緩沖區(qū)膨潤土材料均勻化研究進(jìn)展與展望

鄧榮升

(1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海，200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200092)

高放廢物安全處置是核能可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重大問題，自20世紀(jì)80年代以來，它就受到了我國科學(xué)家的關(guān)注[1]。目前，國際著名核廢料管理機(jī)構(gòu)如瑞典SKB[2]、芬蘭POSIVA[3]和瑞士NAGRA[4]等均采用“多重屏障系統(tǒng)”的深地質(zhì)處置方案[1]，即廢物罐內(nèi)部放置高放廢物、外側(cè)填充緩沖材料，最外層圍巖體作為天然屏障。緩沖區(qū)材料普遍選用膨潤土塊體[5]，這是因?yàn)樵摬牧暇哂懈吲蛎浶浴⒌蜐B透性以及良好的吸附性能。然而，在處置庫的施工過程中，不可避免存在各種施工接縫[6]，包括塊體與處置罐體、塊體與圍巖以及塊體內(nèi)部之間的間隙。為此，KARNLAND 等[7-8]提出采用高密度膨潤土顆粒和膨潤土粉末組成的混合物(GBM)填充各類施工接縫，或者直接作為緩沖材料。該材料的顯著優(yōu)勢[9]在于易儲(chǔ)存、運(yùn)輸，施工操作性強(qiáng)；此外，作為間隙回填材料，它與膨潤土塊體具有很好的兼容性。

由此可見，高放廢物處置庫緩沖區(qū)材料在初始狀態(tài)下具有高度非均勻特性，主要體現(xiàn)在膨潤土顆粒混合物內(nèi)部顆粒與粉末之間以及膨潤土塊體與顆粒混合物之間的干密度存在差異。值得注意的是，WIECZOREK 等[10]在FEBEX 原位實(shí)驗(yàn)中，拆除由膨潤土塊體和其顆粒混合物組成的工程屏障，發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)材料經(jīng)過長達(dá)10 a 水化作用后，兩者在干密度和含水量空間分布的差異性仍持續(xù)存在。SáNCHEZ等[11]認(rèn)為緩沖材料干密度的時(shí)間-空間分布對于處置庫安全運(yùn)營具有重要影響，采用平均干密度指標(biāo)并不能完全表征膨潤土材料的水力學(xué)性能；MONKI 等[12]認(rèn)為緩沖區(qū)低密度區(qū)域可能成為地下水入滲和核素外泄的優(yōu)先通道，并可能促進(jìn)微生物的活動(dòng)，進(jìn)而損害緩沖材料的巖土工程特性。因此，準(zhǔn)確預(yù)測緩沖材料均勻化過程對于處置庫的長期安全運(yùn)營具有顯著意義。

國內(nèi)學(xué)者主要研究了含接縫的膨潤土塊體的水力特性[13-15]，而對不同時(shí)間尺度下緩沖材料的均勻化過程關(guān)注較少，同時(shí)，對膨潤土塊體與顆粒混合物以及顆粒混合物內(nèi)部均勻化研究較少。目前研究成果大多零散地分布在SKB、Posiva 和NAGRA 等機(jī)構(gòu)的研究報(bào)告中，缺乏必要的整理。為此，本文分析緩沖區(qū)材料不均勻性的來源、國內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究以及均勻化過程的影響因素，并指出需關(guān)注的相關(guān)研究，以期為今后我國的處置庫建設(shè)提供參考。

1 緩沖區(qū)膨潤土材料不均勻可能來源

本文選取歐洲2 個(gè)代表性高放廢物處置庫模型：

1) 基于KBS-3沉積隧道回填模型；

2) 基于Nagra概念處置庫模型。

1.1 初始狀態(tài)下材料的不均勻性

瑞典核廢料管理機(jī)構(gòu)SKB 提出的處置庫模型如圖1 所示[2]，高放廢物處置罐體豎向放置在沉積隧道中，外側(cè)高壓實(shí)膨潤土塊體作為工程屏障，膨潤土顆粒混合物用于填充圍巖體與塊體之間的間隙。

