膨润土-砂混合型缓冲/回填材料研究现状与展望

汪 龙，方祥位,申春妮，李春海

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料研究现状与展望

汪 龙1，方祥位1,申春妮2，李春海1

（1后勤工程学院岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401311；2重庆科技学院，重庆401331）

高放废物处置中，膨润土-砂混合型缓冲/回填材料力学性质的研究对高放废物地下处置库的建设具有重要意义。在总结国内外缓冲/回填材料研究现状和成果基础上，该文认为试验仪器的研制、开发添加不同材料的混合材料、考虑高温-高压-高吸力条件的试验研究、模型试验、热-水-力-化耦合模型的建立和数值分析是今后一段时间内混合型缓冲/回填材料研究的重点。

高放废物；混合型；缓冲/回填材料；力学性质

引言

核能作为清洁高效的能源在世界各国的能源构成中所占比例正不断增加，核技术不断在国防工业、民用、农业、医学等许多领域得到广泛应用。但随着核工业的发展，高放射性废弃物的安全处置成为制约核工业可持续发展的新的瓶颈。从上世纪50年代研发核武器开始，我国已存放了大量的高放射性废弃物[1]。近年来，随着国民经济的蓬勃发展，能源短缺问题日益严峻，使得我国越来越重视核能的利用和发展。如何安全处置核废物是一个与核安全同等重要的问题，是确保我国核工业可持续发展、国土安全、环境安全和建设社会主义和谐社会的重大问题。

高放射性废弃物（HLW）是一种放射性强、毒性大、半衰期长的核素。目前认为，深部地质处置是高放废物与人类生存环境长期、可靠隔离可行性最好的处置方案[2]。缓冲/回填材料是指高放废物暂存和深部地质处置库中填充在废物容器之间以及废物容器与围岩之间的材料，是高放废物处置库安全运行的重要保证。缓冲/回填材料需要满足低渗透性、高膨胀性、自封闭性、高吸附性和良好的热传导性等要求，从而阻止放射性核素向自然环境的迁移。膨润土因具有极高的膨胀性、极低的渗透性是理想的缓冲/回填材料的主料。但纯膨土存在两个难以克服的弊端：一是纯膨润土热传导性低不利于辐射热的散发；二是纯膨润土塑性过高导致可施工性差。相反，向膨润土中添加一定量的石英砂组成混合型缓冲/回填材料在不显著降低膨润土主料的防渗性能、吸附性能的前提下，可以明显提高其热传导能力和力学强度，同时也不会明显降低其膨胀自愈性能[3]。

深部地质处置工程屏障体系中，在膨润土主料中添加石英砂，优化高性能的混合型缓冲/回填材料，是世界上主流研究开发的方向。对膨润土掺砂组成的混合型缓冲/回填材料进行试验研究，不仅可以研究其水、力学性质，也可为地质处置库的建设提供科学的依据，这对核废物的地质处置具有重要意义。

1 国内外对缓冲/回填材料力学性质研究概况

缓冲/回填材料力学性质的研究是随着人们对高放废物安全处置问题的日益关注而展开的，从提出膨润土是合适的缓冲/回填材料到后来研究发现添加一定配合比的石英砂可以更好地发挥其力学性质，世界主要核能利用国家均对缓冲/回填材料进行大量的试验研究，对缓冲/回填材料的力学性质有了一定的了解。如日本用Kunigel-Vl膨润土添加30%石英砂，加拿大按5:5的比例向Avonseal膨润土添加石英砂，美国向MX-80膨润土添加10～15%比例的石英砂，比利时向纯膨润土中同时添加了5%的石墨、35%的石英砂等，并对上述组成的缓冲/回填材料进行了试验研究。

1.1 国际上对缓冲/回填材料的研究

国际上对非饱和膨润土或膨润土-砂混合型缓冲/回填材料力学性质的研究较早，取得了一定的研究成果。在缓冲/回填材料的水力性质研究方面，G.X.Tang等[4]通过滤纸法研究了掺砂比例为50%混合物在不同温度下土水特征曲线的规律和不同温度下吸力、应力和强度之间的关系。A.C.Jacinto等[5]研究了MX-80膨润土在不同温度和干密度下的持水曲线，建立了考虑温度影响的修正的van Genuchten土水特征曲线模型用来分析膨润土的热-水-力耦合作用。E.E.Alonso和M.V.Villar等[6-7]利用水汽平衡法研究了压实FEBEX膨润土在不同温度和干密度的土水特征曲线的规律，G.F.N.Gitiranar等[8]研究了膨润土土水特征曲线方程的影响因素。在测试混合物的土水特征曲线时，缺少同时考虑不同温度和不同掺砂率对混合物的持水能力的影响，不能为预测混合物的渗透性和强度提供可靠的依据。

