖性能的重要指標之一，鑒于納米材料在物理、化學性質上的突出表現，其勢必將對改性膨潤土的膨脹變形產生影響，因此非常有必要對納米材料改性膨潤土的膨脹變形特性進行評價研究。本文將對改性膨潤土膨脹變形特性的既有研究成果進行歸類、分析，并對未來的研究工作提出一些建議，希望能對緩沖/回填材料的選擇提供參考。

2 研究現狀

2.1 納米碳改性膨潤土的膨脹變形特性

納米碳材料在導熱性、耐熱輻射、耐化學腐蝕、表面特性和力學特性等方面表現優異，因此不少學者考慮在膨潤土中摻入納米碳材料以改善其緩沖性能。目前常見的納米碳材料主要包括碳納米管、納米碳纖維及石墨烯等。Taha等[1]將碳納米管和納米碳纖維摻入到膨潤土與天然土的混合物中，將混合土在最佳含水率下壓實，并對其進行了三維自由膨脹變形試驗，結果表明隨著碳納米管和納米碳纖維摻量的增加，自由膨脹率逐漸下降，且當摻量小于0.1%時，自由膨脹率下降較快，當摻量大于0.1%時，自由膨脹變形率幾乎不變。這是因為隨著納米碳材料摻量的增大，混合土的最大干密度上升，最佳含水率逐漸下降，導致混合土的自由膨脹率減小。當碳納米管和納米碳纖維的摻量較高時，納米碳顆粒間產生了團聚作用，導致混合土孔隙率增大、密度減小，因此自由膨脹率的下降趨勢有所減緩。此外，對比兩種摻料下的自由膨脹率，可以發現同等摻量下，摻碳納米管的自由膨脹率略大于摻納米碳纖維的自由膨脹率，其具體原因尚未明確，但可能與兩者尺度差異引發的團聚效應有關，因為兩種材料在直徑和長度上差別較大，值得進一步研究。Huang Weishi等[2]在鋰蒙脫石中摻入N-異丙基-丙烯酰胺、丙烯酸和氧化石墨烯，并對其膨脹率進行了研究，結果顯示，隨著氧化石墨烯摻量的增加，混合土的膨脹率逐漸下降。SEM圖像表明，隨著氧化石墨烯摻量的增大，聚N-異丙基-丙烯酰胺膠結物的交聯密度逐漸增加，而土體的孔徑逐漸減小，導致溶液難以入滲，因此膨脹率也逐漸減小。綜上所述，目前納米碳材料改性膨潤土主要通過簡單的物理混合，在混合過程中缺乏對混合均勻性的關注，且較少考慮納米材料尺度的影響。納米碳材料因其特殊的化學結構，較易通過化學方式在表面引入新的官能團，甚至能與膨潤土相耦聯，從而進一步強化改性效果。因此有必要在改性手段、混合土均勻性評價、材料尺度影響等方面進行深入的研究，找到一種簡單、高效、低廉的改性方法。

2.2 納米金屬氧化物改性膨潤土的膨脹變形特性

納米金屬氧化物不僅擁有宏觀金屬氧化物的某些水化效應，還具有納米材料的表面特性，因此常被用于膨潤土的改性研究。李輝等[3]研究了不同納米氧化鈣摻量下納米氧化鈣/膨潤土混合物的自由膨脹率，結果發現添加少量的納米氧化鈣能夠有效降低膨潤土的自由膨脹率。SEM圖像顯示，納米氧化鈣水化后形成了“針狀”的膠結物，這些膠結物在膨潤土顆粒間形成了致密的網狀結構，從而抑制了膨脹變形。Taha等[4]研究了10.5kPa作用下納米氧化鋁改性膨潤土/天然土混合物的膨脹變形，發現當納米氧化鋁的摻量小于0.1%時，膨脹變形率隨著摻量的增加而減小，當摻量大于0.1%時，膨脹變形率隨著摻量的增加而增大。上述現象與納米氧化鋁的團聚效應有關，當納米氧化鋁摻量較低時，隨著摻量的增長，混合土的干密度逐漸增大，最佳含水率減小，因此膨脹變形率逐漸降低，但當摻量較高時，納米氧化鋁間的團聚效應顯著增強，導致土顆粒間的孔隙增大，從而增大了膨脹變形。目前，對于納米金屬氧化物改性膨潤土膨脹變形機理的認識已較為成熟，但主要局限于普通的材料配比試驗上，較少考慮到處置庫中溶液、荷載、溫度等因素的影響，且納米顆粒團聚效應顯著，無法有效發揮納米材料的潛力，需要尋找合適的表面活性劑來降低其表面能。

2.3 納米非金屬氧化物改性膨潤土的膨脹變形特性

鑒于納米二氧化硅具有較強的火山灰效應，且能促進水化作用發展，因此不少學者將其用于膨潤土改性研究。李輝等[3]認為在膨潤土中摻入納米二氧化硅能夠提高其膨脹變形能力。但Pashabavandpouri等[5]發現在膨脹土中添加少量的納米二氧化硅會降低膨脹土的自由膨脹率，但當納米二氧化硅的摻量大于5%時，隨著摻量的增大，自由膨脹率會逐漸升高。此外，當膨脹土、石灰、納米二氧化硅相混合時，隨著納米二氧化硅摻量的增大，自由膨脹率逐漸下降[5]，Mostafa等[6]的研究結果也證明了這一點。由此可知，目前對納米二氧化硅改性膨潤土的膨脹變形規律尚未明了，有待進一步的研究。此外，處置庫中的混凝土在長時間作用下會衰退分解，與地下水作用形成pH>12的高堿性溶液。為此，有必要針對高堿溶液侵蝕下納米二氧化硅改性膨潤土的膨脹變形規律開展相關研究。

3 結束語

本文針對納米材料改性膨潤土的膨脹變形規律進行了簡單的綜述，著重分析了材料摻量對膨脹變形的影響。研究結果顯示，在膨潤土中摻入少量的納米材料即可有效調控其膨脹變形能力，納米顆粒的摻入提高了材料的密實度和穩定性。目前針對納米材料改性膨潤土膨脹變形領域的研究仍處于探索階段，下一步的研究工作應當從改性方式、均勻性評價、表面活性劑選擇、納米顆粒尺度影響、多場耦合影響等角度展開。目前的研究結果表明，納米材料對膨潤土的改性效果顯著，遠勝于傳統的宏觀材料，具有廣闊的研究應用前景。

參考文獻：

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