范 香，易發(fā)成，朱寶龍

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010）

集成回填材料的壓縮性能研究

范 香，易發(fā)成，朱寶龍

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010）

緩沖材料是高放廢物深地質(zhì)處置多重屏障系統(tǒng)中非常重要的一道人工屏障，通過研究一定配比的集成回填材料在不同含水量條件下的壓實成型性、不同壓實干密度和不同含水量壓實樣品的無側(cè)限壓縮性能，認(rèn)為：含水量為15%的集成回填材料壓實成型性最好,含水量為20%次之，壓實干密度越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大；在無側(cè)限壓縮實驗時，含水量為20%的高密度壓實回填材料樣品比含水量為10%和15%的樣品的抗壓強(qiáng)度小，變形大。

集成回填材料；壓實成型性；抗壓強(qiáng)度；彈性模量

1 引言

隨著核工業(yè)的發(fā)展和人類核安全意識的增強(qiáng)，安全處置高放廢物已成為核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)人民健康和保護(hù)環(huán)境的一項長期戰(zhàn)略任務(wù)[1]。深地質(zhì)處置是目前被國際上公認(rèn)的處置高放廢物的有效方法[2,3]。根據(jù)深地質(zhì)處置多重屏障體系的概念模式，其屏障體系由內(nèi)到外依次為：固化體、廢物包裝容器、緩沖回填材料(人工屏障)、花崗巖等天然地質(zhì)體(天然屏障)。其中，回填材料是一道重要的人工屏障，其作為廢物處置庫的工程阻擋層，填充在廢物罐和圍巖之間用于封閉處置庫、密封廢物處置區(qū)、填塞巖石縫隙、起著化學(xué)屏障與機(jī)械屏障的雙重作用，因此研究回填材料壓實膨脹性、低透水性和力學(xué)強(qiáng)度等很有意義。此外，鑒于目前國內(nèi)外對單一礦物的研究較多，而對于復(fù)合礦物研究較少，因此開展集成回填材料的研究具有較大意義?；靥畈牧媳仨殙簩嵓庸こ梢欢ǖ拿芏群托螤畈拍芊湃敫叻艔U物處置庫中,成為合適的緩沖材料,將容器固定在一定的位置緩沖圍巖壓力對廢物罐的影響[4]。因此,必須研究膨潤土的壓實成型性和力學(xué)性能。

2 實驗材料

實驗所用原材料由新疆阿爾泰膨潤土(Ca基)、新疆沸石、四川江油黃鐵礦按一定的配比組合而成。其中新疆阿爾泰膨潤土為淺灰白色，礦床地處新疆準(zhǔn)噶爾盆地北部邊緣，位于塔城地區(qū)和布克賽爾縣境內(nèi)。該礦賦存于白堊系上統(tǒng)艾里克湖組地層中，屬內(nèi)陸湖相沉積型礦，是目前我國和世界上發(fā)現(xiàn)儲量較大的膨潤土礦床。由X-射線衍射試驗新疆阿爾泰膨潤土主要礦物為蒙脫石，且含量較高，含有少量α-石英，樣品的陽離子交換容量為65.20mmol/100g，膠質(zhì)價＞100mL/15mg，膨脹容為14mL/g，膨脹值為7.33mL/g，pH值8.45。顆粒密度2.66g/cm3，自然風(fēng)干狀態(tài)下含水量14.47%，吸水率＞300%，塑限26.3%，液限59.7%，塑性指數(shù)33.4，由于其特殊的物化及工程性能在本次實驗作為主要實驗基材。

新疆沸石主要為板狀、片狀、針狀。由X-射線衍射試驗可知沸石主要礦物組成為絲光沸石、斜發(fā)沸石、葉沸石、石英,含少量蒙脫石、長石、水云母。由于沸石的陽離子交換容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過新疆膨潤土礦(65.2mmol/100g)，表明該沸石的陽離子交換吸附性能明顯優(yōu)于新疆膨潤土礦。但沸石具有多孔的特點，隔水性差，需要添加膨潤土來提高其隔水性，阻止地下水進(jìn)入廢物容器罐，防止放射性核素隨地下水遷移、擴(kuò)散?；靥畈牧戏诺降叵聨浊祝怂蒯尫懦鰜淼哪芰亢茈y從廢物灌中散熱出來，而硫鐵礦有很好的導(dǎo)熱性能解決此問題。因此，根據(jù)不同礦物材料在性能上的互補(bǔ)性，按一定的配比組合從而較好的發(fā)揮三種材料的優(yōu)越性能，達(dá)到優(yōu)化集成。

將三種天然樣品自然風(fēng)干，粉碎為200目，將膨潤土、沸石、黃鐵礦按一定比例混合，預(yù)制所需干密度和含水率的樣品。

3 壓實成型性

制備不同含水率和不同密度的壓實樣品的方法為:根據(jù)試驗所需的土量與含水率，計算制備試樣所需的加水量；天然風(fēng)干樣品加水后充分?jǐn)嚢?，土樣置于盛土器具中密封潤?8h備用；根據(jù)體積及所需的干密度，計算制樣所需的濕土量；將預(yù)定干密度所需濕土倒入壓樣裝置內(nèi)(圖1)。實驗采用液壓萬能試驗機(jī)，加載速率為0.5mm，試樣品為扇形圓環(huán)，外半徑70mm，內(nèi)半徑30mm，高度20mm。試驗預(yù)定含水量分別為(%)：10、15、 20、25，預(yù)定壓實干密度分別為1.5、1.7、1.9g/cm3。

試驗表明，壓制預(yù)定干密度的樣品所需的壓制載荷與含水率和壓制時間有關(guān)(圖2)。在相同壓制時間條件下，壓制干密度小于1.9g/cm3的樣品，含水率越大，所需的制樣載荷越小。

