高放废物处置库缓冲材料气体渗透特性研究

高玉峰，刘月妙，谢敬礼，曹胜飞，马利科

(核工业北京地质研究院 中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029)

高放废物的特点是放射性水平高，毒性大，发热量大，若不加以安全处置，会对自然环境和人类社会带来巨大的破坏作用。随着核工业的迅速发展，高放废物处置已逐渐成为影响环境保护和核工业持续发展的战略性课题。而如何使高放废物与人类生存环境充分、彻底、可靠地隔离，且隔离时间达上万年甚至几百万年是人类社会面临的巨大挑战。目前，国际上公认处置高放废物最有效可行的方法是深地质处置，即把高放废物埋在距离地表深500～1 000 m的地质体中，使之永久与人类的生存环境隔离，埋藏高放废物的地下工程称为“高放废物处置库”[1-2]。

高放废物处置库中要求缓冲材料能阻止外界气体与废物罐接触，以保证处置库处于缺氧的还原环境。废物罐的腐蚀、水和有机物在辐照和微生物作用下分解等可以产生大量的气体(主要成分是H2)。在极端的情形下，随着气体积累，气压变大，很可能穿透工程屏障甚至穿透天然地质屏障[3-4]。气体产生极大的影响整个处置库系统的安全性能，破坏工程屏障的整体性，加速水和核素的迁移[5]。

膨润土以其低渗透性、高膨胀性、高吸附性等而被选作缓冲材料的基材[6-7]，是置于高放废物包装体与围岩之间的一道重要材料，也是处置库工程屏障的组成部分，起着机械屏障作用，能阻止外界气体与废物罐接触。因此，测试不同加载气压范围条件下的气体渗透系数，可以为处置库稳定性分析和长期安全评价提供关键参数，对高放废物地质处置库的设计及长期安全评价具有重要意义。

国外学者对不同膨润土的气体渗透特性做了相关的研究，C.Gallé等[8]研究了氢气在较高饱和度和不同干密度下压实膨润土的渗气规律，得到了氢气在试样中的渗气系数，并分析了临界气压力、渗透气压力和饱和度对渗气系数的影响规律。S.T.Horseman等[9-10]对缓冲材料MX80膨润土进行了氦气注射试验，发现临界气体穿透值远比原位试验测定值要小，且在水饱和条件下的膨润土中气体几乎无法渗透。Villar等[11]使用非稳态法研究了不同压实条件下FEBEX膨润土的渗气特性；D.Arnedo等[12]通过注气试验对膨润土-砂混合物采用试验和数值模拟相结合的方法，研究了气体在混合物中的迁移情况。

国外学者也对高压实黏土岩中的气体迁移进行了大量试验研究，探讨了气体迁移的机理问题，并对水饱和条件下黏土岩进行气体迁移研究。L.Ortiz等[13]对Boom黏土岩中气体的产生和迁移进行了试验和数值模拟研究，发现围岩中气体产生速率大于气体扩散速率，导致气压升高。在瑞士Mont Terri地下实验室进行的加热试验中，研究了气体在Opalinus黏土岩中的迁移情况[14]。在瑞典Aspo硬岩实验室，进行了现场大尺寸气体注入试验，获得了气体迁移的大量数据[15]。在瑞士的Grimsel地下实验室进行的工程屏障气体渗透试验(GMT)，集中研究在粮仓型的处置库中气体在工程屏障中的渗透问题，并采用实验室以及数值方法等进行现场的模拟试验[16-17]。为了解缓冲材料的特征，法国原子能机构(FCEA)对H2在Fo-Ca黏土岩中的迁移进行了系统的试验研究，获得了气体渗透性、进气压力和气体穿透临界压力值等一系列参数，同时运用数值模拟研究进行验证[18-19]。

国内学者在土体渗气规律研究方面也做了大量研究工作，主要研究了黄土等渗气性较好土的气体渗透特性变化规律。由于我国对高放废物地质处置缓冲材料的研究起步较晚，对膨润土的气体渗透特性变化规律方面的研究较少。刘龙波等[20]对国内3种膨润土渗气系数随孔隙度与含水率的变化进行了研究。秦冰等[21]利用非饱和三轴渗气仪研究了考虑Klinkenberg效应的压实高庙子膨润土在较低气压加载条件下的渗气特性，发现当渗气系数小于10-14m2时，压实膨润土中的Klinkenberg效应较为显著，渗气系数会随气压力增大而降低，气体滑脱因子随Klinkenberg渗气系数与体积含气率之比的变化满足幂函数关系，建立了考虑Klinkenberg效应的高庙子膨润土非饱和渗气系数的数学模型。汪龙等[22]研究了掺砂率、干密度和含水率对高庙子膨润土-砂混合物渗气特性的影响规律，在其研究范围内发现混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加，随干密度和含水率增加呈指数形式降低；同时发现膨润土-砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律，但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响。以上研究均认为，在较低加载气压条件下，气体在试样中的渗透符合Darcy定律稳态流的假设。

