含盐环境中膨润土的膨胀理论及膨胀衰减机理研究

摘要

深层地质处置是国际上普遍接受和认可的高放射性核废料的最终处置方案。膨润土因具有高吸水膨胀性、低渗透性和强核素吸附性等优点被选作深层地质处置系统中缓冲回填材料的主料。在核废料处置库的运行过程中，围岩周围的地下水渗入缓冲回填材料中对膨润土的膨胀特性产生影响。如何准确计算和预测膨润土在地下水溶液中的膨胀特性和膨胀性衰减规律是亟待解决的关键问题。本文通过室内膨润土的膨胀试验和理化测试，结合理论分析和数值模拟，研究了膨润土在地下水溶液中的膨胀特性，提出了膨润土在盐溶液中的膨胀模型和膨胀性的计算方法，分析了膨润土膨胀性衰减机理，模拟了膨润土在核废料处置库中的膨胀特性和衰减规律，为核废料深层地质处置库的建设和安全运行提供科学依据。主要的研究内容如下：
　　（1）采用N2吸附法测量了膨润土的表面分维。采用N2吸附法测量压实膨润土在蒸馏水和不同浓度的NaCl溶液中浸泡后的表面分维，膨润土压实试样的表面分维与膨润土粉末试样的表面分维相当，盐溶液对膨润土的表面分维的影响很小。
　　（2）采用固结仪测量了商用膨润土压实试样在蒸馏水和NaCl溶液中的膨胀变形和膨胀力。膨润土的膨胀特性与竖向应力、试样的干密度和盐溶液的浓度密切相关。在NaCl溶液中，渗透吸力抑制了膨润土的膨胀特性，盐溶液浓度越大，膨胀越小。
　　（3）建立了膨润土膨胀的分形模型。基于膨润土吸水膨胀过程的表面吸附作用，根据膨润土表面的分形模型，建立了膨胀吸水体积的表达式，导出膨胀变形和膨胀力的理论公式。在膨润土的渗透膨胀阶段，结合双电层理论给出分形模型中的蒙脱石膨胀系数 K，完善了分形模型。在盐溶液中，基于膨润土表面的分形模型，推导出由孔隙水渗透吸力引起的有效应力，提出了盐溶液中的膨胀变形理论，并得到了盐溶液中膨胀变形数据的验证。
　　（4）揭示了 GMZ01膨润土在氯盐溶液（NaCl、CaCl2、MgCl2）和NaOH溶液中膨胀性衰减机理。膨润土与氯盐溶液混合后，阳离子交换是主要的化学反应过程，Ca2+和Mg2+与Na基蒙脱石中的Na+反应生成膨胀性较低的Ca基或Mg基蒙脱石，引起膨胀性衰减。与NaOH混合后，高碱性溶液对蒙脱石有强烈的溶蚀作用，蒙脱石发生溶解生成非膨胀性矿物，导致膨胀性衰减。基于膨润土膨胀性衰减机理，采用膨胀变形的分形模型预测了渗透吸力、离子交换反应和蒙脱石含量引起的膨胀衰减规律。
　　（5）基于核废料处置库中缓冲回填材料的THMC四场耦合作用，建立膨润土的多场耦合方程。采用COMSOL Multiphysics软件和Phreeqc软件，模拟了核废料处置库中膨润土的饱和膨胀过程和长时间多场耦合作用下的膨胀性衰减过程。分析了膨润土吸水膨胀随时间的演化规律，计算了随时间延长饱和膨润土中渗透吸力、蒙脱石含量、膨胀系数 K、有效应力和膨胀力的衰减程度，给出膨润土膨胀性衰减的定量评估方法。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 膨润土的结构和基本性质

1.3 膨润土膨胀特性研究进展

1.4 研究的主要内容及创新点

第二章 膨润土的表面分维

2.1 表面分维测试方法

2.2 表面分维测定试验

2.3 膨润土表面分维的计算

2.4 本章小结

第三章 膨润土的膨胀特性试验

3.1 试验方法

3.2 蒸馏水中膨胀试验结果分析

3.3 盐溶液中膨胀试验结果分析

3.4 本章小结

第四章 膨润土的膨胀理论

4.1 分形吸附模型

4.2 蒙脱石膨胀系数K的确定

4.3 分形模型的应用

4.4 盐溶液中膨胀分形模型

4.5 本章小结

第五章 膨润土的膨胀特性衰减机理

5.1 试样的制备与试验方案

5.2 测试结果

5.3 膨胀试验结果与理论分析

5.4 本章小结

第六章 膨润土的膨胀特性衰减模拟

6.1 膨润土多场耦合模型

6.2 膨润土膨胀过程模拟结果

6.3 膨胀性衰减过程模拟与计算

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 进一步研究的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文