相同含水率的樣品，壓制密度越大，所需制樣載荷越大；壓制相同密度和含水率的樣品，制樣載荷增大，可縮短壓制時間，但樣品變形加快；相同含水率和壓制載荷作用下，隨壓制時間增大樣品壓實密度達(dá)到某值后就不再增大。

由于集成材料含有膨潤土，其壓實特性是由于蒙脫石具有吸水膨脹的結(jié)構(gòu)所決定的。膨潤土的壓實性與含水量有關(guān)，壓制干密度小于1.7g/cm3的樣品，含水率越大越容易壓實；壓制高密度樣品時，含水量為25%的樣品在壓制載荷很低時就出現(xiàn)流變現(xiàn)象；15%和20%的樣品最容易壓實；含水量低于10%和高于25%的樣品很難壓制成高密度樣品。

4 回填材料無側(cè)限壓縮及變形試驗

4.1 試驗方法

本次試驗按壓樣法制備試樣，根據(jù)容積和所要求的干密度計算所需的濕土質(zhì)量并將其倒人壓樣裝置內(nèi)，通過電液伺服萬能實驗機(jī)壓緊到所需密度?？箟簭?qiáng)度測試所用儀器為液壓萬能試驗機(jī)，測試樣品直徑61.8mm，高50mm。壓實膨潤土無側(cè)限壓縮及變形試驗參照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程(SL264-2001)》。無側(cè)限壓縮及變形試驗加載速率為0.1～0.5mm/min。應(yīng)變測量分別采用應(yīng)變片法和應(yīng)變計法。應(yīng)變片法測定的應(yīng)變?yōu)樵嚇又胁康膽?yīng)變，應(yīng)變計法測定的應(yīng)變?yōu)樵嚇虞S向的平均應(yīng)變。應(yīng)變片型號為BE120-6AA，電阻值R=119.6±0.1，靈敏度系數(shù)2.16±1%。室溫條件下，對集成回填材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度(1.5、1.7、1.9g/cm3)和含水率(10%、15%、20%、25%)的變化進(jìn)行測試。制備預(yù)制干密度和含水率與壓實成型一樣。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度計算公式：

式中：σc為試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；Pmax為試件最大破壞載荷(N)；A為試件受壓面積(mm2)。

彈性模量E、泊松比μ計算公式:

式中：E為試件彈性模量(MPa)；σc(50)為試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的50%(MPa)；εh(50)、εd(50)分別為σc(50)處對應(yīng)的軸向壓縮應(yīng)變和徑向拉伸應(yīng)變；μ為泊松比。

4.2 結(jié)果與討論

壓實回填材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量與含水量和壓實干密度有關(guān)(見下表)。

集成回填材料無側(cè)限壓縮性能

試驗表明，相同含水量的樣品，隨壓實干密度的增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增大。相同壓實干密度的膨潤土，含水量為10%～15%時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比含水量為20%無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大(圖3)；相同含水量的樣品，隨壓實干密度的增大，彈性模量增大(圖4)。當(dāng)含水量低于20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大有增大的趨勢；但當(dāng)含水量為20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大沒有明顯增大，反而有下降趨勢。有實驗發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變片法(B)測出的彈性模量比應(yīng)變計法(A)測出的彈性模量要明顯大，因為應(yīng)變片粘貼于樣品的中部，而無側(cè)限壓縮時樣品中部的變形最大，應(yīng)變計測得的應(yīng)變?yōu)檎麄€樣品的平均應(yīng)變。

含水量為20%和15%時，泊松比隨著干密度的增大而增大，但當(dāng)含水量為10%時，泊松比隨干密度的增大為減小(圖5)。說明壓實回填材料隨含水量增大，軸向塑性變形增大。

5 結(jié)語

相同含水率的樣品，壓制干密度越大，所需制樣載荷越大；壓制相同密度和含水率的樣品，制樣載荷增大，可縮短壓制時間，但樣品變形加快；相同含水率和壓制載荷作用下，隨壓制時間增大樣品壓實干密度達(dá)到某值后就不再增大。

試驗表明，相同含水量的樣品，隨壓實密度的增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增大。相同含水量的樣品，隨壓實干密度的增大，彈性模量增大；當(dāng)含水量低于20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大有增大的趨勢；但當(dāng)含水量為20%時，彈性模量隨壓實干密度的增大沒有明顯增大，反而有下降趨勢。

[1]劉月妙,蔡美峰,等.高放廢物地質(zhì)處置庫預(yù)選緩沖材料壓縮性能研究[J].鈾礦地質(zhì),2007,(2):91-95.

[2]周文斌,劉曉東,等.乏燃料和高放及α廢物地質(zhì)處置[M].北京:原子能出版社,1999:97-102.

[3]王駒.世界放射性廢物地質(zhì)處置[M].北京:原子能出版社,1999:48-58.

[4]AECL.The disposal of Canada’s nuclear fuel waste: engineered barriers alternatives[R].AECL-10718,1994.216-228.

Compressibility of Integrated Backfill Material

Fan Xiang, Yi Facheng, Zhu Baolong
(Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Buffer material layer is one of the important engineering barriers in the high-level radioactivewaste (HLW)geologcal repository. Compressibility of the certain ratio of integrated backfill material with different water content and different compacted density has been studied. It is found that the certain ratio of integrated backfill material with 15% water content is easily to be compacted to high density. 20% is the second. The compacted integrated backfill with high density and 20% water content has low uniaxial strength and more train than that of 10% and 15% water content.

integrated backfill material; compressibility; uniaxial strength; modulus

P619.255;X771

A

1007-9386(2010)02-0015-03

國家自然科學(xué)基金項目(項目編號:10378028;A3120080126)。

2009-12-25