高放廢物處置庫回填材料導(dǎo)熱特性研究

王茂麗 易發(fā)成 王哲 王建威

摘 要：利用Hot disk熱常數(shù)分析儀研究了集成回填材料在不同條件下的導(dǎo)熱特性。探討了干密度、含水率、孔隙度、飽和度與導(dǎo)熱特性的關(guān)系。得到熱傳導(dǎo)系數(shù)隨干密度、含水量、飽和度的增大而增大，隨孔隙度的增大而減?。煌ㄟ^擬合得到飽和度與熱傳導(dǎo)系數(shù)、具有明顯的線性或指數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：高放廢物；回填材料；熱傳導(dǎo)系數(shù)；擬合

引言

高壓實膨潤土作為高放處置庫的最后一道人工屏障，要求其具有良好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性能，因此，緩沖/回填材料的熱傳導(dǎo)性能參數(shù)是高放廢物深地質(zhì)系統(tǒng)設(shè)計的一項關(guān)鍵指標(biāo)[1]。劉月妙等[2]得到GMZ01與GMZM回填材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著含水量、干密度的增大而增大，但是與含水量和壓實干密度不具有一致的線性關(guān)系；謝敬禮等[3]得到砂一膨潤土混合物的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨樣品的壓實密度、含水率的增大而顯著增大；崔玉軍等[4]研究了干密度、含水量、飽和度等對美國MX80膨潤土熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙氣體體積與熱傳導(dǎo)系數(shù)具有線性關(guān)系；J Pacavsky[5]得出溫度對熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響不明顯，而密度和含水量對回填材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)影響很明顯。

1 試驗

1.1 試樣制作

將烘干的200目膨潤土、凹凸棒石和黃鐵礦按一定配比組成集成回填材料，制成Φ62mm×20mm的圓柱體試樣。試樣干密度1.2-1.8g·cm-3，含水量12-18%，一式兩塊。

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用基于瞬變平面熱源法的Hot disk TPS2005S熱常數(shù)分析儀。測試時，在探頭上加載恒定電流，引起溫度增加，從而在探頭兩端產(chǎn)生電壓差。通過記錄在一段時間內(nèi)電壓的變化，可以較為精確地測得被測樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 干密度、含水量與導(dǎo)熱特性的關(guān)系

圖1和圖2分別為集成回填材料干密度、含水量與熱傳導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系圖，由圖知：在相同含水量條件下，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨干密度的增大而增大；在相同干密度條件下，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨含水量的增大而增大。當(dāng)干密度為1.77g·cm-3，含水量為17.69%時，熱傳導(dǎo)系數(shù)值最大達到1.2970 W·m-1·K-1。

2.2 孔隙度與導(dǎo)熱特性的關(guān)系

圖3為集成回填材料熱傳導(dǎo)系數(shù)與孔隙度的關(guān)系，由圖可以明顯看出：在相同含水量條件下，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著孔隙度的增大而顯著減小。

2.3 飽和度與導(dǎo)熱特性的關(guān)系

圖4為集成回填材料飽和度與熱傳導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系圖。顯然，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨飽和度的增大明顯上升。對試驗數(shù)據(jù)用ORIGIN8.5分別進行了線性擬合和指數(shù)擬合，擬合效果較佳，得到的表達式如下：

λ=-0.04629+0.01657Sr（R2=0.98707）；

λ=3.43786-3.63282×0.99364Sr（R2=0.98943）。

以上式中：λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)（W·m-1·k-1）；Sr為飽和度（%）；R為相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)束語

（1）集成回填材料的飽和度大于51.71%時，熱傳導(dǎo)系數(shù)均高于0.8W·m-1·k-1，滿足國際原子能機構(gòu)（IAEA）對回填材料熱傳導(dǎo)系數(shù)的推薦值；（2）在相同條件下，熱傳導(dǎo)系數(shù)隨干密度、含水量、飽和度的增大而增大，隨孔隙度的增大而減??；（3）通過擬合得到了熱傳導(dǎo)系數(shù)與飽和度的關(guān)系方程。

參考文獻

[1]劉月妙，徐國慶，劉淑芬，等.內(nèi)蒙古高廟子膨潤土基本性能研究[M].北京：中國核工業(yè)音像出版社，2001：1-20.

[2]劉月妙，蔡美峰，王駒.內(nèi)蒙古高廟子鈉基膨潤土導(dǎo)熱性能研究[A].第二屆全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會論文集（下冊）[C].北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，2006：742-746.

[3]謝敬禮，劉月妙，周宏偉.砂-膨潤土混合物熱傳導(dǎo)特性研究[A].第三屆廢物地下處置學(xué)術(shù)研討會論文集[C].北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，2010：439-444.

[4]崔玉軍，陳寶.高放核廢物地質(zhì)處置中工程屏障研究新進展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（4）：842-847.

[5]Pacovsky J.Some Results from Geotechnical Research on Bentonite[A].Konvalinka P， Lxemburk Fed. CTU Reports -Experimental Investigation of Bulding Materials and Technologies [C].[S.l.]： [s.n ]，2002：107-116.