高放废物处置库中混凝土热-水-力耦合机理及其多尺度模型研究

As the last engineering barrier in the high-level waste geological repository, the mechanics of concrete under the coupling of temperature (T) - humidity (H) – mechanical (M) and its barrier properties are critical to the safety of deep geological disposal. Based on the inherent mechanism of concrete THM coupling, in this program, a series of researches on experiments, theoretical models and numerical analysis methods are conducted, and the drying process of concrete materials under different temperature and relative humidity conditions is tracked, also mechanical experiments under different confining pressure conditions are completed. Such methods as comprehensive analysis of the physical properties of the materials, observing the macroscopic mechanical properties and comparing as well as analyzing the meso–model is adopted to reveal the mechanism of THM multi-field coupling. Based on the existing hydro (H)-mechanical (M) coupling models in concrete, thermo-hydro-mechanical coupling multi-scale models are established by introducing temperature variable and comprehensively analyzing the influence of the parameters. By using the finite element method, multi-scale numerical analysis methods for the concrete THM coupling in radioactive nuclear waste disposal repository are proposed. The results of this study can provide key theoretical and technical support for the site selection, design and stability analysis of the repository.

作为高放废物地质处置库中最后一道工程屏障，混凝土在温度(T)-湿度(H)-应力(M)多场耦合作用下的力学和屏障性对处置工程的安全性具有至关重要的作用。本项目拟从混凝土THM耦合作用内在机理出发，开展一系列试验、理论模型和数值分析方法研究，对不同温度和相对湿度条件下的混凝土材料进行干燥过程跟踪，并完成不同围压条件下的力学实验。采用综合分析材料物理性质、观察宏观力学性能、对比分析细观模型的方法，揭示THM多场耦合机理。在已有的混凝土水-力(HM)耦合模型基础上，引入温度变量，综合分析参数影响，建立热-水-力耦合多尺度模型。采用有限元方法，提出高放废物处置库中混凝土热-水-力耦合多尺度数值分析方法。研究成果可为高放废物处置库的选址、设计和安全性分析提供关键的理论与技术支持。

本项目的工作侧重于混凝土材料力学性能和耐久性能的研究，尤其是为了研究在深部地质岩石中放射性废物存储的可行性。 在这种情况下，混凝土会受到不同环境条件下耦合机制的影响：开挖后的应力变化，通风和气压导致的水饱和度变化，放热废物引起的温度变化等。因此，有必要通过试验研究来进行分析和表征混凝土材料短期和长期的热-水-力耦合作用下的性能。在短期内，各种试验研究强调了混凝土的单轴和三轴力学性能随饱和度和温度的变化。 从长期性能来看，进行徐变试验 (单轴和多轴)是为了研究温度、干燥过程和不同相对湿度下的力学行为。.通过干燥试验结果的分析，高温加速了干燥动力学（液体渗透和水蒸气扩散）。孔隙结构中更大的毛细孔率中主要以液体渗透为主要机理时，混凝土的质量损失更大。胶结材料的干燥机理取决于温度和相对湿度，此外，由干燥引起的结构效应也揭示了材料内部压缩与裂缝之间存在的竞争机制。多场耦合条件下的力学性能研究，表明具有矿物添加剂的水泥凝胶材料具有相对低的强度，受干燥破坏的程度较小。在20℃-80℃区间之内，温度与围压和含水饱和度相比对混凝土力学性能的影响较小。徐变试验表明温度和轴向荷载对其的决定性影响。温度损伤会加大徐变应变的幅度。对于含有更多微孔隙的材料轴向荷载对干燥过程中的质量损失有直接的影响。气体渗透性能的研究从另一个方面揭示了含水饱和度对其的决定性作用。通过对比两种材料气体渗透性的演变规律，结合干燥试验和压汞试验结果，证实了含有较多纳米级别凝胶孔的材料在保水性能和抗渗性能的优势。.本项目已发表论文8篇，培养硕士研究生6名，毕业3名。完成一项桥梁工程无损检测工程项目。