对于气体产生及其迁移的研究，目前仅清楚地了解其机制，但有关其对整个高放废物地质处置系统安全性影响的分析还需要大量的试验数据，尤其是室内小型试验和现场试验数据作依据[23]。而压实膨润土的气体渗透系数低，测试难度大，对试验仪器的精度和测量范围要求高。膨润土气体渗透系数随压实干密度增加而降低，在一定的气压加载范围内，当干密度较大(大于1.8 g/cm3)时，气体很难从试样中渗透。已有研究压实试样干密度较小(小于1.8 g/cm3)、加载气压范围较小(不大于300 kPa)，不能准确地反应和评价处置库缓冲材料气体渗透特性。

本文将针对压实干密度为1.4～1.8 g/cm3的试样开展相关研究，获取更大加载气压(0～2 000 kPa)围压(0～9 000 kPa)范围条件下的气体渗透系数，为处置库稳定性分析和长期安全评价提供关键参数。

1 压实膨润土气体渗透试验

1.1 试验仪器和试验材料

试验采用GDS全自动高压三轴测试系统，主要由控制系统、数据采集装置、三轴压力室、气压围压加载器等组成。可加载的最大围压为16 MPa，最大气压为2 MPa，体积分辨率为1 mm3，气压加载精度0.1 kPa，可实时检测加载气压、围压以及气体体积等参数。

试验样品是我国内蒙古高庙子膨润土矿床地下天然钠基膨润土，天然样品自然风干，含水量8%～9%，粉碎到-0.074 mm，在加工过程中，去掉了部分不易粉碎的杂质矿物。样品为浅灰白色，化学成分以SiO2、Al2O3和H2O为主。主要矿物为黏土矿物蒙脱石，伴生矿物为石英、长石和α-方英石。其矿物组成见表1。

表1 高庙子钠基膨润土物质成分

样品的阳离子交换容量为72.86 mmoL/100 g，可交换性阳离子以Na+为主，可达33.71 mmoL/100 g，其次为Ca2+和Mg2+，分别为23.66 mmoL/100 g和11.17 mmol/100 g，还有少量的K+。

1.2 试验方法与计算公式

试验采用圆柱形试样，其基本尺寸为直径D为50 mm、高度h为100 mm的规格。

试验过程中，只控制进气端气压q1，出气端则直接与大气相通，测定试验在一定气压围压比(1∶2、1∶3、1∶5)加载条件下，分别测定不同加载气压(100 kPa、200 kPa、300 kPa、500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa、1 800 kPa)时，加载气压和气体体积随测试时间的变化值，利用计算公式，进而获得膨润土的气体渗透系数，如式(1)～(3)所示。其中，试验加载气体采用氮气。

(1)

(2)

Δp=P1-P2

(3)

式中：kg为气体渗透系数；μg为气体黏滞系数，实验室采用的是氮气；A为试样横截面积；V1为气体体积；Δp为气压降，试验选取10 kPa；Δt为时间间隔；pa为平均气压；p1、p2为试验测定气压；H为试样高度；patm为大气压。

2 试验结果与分析

压实高庙子膨润土试样在不同干密度(1.4 g/cm3、1.6 g/cm3和1.8 g/cm3)与不同气压围压比加载(1∶2、1∶3、1∶5)条件下，分别测定了不同气压(100 kPa、200 kPa、300 kPa、500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa、1 800 kPa)的气体渗透系数，试验结果列于表2～4。

