高放废物深地质处置库缓冲材料——高庙子膨润土基本特性研究

摘要

随着核科学的发展，核技术广泛应用于国防、工业、农业、医学等各个领域。核工业发展的同时也产生了大量的核废物，或称放射性废物。其中，高放废物的放射性水平高、毒性大、发热量大，若不加以安全处置，会对自然环境和人类社会产生巨大的破坏作用。因此，高放废物的处置是核废物管理中最为重要的课题，已引起国际社会的广泛关注。目前，深地质处置被国际上公认为处置高放废物最有效可行的方法。中国深地质处置的概念模型采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器、外包装、缓冲材料)和适宜的地质体共同作用来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润土由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能，被国际上多个国家选作缓冲材料。根据矿床位置、矿区地质特征、矿床成因、矿床储量、矿区自然地理、开采技术条件与交通等因素的综合对比研究，内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物地质处置库缓冲材料供给基地的首选矿床。本文以非饱和土理论为依据，利用先进的非饱和土试验方法，对高庙子钠基膨润土的基础特性进行研究，为深地质处置库的设计提供理论依据。 本文的主要研究内容及取得的研究成果包括： 1.综述了高放废物深地质和缓冲材料的研究进展。阐述了非饱和土的水力-力学行为的相关概念，包括：吸力的定义和组成；持水曲线的概念和特点，以及各种拟合公式；非饱和渗透性函数的特点及公式；非饱和土中的有效应力和净应力；膨润土的微观结构研究及膨胀力等。介绍了与本论文有关的试验方法，试验技术和试验装置，包括吸力的量测方法、持水曲线的确定、微结构试验方法、非饱和渗透系数的测定、和膨胀力的测量方法等。 2.分析归纳了高庙子钠基膨润土的一些基本性质特征：蒙脱石含量较高，阳离子交换容量和比表面积较大，液限较高，具有很好的不渗透性、高膨胀性和良好的导热性能；含水量相同时，无侧限抗压强度和弹性模量随初始干密度的增加而增大；干密度相同时，导热系数随着膨润土含水量的增加而增加；饱和渗透系数随温度的增加而增加，也随干密度的增加而增加。标准试样和膨胀试样的压汞试验结果表明，膨胀引起了孔隙量的增加，土中存在小孔和大孔两种孔隙，膨胀使膨润土中的大孔隙减少，小孔隙增加，膨润土的微结构趋于均匀化；膨胀力和干密度之间存在指数关系，干密度是影响膨胀力的一项重要外部因素。 3. 采用汽相法和渗析法，首次获取了自由和侧限条件下高庙子膨润土的持水曲线。结果表明：高吸力范围内，自由和侧限条件下的持水特征无明显不同，含水量随吸力的变化不大：在低吸力范围内，自由条件下含水量随吸力的降低产生突变，侧限条件下含水量随吸力降低的变化较为平缓。压汞试验和环境扫描电镜试验结果表明：自由状态下，膨润土集合体内吸收的水量非常有限，大量的水进入了集合体间的孔隙中。侧限条件下，随着吸力的降低，内部膨胀力不断发展，集合体间的孔隙被大量压缩，转变成了较小的孔隙，膨润土的孔隙出现了均质分布。考虑到压汞仪自身的限制，提出了一种计算残余孔隙量的新方法。采用双电层理论对干密度为1.7g/cm3的高压实高庙子膨润土在自由条件下的体变特征进行计算，结果与实验数据吻合较好。 4. 采用瞬时截面法，完成了侧限条件下高压实高庙子膨润土的非饱和渗透试验。结果表明：干密度为1.7g/cm3的高庙子膨润土在侧限条件下的水力渗透系数介于1.13×10-13m/s和8.41×10-15m/s之间。水力渗透系数并不是随着吸力一直减小，当吸力为65MPa左右，渗透系数最小；当吸力大于65MPa时，渗透系数随着吸力的增加而增加；当吸力小于65MPa时，渗透系数随着吸力的增加而减小。 5. 采用CODE BRIGHT(考虑温度和吸力的剑桥模型有限元程序)软件，模拟分析了侧限条件下高庙子膨润土的非饱和渗透特性。结果表明：吸力的数值解与实测值吻合较好，吸力值从试样的顶部到底部逐渐减小，并随着水化时间的增加而减小；试样底部的饱和度明显高于试样顶部的饱和度，底部试样刚注水0.5个月就基本饱和，而整个试样在注水4个月后基本饱和。 综上所述，本文首次对我国高放废物处置库首选缓冲材料——高庙子膨润土的基本特性进行了系统研究，获取了自由和侧限条件下高压实高庙子膨润土的持水曲线并分析了曲线特征；研究了高压实高庙子膨润土水化后的微结构变化特征，提出了计算残余孔隙量的新方法；采用瞬时截面法试验获取了侧限条件下高压实高庙子膨润土非饱和渗透系数，并完成了数值模拟，数值模拟结果与试验实测值吻合较好。本文所取得的研究成果，对于我国高放废物处置库工程屏障材料选用与工程设计具有重要的理论与工程实践意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1研究背景

