關(guān)于按性能分層設(shè)置緩沖、回填材料的探討

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(kù)的首選地區(qū)[1]。依據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于處置庫(kù)預(yù)選區(qū)地下水化學(xué)類型、特征的研究結(jié)果，處置庫(kù)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(guó)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(kù)中的混凝土經(jīng)長(zhǎng)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(kù)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(kù)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(kù)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(kù)所在環(huán)境含鹽溶液的地下水有向處置庫(kù)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(kù)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(rùn)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(jiǎn)介。本人所進(jìn)行的試驗(yàn)包括：介質(zhì)溶液分別為自來(lái)水、模擬北山預(yù)選處置庫(kù)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(kù)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(rùn)土試樣、膨潤(rùn)土-石英砂（質(zhì)量比9：1）混合試樣、膨潤(rùn)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(guò)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(lái)水作用下純膨潤(rùn)土試樣膨脹力2924.544KPa，膨潤(rùn)土-石英砂試樣膨脹力2034.194KPa，膨潤(rùn)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(rùn)土試樣膨脹力2924.54、2519.808、2310.912、2206.464KPa，膨潤(rùn)土-石英砂試樣膨脹力2034.194、1893.12、1788.672、1579.776KPa，膨潤(rùn)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(rùn)土試樣膨脹力2924.54、2611.2、2297.856、1932.288KPa，膨潤(rùn)土-石英砂試樣膨脹力2034.194、1880.064、1697.28、1514.496KPa，膨潤(rùn)土-沸石-黃鐵礦樣膨脹力2291.64、2193.408、2088.96、1775.616KPa；

目前國(guó)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(jiàn)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(gòu)牟牧显跐舛炔煌柠}、堿溶液作用下膨脹力的變化來(lái)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(rùn)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(rùn)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(guó)內(nèi)外的研究可知純膨潤(rùn)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?jī)H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(rùn)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(rùn)土-石英砂混合式樣的膨脹力則無(wú)膨潤(rùn)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(lái)水時(shí)，實(shí)驗(yàn)試樣中，膨潤(rùn)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(rùn)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(rùn)土-沸石-黃鐵礦試樣的膨脹力穩(wěn)定性較好。這說(shuō)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(kāi)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(guó)慶，范顯華等。我國(guó)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.