瑞士核廢料管理機(jī)構(gòu)Nagra 采用如圖2 所示的處置庫模型[4]，處置罐體水平放置在由高壓實(shí)膨潤塊體組成的基座上，膨潤土顆粒混合物作為主要的緩沖材料填充處置罐體與圍巖之間的區(qū)域。

圖2 瑞士SF/HLW存儲(chǔ)庫模型[4]Fig.2 Model of Swiss SF/HLW repository[4]

處置庫工程屏障安裝完成后，緩沖區(qū)的不均勻性主要來自材料之間的干密度的差異性，主要包括：

1) 膨潤土顆粒混合物內(nèi)部高密度顆粒與粉末；

2) 膨潤土塊體與膨潤土顆粒混合物。

此外，膨潤土材料在運(yùn)輸、安裝過程中，極易從周邊環(huán)境吸收水分，引起材料表面微小裂隙的產(chǎn)生和塊體的分解；不完全水化作用導(dǎo)致塊體表面和內(nèi)部存在干密度差異。為此，MüLLER等[16-17]建議材料在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中與周邊環(huán)境之間的含水率差異不應(yīng)超過5%。

1.2 運(yùn)營過程中地下水沖蝕引起膨潤土損失后的不均勻性

處置庫運(yùn)營期間圍巖裂隙將成為地下水的滲流通道，緩沖區(qū)膨潤土材料在水化作用下發(fā)生顯著膨脹，在侵入前端形成密度較小的凝膠狀前緣，甚至出現(xiàn)游離態(tài)膨潤土膠體顆粒(如圖3 所示[18])。侵入-沖蝕行為的長期作用引起外側(cè)膨潤土材料出現(xiàn)質(zhì)量損失[18-19]，緩沖區(qū)核心帶與外側(cè)的干密度產(chǎn)生差異。

圖3 緩沖材料侵蝕示意圖[18]Fig.3 Depiction of erosion of buffer material[18]

2 緩沖區(qū)膨潤土材料均勻化試驗(yàn)

2.1 安裝過程中均勻化試驗(yàn)

膨潤土顆粒混合物初始狀態(tài)下的不均勻性主要通過顆粒填充試驗(yàn)進(jìn)行研究，按照試驗(yàn)類型可以分為現(xiàn)場原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)。在瑞士Mont Terri 巖石實(shí)驗(yàn)室開展的FE 試驗(yàn)主要基于KALE等[4]提出的處置庫模型，即將罐體水平放置在由高壓實(shí)膨潤土塊體組成的基座上，膨潤土顆粒混合物作為主要的緩沖材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用回填機(jī)械填充膨潤土顆粒混合物材料，其均勻性有明顯提升(如圖4所示)。

圖4 FE試驗(yàn)不同截面平均干密度分布[16]Fig.4 Average dry density distribution of different sections in FE[16]

SELLIN 等[20]開展了如圖5 所示的室內(nèi)矩形槽試驗(yàn)，探究了顆粒混合物的組成和壓實(shí)方式對其均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)單一組份的顆粒混合物內(nèi)部存在較大的間隙，顆粒和間隙之間存在明顯的密度差異，均勻性較差；采用適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)頻率和功率進(jìn)行壓實(shí)填充，可以有效提高顆粒混合物的均勻性(如圖5(c)所示)。

圖5 采用Wyoming膨潤土粉末填充MX-80高密度顆粒之間的間隙試驗(yàn)[20]Fig.5 Gap-filling test using Wyoming bentonite powder between MX-80 high density pellets[20]

MüLLER等[21]在FE項(xiàng)目中研究了膨潤土顆粒混合物離析效應(yīng)的影響因素，結(jié)果如圖6 所示[21]。從圖6可見：在沒有附加措施(如邊坡覆蓋)的情況下，顆粒混合物堆積邊坡前部會(huì)發(fā)生小型崩塌，回填材料中出現(xiàn)“杉樹狀”離析效應(yīng)；而采用邊坡覆蓋等措施可以提高顆粒混合物的堆積均勻性。

圖6 回填期間的各種措施對離析效應(yīng)的影響[21]Fig.6 Influence of segregation effects depending on various measures during backfilling[21]

