考虑温度影响的高压实GMZ膨润土气体渗透性能及其理论模型

Compacted bentonite has been commonly recognized as the most suitable buffer/backfill materials for construction of deep geological repository for disposal of high level nuclear waste. This proposal aims at Gao Miaozi (GMZ) bentonite, which has been selected as possible buffer/backfill material for Chinese high-level nuclear waste disposal program. A cell will be manufactured for gas permeability test on confined (constant volume) bentonite specimens. Gas permeability tests will be conducted on specimens with different initial dry densities and water contents with temperature control and related gas permeability will be obtained. Microstructure tests will be done on specimens before and after gas permeability tests for investigation of microstructure and its differences after experiencing gas permeation. Based on these, model for gas permeability in compacted GMZ bentonite will be developed with consideration of the coupling effects of temperature-water (suction)-microstructure variation (hydration). The mechanism of gas permeation in densely compacted GMZ bentonite under coupling conditions will be explored. The results expected will be of great importance for investigation of gas permeability behavior of GMZ bentonite and enrich unsaturated soil mechanics.

高放射性废弃物深地质处置库建设过程中，高压实膨润土被认为是最合适的缓冲/回填材料。本项申请针对拟作为我国高放废物地质处置库缓冲/回填材料的高压实高庙子（GMZ）膨润土，通过对既有气体渗透试验装置的改造，实现恒体积条件下的气体渗透功能；开展温度控制条件下、不同初始密实度与含水量试样的气体渗透试验，获取温控条件下、不同含水量与初始密实度试样的气体渗透参数；借助微观实验手段，获取气体渗透实验前、后的膨润土试样的微观结构及其变化特征，据以分析气体渗透过程中GMZ膨润土的微观演化机理；在此基础上，建立考虑温度-水（吸力）-微观变形（水化）等耦合作用的、高压实GMZ膨润土的气体渗透模型，揭示耦合作用条件下、高压实GMZ膨润土的气体渗透机理，弥补目前我国缓冲材料研究领域的不足。预期成果对于我国高压实膨润土气体行为特性研究，以及丰富非饱和土力学理论均具有重要的理论与工程实践价值。

高放射性废弃物深地质处置库建设过程中，高压实膨润土被认为是最合适的缓冲/回填材料。处置库封闭运营期间，由于复杂的物理化学反应而形成无氧环境，地下水将与金属废物罐以及处置库中的金属构件发生还原反应产生H2，而库中微生物降解、放射性物质对地下水的辐解等作用也会产生大量CO2、CH4、H2 等气体；同时由于缓冲/回填材料的极低渗透性，产生的气体将在废物罐与屏障材料的界面空间内不断积聚，产生极高的气体压力（>30MPa），从而在工程屏障中形成毛细或力学优势渗流通道，导致放射性物质随地下水或是以气体状态向库周环境转移，影响处置库的抗渗与力学稳定性；再者上述过程还受到库内核素衰变热的影响。因此，开展考虑温度影响的高压实GMZ膨润土气体渗透性能及其理论模型研究具有重要的理论与工程实践意义。.本项目研发了高压恒体积气体渗透试验装置，开展了干密度和饱和度（含水量）控制的恒体积气体渗透试验，以及温控条件下、不同干密度压实膨润土的气体渗透试验，分析了温控条件下、初始密实度与含水量的压实膨润土的气体渗透机理，构建了温控条件下压实膨润土的气体渗透模型。研究结果表明：压实高庙子膨润土的气测固有渗透率随干密度的增加而降低，但均分布在1e-15m2到4e-15m2范围内；与饱和状态下的液测固有渗透率对比发现，气测固有渗透率较液测固有渗透率高5个数量级；除了气体渗透过程中存在的滑脱效应，粘土矿物水化膨胀导致的微结构变化，也将显著影响膨润土的固有渗透特性；当试样具有一定饱和度时，气体滑脱效应并不显著。膨润土液测固有渗透率随着温度的升高呈现出明显的上升趋势，气体突破压力与截断压力均随温度的降低而减小；渗透通道的间歇性力学张开/闭合会导致试验获取的气体渗透率随时间呈现明显的波动特征。发表SCI收录论文21篇/EI2篇。成果对于多场耦合条件下、作为缓冲/回填材料的高庙子膨润土的行为特征研究，丰富非饱和土力学理论，指导我国高放核废料的深地质处置等均具有重要的理论与工程实用价值。