集成回填材料的压缩性能研究

范 香，易发成，朱宝龙

（西南科技大学，四川 绵阳 621010）

集成回填材料的压缩性能研究

范 香，易发成，朱宝龙

（西南科技大学，四川 绵阳 621010）

缓冲材料是高放废物深地质处置多重屏障系统中非常重要的一道人工屏障，通过研究一定配比的集成回填材料在不同含水量条件下的压实成型性、不同压实干密度和不同含水量压实样品的无侧限压缩性能，认为：含水量为15%的集成回填材料压实成型性最好,含水量为20%次之，压实干密度越大，无侧限抗压强度越大；在无侧限压缩实验时，含水量为20%的高密度压实回填材料样品比含水量为10%和15%的样品的抗压强度小，变形大。

集成回填材料；压实成型性；抗压强度；弹性模量

1 引言

随着核工业的发展和人类核安全意识的增强，安全处置高放废物已成为核工业可持续发展、保护人民健康和保护环境的一项长期战略任务[1]。深地质处置是目前被国际上公认的处置高放废物的有效方法[2,3]。根据深地质处置多重屏障体系的概念模式，其屏障体系由内到外依次为：固化体、废物包装容器、缓冲回填材料(人工屏障)、花岗岩等天然地质体(天然屏障)。其中，回填材料是一道重要的人工屏障，其作为废物处置库的工程阻挡层，填充在废物罐和围岩之间用于封闭处置库、密封废物处置区、填塞岩石缝隙、起着化学屏障与机械屏障的双重作用，因此研究回填材料压实膨胀性、低透水性和力学强度等很有意义。此外，鉴于目前国内外对单一矿物的研究较多，而对于复合矿物研究较少，因此开展集成回填材料的研究具有较大意义。回填材料必须压实加工成一定的密度和形状才能放入高放废物处置库中,成为合适的缓冲材料,将容器固定在一定的位置缓冲围岩压力对废物罐的影响[4]。因此,必须研究膨润土的压实成型性和力学性能。

2 实验材料

实验所用原材料由新疆阿尔泰膨润土(Ca基)、新疆沸石、四川江油黄铁矿按一定的配比组合而成。其中新疆阿尔泰膨润土为浅灰白色，矿床地处新疆准噶尔盆地北部边缘，位于塔城地区和布克赛尔县境内。该矿赋存于白垩系上统艾里克湖组地层中，属内陆湖相沉积型矿，是目前我国和世界上发现储量较大的膨润土矿床。由X-射线衍射试验新疆阿尔泰膨润土主要矿物为蒙脱石，且含量较高，含有少量α-石英，样品的阳离子交换容量为65.20mmol/100g，胶质价＞100mL/15mg，膨胀容为14mL/g，膨胀值为7.33mL/g，pH值8.45。颗粒密度2.66g/cm3，自然风干状态下含水量14.47%，吸水率＞300%，塑限26.3%，液限59.7%，塑性指数33.4，由于其特殊的物化及工程性能在本次实验作为主要实验基材。

新疆沸石主要为板状、片状、针状。由X-射线衍射试验可知沸石主要矿物组成为丝光沸石、斜发沸石、叶沸石、石英,含少量蒙脱石、长石、水云母。由于沸石的阳离子交换容量远远超过新疆膨润土矿(65.2mmol/100g)，表明该沸石的阳离子交换吸附性能明显优于新疆膨润土矿。但沸石具有多孔的特点，隔水性差，需要添加膨润土来提高其隔水性，阻止地下水进入废物容器罐，防止放射性核素随地下水迁移、扩散。回填材料放到地下几千米，核素释放出来的能量很难从废物灌中散热出来，而硫铁矿有很好的导热性能解决此问题。因此，根据不同矿物材料在性能上的互补性，按一定的配比组合从而较好的发挥三种材料的优越性能，达到优化集成。

将三种天然样品自然风干，粉碎为200目，将膨润土、沸石、黄铁矿按一定比例混合，预制所需干密度和含水率的样品。

3 压实成型性

制备不同含水率和不同密度的压实样品的方法为:根据试验所需的土量与含水率，计算制备试样所需的加水量；天然风干样品加水后充分搅拌，土样置于盛土器具中密封润湿48h备用；根据体积及所需的干密度，计算制样所需的湿土量；将预定干密度所需湿土倒入压样装置内(图1)。实验采用液压万能试验机，加载速率为0.5mm，试样品为扇形圆环，外半径70mm，内半径30mm，高度20mm。试验预定含水量分别为(%)：10、15、 20、25，预定压实干密度分别为1.5、1.7、1.9g/cm3。