缓冲/回填材料的膨胀性质和强度等力学性质研究方面，Z.G.KALP等[9]通过试验研究了高掺砂率（70%～85%）的膨润土加砂混合物膨胀特性和压实特性。Graham等[10]通过三轴试验对膨润土加砂混合物的强度和体积变化进行了研究。S.K. Vanapalli等[11]运用塑限和含水量的变化建立了可预测膨胀力的经验公式。Hussain等[12]通过压缩试验对膨润土加砂混合物的膨胀和压缩特性进行了研究。A.Lloret等[13]研究了FEBEX膨润土的结构特点、持水能力、渗透性、膨胀性质和力学性质对膨润土的热-水-力耦合（THM）作用。S.M.Shirazi等[14]通过试验研究了不同温度和干密度对压实膨润土的膨胀力特征的影响，建立了预测膨胀力特征的方程。W.Baille等[15]通过室内固结试验研究了膨润土膨胀力和一维状态下最大膨胀力与含水率、干密度和压实度之间的关系。E.Castellanos等[16]通过实验研究了盐溶液对高密度FEBEX膨润土水力特性的影响，研究结果发现，在恒体积膨胀仪中盐溶液可以明显提高膨润土的膨胀力，高压实饱和膨润土的水力传导能力随着盐溶液浓度升高而增长，尤在低吸力段表现更为明显。上述对缓冲/回填材料膨胀特性的研究主要集中在一维状态的膨胀力，但在实际地质处置库中缓冲/回填材料处于三维状态，因此有必要研究材料三向膨胀力特性，同时根据试验得到的本构模型适用条件有限。

1.2 国内对缓冲/回填材料的研究

我国参考世界发达国家对高放废物处置的经验，拟定用膨润土作为我国处置库的缓冲/回填材料的基材，现已选定内蒙古高庙子膨润土矿床为我国高放废物处置库缓冲/回填材料的首选矿床，全国废物地下处置研讨会已成功举行4届，综合会议情况，我国对缓冲/回填材料的研究投入比较大，研究内容也日益丰富。

在纯膨润土力学性质研究方面，刘月妙等[17]研究了高庙子膨润土的矿物组成、物理化学性能、物理水理性质等，确定了高庙子膨润土的矿物成分和基本力学性质。叶为民等[18-19]试验研究了高压实纯膨润土的膨胀力特性、微观结构变化特征和持水曲线特征，得到了膨胀力与干密度和时间的变化规律和压实试样的持水能力，建立了相应的土水特征曲线公式，可以较好地用来分析预测膨润土的性质。秦冰等[20]通过实验研究了高庙子膨润土胀缩变形特性，试验研究结果表明，干密度、竖向压力、浸泡溶液及其浓度均对膨润土的膨胀变形有显著影响，在加卸载循环过程中，既表现出塑性压缩变形，亦存在塑性膨胀变形。陈宝等[21-22]通过试验研究了碱性孔隙水对高庙子膨润土的渗透侵蚀，发现碱性孔隙水长期入渗会对膨润土产生溶蚀作用，降低膨润土的膨胀性能，同时接缝的存在导致膨润土的膨胀力减小、渗透性增大，最终导致缓冲/回填材料的封闭性能降低。通过对纯膨润土的试验研究有助于了解膨润土的性质，这对缓冲/回填材料的研究有重要作用，同时也可为混合型缓冲/回填材料的力学性质的研究提供参考。