表2 干密度1.4 g/cm3的试样不同气压围压比的气体渗透系数

表3 干密度1.6 g/cm3的试样不同气压围压比的气体渗透系数

表4 干密度1.8 g/cm3的试样不同气压围压比的气体渗透系数

2.1 加载气压围压对气体渗透系数的影响

图1所示为不同干密度的试样在不同气压围压比条件下的气体渗透系数，由图可以看出，随加载围压增大，气体渗透系数逐渐减小。当干密度为1.4 g/cm3时，随气压围压比的减小，气体渗透系数明显减小；相同加载围压条件下，随气压增大，气体渗透系数增大(图1(a)。当干密度为1.6 g/cm3时，一定加载气压围压比条件下，随加载围压增大，气体渗透系数变化逐渐变小至趋向稳定；加载气压为100 kPa时，加载围压越大，试样气体渗透系数越小；当加载气压大于100 kPa时，相同加载围压条件下，随气压围压比的减小，即随气压增大，气体渗透系数先增大后略有减小(图1(b))。说明增大加载围压可有效避免试样外壁气体“滑流”行为，但过大会导致内部孔隙结构破坏，降低其气体渗透性。干密度为1.8 g/cm3的试样气体渗透性变化规律(图1(c))与1.6 g/cm3一致。

研究表明，压实干密度较小，试样内部孔隙度高，气体渗透性高，随着加载围压增大，试样内部孔隙被压缩，孔隙度降低，气体渗透系数变小。当试样压实干密度增大，内部密实度达到一定程度后，再增大加载围压，对其气体渗透性没有太大影响。

本试验研究表明，当试样尺寸为直径50 mm、高度100 mm，压实干密度在1.4～1.8 g/cm3时，测试大于200 kPa气压值的气体渗透系数推荐气压围压比采用1∶3，既可有效避免试样外壁气体“滑流”行为，又可规避大围压对试样内部孔隙结构破坏造成的测试干扰，测量结果更准确、真实。

图1 不同气压围压比条件下的气体渗透系数

2.2 压实干密度对气体渗透特性的影响及关系

图2所示为不同压实干密度试样的气体渗透系数，由图2可以看出，随干密度增大，试样气体渗透系数明显减小。当加载气压围压比为1∶3时，随干密度增大，试样气体渗透系数逐渐减小，由10-15m2数量级减小到10-17m2数量级，当干密度为1.4 g/cm3时，气体渗透系数大小在10-15m2数量级，干密度为1.6 g/cm3时，气体渗透系数大小在10-16m2数量级，干密度为1.8 g/cm3时，气体渗透系数大小在10-17m2数量级(图2(b))。

图2 不同压实干密度试样的气体渗透系数

图3所示为加载气压100 kPa和500 kPa的试样气体渗透系数与干密度关系曲线，随干密度增大，气体渗透系数逐渐减小。拟合曲线见式(4)。

kg=a(ρd-2)2，a= 5×10-14

(4)

式中：kg为气体渗透系数；ρd为试样干密度。

图4(a)所示为气压围压比1∶3时不同加载气压的试样气体渗透系数与干密度关系曲线，随干密度增大，气体渗透系数逐渐减小。拟合曲线见式(4)。

当气压围压比为1∶5(图4(b))时，试样气体渗透系数与干密度关系也同样符合式(4)。

由式(4)可以看出，压实干密度与气体渗透系数为二次函数负相关关系，当压实干密度较小(小于1.8 g/cm3)时，随干密度增大，渗透系数逐渐减小，其主要原因是试样压实干密度越大，膨润土颗粒排列越紧密，内部孔隙度越小，气体渗透系数越小。

图3 加载气压100 kPa、500 kPa的试样气体渗透系数与干密度关系曲线

图4 不同加载气压的试样气体渗透系数与干密度关系曲线

3 结 论

本文针对不同压实干密度的高庙子膨润土，进行了不同加载气压围压条件下的气体渗透试验，获得了压实膨润土试样不同加载气压围压条件下的气体渗透系数，获得了压实膨润土干密度与气体渗透系数关系，得出如下主要结论。

1) 气体渗透系数与压实干密度存在二次函数负相关关系。随压实干密度增大，气体渗透系数明显减小，干密度由1.4 g/cm3增大到1.8 g/cm3，其气体渗透系数从10-15m2逐渐减小到10-17m2数量级。

2) 气体渗透性与加载气压围压也存在一定关系。一定加载气压围压比条件下，随加载围压增大，气体渗透系数变化逐渐变小至趋向稳定；相同加载围压条件下，随加载气压增大，气体渗透系数呈现增大或先增大后略有减小。

3) 当试样尺寸为直径50 mm、高度100 mm，压实干密度在1.4～1.8 g/cm3时，测试较大气压值的气体渗透系数时，推荐气压围压比采用1∶3。

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