綜上所述，顆粒混合物在安裝過程中的均勻性與填充技術(shù)、顆粒級配以及堆積方式密切相關(guān)。MüLLER 等[16]研究表明：膨潤土顆粒混合物具有自密實(shí)的粒度分布特征，通過優(yōu)化材料顆粒級配設(shè)計(jì)可以有效限制離析效應(yīng)；水平螺旋輸送法(例如改進(jìn)螺旋鉆的數(shù)量和尺寸、優(yōu)化壓實(shí)工具)并增加其他附加措施(如邊坡覆蓋等)可以提高填充區(qū)材料的均勻性。因此，改進(jìn)現(xiàn)有的填充機(jī)械設(shè)備和方式是今后的研究重點(diǎn)。

2.2 初始差異性的均勻化試驗(yàn)

緩沖區(qū)材料初始安裝狀態(tài)下不均勻性試驗(yàn)主要為室內(nèi)中小尺度模型試驗(yàn)和現(xiàn)場大尺度原位試驗(yàn)。

2.2.1 室內(nèi)中小尺度模型試驗(yàn)

1) 膨潤土塊體-施工工藝間隙均勻化。膨潤土塊體在工藝間隙下遇水發(fā)生自由膨脹，隨著水化作用進(jìn)行，沿著浸濕路徑的含水量將出現(xiàn)梯度變化，其特征為隨離進(jìn)水口距離增加而減小；同時(shí)，試樣中出現(xiàn)干密度和膨脹力差異性分布[22-23]。根據(jù)膨潤土塊體與間隙的相對位置，試驗(yàn)主要可以分為3類(如圖7所示[24])。

圖7 膨潤土塊體-間隙均勻化試驗(yàn)類型[24]Fig.7 Illustration of bentonite block-gap homogenization test[24]

軸向膨脹試驗(yàn)中工藝間隙位于塊體上方，BIAN 等[25]將試樣從上(間隙入水口位置)到下劃分為間隙、上部、中部和下部4 個(gè)區(qū)域，并測定了4個(gè)區(qū)域不同水化作用時(shí)間下的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化(壓力汞試驗(yàn))以及含水量和干密度分布。試樣可以分為上部壓縮區(qū)和下部膨脹區(qū)(如圖8 所示)。從圖8可見：隨著水化作用進(jìn)行，壓縮區(qū)干密度增大而膨脹區(qū)干密度減小，試樣逐漸趨于均勻化；試樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征變化與試樣干密度和含水量密切相關(guān)，上部和間隙區(qū)域出現(xiàn)了新的中間孔隙(孔徑為0.04～2.00 μm)，同時(shí)，在均勻化過程中壓縮區(qū)中間孔隙和大孔隙顯著減少，膨脹區(qū)中間孔隙和不可測孔隙(孔徑＜0.06 μm)增加。

圖8 試樣不同水化時(shí)間下干密度分布[25]Fig.8 Dry density distribution of specimens at different time[25]

在室內(nèi)徑向外側(cè)和內(nèi)側(cè)膨脹試驗(yàn)中，塊體與間隙之間的干密度差異性隨水化作用時(shí)間增長而降低，然而，在試驗(yàn)時(shí)間尺度下兩者之間差異仍持續(xù)存在。值得注意的是，SKB 機(jī)構(gòu)在中等尺度Big Berth(BB)徑向外側(cè)膨脹模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)[26]：在試驗(yàn)初期，間隙區(qū)域出現(xiàn)試樣剝落現(xiàn)象，且呈泥漿狀。隨著間隙水不斷向試樣核心區(qū)遷移，試樣初始間隙區(qū)出現(xiàn)干燥裂紋，裂紋之間的連通可能形成新的入滲通道。

陳寶等[13]開展了不同工藝間隙寬度條件下的膨脹力和滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接縫導(dǎo)致整體膨脹力減小、滲透性增大。ZHANG 等[15]采用膨潤土粉末、泥漿和顆粒作為間隙回填材料，隨著水化作用進(jìn)行，密封材料與塊體之間結(jié)構(gòu)面逐漸消失。許韜等[14]模擬了含接縫的膨潤土砌塊的愈合過程，發(fā)現(xiàn)接縫的存在極大地增加了緩沖材料的滲透性，但隨著水化作用推移，接縫的滲透率會(huì)顯著降低。

