含鹽環(huán)境中膨潤(rùn)土的膨脹理論及膨脹衰減機(jī)理研究.pdf

1、深層地質(zhì)處置是國(guó)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(rùn)土因具有高吸水膨脹性、低滲透性和強(qiáng)核素吸附性等優(yōu)點(diǎn)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(kù)的運(yùn)行過(guò)程中，圍巖周?chē)牡叵滤疂B入緩沖回填材料中對(duì)膨潤(rùn)土的膨脹特性產(chǎn)生影響。如何準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)膨潤(rùn)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(wèn)題。本文通過(guò)室內(nèi)膨潤(rùn)土的膨脹試驗(yàn)和理化測(cè)試，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，研究了膨潤(rùn)土在地下水溶液中的膨脹特性

2、，提出了膨潤(rùn)土在鹽溶液中的膨脹模型和膨脹性的計(jì)算方法，分析了膨潤(rùn)土膨脹性衰減機(jī)理，模擬了膨潤(rùn)土在核廢料處置庫(kù)中的膨脹特性和衰減規(guī)律，為核廢料深層地質(zhì)處置庫(kù)的建設(shè)和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。主要的研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）采用N2吸附法測(cè)量了膨潤(rùn)土的表面分維。采用N2吸附法測(cè)量壓實(shí)膨潤(rùn)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(rùn)土壓實(shí)試樣的表面分維與膨潤(rùn)土粉末試樣的表面分維相當(dāng)，鹽溶液對(duì)膨潤(rùn)土的表面分維的影響很小。

3、　?。?）采用固結(jié)儀測(cè)量了商用膨潤(rùn)土壓實(shí)試樣在蒸餾水和NaCl溶液中的膨脹變形和膨脹力。膨潤(rùn)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(rùn)土的膨脹特性，鹽溶液濃度越大，膨脹越小。
　　（3）建立了膨潤(rùn)土膨脹的分形模型?；谂驖?rùn)土吸水膨脹過(guò)程的表面吸附作用，根據(jù)膨潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(yàn)證。
　?。?）揭示了 GMZ01膨潤(rùn)土在氯鹽溶液（NaCl、CaCl2、MgCl2）和NaOH溶液中膨脹性衰減機(jī)理。膨潤(rùn)土與氯鹽溶液混合后，陽(yáng)離子交換是主要的化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(duì)蒙脫石有強(qiáng)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?rùn)土膨脹性衰減機(jī)理，采用膨脹變形的分形模型預(yù)測(cè)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(kù)中緩沖回填材料的THMC四場(chǎng)耦合作用，建立膨潤(rùn)土的多場(chǎng)耦合方程。采用COMSOL Multiphysics軟件和Phreeqc軟件，模擬了核廢料處置庫(kù)中膨潤(rùn)土的飽和膨脹過(guò)