堿溶液對膨潤土膨脹滲透特性影響研究進(jìn)展

堿溶液對膨潤土膨脹滲透特性影響研究進(jìn)展

Summary：在高放廢物地質(zhì)處置庫的長期運(yùn)營過程中會(huì)伴隨著堿性溶液的生成，會(huì)對膨潤土緩沖/回填材料產(chǎn)生侵蝕，影響其工程性能，本文基于國內(nèi)外堿溶液對膨潤土的膨脹滲透特性等研究進(jìn)展做出總結(jié)歸納，希望能夠?yàn)楦叻艔U物處置庫的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：堿溶液、膨潤土、膨脹-滲透特性1.研究背景當(dāng)今世界各國都在加大對核能的開發(fā)利用，但也伴隨著大量的核廢料的產(chǎn)生。其中，具有高放射性的核廢料（即高放廢物）對自然環(huán)境以及人類社會(huì)危害最大。為此，主要處置該類廢物的方式是在遠(yuǎn)離人類社會(huì)的地方選取地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，圍巖較為完整的地下一定深度的位置建立高放廢物地質(zhì)處置庫。在地質(zhì)處置庫建設(shè)中，國內(nèi)外選用最多的緩沖/回填材料為高壓實(shí)的膨潤土塊體或顆粒[1]。但在地質(zhì)處置庫的長期運(yùn)營過程中，不可避免地會(huì)伴隨著地下水地侵入。這些侵入的地下水會(huì)與處置庫中的混凝土材料反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生具有堿性的混凝土衰解液[2]。這些堿性溶液嚴(yán)重影響到膨潤土的工程性質(zhì)，危害地質(zhì)處置庫的安全穩(wěn)定[3]。膨潤土的高膨脹及低滲透性是其主要的工程性質(zhì)，為此本文將整理國內(nèi)外學(xué)者對堿溶液作用下的膨潤土膨脹滲透特性變化的主要研究進(jìn)展，以期為高放廢物地質(zhì)處置庫的設(shè)計(jì)提供理論參考。2.堿性溶液的產(chǎn)生混凝土是當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)中的主要材料,它具有一系列優(yōu)良的工程性質(zhì),可塑性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐久性好等,且原材料豐富、成本低。但混凝土材料在作為高放廢物地下處置庫的襯砌時(shí),在保證處置庫上萬年時(shí)間的安全運(yùn)營過程中,混凝土襯砌在地下水的作用下會(huì)發(fā)生一定程度的溶蝕,釋放出高堿性膠凝材料,主要包括水化硅酸鈣(C-S-H)、氫氧化鈣(CH)和硫鋁酸鈣水化物(AF)。就處置庫堿性環(huán)境而言,圍巖中部分礦化物質(zhì)逐漸溶解進(jìn)入地下水,形成具有一定化學(xué)成分的圍巖地下水溶液,圍巖地下水不斷向處置庫內(nèi)滲入,使得處置庫內(nèi)主要建造材料混凝土逐步衰解產(chǎn)生高堿性可溶解物質(zhì),與圍巖地下水形成高堿性孔隙水化學(xué)環(huán)境。堿性孔隙水pH和主要溶質(zhì)的變化過程主要為:第一階段,孔隙水pH在12.5以上,溶質(zhì)以Na-K-OH強(qiáng)堿性物質(zhì)為主;第階段,孔隙水pH在12.5左右,溶質(zhì)以Ca(OH)2為主;第三階段,孔隙水pH進(jìn)步下降,溶質(zhì)以C-S-H為主;第四階段,孔隙水pH趨近于地下水,溶質(zhì)以方解石等為主[4]。不同階段的堿性孔隙水,尤其是高堿性孔隙水不斷入滲到壓實(shí)膨潤土中,最終影響處置庫工程屏障系統(tǒng)緩沖性能的發(fā)揮。3.堿溶液對膨潤土膨脹滲透特性的影響3.1膨脹特性的變化堿溶液侵入會(huì)對膨潤土中蒙脫石等礦物造成溶蝕，進(jìn)而影響膨潤土的膨脹性能，為此國內(nèi)外許多學(xué)者對其做出試驗(yàn)研究。Karnland[5]利用不同濃度的NaOH溶液入滲膨潤土觀測其膨脹力變化發(fā)現(xiàn)，隨著堿溶液濃度的增加，膨潤土膨脹力下降趨勢越明顯。