高放废物粘土岩地质处置库预选区围岩物理特性及力学性质

高放废物粘土岩地质处置库预选区围岩
物理特性及力学性质
摘要：高放废物(高水平放射性废物)的安全处置问题变得日益紧迫，目前国际认可的处置方法是深地质处置，即通过地质屏障(围岩)与工程屏障相结合的多重屏障系统实现永久隔离放射性废物，从而达到保障人类生命健康和环境安全的目的。

因此对高放废物地质处置库的围岩研究成为安全处置废物的重要评价指标之一。

关键词：高放废物;黏土岩;物理特征;力学性质
引言
采用单一纤维对水泥基材料进行改性时，可采取增加纤维掺量、增大纤维直径或长度的方式提高水泥基材料的强度和韧性。

但此类方法受到一定的制约，如基于纤维三维乱向分布增强水泥基复合材料，纤维掺量过大时，不能均匀地分布在基体里，反而会影响材料强度与韧性；采用合适长径比的纤维能够提高水泥基材料的韧性，而纤维直径太小时，纤维与水化产物之间的粘结性能较差，导致基体韧性提升效果较差；纤维长度太长时，不能在混凝土中均匀分布，且搅拌时会出现结团现象，影响纤维性能的发挥。

采用混在纤维对水泥基材料进行改性，可以充分发挥每种纤维的优势，实现强化的目的。

高延性低干缩的混杂纤维增强延性水泥基复合材料具有较高的韧性，为此，本文以混杂纤维为例，分析不同条件下混杂纤维增强延性水泥基复合材料的吸声性能。

1研究区概况
塔木素位于中国内蒙古高原西部，地势总体呈现西高东低，平均海拔约为1300m。

北部有巴彦诺尔至额济纳旗的铁路，交通较为便利，且人烟稀少，经济相对落后(主要依靠畜牧业和周边的矿产业)，常年干旱少雨，蒸发强烈，区内水系不发育，从运输和经济人文角度评价适合作为高放废物地质处置选址区域;预
选区地处巴音戈壁盆地内，属天山地槽褶皱系和华北地台的过渡区域，南临狼山-白云鄂博台缘坳陷带及华北地台阿拉善台隆，北部为天山地槽褶皱系中北山晚期华力西褶皱带。

盆地呈近东西向展布，以宗乃山-沙拉扎山隆起为界分为南北两个拗陷，北部拗陷包括查干德勒苏拗陷、苏红图拗陷和拐子湖拗陷，南部拗陷包括银根拗陷和因格井拗陷，且构造多属控盆构造，从地质角度看没明显活动构造，满足安全处置的基本要求。

2样品采集与实验
2.1原材料和配合比
水泥：P·O42.4R水泥，比表面积350m2/kg，密度3.2g/cm3，28d抗折、抗压强度分别为8.4、53.2MPa；砂：江苏省新沂市高纯石英砂厂的石英砂，粒度100~200目；聚乙烯醇（PVA）纤维：吕梁聚乙烯醇纤维厂；钢纤维：鞍山钢铁集团有限公司，2种纤维的性能参数如表1所示；减水剂：萘系高效减水剂，山东鑫硕新材料有限公司产，减水率28.3%；BHY-2A型混凝土减缩剂：本溪鸿福源建材有限公司；缓凝剂：一水柠檬酸；水：自来水。

2.2样品采集与实验
样品选取巴音戈壁盆地塔木素地区因格井坳陷ZKH3615、ZKH3616、ZKH3632等8个钻井，不同深度的64个泥岩岩心样品开展了岩石物理力学实验，实验项目包括岩石矿物成分分析、岩石物理特性实验、岩石力学强度实验3个方面。

岩石的物理特性实验在野外现场完成，对岩心进行现场切割至标准尺寸为
50mm×100mm的岩样，天平称量其质量后放入105℃的烘箱中烘24h，待其冷却至室温后再次称量岩样质量，并根据公式推算出其含水量、天然块体密度等物理特性。

样品矿物组分分析送至江西省地质科学研究所进行，镜下观察在Leitz偏光显微镜下完成。

岩石力学实验在东华理工大学试验教学中心完成，钻孔岩心样品按照工程岩体实验标准，通过岩石切割机(型号DQ1)、取心机(型号ZS50)和磨平机(型号SHM200)等设备进行精加工。

3结果与分析
我国实行核燃料后处理政策，但也需要将不宜后处理的乏燃料同玻璃固化一
样作为我国高放废物处置的对象。

为了给确立针对乏燃料的处置概念提供参考依据，本文综述了一些前期工作，归纳了空气侵入和水的辐解产生氧化性产物是导
致乏燃料ＵＯ２基体氧化的主要原因；在最不利情景下，可以快速从乏燃料中释
放的核素１３７Ｃｓ和１２９Ｉ的量小于其在乏燃料中总量的２％；核燃料浸出
实验结果显示裂变产物的浸出速率比铀和锕系镧系元素的浸出速率小一个数量级。

铁金属被各国选为高放废物处置容器的主要材料，在最不利的情景下，处置容器
防腐层破损，地下水侵入深地质处置库近场，铁金属将与地下水反应，产生约每
１０ｍ深度１ａｔｍ的Ｈ２。

Ｈ２通过还原反应消耗辐解产生的氧化性自由基和
分子并还原乏燃料表面的ＵＯ２＋ｘ到ＵＯ２，大幅度减缓乏燃料的腐蚀和溶解；铁处置容器表面能还原沉积从高放废物释出的长寿命多价态核素２３８Ｕ、２
３７Ｎｐ、９９Ｔｃ和７９Ｓｅ。

乏燃料中含有约０．３％（质量分数）的
裂变产物贵金属合金颗粒，其作为催化剂能大幅增加溶解氢的反应活性，阻滞乏
燃料的氧化性溶解。

了解乏燃料在处置环境下的化学行为，对我国确立以铁基金
属为处置容器材料的包括乏燃料在内的高放废物深地质处置概念有参考作用。

在对缓冲/回填材料的选择阶段，应结合各国高放废物处置库相应的地质条
件对膨润土进行筛选，其筛选条件应不仅局限于高放废物处置库的通用标准要求，更应取决于废弃物类型以及各国的高放废物处置理念，以此确定所需膨润土的物
化性质再进行实验。

2）当前膨润土的实验器材大多为自主研发，各个实验室的
仪器尺寸大小、实验控制条件、实验方案确定均缺少统一的标准进行约束，导致
宏观实验的可重复性较差。

3）当前针对膨润土热学性能的室内试验大多处于稳
定的环境温度下，但在工程实际中，缓冲/回填材料靠近罐体一侧长期处于100℃
左右的高温环境，但与天然岩体接触一侧则为20℃左右的自然问题，其环境温度
并不均匀，因此未来对于膨润土热学性能研究不仅仅要停留在稳定的环境温度下
进行实验，更应结合工程实际使其整体处于非稳定的温度梯度下进行实验。

结束语
通过常温条件下的岩石三轴试验，可见泥岩的轴向破坏强度、残余强度和形
变都会随着围压的增大而增大。

岩石表现为脆性破坏的特征，并伴有体积的迅速
膨胀现象;考虑到高放射性废物会释放出大量的热量，对样品进行热-力耦合三轴试验，结果表明随着温度的升高，泥岩中的孔隙水加速挥发，导致其孔隙水压力迅速降低，力学强度随之下降，应力-应变曲线斜率变缓，并在90℃、30MPa围压情况下呈现明显的塑性变形特征。

参考文献
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