王建威

摘 要：本文以測(cè)試三種配方的混合材料在不同介質(zhì)中表現(xiàn)出的不同膨脹特性為出發(fā)點(diǎn)，提出了按特性將緩沖/回填材料分層設(shè)置的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：緩沖、回填材料；分層設(shè)置

引言：甘肅北山被視為修建高放廢物處置庫的首選地區(qū)[1]。依據(jù)國內(nèi)學(xué)者對(duì)于處置庫預(yù)選區(qū)地下水化學(xué)類型、特征的研究結(jié)果，處置庫預(yù)選區(qū)的地下水可以認(rèn)為是鹽溶液環(huán)境。而根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究[3]：高水平放射性核廢物（高放廢物）處置庫中的混凝土經(jīng)長期使用將逐漸衰解，與地下水作用形成高堿性孔隙水（pH>12），并可能與處置庫中的緩沖、回填材料發(fā)生反應(yīng)，從而對(duì)緩沖、回填材料的膨脹等性能產(chǎn)生消極影響，且放射性核素衰變產(chǎn)生的熱量會(huì)加速水泥的老化，使得pH變得更高。故可認(rèn)為在一定時(shí)間后，處置庫內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生pH>12甚至更高的溶液，形成堿液環(huán)境，并向外滲透。綜上，緩沖回填材料的功能可由下圖1-1表示：

如上圖所示，處置庫及內(nèi)部的核廢物有向外界自然環(huán)境釋放核輻射、熱量、滲透堿液的趨勢(shì)，處置庫所在環(huán)境含鹽溶液的地下水有向處置庫方向侵蝕的趨勢(shì)，這就需要處于兩者之間的緩沖回填材料發(fā)揮作用以利于處置庫產(chǎn)生的熱量向外傳導(dǎo)并阻止輻射、堿液、含鹽地下水的滲透。

結(jié)合本人進(jìn)行的以新疆阿爾泰膨潤土為基材多種配方的混合試樣膨脹性能的研究，得出一些結(jié)論，現(xiàn)僅以膨脹性能為基礎(chǔ)進(jìn)行緩沖/回填材料按功能特性分層設(shè)置的探討。

一、試驗(yàn)介紹

（1）試驗(yàn)內(nèi)容簡介。本人所進(jìn)行的試驗(yàn)包括：介質(zhì)溶液分別為自來水、模擬北山預(yù)選處置庫地下水的NaCl-Na2S04溶液（質(zhì)量比為2：1濃度為4.3g/L、8.3g/L、12.3g/L）、模擬處置庫內(nèi)的水泥構(gòu)筑物會(huì)老化產(chǎn)生的堿性溶液的NaOH溶液（摩爾濃度為0.1mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L），試驗(yàn)樣品干密度（1.8g/cm3）和含水率（12%）一致，分別為純膨潤土試樣、膨潤土-石英砂（質(zhì)量比9：1）混合試樣、膨潤土-沸石-黃鐵礦（質(zhì)量比63：27：10）混合式樣。（2）試驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)過程參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》

GB/T50123—1999進(jìn)行。所的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：①自來水作用下純膨潤土試樣膨脹力2924.544KPa，膨潤土-石英砂試樣膨脹力2034.194KPa，膨潤土-沸石-黃鐵礦樣膨脹力2291.64KPa；②鹽溶液（濃度為0、4.3、8.3、12.3g/L）作用下純膨潤土試樣膨脹力2924.54、2519.808、2310.912、2206.464KPa，膨潤土-石英砂試樣膨脹力2034.194、1893.12、1788.672、1579.776KPa，膨潤土-沸石-黃鐵礦樣膨脹力2291.64、2102.016、1893.12、1475.332KPa；③堿溶液（濃度為0、0.1、0.3、0.5mol/L）作用下純膨潤土試樣膨脹力2924.54、2611.2、2297.856、1932.288KPa，膨潤土-石英砂試樣膨脹力2034.194、1880.064、1697.28、1514.496KPa，膨潤土-沸石-黃鐵礦樣膨脹力2291.64、2193.408、2088.96、1775.616KPa；