綜上所述，國內(nèi)關(guān)于膨潤土塊體的研究主要集中在其水力特性和自愈合過程，較少關(guān)注緩沖材料的不均勻性以及一定時(shí)間尺度下殘余不均勻程度。國外學(xué)者從宏觀層面研究了均勻化過程中干密度和含水量的變化，對微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征變化規(guī)律有一定的認(rèn)識，然而，目前對中等尺度膨脹試驗(yàn)間隙區(qū)域出現(xiàn)干縮裂紋的機(jī)理和水分遷移過程尚不清楚。因此，加強(qiáng)不同尺度下均勻化過程機(jī)理的認(rèn)識，同時(shí)注重宏觀現(xiàn)象與微觀特征之間的聯(lián)系，是今后需要進(jìn)一步研究的工作。

2) 膨潤土塊體-膨潤土顆粒混合物均勻化。關(guān)于膨潤土塊體與膨潤土顆粒混合物均勻化研究，JOHANNESSON 等[27]發(fā)現(xiàn)隨著水化作用進(jìn)行，塊體和顆粒混合物膨脹力之間的差異性降低。塊體和顆粒混合物膨脹力發(fā)展模式存在明顯差異，顆粒混合物膨脹力逐漸增大直至穩(wěn)定，而塊體的膨脹力在初期發(fā)展快，出現(xiàn)首次波峰后開始降低，隨后膨脹力繼續(xù)增大直至穩(wěn)定(如圖9所示)。

圖9 膨潤土塊體和顆粒混合物膨脹力發(fā)展[27]Fig.9 Swelling pressure development of bentonite blockpellets[27]

目前，人們對膨潤土塊體與顆粒混合物均勻化過程中的膨脹力發(fā)展模式、干密度和含水量分布的研究較為充分，然而，對均勻化過程的內(nèi)在機(jī)理認(rèn)知還存在不確定性[28]，今后需加強(qiáng)關(guān)于膨潤土塊體與顆粒混合物均勻化過程內(nèi)在機(jī)理的研究。

3) 膨潤土顆粒混合物中高密度顆粒-粉末均勻化。膨潤土顆粒混合物由高密度顆粒和粉末混合組成，初始狀態(tài)下宏觀尺度干密度呈現(xiàn)高度的不均勻性。微觀尺度具有典型的多孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其孔隙包括顆粒間大孔隙、膨潤土材料內(nèi)部集團(tuán)間孔隙和集團(tuán)內(nèi)部孔隙；同時(shí)混合物的多孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)隨水化作用而發(fā)生改變，進(jìn)而影響材料的水力特性。

VAN GEET 等[29]采用μ-CT 技術(shù)測試了FoCa膨潤土顆粒和粉末混合物恒定體積水化作用(試樣底部進(jìn)水)下均勻化過程，結(jié)果如圖10所示[29]。從圖10 可見：在初始狀態(tài)下，顆粒和粉末之間界限明顯；在水化開始15 d 時(shí)，底部顆粒優(yōu)先吸水膨脹并開始逐漸分解，與其接觸的粉末經(jīng)壓縮密度增大，兩者之間的差異性減小；隨著水化作用進(jìn)行，試樣上部開始吸水膨脹，試樣內(nèi)部整體趨于均勻化；試樣完全飽和后，不會(huì)出現(xiàn)100 μm 尺度規(guī)模的優(yōu)先路徑。

圖10 混合物水化作用下均勻化過程[29]Fig.10 Bentonite pellets-powder homogenization under hydration[29]

目前，人們借助μ-CT技術(shù)對膨潤土顆粒混合物均勻化過程有一定的認(rèn)識，然而，準(zhǔn)確預(yù)測混合物微觀結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律、評估不同時(shí)間尺度下殘余干密度梯度和膨脹力差異仍存在較大難度。因此，今后對材料的流體力學(xué)模型的研究需要考慮材料時(shí)間一空間分布的影響。

2.2.2 現(xiàn)場大尺度原位試驗(yàn)

