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1、第三届废物地下处置学术研讨会论文集高庙子膨润土膨胀力影响因素研究马利科，刘月妙1 ，曹胜飞L 2 ，谢敬礼1 ，姜银华2( i 棱工业北京地质研究北京1 0 0 0 2 9 ：2 北京科技大学土木与环境工程学院。北京1 0 0 0 8 3 )耍，膨胀力是评价膨润土膨胀性、设计高放废物处置库的基本参数膨胀力的确定是高放废物处置工程研究的一个重要方面研究表明，膨润十是高放废物深地质处置中较理想的缓冲，回填材料本文针对高压实膨润土的膨胀性能进行了初步研究重点分析了密度、尺寸、浸泡液体等因素对膨润土膨胀力的影响。对于处置库的建设具有工程实际意义研究结果表明：在不同浸泡液体条件下，在不同尺寸下，均可以得
2、出高压实高庙子膨润土的干密度和膨胀力之问存在一定的相关性，即试样干密度越大。其膨胀力也越大；对于某一特定的土样试样的直径越小高度越大，其侧限影响越明显，则膨胀力也就越大；在其他条件下相同的情况下，经北山水浸泡的试样比经蒸馏水浸泡的试样的膨胀力增大，且密度越大。膨胀力增幅也越明显；但膨润土经北山水浸泡。膨胀率略有减小关键调；膨润土：膨胀力；密度；尺寸：浸泡液体1 引言我国的高放废物主要来源于压水堆核电站、国防核设施、C A N D U 反应堆和将来可能建造的高温气冷堆。根据 国家核电发展专题规划，到2 0 2 0 年核电运行装机容量争取达到4 0 0 0 万k w ，在建18 0 0 万k w
3、。根据最新调整规划，到2 0 2 0 年我国核电运行装机容量调整为7 0 0 0 万k w ，在建3 0 0 0 万k w ，于2 0 2 0 年建成的反应堆，加上届时在建的1 8 个反应堆，最终共将产生8 2 ，6 3 0 t 乏燃料。其中，已建成的压水堆共产生4 6 ，0 7 0 t ，2 0 2 0 年在建的压水堆建成后最终共产生2 3 ，7 6 0 t 乏燃料，重水堆共产生1 2 ，8 0 0 t 。关于2 0 2 0 年以后的乏燃料数量，每增加一座百万级千瓦的核电站，每年将产生2 2 tH M 乏燃料，每个堆共产生1 3 2 0 t 乏燃料。由此可知，产生的废物量逐年增加，环境风险逐
4、渐增大，因此高放废物的安全处置是关系到核能工业持续发展和保护环境、保护公众健康的重大问题。目前公认的安全可靠，且技术上可行的方法为深地质处置方法l l J 。高放废物处置库普遍采用的是“多重屏障系统”设计，从里向外依次为废物罐一缓冲回填材料外围岩体。其中，缓冲回填材料的主要作用是：封闭废物容器与围岩间的空隙和近场岩石中的裂隙，将容器固定在一定的位置，缓冲围岩压力对废物罐的影响，阻止地下水进入废物包装容器，阻滞废物罐泄漏的核素向外迁移，同时也对辐射热起着重要的导体作用。因此，高放废物处置库中所用的缓冲回填材料需满足的要求为：长期稳定性、力学性、膨胀性、低透水性、核素迁移的迟滞性、热传导性、热稳定
5、性、耐辐射性和经济性1 2 训。国内外大量的研究工作表明，膨润土是较理想的缓冲回填材料p j 。根据多年研究，确定内蒙古高庙子膨润土作为我国高放废物处置库中首选的缓冲回填材料1 6 1 。膨胀力是评价膨润土膨胀性、设计高放废物处置库的基本参数，膨胀力的确定是高放废物处置工程研究的一个重要方面。膨胀力也称为膨胀压力，膨胀力是指原状土样的体积不变时，由于浸水膨胀而产生的最大应力。近些年，国内学者对高庙子膨润土的研究也取得了一定的成果。刘月妙等1 5 l 通过对干密度为1 4 0 “ - 1 5 1g c m3 的多组高庙子膨润土的膨胀力试验，定性分析探讨了膨胀力与试样的压实密度以及蒙脱石含量的关系