试验表明，压制预定干密度的样品所需的压制载荷与含水率和压制时间有关(图2)。在相同压制时间条件下，压制干密度小于1.9g/cm3的样品，含水率越大，所需的制样载荷越小。

相同含水率的样品，压制密度越大，所需制样载荷越大；压制相同密度和含水率的样品，制样载荷增大，可缩短压制时间，但样品变形加快；相同含水率和压制载荷作用下，随压制时间增大样品压实密度达到某值后就不再增大。

由于集成材料含有膨润土，其压实特性是由于蒙脱石具有吸水膨胀的结构所决定的。膨润土的压实性与含水量有关，压制干密度小于1.7g/cm3的样品，含水率越大越容易压实；压制高密度样品时，含水量为25%的样品在压制载荷很低时就出现流变现象；15%和20%的样品最容易压实；含水量低于10%和高于25%的样品很难压制成高密度样品。

4 回填材料无侧限压缩及变形试验

4.1 试验方法

本次试验按压样法制备试样，根据容积和所要求的干密度计算所需的湿土质量并将其倒人压样装置内，通过电液伺服万能实验机压紧到所需密度。抗压强度测试所用仪器为液压万能试验机，测试样品直径61.8mm，高50mm。压实膨润土无侧限压缩及变形试验参照中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程(SL264-2001)》。无侧限压缩及变形试验加载速率为0.1～0.5mm/min。应变测量分别采用应变片法和应变计法。应变片法测定的应变为试样中部的应变，应变计法测定的应变为试样轴向的平均应变。应变片型号为BE120-6AA，电阻值R=119.6±0.1，灵敏度系数2.16±1%。室温条件下，对集成回填材料的无侧限抗压强度随干密度(1.5、1.7、1.9g/cm3)和含水率(10%、15%、20%、25%)的变化进行测试。制备预制干密度和含水率与压实成型一样。无侧限抗压强度计算公式：

式中：σc为试件无侧限抗压强度(MPa)；Pmax为试件最大破坏载荷(N)；A为试件受压面积(mm2)。

弹性模量E、泊松比μ计算公式:

式中：E为试件弹性模量(MPa)；σc(50)为试件无侧限抗压强度的50%(MPa)；εh(50)、εd(50)分别为σc(50)处对应的轴向压缩应变和径向拉伸应变；μ为泊松比。

4.2 结果与讨论

压实回填材料无侧限抗压强度和弹性模量与含水量和压实干密度有关(见下表)。

集成回填材料无侧限压缩性能

试验表明，相同含水量的样品，随压实干密度的增大，无侧限抗压强度明显增大。相同压实干密度的膨润土，含水量为10%～15%时的无侧限抗压强度比含水量为20%无侧限抗压强度大(图3)；相同含水量的样品，随压实干密度的增大，弹性模量增大(图4)。当含水量低于20%时，弹性模量随压实干密度的增大有增大的趋势；但当含水量为20%时，弹性模量随压实干密度的增大没有明显增大，反而有下降趋势。有实验发现，应变片法(B)测出的弹性模量比应变计法(A)测出的弹性模量要明显大，因为应变片粘贴于样品的中部，而无侧限压缩时样品中部的变形最大，应变计测得的应变为整个样品的平均应变。

含水量为20%和15%时，泊松比随着干密度的增大而增大，但当含水量为10%时，泊松比随干密度的增大为减小(图5)。说明压实回填材料随含水量增大，轴向塑性变形增大。

5 结语

相同含水率的样品，压制干密度越大，所需制样载荷越大；压制相同密度和含水率的样品，制样载荷增大，可缩短压制时间，但样品变形加快；相同含水率和压制载荷作用下，随压制时间增大样品压实干密度达到某值后就不再增大。

试验表明，相同含水量的样品，随压实密度的增大，无侧限抗压强度明显增大。相同含水量的样品，随压实干密度的增大，弹性模量增大；当含水量低于20%时，弹性模量随压实干密度的增大有增大的趋势；但当含水量为20%时，弹性模量随压实干密度的增大没有明显增大，反而有下降趋势。

[1]刘月妙,蔡美峰,等.高放废物地质处置库预选缓冲材料压缩性能研究[J].铀矿地质,2007,(2):91-95.

[2]周文斌,刘晓东,等.乏燃料和高放及α废物地质处置[M].北京:原子能出版社,1999:97-102.

[3]王驹.世界放射性废物地质处置[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

国家自然科学基金项目(项目编号:10378028;A3120080126)。

2009-12-25