关于按性能分层设置缓冲、回填材料的探讨

王建威

摘 要：本文以测试三种配方的混合材料在不同介质中表现出的不同膨胀特性为出发点，提出了按特性将缓冲/回填材料分层设置的观点。

关键词：缓冲、回填材料；分层设置

引言：甘肃北山被视为修建高放废物处置库的首选地区[1]。依据国内学者对于处置库预选区地下水化学类型、特征的研究结果，处置库预选区的地下水可以认为是盐溶液环境。而根据国内外学者研究[3]：高水平放射性核废物（高放废物）处置库中的混凝土经长期使用将逐渐衰解，与地下水作用形成高碱性孔隙水（pH>12），并可能与处置库中的缓冲、回填材料发生反应，从而对缓冲、回填材料的膨胀等性能产生消极影响，且放射性核素衰变产生的热量会加速水泥的老化，使得pH变得更高。故可认为在一定时间后，处置库内将会产生pH>12甚至更高的溶液，形成碱液环境，并向外渗透。综上，缓冲回填材料的功能可由下图1-1表示：

如上图所示，处置库及内部的核废物有向外界自然环境释放核辐射、热量、渗透碱液的趋势，处置库所在环境含盐溶液的地下水有向处置库方向侵蚀的趋势，这就需要处于两者之间的缓冲回填材料发挥作用以利于处置库产生的热量向外传导并阻止辐射、碱液、含盐地下水的渗透。

结合本人进行的以新疆阿尔泰膨润土为基材多种配方的混合试样膨胀性能的研究，得出一些结论，现仅以膨胀性能为基础进行缓冲/回填材料按功能特性分层设置的探讨。

一、试验介绍

（1）试验内容简介。本人所进行的试验包括：介质溶液分别为自来水、模拟北山预选处置库地下水的NaCl-Na2S04溶液（质量比为2：1浓度为4.3g/L、8.3g/L、12.3g/L）、模拟处置库内的水泥构筑物会老化产生的碱性溶液的NaOH溶液（摩尔浓度为0.1mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L），试验样品干密度（1.8g/cm3）和含水率（12%）一致，分别为纯膨润土试样、膨润土-石英砂（质量比9：1）混合试样、膨润土-沸石-黄铁矿（质量比63：27：10）混合式样。（2）试验结论。实验过程参照《土工试验方法标准》

GB/T50123—1999进行。所的实验结果如下：①自来水作用下纯膨润土试样膨胀力2924.544KPa，膨润土-石英砂试样膨胀力2034.194KPa，膨润土-沸石-黄铁矿样膨胀力2291.64KPa；②盐溶液（浓度为0、4.3、8.3、12.3g/L）作用下纯膨润土试样膨胀力2924.54、2519.808、2310.912、2206.464KPa，膨润土-石英砂试样膨胀力2034.194、1893.12、1788.672、1579.776KPa，膨润土-沸石-黄铁矿样膨胀力2291.64、2102.016、1893.12、1475.332KPa；③碱溶液（浓度为0、0.1、0.3、0.5mol/L）作用下纯膨润土试样膨胀力2924.54、2611.2、2297.856、1932.288KPa，膨润土-石英砂试样膨胀力2034.194、1880.064、1697.28、1514.496KPa，膨润土-沸石-黄铁矿样膨胀力2291.64、2193.408、2088.96、1775.616KPa；

目前国外学者对于缓冲/回填材料应具备的膨胀力的大小已有见解，如比利时要求缓冲材料的膨胀力高于2 MPa，以使孔隙自行封闭，另一方面又要求膨胀力低于4 MPa，使得废物包装容器不至承受太大应力，并防止对于母岩的侵扰[7]。从以上三个表格中膨胀力值可以清楚的知道，所采用的试验材料均满足这一要求，那么我们再从材料在浓度不同的盐、碱溶液作用下膨胀力的变化来判断材料的稳定性，将表2-3、2-4数据进行处理，如图2-1、2-1所示：

其中，膨润土-沸石-黄铁矿混合式样组膨胀力变化趋势拟合曲线为y=2008.67-1009.62x（R2=0.98419），膨润土-石英砂混合式样组膨胀力变化趋势拟合曲线为：y=2308.33-981.89x（R2=0.92051），由国内外的研究可知纯膨润土的诸多缺点决定了其不能作为缓冲/回填材料直接使用，本研究仅将其作为试验参照参照。由图2-1可知，在不同浓度盐溶液作用下，膨润土-石英砂混合试样的膨胀力较为稳定；由图2-2及拟合曲线对比可知，在不同浓度碱溶液作用下，膨润土-石英砂混合式样的膨胀力则无膨润土-沸石-黄铁矿混合式样的膨胀力表现的稳定。

三、结论探讨

综上，当介质溶液为自来水时，实验试样中，膨润土-沸石-黄铁矿试样的膨胀力表现较好；当介质溶液换成盐溶液时，膨润土-石英砂试样的膨胀力稳定性较好；而当介质溶液换成碱溶液时，膨润土-沸石-黄铁矿试样的膨胀力稳定性较好。这说明了一种类型的缓冲/回填材料很难在不同介质溶液作用下均表现较好的稳定性。因此，我们可以考虑将用作屏障作用的缓冲/回填材料根据材料特性进行分层设置，如下图3-1所示：

根据各试样的性能设置三层缓冲/回填材料，各层的主要功能分别为：①抗碱溶液腐蚀③抗盐溶液侵蚀②吸附放射性物质。其中①、③两层回填材料的另一个重要作用就是将盐、碱溶液阻隔在②层以外，使之不被盐、碱溶液破坏。

四、分层设置优缺点讨论

按照材料特性进行分层设置的优点：1、降低了材料选择的工作量，因为虽然不能否定存在各类性能均表现较好的材料，但是实际试验验证的工作量会很大；2、有利于利用已知性能的材料，便于多学科的参与，使得本类工作在选材方面的开放程度更高。

按照材料特性进行分层设置的缺点：由于①、②、③层的材料不同，膨胀性能有差异，导热性能也不同，作为缓冲/回填材料，它的整体性不如使用一种材料的好。

参考文献：

[1] 王驹，郑华铃，徐国庆，范显华等。我国高放废物地质处置研究十年进展[Z].2004，7：1-12.

[2] 刘莉，田丰，张明波.甘肃西部北山地区地下水类型及其富水特征[J].岩土工程界，2003，7（6）： 33-36.