含鹽環(huán)境中膨潤土的膨脹理論及膨脹衰減機理研究.pdf

1、深層地質(zhì)處置是國際上普遍接受和認(rèn)可的高放射性核廢料的最終處置方案。膨潤土因具有高吸水膨脹性、低滲透性和強核素吸附性等優(yōu)點被選作深層地質(zhì)處置系統(tǒng)中緩沖回填材料的主料。在核廢料處置庫的運行過程中，圍巖周圍的地下水滲入緩沖回填材料中對膨潤土的膨脹特性產(chǎn)生影響。如何準(zhǔn)確計算和預(yù)測膨潤土在地下水溶液中的膨脹特性和膨脹性衰減規(guī)律是亟待解決的關(guān)鍵問題。本文通過室內(nèi)膨潤土的膨脹試驗和理化測試，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，研究了膨潤土在地下水溶液中的膨脹特性

2、，提出了膨潤土在鹽溶液中的膨脹模型和膨脹性的計算方法，分析了膨潤土膨脹性衰減機理，模擬了膨潤土在核廢料處置庫中的膨脹特性和衰減規(guī)律，為核廢料深層地質(zhì)處置庫的建設(shè)和安全運行提供科學(xué)依據(jù)。主要的研究內(nèi)容如下：
　?。?）采用N2吸附法測量了膨潤土的表面分維。采用N2吸附法測量壓實膨潤土在蒸餾水和不同濃度的NaCl溶液中浸泡后的表面分維，膨潤土壓實試樣的表面分維與膨潤土粉末試樣的表面分維相當(dāng)，鹽溶液對膨潤土的表面分維的影響很小。

3、　?。?）采用固結(jié)儀測量了商用膨潤土壓實試樣在蒸餾水和NaCl溶液中的膨脹變形和膨脹力。膨潤土的膨脹特性與豎向應(yīng)力、試樣的干密度和鹽溶液的濃度密切相關(guān)。在NaCl溶液中，滲透吸力抑制了膨潤土的膨脹特性，鹽溶液濃度越大，膨脹越小。
　?。?）建立了膨潤土膨脹的分形模型?；谂驖櫷廖蛎涍^程的表面吸附作用，根據(jù)膨潤土表面的分形模型，建立了膨脹吸水體積的表達(dá)式，導(dǎo)出膨脹變形和膨脹力的理論公式。在膨潤土的滲透膨脹階段，結(jié)合雙電層理論給出

4、分形模型中的蒙脫石膨脹系數(shù) K，完善了分形模型。在鹽溶液中，基于膨潤土表面的分形模型，推導(dǎo)出由孔隙水滲透吸力引起的有效應(yīng)力，提出了鹽溶液中的膨脹變形理論，并得到了鹽溶液中膨脹變形數(shù)據(jù)的驗證。
　?。?）揭示了 GMZ01膨潤土在氯鹽溶液（NaCl、CaCl2、MgCl2）和NaOH溶液中膨脹性衰減機理。膨潤土與氯鹽溶液混合后，陽離子交換是主要的化學(xué)反應(yīng)過程，Ca2+和Mg2+與Na基蒙脫石中的Na+反應(yīng)生成膨脹性較低的Ca基或Mg

5、基蒙脫石，引起膨脹性衰減。與NaOH混合后，高堿性溶液對蒙脫石有強烈的溶蝕作用，蒙脫石發(fā)生溶解生成非膨脹性礦物，導(dǎo)致膨脹性衰減?；谂驖櫷僚蛎浶运p機理，采用膨脹變形的分形模型預(yù)測了滲透吸力、離子交換反應(yīng)和蒙脫石含量引起的膨脹衰減規(guī)律。
　?。?）基于核廢料處置庫中緩沖回填材料的THMC四場耦合作用，建立膨潤土的多場耦合方程。采用COMSOL Multiphysics軟件和Phreeqc軟件，模擬了核廢料處置庫中膨潤土的飽和膨脹過