掺入膨润土中的石墨最大粒径确定方法

核废料处置库缓冲层除要具备良好的隔离防渗外,还需要有卓越的导热性能。为此,论文以钠基膨润土为基础,混入高导热率天然石墨,配置兼具防渗-导热功能的缓冲材料。按照相同的石墨掺入率（20%,质量比）,把最大粒径为50目、100目、200目和325目的石墨分别掺入膨润土,形成均匀的石墨-膨润土混合物。开展膨润土-石墨混合物自由膨胀率、恒体积膨胀力和渗透等水-力特性试验,探讨石墨粒径对膨润土-石墨混合物水-力性能的影响。结果表明,相同石墨掺入率下,最大粒径100~200目的石墨和膨润土混合,可以形成更好的缓冲材料,其渗透系数最小,而膨胀力最大。究其原因,应与石墨-膨润土的接触方式相关。石墨呈扁平状结构,粒径较大时,石墨和膨润土被压实后,容易在扁平结构末端形成未被充填的孔隙;而石墨粒径较小时,石墨和膨润土颗粒接触面积增大,石墨属于憎水性材料,膨润土-石墨界面处提供了更多渗漏通道。研究结论为配置核废料处置库缓冲层材料提供了科学参考。     

混合型缓冲回填材料膨胀力试验研究

与纯膨润土相比,混合型缓冲回填材料（膨润土与石英砂混合物）能够实现防渗阻隔能力、热传导性能、力学强度和可施工性能的最佳组合。选用高庙子钠基膨润土（GMZ001）为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂比分别为0、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内试验。结果表明,混合物的液限、塑限随掺砂率的增大而线性降低;膨胀力随时间呈指数增长。初始含水率较大时,最大膨胀力随初始含水率的增大略有降低。掺砂率一定时,最大膨胀力随初始干密度指数增长。提出了有效黏土密度的概念,建立了一定初始含水率条件下,任意掺砂率和初始干密度的高庙子膨润土-砂混合物最大膨胀力归一化模型,为混合型缓冲回填材料膨胀力的预测与控制提供了依据。     

集成回填材料的渗透特性研究

本文在前人基础上改进渗透装置,通过自制多功能膨胀渗透仪在氮气加压为1.0 MPa条件下,测得沸石-膨润土-硫铁矿、凹凸棒石-膨润土-硫铁矿两组混合物在不同膨润土含量、压制载荷、压实密度、出水时间等条件下的渗透系数。实验结果表明:集成回填材料的渗透系数随时间的变化不大,基本满足达西定律。同一干密度和含水率条件下,不同混合物随着膨润土含量的增加,其渗透系数降低。膨润土含量占沸石混合物或者凹凸棒石混合物比例不小于60%时,二者混合物的渗透系数均满足高放废物处置中回填材料渗透系数小于7×10-10m/s的要求。但同等条件下,由于沸石为非粘性矿石,其具有孔隙大、渗透性好等特点,因此天然地下水在沸石混合物中比在凹凸棒石混合物中渗透得快。同一干密度和含水率条件下,不同混合物压实制样的载荷越大,其渗透系数越小,反之越大。压制载荷在50~100 MPa间时,混合物的渗透系数变化不大。通过进行混合物不同配比、不同影响因素对渗透特性影响的研究,为我国新型缓冲回填材料在未来地下工程中施工提供一定的理论依据。     

黏土掺入生物炭后的持水特性及其影响机制

生物炭具有疏松多孔、高比表面积和强吸附等特性,在土体改良以及修复受污染土体方面展现出应用潜力。添加生物炭可改善土体结构,进而增强土体持水特性等,其中,生物炭掺量和粒径对改良效果有较大的影响。为了研究生物炭掺量和粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响,通过蒸汽平衡法控制土样的吸力,确定吸力平衡后土样的含水率和体积等,得到吸湿过程中不同生物炭掺量（0%、5%、10%和15%）、不同粒径范围（＞74、40～74、20～40 μm和＜74 μm）生物炭?黏土混合土在高吸力（3.29～286.7 MPa）范围的土?水特征曲线,并结合扫描电镜（SEM）和压汞（MIP）试验结果分析其微观孔隙结构。试验结果表明：（1）当掺入生物炭的粒径较小时,随着生物炭掺量的增加,土样的持水特性有较明显的提高,随着掺入生物炭粒径的增大,生物炭掺量对土样的持水特性影响不大。（2）当生物炭的掺量较少时,不同粒径生物炭?黏土混合土的土?水特征曲线基本相同,随着生物炭掺量提高,小粒径生物炭对混合土持水特性的影响逐渐显现。（3）由生物炭?黏土混合土微观孔隙结构的演变规律进一步阐释生物炭掺量、粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响机制。     

膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

运用自行研制的膨胀仪对膨润土加砂混合物进行了一系列膨胀力及膨胀应变等膨胀特性的试验研究,分析了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间的关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。试验研究表明,膨润土加砂混合物的最大膨胀力以及最大膨胀应变主要取决于混合物的最初干密度和膨润土含量,并且随着二者的增大而增大;膨润土加砂混合物的水平膨胀力与竖向膨胀力之比随着混合物干密度的增大减小,并且与干密度近似成线性关系;不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间成双曲线关系,与吸水量近似呈S型曲线关系,并且其最大膨胀应变与膨润土含量存在指数关系。试验结果对高放废物深处置库中的缓冲回填材料设计具有一定的参考价值。     

混合型缓冲回填材料膨胀变形试验研究

选用高庙子钠基膨润土(GMZ001)为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内膨胀变形试验。结果表明：膨胀率随时间呈指数增长;掺砂率一定时,最大膨胀率随初始干密度的增大而线性增长;初始干密度一定时,最大膨胀率与掺砂率呈二次函数关系。引入有效黏土密度的概念对最大膨胀率进行计算,建立了任意掺砂率和初始干密度条件下膨润土-砂混合物最大膨胀率归一化模型,为混合型缓冲回填材料在高放废物地质处置中膨胀行为的预测与控制提供了依据。     

膨润土受热作用后的水-力性能研究

受核废料衰变热影响,处置库内缓冲层的膨润土会长期处于高温状态。经历持续高温作用后,膨润土的膨胀自愈能力能否得以保持,还没有明确的结论。利用马弗炉维持105 ℃恒温环境,对粉状膨润土持续加热到预定周期;然后,获得不同加热周期试样的水-力性能。结果表明,随着加热时间增长,膨润土水-力性能出现大幅衰减。借助X射线衍射仪测试发现持续加热90 d其晶面间距缩合,出现了硅质氧化物胶结,导致颗（团）粒集聚。其红外光谱和热重特征表明,持续加热作用脱去了蒙脱石层间离子水合水,引起部分Na、Mg离子随水分蒸发而逃逸,两者共同作用导致蒙脱石颗（团）粒发生缩合作用。通过观察其扫描电镜图片也能发现,经过90 d持续加热后,蒙脱石颗（团）粒表面不再层次分明,而是紧密地相互搭接,发生了显著的缩合行为。粒度分布特征进一步证实,膨润土经历90 d加热后,即使浸泡28 d,其颗（团）粒依然未被分散,可初步推断上述缩合行为不可逆。     

高压实膨润土的非饱和渗透膨胀模型

高放废弃物深地质处置库中,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土的设计功能是,遇水吸湿导致土体膨胀变形,以密封高压实膨润土块体砌置时形成的块体与块体之间和块体与围岩之间的施工缝隙以及围岩中因处置库开挖卸载引起的裂缝,形成阻障围岩中地下水渗入内库引起核素迁移,与库内高放废物的辐射扩散的人工屏障。高压实膨润土在自由膨胀条件下的膨胀应变和非饱和渗透系数由渗透试验测得;孔隙比和吸力的关系由压汞试验测得。吸力和含水率的函数关系可由土-水特征曲线测试试验得到。因此,自由膨胀条件下膨润土的非饱和渗透膨胀模型由膨胀应变、非饱和渗透系数和孔隙比与吸力的函数关系建立。结果表明：渗透系数和体积应变都随吸力减小而增加,因为吸力减小会导致孔隙比增加。这一发现有助于设计高放废物的最终处置方案。     

