膨润土作为缓冲材料的研究现状及展望

范皓然，张佳佳，陈皓，范广

广西大学 土木建筑工程学院防灾减灾研究所， 南宁

【摘要】高放废物处置是一个世界性的难题，对我国核能发展具有重大的意义。膨润土因为其优异的性能被作为理想的缓冲/回填材料。该文从缓冲/回填材料的各项性质方面总结了前人的研究成果，并对未来的研究方向做了展望，提出了今后研究的重点。

引言

在核能被广泛而深入应用的当代， 随着越来越多的核废料的产生，如何处理高放废物已经逐渐被广大人民所关注。高放废物是指含有放射性强、发热量多、毒性大、半衰期长的核素的核废料，为了人类的安全生存与发展，必须将其可靠地与人类隔离开来。各国学者关于如何处理高放废物提出过多种方案，包括海洋处置、冰盖处置、太空处置、海岛处置、深部地质处置等等，但是经过大量的研究及讨论，目前普遍认为深部地质处置是最可行的方法。缓冲/回填材料是指存在于废物包装容器与围岩之间的材料，它必须具有自封闭性，高膨胀性， 低渗透性，高吸附性，良好的热传导性等特点，从而保护核素不向外界迁移扩散，阻止地下水对废物包装容器的侵蚀，并将其产生的热量传递到周围母岩中去。膨润土因为具有以上特性而成为理想的缓冲/回填材料。本文总结了近年来国内外学者对缓冲/回填材料各方面性质的研究结果，并对未来的研究发展方向进行了分析展望。

1 国内外对缓冲/回填材料研究概况

自从膨润土被作为理想的缓冲/回填材料以来，各国的专家和学者就对其进行了多种深入研究。我国核能事业由于起步较晚，所以相对全球核能发展进程大约落后20年，但所取得的成果也是不容忽视的。目前国内外主要研究及成果集中在以下几个方面：(1)缓冲/回填材料的水力性质方面的研究;(2)缓冲/回填材料的热传导性能研究;(3)缓冲/回填材料对核素的吸附性研究;(4)缓冲/回填材料的力学特性研究。

1.1 对缓冲/回填材料的水力性质研究

在缓冲/回填材料的水力性质方面，Ye等[1]通过实验研究了不同浓度的NaOH溶液浸泡下压实膨润土的渗透系数，发现随着NaOH 溶液PH值的上升以及温度的升高，压实膨润土试样的渗透系数随之增大。张虎元等[2]通过实验研究了Eu(III)溶液作为渗入液时，膨润土-砂混合物的渗透特性，结果表明，在膨润土中加入少量石英砂并不会明显减少其防渗透性。Zhang等[3]对不同干密度和掺砂率条件下膨润土-砂混合物的非饱和试样进行持水特性研究，发现在高吸力条件下，试样持水能力受干密度和含砂率影响较大，而渗透系数受干密度和含砂率影响不大。汪龙等[4]利用水汽平衡法，对不同干密度、掺砂率及温度条件下的膨润土-砂混合物土水特征曲线进行了研究，结果表明，随着温度升高，混合物持水能力下降;随着含砂率增加，混合物持水能力也下降，而干密度对混合物持水能力并无太大影响。上述学者从不同方面研究非饱和膨润土及其含砂混合料的水力性质，但对于缓冲/回填材料中气体渗透的特性研究稍显不足，在此方面有待加强，尤其对于不同干密度、含水率、含砂率等条件下气体渗透系数和渗透规律的研究和测试更是迫在眉睫。

1.2 对缓冲/回填材料的热传导性质研究

缓冲/回填材料的热传导系数与土样所含有的矿物种类及含量有关。叶为民等[5]对膨润土-砂混合物进行了热传导性质研究，发现混合物的热传导系数均随着干密度、含砂率和含水率升高而升高，且干密度越高，热传导系数随着含砂率升高得越明显。刘月妙等[6]对GMZ膨润土进行了热传导系数测定，结果表明随着压实度增加，膨润土的热传导系数也增加;在压实度相同的情况下，含水率越高其热传导系数也越高。朱国平等[7]对膨润土-砂混合物进行了导热系数测量，结果表明，在混合物含水率小于塑限时，导热系数随着含水率的增加而增加，在含水率相同的情况下，导热系数随着石英砂含量的增加而增加。上述实验从不同方面研究了缓冲/回填材料的导热性能，但其使用的仪器并未有效统一。 因测量方法具有较大区别，所以导致实验所测的数据可能存在一定差异，建议对仪器进行有效改进及统一，从而增强实验数据的可靠性。另外，实验所测数据均为无侧限状态下的导热系数，而缓冲/回填材料实际处于高围压状态下，今后应补充研究高围压状态下的导热系数。