陳寶等[6]人也對不同濃度的NaOH溶液入滲下的膨潤土膨脹力進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，膨潤土在堿溶液入滲時(shí)膨脹力變化呈現(xiàn)雙峰形態(tài)及先快速增加，隨后略微下降，再迅速增加，最后趨于平穩(wěn)（如圖1）。但同時(shí)他們也發(fā)現(xiàn)堿溶液濃度越大，對膨潤土的膨脹力的發(fā)展的抑制作用越發(fā)明顯。圖1.不同濃度NaOH溶液入滲時(shí)膨脹力變化（修自陳寶等，2013）Laird[7]針對堿溶液對膨脹力的影響機(jī)理做出研究，其發(fā)現(xiàn)在膨潤土在膨脹過程中的晶層膨脹、雙電層膨脹這兩個(gè)影響膨脹力發(fā)展的主要階段都會(huì)在堿溶液入滲時(shí)發(fā)生衰減。相同的試驗(yàn)現(xiàn)象，劉麗娜[8]也通過相應(yīng)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了類似的試驗(yàn)結(jié)果。由此可以得知堿溶液影響膨潤土膨脹力的發(fā)展主要在晶層膨脹和雙電層膨脹兩個(gè)階段，并且都體現(xiàn)為抑制作用。3.2滲透特性的變化影響膨潤土的滲透特性的主要因素之一就是其孔隙特征，但在堿溶液入滲時(shí)礦物的侵蝕嚴(yán)重影響到膨潤土的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響膨潤土的滲透特性。Andrew[9]通過對比不同堿性強(qiáng)度的堿性溶液入滲時(shí)對膨潤土的滲透性的影響發(fā)現(xiàn)：堿溶液pH值變化對膨潤土的滲透系數(shù)影響不大，但溶液中的陽離子變化對膨潤土的滲透性影響較大，說明堿溶液入滲時(shí)與膨潤土種礦物的陽離子發(fā)生交換進(jìn)而影響到膨潤土的滲透特性。Castellanos[10]對比研究不同應(yīng)力不同堿性陽離子對膨潤土滲透性的影響發(fā)現(xiàn)，Na+離子比Ca2+在同等溶液濃度條件下對膨潤土的滲透系數(shù)影響更為明顯。此外，陳寶等人選用不同濃度的NaOH溶液入滲膨潤土發(fā)現(xiàn)，隨著堿溶液濃度的增大膨潤土的滲透系數(shù)也越大，說明堿溶液會(huì)增強(qiáng)膨潤土的滲透性（圖2）。圖2.堿溶液對膨潤土滲透系數(shù)的影響（修自陳寶等，2013）Cuisinier[11]對比研究了20、60℃兩種溫度條件下，飽和氫氧鈣石溶液（其pH為12.4）入滲MX-80膨潤土混合物滲透性的影響。其發(fā)現(xiàn)堿溶液入滲使MX-80膨潤土混合物的孔隙大幅增加，試樣的孔隙率超過了10%。同時(shí)，伴隨著水化溫度的升高，試樣孔隙也就越多；并且水化作用時(shí)間越長，試樣產(chǎn)生的孔隙也就越多（如圖3）。由此可以得知，堿溶液入滲時(shí)隨著溫度的增加膨潤土的滲透性也隨之增大。圖3.堿溶液對膨潤土孔隙變化（修自葉為民等，2011）3.3礦物變化特征膨潤土中影響其工程性質(zhì)的主要礦物為蒙脫石。因此，本文主要探討堿溶液對蒙脫石礦物相變的影響。蒙脫石的礦物相變與熱動(dòng)力學(xué)過程以及水化學(xué)條件息息相關(guān)。其主要相變過程有高嶺土化、伊利石化以及皂化反應(yīng)等。Yamaguchi等[12]利用堿溶液入滲蒙脫石，觀測其礦物變化發(fā)現(xiàn)：當(dāng)堿溶液pH值大于12.6時(shí)蒙脫石礦物開始溶解，并隨著入滲時(shí)間的增加次生礦物含量也隨之愈發(fā)增多。Savage等[13]選擇反應(yīng)-轉(zhuǎn)變模型程序（PRECIP）模擬壓實(shí)膨潤土在水泥孔隙水入滲下的化學(xué)反應(yīng)過程，他們觀測到膨潤土與水泥孔隙水反應(yīng)接觸面，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，水化硅酸鈣以及方解石、沸石和白云母等礦物含量也隨之增加。