在膨润土-砂混合型缓冲/回填材料研究方面，Sun等[23-24]通过实验研究了膨润土加砂混合物膨胀力的影响因素、持水曲线特点和压缩试验。张虎元等[25-26]通过试验研究了膨润土加砂混合物膨胀力发展规律、渗透系数和体积膨胀变化和土水特征曲线，提出了有效黏土密度概念，并建立了相应的经验模型公式。孟德林等[27]在低吸力段对不同配合比的高庙子膨润土与砂混合物进行试验，发现了配合比和空隙比与土水特征曲线之间的关系。李培勇等[28]通过一维有荷膨胀试验研究了掺砂率为1:1的混合物的膨胀特性，建立了膨胀应变与轴向应力和吸水量三者之间的关系式。刘泉声等[29]通过室内试验研究均发现膨胀力与蒙脱石含量之间存在一定的关系，建立了以蒙脱石填充率为试验参数的经验模型，用于分析砂-膨润土的膨胀力性质。孙文静等[30]研究了饱和膨润土与砂混合物的压缩变形特性，发现在较高压力时浸水饱和的试样和抽真空饱和的试样压缩曲线趋于一致，得出混合物饱和试样的压缩指数与纯膨润土的压缩指数关系。崔素丽等[31-32]对膨润土-砂混合物压实试样进行室内试验，研究了混合物的膨胀性质，得出膨胀率与掺砂率、干密度、时间和蒙脱石质量比率的变化规律。胡畔等[33]运用膨胀仪对膨润土加砂混合物进行膨胀特性的试验研究，得出了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。刘泉声等[34]通过室内试验研究均发现膨胀力与蒙脱石含量之间存在一定的关系，建立了以蒙脱石填充率为试验参数的经验模型来分析砂-膨润土的膨胀力性质。

上述试验结果从不同方面研究了非饱和膨润土和膨润土-砂混合型缓冲/回填材料力学性质，但还存在试验设备没有统一规范，对缓冲/回填材料的渗透性研究较少，特别是渗气系数的测试和渗气规律的研究，缺乏对不同掺砂率和温度条件下的缓冲/回填材料力学性质的系统研究等不足。

2 缓冲/回填材料研究展望

使用纯膨润土作为缓冲/回填材料，存在许多难以克服的弊端，如热传导性低不利于辐射热的散发、塑性过高条理性差、膨胀变形过大。膨润土中添加一定量的辅助材料组成的混合物能够提高缓冲/回填材料的热传导性能和力学强度，混合型缓冲/回填材料将是今后研究的主要方面。

（1）用于研究非饱和混合型缓冲/回填材料力学性质的试验仪器设备的研制。对混合型缓冲/回填材料的试验研究要考虑高放废物辐射热所产生的高温（超过100℃）而带来的温度效应，对目前的试验仪器和设备进行研制和改进，进而考虑温度对缓冲/回填材料力学特性的影响。缓冲/回填料材在遇到地下水渗透时将产生巨大的膨胀力和膨胀变形，这些问题都大大超出现有非饱和土力学试验仪器的试验范围，因此急需要对目前如固结仪、非饱和三轴仪、渗透仪、胀缩仪等进行研制和改进，以达到试验研究的目的。

（2）目前在混合材料的研究开发方面主要集中在以膨润土为主料添加石英砂来改变提高缓冲/回填材料的力学特性，辅助材料的选取相对比较单一。参考发达国家经验对辅助材料的选择可以从多个方面出发，如添加一定量的石墨和石英砂、沸石、碎石、黄铁矿等其他材料共同研究开发出高性能的混合材料。

（3）限于试验设备条件，缓冲/回填材料目前的研究主要集中在“常温低压低吸力”状态，在考虑缓冲/回填材料在地质处置库中实际条件“高温高压高吸力”后，目前的试验研究成果能否为地质处置库的建设提供科学可靠的依据是一个很大的疑问。通过添加石英砂等辅助材料，研制试验仪器和设备，研究“高温高压高吸力”条件下对混合材料胀缩性质、强度性质等力学性质的影响，建立相应的可预测“高温高压高吸力”的经验公式和本构模型，为地质处置库建设和运行过程中的功能评价提供科学可靠的依据。

（4）目前试验所用试样尺寸都是按室内试验标注进行的，这与地下室试验以及现场原位试验中存在很大的尺寸差异，试验结果对建立评价实际运行状态处置库将产生很大的差异。因此，在室内试验的基础上，结合其他参数指标，优化掺砂率、干密度、初始含水量和试块的尺寸，对其力学性质进行放大试验。