1.3 对缓冲/回填材料核素吸附性质研究

在缓冲/回填材料对核素的吸附状态研究方面，Wu 等[8]对硒元素和铼元素在GMZ膨润土中的扩散特性进行了实验，发现GMZ膨润土对硒元素的吸附大于铼元素，且当干密度上升时，两种元素GMZ膨润土中的有效扩散系数随之减小。Wang 等[9]研究了MX-80膨润土对镧系元素铕的表面吸附作用，发现在不同的 PH 值下，MX-80 膨润土对铕元素的吸附机制是不同的，在低 PH 值条件下，吸附主要集中在膨润土颗粒的外球表面，随着 PH 值升高，吸附逐渐从外球表面转移到内球表面，且吸附量也有所增加。Chen等[10]通过研究钠基膨润土对磷酸盐和铕元素的吸附作用，建立了关于接触时间、PH值、固液比、铕元素磷酸盐浓度等指标的表面络合模型，该模型能较好地描述实验结果。刘艳等[11]通过研究膨润土对铀元素的吸附作用，测定了吸附平衡时间和平衡吸附量，而且吸附量随着铀元素的初始浓度升高而升高，吸附比和吸附率随着铀元素初始浓度身高而降低。当 PH 值升高时，铀元素吸附量的增加比较快。铀元素初始浓度一定时，吸附量随膨润土量增加而不断减少，但是吸附率随着膨润土量增加而增加。上述研究对核素吸附的研究主要还是定性方面的，缺少定量方面的较为细致的研究，今后应加强对吸附特性模型方面的研究，测试温度等其他条件对于吸附性质的影响，实现较为精确的吸附计算及预测模型。

1.4 对缓冲/回填材料力学性质研究

在缓冲/回填材料的力学性质研究方面， 取得的成果较为丰富。Navarro 等 [12] 通过研究膨润土微观结构的影响所造成的宏观塑性应变，并结合膨润土的自由膨胀过程建立了微观与宏观结构破损的直接联系，推导出了自由膨胀过程中的膨润土弹塑性本构模型。 Hammadi[13]等对膨润土中加入2% 到4% 的聚乙烯氧化物，研究其在剪切过程中的流变特性。发现 Herschel– Bulkley 模型能够较好的符合其流动曲线，Generalized Kelvin– Voigt 模型能较好的应用于其粘弹性特性分析，并与其回归数据吻合较好。实验结果表明，添加 2% 到 4% 的聚乙烯氧化物，不仅可以使膨润土的屈服应力提高，而且还可以减少其流动指数，提高粘弹性的特点。贾灵艳等[14] 通过直剪实验研究了不同掺砂率条件下的膨润土- 砂混合物在最优含水率下的抗剪强度指标，实验结果表明，随着掺砂率增加，应力-应变曲线由软化型向硬化型过渡，且抗剪强度不断降低。含水率增高或干密度降低均会使混合物的抗剪强度指标降低。崔素丽等[15]对不同浓度的孔隙液、不同掺砂率、不同干密度条件下的膨润土-砂混合物进行了膨胀特性试验，结果表明，随着初始干密度增加，混合物的最大膨胀力和膨胀率均增加;在掺砂率增加的情况下，混合物最大膨胀力和膨胀率均降低。Graham 等[16]对掺砂率50% 条件下的膨润土-砂混合物进行了三轴剪切实验，得到了混合物抗剪强度及体积模量、切线模量等指标。Baxter等[17]对膨润土-砂混合物进行了一维固结压缩实验和三轴剪切实验，并与前人所得的结果进行比较发现，膨润土-砂混合物的压缩率比普通天然土小很多，在不排水条件下产生的超孔隙水压比天然土大很多。李培勇等[18]对膨润土-砂混合物进行了非饱和条件下的三轴剪切实验，得出基质吸力或净围压的增大均会使混合物的最大偏应力增加，并进一步得到基质吸力与总粘聚力的表达关系式。上述对力学强度特性的研究主要集中在常温低压状态下，和缓冲/回填材料实际所处的高温高压高吸力状态存在一定差异，缺乏同时考虑干密度、含水率、温度、含砂率及围压等条件的共同作用，不能为预测缓冲/回填材料的强度及变形特性提供有效保障。

2 缓冲/回填材料研究展望

上述研究成果从不同方面得到了缓冲/回填材料的各项特性， 但是对于缓冲/回填材料本身来说依然存在一些需要改进的地方，比如纯膨润土塑性过高，可施工性差，热传导性能低下等等。如果想要克服这些弊端，可以考虑在纯膨润土中加入石英砂或者石墨等材料，在不显著降低其渗透性及自愈性的条件下，可以大大增加热传导性和可施工性，这类混合型的缓冲/回填材料应该会是今后研究的重点。对于今后研究的展望主要集中在以下几个方面。

(1)到目前为止所进行的实验绝大多数都是在常温低压低吸力条件下进行的，但实际上地质库中的缓冲/回填材料所处的环境是高温高压高吸力，而国内目前只有极少数能够提供此类实验条件的仪器，如陈正汉等[19]自主研制的温控土工三轴仪，可以进行高温高压高吸力条件下的三轴实验。其他仪器如固结仪、渗透仪等均未完全符合以上条件，在此方面急需改进。

