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(xué)國防工程學(xué)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(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

介紹了緩沖回填材料的作用，結(jié)合相關(guān)文獻資料，從膨脹性、抗?jié)B性、熱傳導(dǎo)性三方面，系統(tǒng)分析總結(jié)了混合型緩沖回填材料的工程特性，對深地質(zhì)處置庫的建設(shè)具有一定的意義。

緩沖回填材料，膨脹性，抗?jié)B性，熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(yōu)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(dǎo)熱性能和可施工性。膨脹性作為緩沖回填材料主要的技術(shù)指標，研究表明其隨著摻加改性材料的相對含量呈指數(shù)降低關(guān)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(dāng)超過其臨界點將發(fā)生突變。由于摻加料的導(dǎo)熱性大于膨潤土的導(dǎo)熱性更遠大于空氣，所以導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)造成較大的壓力，使圍巖產(chǎn)生較多徑向裂縫。過小將無法發(fā)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(tài)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(shù)增長，在80%狀態(tài)時，試件的膨脹性與初始干密度呈線性增加的關(guān)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(shù)關(guān)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(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。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(shù)增長關(guān)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(fā)現(xiàn)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(dāng)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(fā)現(xiàn)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?jié)B特性研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(guān)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(shù)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(dāng)吸力大于臨界值時，滲透性與吸力呈線性增長的關(guān)系，相反則減小。張虎元等[8]借助柔性壁滲透儀試驗發(fā)現(xiàn)摻砂率為0%～50%時混合物的滲透系數(shù)保持在一個數(shù)量級內(nèi)，滲透系數(shù)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(fā)現(xiàn)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(wěn)定，所以當(dāng)膨潤土相對含量超過某一值之后，繼續(xù)提高膨潤土相對含量對于減少滲透性的作用微??；級配良好混合物滲透性較小，最優(yōu)含水率下壓密得到的混合物的滲透性最小。

3 熱傳導(dǎo)性能研究

混合型緩沖材料作為深地質(zhì)處置場內(nèi)最后一道人為保護屏障，起著將高放廢物產(chǎn)生的衰變熱向周圍介質(zhì)傳遞的作用。較低的導(dǎo)熱性能無法將放射性核素衰變產(chǎn)生的熱量快速地傳到周圍的巖體土層中，導(dǎo)致熱量積累，使緩沖回填材料中的液態(tài)水汽化產(chǎn)生過大的水汽壓力，對廢物罐產(chǎn)生較大的作用力。朱國平等[10]試驗研究表明膨潤土導(dǎo)熱系數(shù)與蒙脫石含量呈負相關(guān)關(guān)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(dǎo)熱特性得到各國專家學(xué)者的認可。陳航等[11]試驗研究了摻砂量、初始干密度等對導(dǎo)熱特性的影響。試驗表明，導(dǎo)熱性能與初始干密度呈線性增長關(guān)系。當(dāng)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(fā)現(xiàn)當(dāng)混合物含水率不為零時，熱傳導(dǎo)性能隨含砂量的增加持續(xù)增加。含水率是零時，在摻砂率為0%～30%范圍內(nèi)，摻砂率越大導(dǎo)熱性能越高，但摻砂率超過50%時，熱傳導(dǎo)性能開始下降。導(dǎo)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(dǎo)熱性能大于空氣。謝敬禮等[14]通過試驗發(fā)現(xiàn)混合材料的導(dǎo)熱性和飽和度存在冪函數(shù)關(guān)系，初步得出了摻砂率與混合物的熱擴散性質(zhì)的關(guān)系。

4 結(jié)語

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

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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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