中国高放废物地质处置缓冲材料大型试验台架和热-水-力-化学耦合性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置库中一道重要的人工屏障,与高放废物容器和处置库围岩直接接触,在高放废物衰变热、辐射作用和地下水等影响下产生复杂的热-水-力-化学耦合作用,为了验证缓冲材料是否能长期有效地发挥其屏障材料的作用,核工业北京地质研究院利用高庙子钠基膨润土组装并运行了模拟中国高放废物地质处置室 尺寸的大型缓冲材料膨润土试验台架（China-Mock-Up）。建立了缓冲材料试验台架的安装和试验方法,依据实测数据和理论分析,揭示了热-水-力-化学耦合作用条件下膨润土中的相对湿度是在加热器的热效应和外部供水的湿效应共同作用下发生变化的,压实膨润土中应力的变化主要是由于膨润土遇水膨胀和加热器的热效应引起的,试验验证了模拟高放废物地质处置室内加热器（废物罐）运行初期的位移过程,为缓冲材料和高放废物地质处置库的设计提供了重要的工程参数和理论依据。     

膨润土颗粒混合物的堆积性质与水-力特性研究进展

膨润土颗粒混合物是高放废物深地质处置库中的一种缓冲/回填材料,掌握其堆积性质与水-力特性是开展处置库安全性能评估的关键基础。本文全面回顾和总结了近年来国内外学者对膨润土颗粒混合物的堆积性质、持水特性、结构特征、渗透特性、胀缩特性及本构模型等方面的研究进展与取得的成果,展望了几个值得进一步研究的问题。结果表明,颗粒混合物的堆积性质与粒径级配密切相关;湿化过程中,颗粒混合物由初始松散结构逐渐转变为胶结融合结构,孔隙结构逐渐趋于均一化,并伴随着颗粒破碎和错动,进而影响其水-力特性。考虑到处置库实际运营环境的复杂性,颗粒混合物的原位填充技术以及多场(热-水-力-化)耦合条件下颗粒混合物的水-力特性是今后值得深入研究的方向。     

Performance evaluation of soil mixtures treated with graphite and used as barrier fill material for high-level radioactive waste repository

Buffer/backfill material is an important engineering barrier in a deep geological repository of high-level radioactive waste (HLW). Its thermo-hydro-mechanical (THM) performance is very important for the safe and stable operation of the HLW repository system. Natural graphite powder mixed with sodium bentonite forms a buffer/backfill material that can dissipate heat quickly and provide strong isolation. In this paper, the THM characteristics of bentonite–sand–graphite–polypropylene fiber (BSGF) mixtures, used as a buffer/backfill material, were studied through a series of laboratory tests. The influence of graphite and polypropylene fiber contents on thermal conductivity, swelling pressure, hydraulic conductivity, and strength properties of BSGF mixtures with different sand contents was analyzed. Experimental results indicated that the graphite content, the maximum graphite mesh number, and the initial dry density of bentonite–graphite mixtures influenced the thermal conductivity of bentonite–graphite mixtures. The addition of polypropylene fiber was found to enhance the shear strength and inhibit cracking without significantly affecting the expansivity, permeability, and thermal conductivity of the BSGF mixtures. This study provides a new buffer/backfill material that can improve the stability, functionality, and thermal efficiency of the HLW repository.

     

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

膨润土因具有渗透性低、阳离子交换能力高等优点被认为是最适合高放废物深地质处置库中屏障系统的缓冲材料,工程实践发现随着水化过程的进行,纯高压实膨润土强度不断降低,并最终影响到工程屏障系统功能的发挥。针对这一问题,在膨润土中加入一定比例的石英砂,可以有效地提高工程屏障的热传导特性、压实性、力学强度和长期稳定性,降低工程造价。本文研究了影响砂-膨润土混合物渗透性的主要因素,包括膨润土含量、粒径分布、含水量和干密度、压实方法以及膨润土类型等。结果表明,砂土混合物渗透性主要受膨润土的渗透性控制,渗透系数随着膨润土含量和干密度的增加而减小,当膨润土含量超过某一界限值后,继续增加膨润土含量对降低渗透系数的作用有限;细颗粒和级配良好的混合物渗透系数小,当土体内部发生渗透侵蚀将增大渗透系数;最优含水量条件下压实得到的渗透系数最低,高于最优含水量压实得到的渗透系数比低于最优含水量压实得到的渗透系数要小。     