(2)由于条件所限，目前所进行的实验绝大多数都是室内实验，这与实际现场及原位实验可能存在差异，今后应增加对室内实验所获得的各项参数指标与原位实验的对比研究，从而增强数据的可靠性。

(3)地质库所处的状态远比实验室内所提供的环境复杂，地下水的入侵、废物包装容器的发热、围岩的挤压、缓冲/回填材料自身的胀缩以及酸碱溶液的侵蚀都会给缓冲/回填材料的性质造成很大的影响，其所处的环境实际是热-水- 力-化耦合作用下的复杂环境，今后对于此类复杂的耦合条件下的实验研究将是一个重要的方向。

(4)膨润土作为缓冲/回填材料，起着阻隔地下水的渗入和阻止核素向外扩散的重要作用。因为核废料衰变过程中会放热，且地下水中含有无机盐，所以进行考虑温度及盐溶液影响的膨润土渗透系数实验就显得十分必要了，目前国内外关于此方面的研究鲜有报道，今后应将其作为重点方向进行研究。

3 结语

高放废物的处置是当今世界的重要难题，如何妥当地处理好它关系到广大人民的切身利益及子孙后代的福祉。本文通过总结前人的研究成果，提出了今后需要重点研究的方向，希望能为我国的核能发展事业贡献一份力量。

【参考文献】

[1]Ye W M,Zheng Z J,Chen B,et al.Effects of pH and temperature on theswelling pressure and hydraulic conductivity ofcompacted GMZ01 bentonite[J].Applied Clay Science,2014,101:192-198.

[2] 张虎元,周浪,陈航,等.Eu(III)溶液对膨润土-砂混合物渗透性能影响研究[J].Rock and Soil Mechanics,2014.

[3]Zhang M,Zhang H,Zhou L,et al.Hydro-mechanical analysis of GMZ bentonite– sand mixtures in the water infiltrationprocess as the buffer/backfill mixture in an engineered nuclearbarrier[J].Applied Clay Science,2014.

[4] 汪龙,方祥位,孙发鑫,等.膨润土-砂混合型缓冲/ 回填材料土-水特征曲线研究[J]. 岩土力学,2013,34(8).

[5] 叶为民,王琼,潘虹,等.高压实高庙子膨润土的热传导性能 [J].岩土工程学报,2010,32(6):821-826.

[6] 刘月妙,温志坚.用于高放射性废物深地质处置的粘土材料研究 [J].矿物岩石,2004,23(4): 42-45.

[7] 朱国平,刘晓东,罗太安.含水率和添加剂对膨润土导热性能影响的研究[J].东华理工学院学报,2007,30(1).

[8]Wu T,Wang H,Zheng Q,et al.Diffusion behavior of Se(IV)and Re(VII) in GMZ bentonite[J].Applied Clay Science,2014,101: 136-140.

[9]Wang X,Sun Y,Alsaedi A,et al.Interaction mechanism ofEu(III)with MX-80 bentonite studied by batch,TRLFS and ki-netic desorption techniques [J].Chemical Engineering Journal,2014.

[10]Chen Z,Jin Q, Guo Z,et al.Surface complexation model-ing of Eu(III)and phosphate on Na -bentonite: Binary andternary adsorption systems [J].Chemical Engineering Journal,2014,256: 61-68.

[11] 刘艳,易发成,王哲.膨润土对铀的吸附研究 [J]. 非金属矿,2010,33(1): 52-53.

[12]Navarro V,Asensio L,Yustres ?,et al.An elastoplasticmodel of bentonite free swelling [J].Engineering Geology,2014,181: 190-201.

[13] Hammadi L,Boudjenane N,Belhadri M.Effect ofpolyethylene oxide(PEO)and shear rate on rheological proper-ties of bentonite clay [J].Applied Clay Science,2014,99: 306-311.

[14] 贾灵艳,张虎元,张明.混合型缓冲回填材料抗剪强度特性研究[J]. 地下空间与工程学报,2013,6: 009.

[15] 崔素丽,混合型缓冲回填材料膨胀特性研究[D].兰州:兰州大学,2012.

[16] Graham J,Saadat F,Gray M N, et al.Strength and vol-ume change behaviour of a sand-bentonite mixture[J].CanadianGeotechnical Journal,1989,26(2): 292-305.

[17] Baxter D Y,Filz G M,Heslin G M.Strength and Com-pressibility of Soil-Bentonite Mixtures for Cutoff Walls[C]//WasteContainment and Remediation: Proceedings of the Geo-Frontiers2005 Congress,GSP No.2005,142.

[18] 李培勇,杨庆.膨润土加砂混合物非饱和三轴试验研究[J].大连理工大学学报,2011,51(3): 387-392.

[19] 陈正汉,谢云,孙树国,等.温控土工三轴仪的研制及其应用[J].岩土工程学报, 2005,27(8): 928-933.