6、。叶为民等一1 采，f j 恒体积试验法研究高压实高庙子膨润士的膨胀力特性，结果表明，高压实高庙子膨润士膨胀力随时间的收疆日一I2 0 1 0 - 0 5 - 3 0 ；日期l2 0 1 0 - 0 7 3 0作介tJ 骊J 1 4 0 9 9 4 。) 男硕士2 0 0 9 年毕业予E 京科技大学采矿工程专业现任助l r 程师主要从岩石力学方面的研究： 作Em i l IM 坼m - 攀c s l2 6c , o n l 4 2 4 第三届废物地下处置学术研讨会论文集变化曲线是一条渐近线，而时问膨胀力与时问之问存在很好的线性关系；膨胀力发展过程曲线与吸水量曲线具有明显的阶段性特征：高压实高庙
7、予膨润土的膨胀力和十密度之间存在指数关系，千密度是影响膨胀力的一项重要的因素。秦冰等p 1 使用改进的三向胀缩仪，研究高庙子膨润土的三向膨胀力与试样初始状态的关系、不同方向膨胀力之间的关系，并探讨膨胀力随时间变化的规律。陈正汉等1 9 l 研究了干密度、竖向压力、浸泡液体、吸湿方式对膨润土的膨胀变形的影响，探讨了浸泡液体变化引起的渗析变形以及三向膨胀力特性。测定膨胀力的方法有：压缩膨胀法、自由膨胀法和等容法，本文采用的是压缩膨胀法和等容法相结合的方法测定高庙子膨润土的膨胀力，并探讨分析了高压实膨润土膨胀力的影响因素。2 试验方法研究2 1 试样的特性和制鲁试验通过常规的常温膨胀力测试装置对不同
8、密度、不同尺寸的高压实膨润土试样在不同浸泡液体条件下进行膨胀力测试，探讨分析了密度、尺寸，离子等因素对膨润土膨胀力的影响，为高放废物处置库建设提供基本的设计参数。试验用的膨润土是在内蒙古高庙子矿床东部利用斜井工程取得了深部天然钠基膨润土样品。原状样品在天然晾硒场自然风干，充分混合均匀后，由粉碎机粉碎，经球磨筛分，过2 0 0 目筛。试样材料采用高庙子膨润土加工样品G M Z 0 1 ，其天然含水量在8 7 左右。其矿物成分如表1 所示。表l 高庙子钠基膨润土矿物组成( )T i l b l clM i n e r a lc o m p o s i t i o no fG M Z - N aB
9、e n t o n i t e ( )试验用的膨润土块体采用圆柱形试样，其基本尺寸为D = 3 9 2 m m ，h = 1 0 m m 及D = 3 0 m m ，h - - 1 0 m m 两种规格。试验时按预定的密度用天平称量一定质量的膨润土，放入压样模具。膨润土试样压制前在压样容器壁上将压力杆压入位置进行标示，采用X Q 5 嵌样机按预定要求将样品压制成型。2 2 试验步骤及试验参数试验采用W G I A 型三联固结仪和S G 1 0 型双联高压固结仪，将压好的试样放到固结仪上进行膨胀力测试，分别添加蒸馏水和北山地下水，必须保证液面超过试样的顶面5 m m ，采用砝码加压分级加载，按压
10、缩膨胀法和等容法相结合的方法测试膨胀力，记录并整理试验数据，得出试样的膨胀力。进行了三次试验，总共有1 4 组试验数据，分别采用不同干密度的膨润土和不同水样做试验，分析膨胀力随密度、尺寸、不同水样( 北山水含交换性阳离子) 的敏感性，得出规律。各试验的参数见表2 。马利科，等高庙予膨润：L 膨胀力影响W 索研究- 4 2 5 表2 试验数据汀：总T a b l e2S u m m a r yD a t a o ft h eT e s tI 僖度 试样编号直径( 硼)高度( c m )水样膨胀力( M P a )膨胀举( )( 8 c m 3 )1 139 2蒸馏水l3 60 5 4 33 32
11、 31 23 9 2蒸馏水1 3 50 2 4 94 6 6 71 33 蒸馏水1 3 50 5 S 23 05 5I 43 蒸馏水l3 606 4 92 67 2l - 53 燕馏水l6 78 6 91 6 9 02 - l3 9 2蒸馏水1 4 l0 3 6 S2 2 4 02 23 9 2J L ：dJ 水1 4 l0 5 S 72 2 ，1 6 1 2 33 j t “l 水1 4 6I 0 9 51 1 3 02 43 蒸馏水1 4 60 7 6 0l l ，2 53 北山水1 4 97 O 一8 0 l3 北山水1 4 9l6 4 02 3 4 33 23 9 2蒸馏水1 5 31