目前國外學(xué)者對(duì)于緩沖/回填材料應(yīng)具備的膨脹力的大小已有見解，如比利時(shí)要求緩沖材料的膨脹力高于2 MPa，以使孔隙自行封閉，另一方面又要求膨脹力低于4 MPa，使得廢物包裝容器不至承受太大應(yīng)力，并防止對(duì)于母巖的侵?jǐn)_[7]。從以上三個(gè)表格中膨脹力值可以清楚的知道，所采用的試驗(yàn)材料均滿足這一要求，那么我們?cè)購牟牧显跐舛炔煌柠}、堿溶液作用下膨脹力的變化來判斷材料的穩(wěn)定性，將表2-3、2-4數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖2-1、2-1所示：

其中，膨潤土-沸石-黃鐵礦混合式樣組膨脹力變化趨勢(shì)擬合曲線為y=2008.67-1009.62x（R2=0.98419），膨潤土-石英砂混合式樣組膨脹力變化趨勢(shì)擬合曲線為：y=2308.33-981.89x（R2=0.92051），由國內(nèi)外的研究可知純膨潤土的諸多缺點(diǎn)決定了其不能作為緩沖/回填材料直接使用，本研究僅將其作為試驗(yàn)參照參照。由圖2-1可知，在不同濃度鹽溶液作用下，膨潤土-石英砂混合試樣的膨脹力較為穩(wěn)定；由圖2-2及擬合曲線對(duì)比可知，在不同濃度堿溶液作用下，膨潤土-石英砂混合式樣的膨脹力則無膨潤土-沸石-黃鐵礦混合式樣的膨脹力表現(xiàn)的穩(wěn)定。

三、結(jié)論探討

綜上，當(dāng)介質(zhì)溶液為自來水時(shí)，實(shí)驗(yàn)試樣中，膨潤土-沸石-黃鐵礦試樣的膨脹力表現(xiàn)較好；當(dāng)介質(zhì)溶液換成鹽溶液時(shí)，膨潤土-石英砂試樣的膨脹力穩(wěn)定性較好；而當(dāng)介質(zhì)溶液換成堿溶液時(shí)，膨潤土-沸石-黃鐵礦試樣的膨脹力穩(wěn)定性較好。這說明了一種類型的緩沖/回填材料很難在不同介質(zhì)溶液作用下均表現(xiàn)較好的穩(wěn)定性。因此，我們可以考慮將用作屏障作用的緩沖/回填材料根據(jù)材料特性進(jìn)行分層設(shè)置，如下圖3-1所示：

根據(jù)各試樣的性能設(shè)置三層緩沖/回填材料，各層的主要功能分別為：①抗堿溶液腐蝕③抗鹽溶液侵蝕②吸附放射性物質(zhì)。其中①、③兩層回填材料的另一個(gè)重要作用就是將鹽、堿溶液阻隔在②層以外，使之不被鹽、堿溶液破壞。

四、分層設(shè)置優(yōu)缺點(diǎn)討論

按照材料特性進(jìn)行分層設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)：1、降低了材料選擇的工作量，因?yàn)殡m然不能否定存在各類性能均表現(xiàn)較好的材料，但是實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證的工作量會(huì)很大；2、有利于利用已知性能的材料，便于多學(xué)科的參與，使得本類工作在選材方面的開放程度更高。

按照材料特性進(jìn)行分層設(shè)置的缺點(diǎn)：由于①、②、③層的材料不同，膨脹性能有差異，導(dǎo)熱性能也不同，作為緩沖/回填材料，它的整體性不如使用一種材料的好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王駒，鄭華鈴，徐國慶，范顯華等。我國高放廢物地質(zhì)處置研究十年進(jìn)展[Z].2004，7：1-12.

[2] 劉莉，田豐，張明波.甘肅西部北山地區(qū)地下水類型及其富水特征[J].巖土工程界，2003，7（6）： 33-36.