1) 膨潤土塊體-施工工藝間隙均勻化。為研究工藝間隙對緩沖材料長期性能和均勻化的影響，MOKNI 等[30]在Tournemire 地下試驗(yàn)室開展了三類現(xiàn)場原位測試，調(diào)查了2 種主要類型工藝間隙(如圖11所示)，包括環(huán)形工藝間隙(膨潤土塊體與圍巖之間的間隙)和膨潤土塊體之間的工藝間隙[30]。結(jié)果表明，工藝間隙的存在導(dǎo)致形成新的水化來源(環(huán)形間隙)和入滲通道(膨潤土塊體間和內(nèi)部間隙)，顯著影響緩沖材料的飽和動(dòng)力學(xué)特性。

圖11 有無接縫膨潤土塊體[30]Fig.11 Bentonite block with or without technological voids[30]

2) 膨潤土塊體與顆粒混合物以及混合自身的均勻化。在瑞士Mont Terri開展了顆粒混合物填充間隙空間的大尺度現(xiàn)場原位試驗(yàn)[31]，研究表明：顆粒混合物主要填充區(qū)域經(jīng)過水化作用趨于均勻化，緩沖區(qū)材料在同一截面不同位置的干密度穩(wěn)定在較小范圍內(nèi)；工程屏障的初始狀態(tài)對材料最終的干密度和含水量分布產(chǎn)生重要影響。由于入水口位置位于緩沖區(qū)底部，該區(qū)域優(yōu)先吸水膨脹，導(dǎo)致工程屏障底部的低密度區(qū)域長期持續(xù)存在(如圖12(a)所示)；然而，相對于初始狀態(tài)，緩沖區(qū)的干密度整體分布均勻性有明顯提高，膨潤土塊體干密度降至與顆粒混合物干密度相近。

圖12 不同截面沿Y軸顆粒混合物干密度分布Fig.12 Dry density of GBM from different sampling sections as a function of coordinate Y

綜上所述，材料初始水化區(qū)域的膨脹變形具有不可逆性，并將成為工程屏障的高含水量和低密度區(qū)域，且長期持續(xù)存在；而室內(nèi)小尺度試驗(yàn)借助μ-CT技術(shù)發(fā)現(xiàn)材料整體基本趨于均勻化。兩者結(jié)果的差異性可能是來自于觀測時(shí)間尺度、試樣尺度和注水口位置等因素的影響。NISHIMOTO等[32]通過土工離心機(jī)測試了處置庫的長期水力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)膨潤土局部最大膨脹力直至試驗(yàn)結(jié)束也未收斂，具有時(shí)間依賴性。因此，如何借助室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確評估處置庫運(yùn)營過程中的水力學(xué)行為，可能是今后需重點(diǎn)關(guān)注的方向。

2.3 運(yùn)營過程中地下水沖蝕引起膨潤土損失后的均勻化試驗(yàn)

目前針對地下水沖蝕引起膨潤土損失后，緩沖區(qū)均勻化過程的相關(guān)研究成果較少。黃依藝等[18]發(fā)現(xiàn)圍巖裂隙的開度和初始干密度對侵入速率、侵入距離和膨潤土材料最終損失的質(zhì)量有重要影響。然而，試驗(yàn)過程對膨潤土質(zhì)量損失引起緩沖區(qū)材料干密度的重新分布研究較少。DUECK等[28]開展了地下水沖蝕后緩沖區(qū)自我愈合和均勻化的中等尺度試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過3 a水化，試樣不同位置的膨脹力發(fā)展基本趨于穩(wěn)定(如圖13 所示)，由于開挖孔的影響，試樣不同位置的膨脹力具有較大差異，位于開挖孔隙位置的膨脹力最低。

圖13 具有開挖孔試樣不同位置膨脹力時(shí)程曲線[28]Fig.13 Swelling pressure with time at different positions of specimen with excavation hole[28]

具有開挖孔試樣不同位置的干密度分布如圖14 所示，從圖14 可見：靠近開挖孔附近區(qū)域的干密度顯著低于試樣初始干密度。由此可見，膨潤土質(zhì)量損失對緩沖區(qū)材料干膨脹力和干密度有較大影響，在試驗(yàn)觀察時(shí)間下，試樣未達(dá)到完全均勻化。

圖14 具有開挖孔試樣不同位置干密度分布[28]Fig.14 Distribution of dry density at different positions of specimen with excavation hole[28]

