缓冲材料砌块模式
1.1 材料特性
1.1.1 成分与结构
膨润土是一种主要由蒙脱石族矿物组成的粘土物质。主要化学成分是SiO2、Al2O3和H2O，还含Fe、Mg、Ca、Na、K等元素。通常呈土块状体，白色，有时带浅红浅绿色。光泽暗淡，硬度1-2，密度2-3g/cm3。其典型结构如图1.1，是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构，层间存在Na+、K+、Ca2+等交换性阳离子[8]。而层间阳离子种类决定了膨润土的类型，层间阳离子为Na+时称钠基膨润土；层间阳离子为Ca2+时称钙基膨润土。在这两种分布与研究最广泛的膨润土中，钠基膨润土工程性能优于钙基膨润土。
图1.1 膨润土蒙脱石晶体结构
1.1.2 工程特性与研究近况
选择膨润土作为缓冲材料是因为膨润土具备了以下几点主要特征。
1）良好的吸附性。膨润土的结构特征决定了其吸附性能。膨润土中的主要矿物蒙脱石因晶格置换会产生一定量永久负电荷，晶体断裂面和边角处不饱和氧键的存在会产生一定量的可变负电荷，这两种负电荷的存在使蒙脱石晶胞要吸附等当量的金属阳离子作为电荷补偿，这就是阳离子交换的原理[9]。膨润土在水中高度分散，物理吸附现象明显。
对于吸附性的研究，章英杰、冯孝贵、梁俊福等研究了超铀元素Am在膨润土上的吸附行为，证明了膨润土对其具有较强的吸附能力[10]。王所伟等对Pb(Ⅱ)和Th(Ⅳ)在膨润土上的吸附机理进行了探讨,表明Pb(Ⅱ)和Th(Ⅳ)在膨润土上的吸附机理主要是表面络合[11]。
2）低渗透性。膨润土的基本单元是晶层，若干个晶层组成颗粒体，颗粒体聚集形成集合体。晶层之间的间隙是膨润土中最小的孔隙，集合体之间的间隙是最大的孔隙。土体吸水后内部产生膨胀压力，压力作用下，自动地对孔径进行调节，把大孔压缩成小孔，使得小孔比例增加，从而降低渗透性。因此膨润土比一般粘土具有更低的渗透性。当干密度大于1.75g/cm3时，大部分膨润土的渗透系数都很低(<1x10-13m/s)[12]。这可以有效防止和延缓地下水流渗透到废物容器流动，以避免地下水腐蚀包装材料。
对于渗透性的研究，叶为民、钱丽鑫等人采用瞬时截面法研究了侧限高压实高庙子膨润土非饱和的渗透特性[13],张虎元、赵天宇等人研究了膨胀条件下膨润土-砂混合材料的渗透特性[14]。孙文静、刘仕卿等通过试验表明，弹塑性阶段孔隙比对渗透性起着主导作用[15]。
3）极强的膨胀性。膨胀是水分侵入层间引起的体积扩大。膨润土的自由膨胀率很大，有助于堵塞周围介质中的空隙，降低介质的孔隙度[4]。
这是膨润土最核心的特点，前人对此方面研究较多。国际上Baille、Motes-H、Villar等人分别对德国膨润土压实试样、美国MX-80试样、FEBFX试样的膨胀性质进行了试验研究，建立了胀缩动力学模型，提出了“蒙脱石体应变”这一参数[16-18]。
国内已研究探明了高庙子膨润土的膨胀湿陷特性，膨润土-砂混合物的膨胀变形特性，处置库环境下膨润土的膨胀衰减规律，初始含水率、碱溶液、辐射和热作用对膨胀性的影响[19-24]。
由于失水而收缩干裂是膨胀性的反面，控制环境，确定最优含水率和最大干密度是需要考虑的重点问题。梁建研究发现，不同掺砂率的膨润土-砂混合物，最大干密度与最优含水率存在统一的幂函数关系，而与压实方法与压实能大小无关[25]。从而可以针对性地选择适宜的压实方法。
1.2 高压实膨润土
1.1.1 采用原因
膨润土在地下水侵入过程中需要抵抗深地层较大的应力，维护处置库的稳定，所以必须对膨润土进行高压实处理，使其形成足够的膨胀力，才能满足缓冲材料的工作性能要求。压实密度越大，其所形成的膨胀力也越大。经过高度压实，颗粒间排列更紧密，接触面积变大，结构更加稳定。
1.1.2 砌块压制