Gaucher等[14]借助于PHREEQC程序，模擬10萬年尺度下水泥衰解產(chǎn)生的堿性溶液對膨潤土化學(xué)成分影響，結(jié)果顯示陽離子交換反應(yīng)的發(fā)生使得膨潤土中的Na+被K+和Ca2+所取代，在膨潤土與水泥接觸面部位出現(xiàn)蒙脫石不斷向伊利石轉(zhuǎn)化，沸石與伊利石不斷析出，以及沸石最終轉(zhuǎn)變?yōu)樗嗟痊F(xiàn)象（如圖4）。圖4.蒙脫石與水泥孔隙水反應(yīng)模擬礦物生成4.總結(jié)膨潤土在堿溶液入滲下其膨脹力、滲透性以及礦物成分都會(huì)隨著變化，其主要影響因素包括堿溶液離子類別、pH值以及水化溫度等，這些因素也是日后相關(guān)學(xué)者重點(diǎn)研究內(nèi)容。Reference[1]徐國慶.2000-2040年我國高放廢物深部地質(zhì)處置初探[J].鈾礦地質(zhì),2002.[2]劉樟榮,崔玉軍,葉為民,等.緩沖/回填材料——膨潤土顆粒及其混合物研究進(jìn)展[J].巖土工程學(xué)報(bào),2020,42(8):10.[3]張虎元,童艷梅,賈全全.強(qiáng)堿性溶液擴(kuò)散對高廟子膨潤土的化學(xué)腐蝕[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2020,39(1):11.[4]朱春明.化-水-力耦合作用下GMZ01膨潤土緩沖性能研究[D].同濟(jì)大學(xué),2014.[5]KarnlandO,OlssonS,NilssonU,etal.ExperimentallydeterminedswellingpressuresandgeochemicalinteractionsofcompactedWyomingbentonitewithhighlyalkalinesolutions[J].Physics&ChemistryoftheEarthPartsA/b/c,2007,32(1-7):275-286.[6]陳寶,張會(huì)新,陳萍.堿溶液對GMZ膨潤土膨脹性和滲透性的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013(2):6.[7]LairdD.A.Modelforcrystallineswellingof2:1Phyllosilicates[J].ClaysandClayMinerals,1996,44(4):553-559.[8]LiuLN,ChenYG,YeWM,etal.EffectsofhyperalkalinesolutionsontheswellingpressureofcompactedGaomiaozi(GMZ)bentonitefromtheviewpointofNa+cationsandOH–anions[J].AppliedClayScience,2018,161(sep.):334-342.[9]KinselaAS,TjitradjajaA,CollinsRN,etal.Influenceofcalciumandsilicaonhydraulicpropertiesofsodiummontmorilloniteassemblagesunderalkalineconditions[J].JournalofColloid&InterfaceScience,2010,343(1):366-373.[10]CastellanosE,VillarMV,RomeroE,etal.Chemicalimpactonthehydro-mechanicalbehaviourofhigh-densityFEBEXbentonite[J].Physics&ChemistryoftheEarthPartsA/b/c,2008,33(supp-S1):S516-S526.[11]CuisinierO,MasrouriF,PelletierM,etal.MicrostructureofacompactedsoilsubmittedtoanalkalinePLUME[J].AppliedClayScience,2008,40(1-4):159-170.[1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