地下水沖蝕引起緩沖區(qū)膨潤土材料損失，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)部不同位置干密度存在差異性分布，在試驗(yàn)觀察時(shí)間內(nèi)其不均勻性長期存在。因此，需評估膨潤土質(zhì)量損失后緩沖區(qū)的不均勻程度對處置庫長期運(yùn)營的影響。

3 緩沖區(qū)膨潤土材料不均勻的影響因素

3.1 熱水力

處置庫在實(shí)際運(yùn)營過程中，靠近圍巖裂隙的緩沖膨潤土材料與水接觸，水化作用膨脹，干密度降低；同時(shí)，由于高放廢物放熱，靠近高放廢物的膨潤土材料水分蒸發(fā)收縮，含水量降低，干密度增加。因此，處置庫在長期熱水力作用下，靠近巖體和處置罐體的緩沖區(qū)材料干密度會(huì)存在差異。

為研究溫度和水化作用對工程屏障膨潤土材料的最終狀態(tài)的影響，在瑞士Grimsel 地下試驗(yàn)室開展了全尺度現(xiàn)場原位試驗(yàn)(FEBEX)[33-34]。其中，圍繞放熱廢物罐的緩沖區(qū)采用高壓實(shí)膨潤土塊填充，水化作用5 a 后對部分屏障膨潤土進(jìn)行第1 次拆除，剩余部分繼續(xù)水化13 a后進(jìn)行拆除。在熱-水-化作用下18 a后，緩沖區(qū)膨潤土材料干密度分布無明顯的變化(如圖15(b)所示)。

圖15 FEBEX現(xiàn)場原位試驗(yàn)不同階段放熱和冷卻截面干密度分布[33]Fig.15 Distribution of dry density in sections in heating and cooling area at different stages of FEBEX in situ test[33]

從圖15(a)可以看出：將第1 次拆除部分放熱罐體后，隨著水化作用進(jìn)行，靠近罐體和靠近巖體的膨潤土材料干密度差異減小，促進(jìn)緩沖區(qū)的整體均勻化。

3.2 時(shí)間(膨潤土蠕變行為)

FEBEX 現(xiàn)場試驗(yàn)研究表明，緩沖區(qū)膨潤土材料在長達(dá)18 a 熱水力作用下干密度梯度差異仍然持續(xù)存在，因此，評估材料長期蠕變行為對于工程屏障最終均勻化狀態(tài)的影響具有重要意義。

蠕變過程太慢，無法在試驗(yàn)室進(jìn)行研究。VILLAR等[34]研究了膨潤土材料在自然界中的存在狀態(tài)，即研究了一層天然膨潤土干密度是否存在初始梯度。若干密度梯度隨時(shí)間推移而消失，則表明蠕變緩慢過程對材料的均勻化過程有積極的作用。即使在地質(zhì)時(shí)間尺度下，蠕變行為對于膨潤土材料的均勻化的影響也可以忽略。然而，該方法目前存在諸多局限性和不確定性。因此，今后仍需關(guān)注膨潤土材料的蠕變行為對處置庫緩沖區(qū)長期安全性能的影響。

3.3 工藝間隙尺寸

HARRINGTON 等[35]開展了3 種不同間隙的試驗(yàn)，間隙位于試樣上方(入水口位置)。圖16所示為間隙尺寸對膨潤土均勻化的影響。從圖16(a)可見：試樣間隙越大，試樣內(nèi)部含水量差異越小，整體含水量越低。從圖16(b)可見：試樣間隙越大，不同位置的平均膨脹力差異越大。造成這2種差異的主要原因是膨脹力隨干密度增加呈非線性變化，相同干密度(含水量)變化引起的膨脹力差異不同。

圖16 間隙尺寸對膨潤土均勻化的影響[35]Fig.16 Effect of gap size on bentonite homogenization[35]

3.4 重力離析效應(yīng)