（5）在辐射热、地下水和气态水、胀缩变形、矿物离子和高浓度的酸碱溶液在渗透过程中对混合材料的影响等复杂的热-水-力-化耦合作用下，缓冲/回填材料的性能将发生复杂的变化，建立热-水-力-化耦合模型来综合分析缓冲/回填材料的力学性质至关重要。通过现场原位试验和建立地下实验室研究混合材料的性质存在很高风险和技术成本，利用数值模拟试验分析混合材料处于复杂的热-水-力-化耦合作用下的力学性质是切实可行的，但目前还没有热-水-力-化耦合模型可以完全反映混合材料的力学性质，而且模型的参数的获得难度较大。因此，利用有限元分析混合材料热-水-力-化耦合作用是一个重要的研究方向。

3 结语

高放废物深地质处置中缓冲/回填材料的研究是一个十分重要而复杂的课题，本文简要介绍了国内外在缓冲/回填材料力学性质的研究成果和进展，提出了今后研究开发的重点，希望推进此项研究，为我国高放废物地质处置库的建设提供科学可靠依据。

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责任编辑：孙苏

梁侧面腰筋的设置

《混凝土结构设计规范》规定，当梁的腹板高度hw≥450mm时，在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋，每侧纵向构造钢筋(不包括梁上、下部受力钢筋及架立钢筋)的截面面积不应小于腹板截面面积6k的0.1%，且间距不宜大于200mm。工地上常把这种构造钢筋称为腰筋。

这里所指的腹板高度，对于矩形截面来说，取有效高度；对于T形截面来说，取有效高度减去翼缘高度；对于工形截面来说，取腹板净高。在梁的设计和施工中执行这一规定时，却发现了一个新问题：比如说，某一现浇钢筋混凝土梁板结构，梁高h=600mm，梁宽为200mm，翼缘高度(板厚)为120mm，此时梁的有效高度ho=565mm，则腹板高度为k=565mm-120mm=445 mm<450mm。根据规范要求，梁的两个侧面可不设构造钢筋。

但是，如果把现浇板的厚度减至110mm，此时，腹板高度k=565mm-110 mm=455 mm>450mm，按规范规定，梁的两个侧面应设置腰筋，每侧腰筋的截面面积应不小于bhw×0.1%=91mm2，取2Φ8，截面面积为101mm2。如果梁宽为300mm，则需配筋2Φ100。

在遵守规范的同时，不免引起人们的思考，以避免和防止上述配筋的寒变和跳跃。如果参考《混凝土结构设计规范》的规定，"当梁的截面高度超过700mm，在梁的两侧沿高度每隔300～400 mm，应设置一根直径不小于10mm的纵向构造钢筋"，把现行规范中的"间距不宜大于200mm，改为"当600mm≤h<700mm，纵向构造钢筋间距不宜大于300mm；当h≥700mm时，纵向构造钢筋间距不宜大于200mm"。这样分段处理的方法，不但避免和防止了上述腰筋的设置突变和跳跃，做到梁高较小时对于腰筋的设置要求可宽松些，对于梁高较大时对于腰筋的设置要求严格些，而且这种区别对待有利于钢筋的合理使用和节约钢材。

鉴于大截面尺寸的现浇钢筋混凝土梁日益增多，而梁截面尺寸较大时，又有可能在梁侧面产生垂直于梁轴线的收缩裂缝的情况下，规范关于设置腰筋的规定，对防止和减小梁侧面收缩裂缝的产生，具有很大的现实意义。

（摘自：《建筑工人》。 作者：邱玉深）

（敬请作者速与本刊编辑部联系，以便付酬）

Research Status and Prospect of Bentonite-sand Mixtures as Buffer/Backfill Material

Research into the mechanical properties of bentonite-sand mixtures as buffer/backfill material plays an important role in the construction of underground disposal house for high-level radioactive waste(HLW).Based on the research status and fruits of buffer/backfill material at home and abroad, key points of future research should be the development of test equipment,auxiliary materials with different additions，consideration of the experiment under high temperature-pressure-suction conditions，model test，establishment of thermal-hydraulic-mechanical-chemical coupling model and numerical analysis.

high-level radioactive waste；bentonite-sand mixtures；buffer/backfill material；mechanical properties

TU47

A

1671-9107（2013）03-0023-04

基金论文：该文为总后勤部基建营房部资助项目（BY211C014）论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.03.023

2012-12-26

汪龙（1988-），男 ，湖北房县人，硕士研究生，主要从事特殊土与地基处理研究。