1.2问题的提出

1.3论文结构安排

第2章高放废物深地质处置及缓冲材料研究进展

2.1高放废物深地质处置的研究现状

2.1.1高放废物的来源及危害

2.1.2高放废物的处置方法

2.1.3高放废物深地质处置的有关概念

2.1.4中国高放废物地质处置研究进展

2.2高放废物地质处置缓冲材料研究进展

2.2.1缓冲材料的筛选

2.2.2膨润土各种性能的研究

2.2.3缓冲材料研究的发展趋势

2.3本章小结

第3章非饱和土的水力—力学相关概念

3.1非饱和土中的吸力

3.1.1土水势

3.1.2吸力的概念

3.1.3吸力的组成

3.1.4吸力的量测方法

3.2持水曲线

3.2.1持水曲线的定义

3.2.2关于气水形态的若干假定

3.2.3持水曲线的两个特征点

3.2.4持水曲线的公式

3.2.5持水曲线的测定

3.3非饱和渗透性函数

3.3.1不考虑土骨架变形的情况

3.3.2考虑土骨架变形的情况

3.3.3非饱和渗透系数的量测

3.4非饱和土中的应力

3.4.1非饱和土中的有效应力

3.4.2非饱和土的净应力

3.5膨润土的微观结构

3.5.1膨润土的基本结构

3.5.2膨润土中的孔隙

3.5.3双电层理论

3.5.4微观结构的试验方法

3.5.5环境电镜扫描(ESEM)

3.6膨胀力

3.6.1膨胀力的概念

3.6.2膨胀力的量测方法

3.7本章小结

第4章高庙子膨润土的基本性质研究

4.1相关文献综述

4.1.1高庙子膨润土矿床的基本性质

4.1.2高庙子膨润土与其他蒙脱石类粘土的比较

4.1.3静力学性能研究

4.1.4热学性能研究

4.1.5渗透性能研究

4.1.6膨胀性能研究

4.1.7压缩性能研究

4.2本文的试验研究

4.2.1高庙子膨润土的基本性质

4.2.2压汞试验(MIP)

4.2.3环境扫描电镜试验(ESEM)

4.2.4膨胀力试验

4.3本章小结

第5章高庙子膨润土的持水特性及其微观机理

5.1高庙子膨润土的持水特性

5.1.1试样制备

5.1.2吸力的控制方法

5.1.3试验结果

5.1.4用MIP数据预测持水曲线

5.2高庙子膨润土的微结构特征

5.2.1吸力控制点

5.2.2试验过程

5.2.3结果分析

5.3双电层理论的计算

5.3.1理论基础

5.3.2理论计算

5.4本章小结

第6章高庙子膨润土非饱和渗透特性的试验研究

6.1非饱和土中水的流动

6.1.1毛细作用和持水曲线

6.1.2细颗粒粘土的渗透特性

6.2侧限状态下高庙子膨润土的非饱和渗透试验

6.2.1试验原理

6.2.2试验步骤

6.2.3试验结果

6.2.4微结构研究

6.3本章小结

第7章高庙子膨润土非饱和渗透特性的数值模拟

7.1饱和与非饱和多孔介质的数学模型

7.2非饱和土热—水—力本构模型

7.2.1应力不变量

7.2.2 CamClay类模型

7.2.3 Alonso-Gens模型

7.3数值模拟

7.3.1理论依据

7.3.2数值解

7.3.3室内试验的数值模拟

7.3.4计算结果

7.4本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果