12、 2 4 03 2 2 43 - 33 9 2- t L d J 水I 5 0I 4 9 02 4 S 53 439 2- I L d J 水1 5 2l 矗6 32 4 7 03 结果分析及讨论3 1 群胀力和浸泡水样离子的关系甘肃北山预选区是我国目前研究程度最高的高放废物处置库场址预选区域，研究高庙子膨润土在北山地下水的作用下的膨胀性能具有重要的现实意义。从表2 中的第二组数据和第三组中的3 2 ，3 - 4 中可以得出膨润土在北山水与蒸馏水浸泡条件下，膨胀力与膨胀率的差别与密度的变化规律。- 4 2 6 -第j 届废物地下处置学术研讨会论文集密度R ：n l $图l不同浸泡条件下膨胀力和
13、密度的关系曲线F i g ! R e l a t i o n s h i pb e t w c e ns w e l l i n gp r e s s u r ea n dd r yd e n s i t yi nd i f f e r e n ts o a k i n gl i q u i d密度c m 图2 不同浸泡条件下膨胀率和密度的关系曲线F i & 2R e l a t i o n s h i pb c t l j I ，渤e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dd r yd e n s i t yi nd i f f e r e n t
14、s o a k i n gl i q u i d由图1 、2 可以发现：( 1 ) 试样在其他条件下相同的情况下( 如密度、高度、直径、温度) ，经北山水浸泡的试样比经蒸馏水浸泡的试样的膨胀力增大，且密度越大，膨胀力增幅也越明显，密度为1 4 6 9 c m 3 时，比值为2 7 1 ；密度为1 4 1 9 c m 时，比值为1 6 l 。( 2 ) 膨润土经北山水浸泡，膨胀率略有减小，密度越大离子对膨胀率影响稍显著，密度为1 4 6 9 c m 3 时，比值为0 9 9 ，密度为1 4 1 9 c m 3 时，比值为0 9 8 ，但总体来说，与离子对膨胀力的影响来比，不明显。膨润土属黏性土，
15、土体颗粒( 矿物颗粒) 带有负电荷，周围存在电场。在静电引力与布朗运动( 热运动)作用下。紧邻土体颗粒表面处静电引力最强，水化离子和极性分子牢牢地被吸附在颗粒表面附近形成固定层。由固定层向外。静电引力逐渐减小，水化离子和极性分子的活动性逐渐增大形成扩散层。固定层和扩散层中的阳离子( 反离子层) 与土粒表面负电荷共同构成双电层。膨胀力主要有两种来源：一是蒙脱石叠片的层间水化( 对应于晶格膨胀) 二是颗粒表面形成的扩散双电层哆l 州到。当干密度很大，以致没有足够的空间允许层间水化完全完成时，膨胀力主要是由蒙脱石的层间水化引起的。当干密度小一些，空间充足，层问水化完全完成后，扩散双电层就会形成，此时
16、，膨胀力主要源于扩散双电层的作用。由于试样属于钠基膨润土含有可交换性阳离子K 。、N a 、C a ”、M g ”等，整体呈弱碱性。由表3 知。试验中所采用的北山地下水也含有大量阳离子。且呈碱性。膨润土直接浸水时，颗粒之间可以形成扩散双电层。相对于蒸馏水浸泡试样而言经北山地下水浸泡的膨润土试样，由于离子交换和扩散双电层原理，扩散层厚度变薄，故膨胀率略有减小：而正是因为扩散层的厚度变薄。颗粒之间斥力增大，根据等容法测试原理，要维持其体积不变，必须施加更大的荷载使其颗粒之间孔隙体积减小，故测定的膨胀力较蒸馏水浸泡试样的膨胀力大3 2 一胀力和试样尺寸的关系在高放废物处置库的建设中，缓冲回填材料组成的工程屏障的厚度和高度关系到整个处置库建设的工程造价，因此研究膨润土膨胀力和试样尺寸的关系可为以后的处置库建设提供设计参数。由表2 可以