膨润土的压制采用仪器如图1.2，设备基本性能见表1.1。
图1.2 半自动压实设备——四柱液压机
表1.1 压实设备基本性能
设备名称 项目 公称力 顶出力 液体最大工作压力 最大开口高度
参数 ≥2000kN ≥400kN ≥25MPa ≥1100mm ≥700mm ≥250mm ≥1000mm×900mm 快下≥100mm/s，回程≥52mm/s
≥15kW
四柱液压机 滑块最大行程 顶出活塞最大行程 工作台有效尺寸
滑块速度 电机功率
1.1.3 基本性能
Moss和Molecke结合Maxwell模型推导与试验验证，证明了高压实膨润土能达到处置库所要求的热传导率[26]。沈珍瑶、李书绅等的研究表明，高压实膨润土最终含水率与试样初始干密度及初始含水率无关[27]。叶为民等发现了高压实膨润土膨胀力与时间、吸水量和干密度之间的数学关系[28]。
1.3 构筑技法与砌块类型
1.3.1 压实法与砌筑法
目前高放废物地质处置缓冲结构施工方法大致分为两种：原位压实法与压实块砌筑法（表1.2）。原位压实法是将调配到最优含水率的缓冲材料运送到处置库，采用动力或静力的方式，利用机械设备压实到最大干密度。压实块砌筑法，就是在处置库之外的专用加工车间，将调配到最优含水率的缓冲材料，采用专用机械设备压实成密实的块体，然后运输、吊装到位，砌筑成需要的缓冲结构[29]。
表1.2 世界主要国家缓冲材料制作方法
国家及 研究计划 加拿大（AECL） 瑞士（SKB） 西班牙（ENRESA） 芬兰（TVO） 日本（PNC）
缓冲材料制作方法 优势 劣势
难以运输和养护、机
原位压实法 性质统一 械化程度低、受环境制约
压实块砌筑法 压实块砌筑法 压实块砌筑法 原位压实法/ 压实块砌筑法
预制砌块压实效果好、现场堆砌施工效率高、对环境适应性强、不易受硐室跨度制约
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产生难以避免的接缝
由于优势明显，砌筑法得到了许多国家的重视。然而压实砌筑法使得缓冲砌块存在接缝，围岩渗出地下水进入缓冲回填材料层，导致缓冲材料层渗透系数发生改变。那么，选用什么形式的砌块可以解决接缝问题，渗透系数是升高还是降低，能否维持在允许的范围内？
1.3.2 砌块类型与装配
国际上选用的缓冲砌块形式主要有矩形、环形、梯形和扇形（表1.3）。扇形砌块能更好地贴合废料罐四周，减少空隙，是目前的主流形式。从工程性质和造价方面评估，日本PNC建议，水平安装时缓冲结构断面由2、6或8块扇形砌块组成；垂直安装时，采用4或6块扇形砌块组成[30]。
表1.3 各国缓冲回填材料压实块尺寸
国别 日本 瑞典、 芬兰 德国 法国 西班牙
压实块形状 处置罐尺寸 压实块尺寸 径长（弧长）≥40cm
外径225cm，内径145cm，厚50cm 矩形尺寸：250×125×61.5mm 扇形尺寸：径长（弧长）≥25cm 外径250cm，内径90cm 径长（弧长）≥17cm
扇形（2、6分法） 外径82cm 环形 矩形和扇形 环形 梯形和扇形 （6分法）
外径145cm 外径90cm 外径90cm 外径34cm
1.3.3 砌块大小与规模
从图1.3可见压实砌块的基本规模。 图1.3 压实砌块实体图与模型图
随着地下试验室阶段到来，需要依次增大压实砌块尺寸，进行工业放大试验。例如，瑞士对于压实砌块的研究，开始是采用直径250mm，高100mm的圆柱体试样，其次是内径156mm，外径250mm，高100mm的空心圆柱体试样，然后是直径1000mm、高625mm的圆柱体试样，最后目标直径达到1620mm[30]。
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