HARRINGTON 等[35]在初始間隙中填充水分，研究傾斜試樣在膨脹過程中重力離析效應(yīng)的影響，結(jié)果如圖17所示。從圖17可見：鈉基膨潤土含水率增加到約150%時(shí)(100 mm位置)，試樣上下側(cè)含水量出現(xiàn)一定差異；而當(dāng)鈣基膨潤土距試樣底部距離超過80 mm后，上下側(cè)含水量出現(xiàn)顯著差異。這是因?yàn)樵陂g隙位置自由膨脹過程中，由于重力離析效應(yīng)的作用，膨潤土材料黏土結(jié)構(gòu)中較重的碎屑開始沉積，這種效應(yīng)可能會(huì)影響材料的長期均質(zhì)化。此外，重力離析效應(yīng)對鈣基膨潤土的影響更明顯。

圖17 含水率相對于容器底部距離的分布[35]Fig.17 Distribution of moisture ratio with distance from base of vessel[35]

3.5 摩擦因素

DUECK等[24]開展了內(nèi)壁具有不同摩擦形式的長圓管試驗(yàn)，結(jié)果如圖18所示。從圖18可見：膨潤土塊體在內(nèi)壁光滑的長管水化作用過程中，軸向和徑向膨脹力均呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的變化規(guī)律。而在矩形和三角形內(nèi)壁長管中，塊體軸向膨脹力初期迅速增大，隨后降低出現(xiàn)波谷，再次發(fā)展至穩(wěn)定段；塊體徑向膨脹力先增大后出現(xiàn)一定程度降低。同時(shí)，在矩形和三角形內(nèi)壁長管中，塊體軸向和徑向穩(wěn)定膨脹力差異明顯大于內(nèi)壁圓滑的長管中膨脹力差異，因此，摩擦效應(yīng)在一定程度上可能影響膨潤土材料的均勻化過程。

圖18 摩擦形式對膨潤土均勻化的影響[24]Fig.18 Effect of friction forms on bentonite homogenization[24]

綜上所述，熱水力因素以及緩沖區(qū)膨潤土材料之間的初始差異性是影響緩沖區(qū)材料均勻化最主要因素，工藝間隙尺寸、材料在膨脹過程中的重力離析效應(yīng)以及摩擦因素對膨潤土材料均勻化過程有不同程度的影響。FEBEX 現(xiàn)場試驗(yàn)表明，在初始階段，緩沖區(qū)材料在熱水力作用下形成的干密度不均勻分布會(huì)持續(xù)存在，其行為具有不可逆轉(zhuǎn)性。而室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為材料之間的干密度差異在水化作用過程中顯著降低，試樣整體基本趨于均勻化。目前，人們對于不同時(shí)間尺度和試樣尺寸下均勻化過程之間的差異尚不清楚。

4 結(jié)論

1) 緩沖區(qū)的不均勻性主要來自于儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中材料的離析效應(yīng)、初始安裝狀態(tài)下材料之間的干密度差異性以及運(yùn)營過程中地下水沖蝕引起膨潤土損失后的緩沖區(qū)材料重分布。

2) 在初始階段，緩沖區(qū)材料在熱水力作用下形成的干密度不均勻分布會(huì)持續(xù)存在，即使緩沖區(qū)整體趨于飽和狀態(tài)，這種不均勻性也不會(huì)消失。今后需重點(diǎn)關(guān)注這種行為的不可逆轉(zhuǎn)性。

3) 膨潤顆粒混合物內(nèi)部干密度的差異性隨水化作用的進(jìn)行逐漸降低，然而，在試驗(yàn)觀察時(shí)間內(nèi)兩者差異性仍然存在；借助μ-CT技術(shù)觀察膨潤土顆粒混合物水化過程，發(fā)現(xiàn)高密度顆粒和低密度粉末之間界限消失，兩者基本趨于均勻化，試樣完全飽和后不會(huì)出現(xiàn)100 μm規(guī)模的優(yōu)先路徑。

4) 熱水力因素以及材料之間的初始差異性是影響緩沖區(qū)材料均勻化最主要因素，工藝間隙尺寸、材料在膨脹過程中的重力離析效應(yīng)以及摩擦因素對膨潤土材料均勻化過程有不同程度的影響。

5) 普遍采用的平均干密度并不能完全表征膨潤土材料的水力學(xué)性能，如何預(yù)測處置庫運(yùn)營期間材料的時(shí)間和空間分布、評估最終殘余不均勻程度對處置庫的影響有待進(jìn)一步研究。