Swelling characteristics of compacted lateritic soil–bentonite mixtures subjected to municipal waste leachate contamination

Compacted soil–bentonite mixtures are finding wide application as buffer material for waste repositories for their favorable self-sealing qualities. The swelling properties of such materials which serve as a measure of their self-sealing capabilities and, thus, the efficiency of the repository in sealing off their contents from the environment are closely related to the chemistry of the leachate that emanate from the wastes. For this reason, the swelling parameters (namely swelling potential and pressure) of compacted lateritic soil–bentonite mixtures under consideration for use as barrier in municipal waste landfill were evaluated. Series of swelling potential and pressure tests were performed using variable content (0–10 %) of bentonite at predetermined optimum moisture content. Soil mixtures were compacted with British Standard Heavy compactive effort and saturated with processed tap water as well as three leachate solutions of varying ionic strength that were generated in active open dump landfills. Experimental results showed that swelling potential based on the free swell together with the maximum swell pressures of compacted soil mixtures measured at equilibrium increased approximately linearly with increase in the amount of bentonite when inundated with processed tap water and the three leachate solutions. On the other hand, these swelling parameters decreased as the ionic strength of the leachate solutions measured by their electrical conductivity increased for the various soil mixtures. These results provide an insight into the swelling behavior and the possible degradation in the efficiency of the proposed lateritic soil–bentonite mixtures in relation to their use as buffer material in waste landfills.     

Study on the Themal Conductivity of Compacted Buffer/Backfill Materials

The thermal property is one of the key properties for the design of the high-level radioactive waste (HLW) repository. In this study, the thermal properties transient automatic tester (HPP-F) is uesd to study the thermal conductivity of multiphase composite buffer/backfill material including the type B-Z and B-Z-P (Here B、Z、P represents bentonite、zeolite and pyrite respectively,the same as in the following.) in different dry density and moisture conditions. The results show that for the same moisture content (dry density), thermal conductivity of specimens increases as the dry density (moisture content) increases. As a result, the type B-Z-P which is highly compacted of 1.8 g/cm3 in dry density and 17.65% in moisture content performs well, it meets the requirements of the IAEA and is easy to be compacted ,so it can be recommend as a alternative material of high level radioactive waste disposal repository buffer/backfilling materials.     

北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料导热性能研究

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要作用之一是传导和散失高放废物衰变热,在膨润土中添加石英砂、石墨、花岗岩岩屑等导热性能较好的添加剂是提高缓冲/回填材料导热性能的主要方法。选用北山花岗岩岩屑为添加剂,与高庙子钠基膨润土GMZ01组成混合材料,制备不同含水率、不同密度的试样。使用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测定样品的导热系数,分析其与花岗岩岩屑含量、干密度、饱和度等参数的关系,并运用多种混合物热传导模型分析预测导热系数。研究结果表明,花岗岩岩屑能够有效提高缓冲/回填材料的导热性能,混合材料的导热系数分别与其饱和度、气体体积存在线性关系;Maxwell方程能够较好预测北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料的导热系数。     

我国高放废物处置库缓冲／回填材料压实膨胀特性研究

本文研究了我国高放废物地质处置库缓冲／回填材料－内蒙古高庙子膨润土的压实、膨胀力和膨胀变形特性。实验结果表明，膨润土样品的压实密度与压制压力和蒙脱石含量有关，膨胀力与样品压实密度和蒙脱石含量有关，样品在荷载作用下膨胀变形明显减小。     

缓冲／回填材料——砂-膨润土混合物研究进展

砂-膨润土混合物已被很多核能国家选为核废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。膨润土中加入砂可提高热传导系数和强度,维持适当的膨胀力,使其工程上易于处理并节省成本;但同时会导致其阻水能力和自愈性减弱。研究表明,影响砂-膨润土混合物以上各性质的主要因素为：砂/膨润土配合比、初始含水量、干密度等,它们综合决定着砂/膨润土最优配合比的选取。石英砂对混合物的渗透性、热传导性、强度等的影响,最优配合比选取,以及非饱和状态下吸力变化对混合物渗透性的影响等,应该是今后一段时间内砂-膨润土混合物研究的重点。