高放废物处置库中膨润土缓冲砌块膨胀性研究

摘要

深地质处置已经被国际上公认是处置核废料的有效方法。膨润土以其良好的工程性能而被作为缓冲回填材料，可以有效的阻滞地下水和核素的迁移。膨胀性能是核废料处置库设计的关键参数之一，国内外学者在这方面做了大量的室内试验，室内试验中目标试样尺寸小，可以很好的控制试验条件，达到一种近乎理想的状态，相比于大型试验，室内试验具有很多优点，比如：材料筛选、优化配比以及试验条件控制。前期试验结果表明，目标含水率为12.0%的条件下，砌块可以达到最佳压实效果，压实后干密度为1.87 g/cm3。 在实际处置库建设过程中，通常是利用工业化压实设备，批量压制目标尺寸的砌块，此时会涉及到配制工艺、压实块尺寸和机械设备等机械化施工工艺问题，无法通过室内小试块试样进行有效模拟，必须进行工业化放大压实研究才能解决。由于在压制过程中，膨润土内部压力分布比较复杂，可能造成砌块内部结构不均匀，导致砌块内部的膨胀性能差异较大，降低工程屏障的整体性能。因此有必要研究砌块内部不同位置及不同方向的膨胀性。 为了分析砌块内部干密度和含水率的分布是否均匀以及内部不同位置、不同方向上膨胀性能的差异，本文以高庙子膨润土和石英砂混合物（掺砂率为30%）作为主要研究材料，压制了三组相同干密度（1.87 g/cm3）和含水率（12.0%）的砌块作为平行样。对砌块建立柱坐标系，将三个砌块分别切割分解成小试块，取标准环刀样用 WG 型三联高压固结仪测试膨胀力。对每一个小试块，取环刀样后剩余部分分别用液体石蜡法和烘干法测试干密度和含水率。同一个砌块上取得的环刀样顶面法向指向同一个方向，三个砌块取得的环刀样分别指向Z方向、R方向、θ方向。膨胀率试验的设计方案与膨胀力试验类似，使用 WZ-2型膨胀仪测试膨胀率。 试验结果表明：缓冲砌块切割分解后，干密度分布在1.81~1.88 g/cm3之间，含水率分布在10.6~11.8%之间，整体来说，砌块内部干密度和含水率的分布比较均匀；砌块加载端四周边缘干密度略大于中央部位，随着离加载端距离的增大，中央部位的干密度略有增大，增大幅度在0~0.03 g/cm3之间，四周边缘部位略有减小，减小幅度在0~0.04 g/cm3之间；砌块内部不同位置试样三个方向的膨胀力随时间呈指数增长，在膨胀力发展前期和中期，水平向膨胀力的发展稍快于竖向膨胀力，但是，各个方向的膨胀力达到稳定的时间基本相同；砌块内部不同位置试样Z方向、R方向、θ方向最大膨胀力的分布范围分别为900～1250kPa、800～1075 kPa、800～1062.5 kPa，R方向膨胀力与Z方向膨胀力的比值在0.86~0.90之间，θ方向膨胀力与Ζ方向膨胀力的比值在0.85～0.91之间；在半对数坐标中，砌块内部不同位置试样三个方向膨胀率随时间均呈 S 型增长，试验中后期 Z 方向膨胀率的发展略快于其它两个方向，Z方向、R方向、θ方向最大膨胀率的分布范围分别为 109~127%、99~112%、98~115%；膨胀率试验结束后，试样的平均干密度约0.87 g/cm3，平均含水率约76.0%，对膨胀后试样进行分层切片，发现中央部位干密度较高，两端较低，中央部位的含水率较低，两端较高；砌块内部不同位置试样Z方向最大膨胀率分布的无偏性较差，R方向和θ方向的最大膨胀率分布的无偏性较好，砌块表现出横观各向同性。

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