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ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１４／２２（２）０２０３０７

膨润土在核废料处置环境中的膨胀衰减规律研究

姜　昊　徐永福　项国圣（上海交通大学土木工程系　上海　２００２４０）

摘　要　利用Ｐｈｒｅｅｑｃ软件模拟了核废料处置库中高压实膨润土中发生的化学反应，建立了Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、Ｍｇ２＋４种阳离子的离子交换和矿物溶解沉淀的一维运移反应模型。模拟了核废料处置环境中，膨润土化学组分在不同流体环境下随时间和空

间的变化规律，验证了膨胀性的衰减主要是由Ｎａ基蒙脱石转变为Ｃａ基蒙脱石引起。结合膨润土化学组分变化结果，对膨润土膨胀性衰减程度进行了评估。得到１万年后海水和地下水环境下的高庙子膨润土膨胀性衰减系数分别达到０８３和０９２，ＭＸ８０膨润土达到０７９和０９０。关键词　Ｐｈｒｅｅｑｃ　核废料处置　膨润土　水文地球化学　膨胀性中图分类号：Ｐ６４２２２　　文献标识码：Ａ

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　 收稿日期：２０１３－０６－２９；收到修改稿日期：２０１３－１２－１６．

基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７２３１８）资助．

第一作者简介：姜昊，男，硕士，主要从事膨润土工程特性研究．Ｅｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｍｏｕｓｅ＠１２６．ｃｏｍ

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＦＯＲＤＥＣＡＹＯＦＳＷＥＬＬＩＮＧＣＡＰＡＣＩＴＹＯＦＢＥＮＴＯＮＩＴＥＩＮＨＩＧＨＬＥＶＥＬＮＵＣＬＥＡＲＷＡＳＴＥＲＥＰＯＳＩＴＯＲＹ

ＪＩＡＮＧＨａｏ　ＸＵＹｏｎｇｆｕ　ＸＩＡＮＧＧｕｏｓｈｅｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０）

Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＴｈｅｈｙｄｒｏｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｂｅｎｔｏｎｉｔｅｉｎｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｎｕｃｌｅａｒｗａｓｔｅｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＰｈｒｅｅｑｃ．ＡｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｏｆＫ＋，Ｃａ２＋，Ｎａ＋，Ｍｇ２＋ ａｎｄｍｉｎｅｒａｌｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｂｅｎｔｏｎｉｔｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｃｈａｎｇｉｎｇｏｖｅｒｔｉｍｅａｎｄｓｐａｃｅａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｃａｙｉｎｓｗｅｌｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｉｓｍａｉｎｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍＮａｍｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅｉｎｔｏＣａｍｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅ．Ｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｄｅｃａｙｉｎｓｗｅｌｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｉｓｅｖａｌｕａｔｅｄ．ＤｅｃａｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｔｈｅＧＭＺａｎｄＭＸ８０ｂｅｎｔｏｎｉｔｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅａｃｈ０８３ａｎｄ０７９ｉｎｔｈｅｓｅａｗａｔｅｒａｎｄ０９１ａｎｄ０９０ｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｆｔｅｒ１００００ｙｅａｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｐｈｒｅｅｑｃ，Ｎｕｃｌｅａｒｗａｓｔｅｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙ，Ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ，Ｈｙｄｒｏｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｓｗｅｌｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ

１　引　言

近年来，膨润土因其膨胀性、低渗透性，广泛应

用于核废料处理的土障材料。高压实膨润土或膨润

土和砂的混合物填充在核废料罐和围岩之间，遇水

膨胀后，会填充周围围岩中的裂隙，形成不渗透区，

隔绝核废料罐和周围环境的联系［１］。放射性核废

料在地下处置库中会继续衰变产生热量，温度可以

达到１００℃，膨润土膨胀后围岩会对其施加很大围

压，地下流体中的组分会与之发生反应。因此膨润

土障中处于高温高压的特殊环境中，会产生传热

（Ｔ）、渗流（Ｈ）、力学（Ｍ）和化学（Ｃ）多个过程的耦合作用。

核废料地下处置库的稳定性的要求时间很长，

一般超过１００００ａ，室内和现场原位试验与之相比只是短暂的瞬时。因此数值模拟方法具有经济、迅速、

可重复性好和可进行长时间预测等优点。

目前，Ｅｒｉｃｓｓｏｎ基于方案设计模型、结构模型和工序处理模型开发了计算机模拟软件［２］；Ｈｕｄｓｏｎ等基于ＴＨＭ三场耦合理论，论证分析了Ｙｕｃｃａ山核废料处置系统的稳定性及处置库运营性能［３］；

Ｍｏｎｔｅｓ等通过 ＫＩＲＭＡＴ程序模拟压实膨润土中的化学变化过程，对其膨胀性变化进行了简单的评

估［４］。国内的学者也针对高庙子膨润土的膨胀性

进行了一系列的研究［５，６］。而先前的一些研究，主

要基于短时间的室内试验结果，所以往往忽略膨润

土与地下水发生化学反应而产生的矿物组分的变

化。而在实际核废料处置库中，需要考虑其长时间

尺度的稳定性

本文针对该过程中发生的物理化学变化，基于

Ｐｈｒｅｅｑｃ软件建立了高压实膨润土中的一维离子运移交换模型，利用数值模拟的方法研究核废料处置

库中膨润土土障中发生的化学变化过程及引起的膨

胀性衰减情况。

２　模型描述

２１　模拟环境

　　模型主要考虑了离子交换和矿物的溶解沉淀反应，模拟了高放核废料处理中膨润土垫层中发生的

水文地球化学反应。

该模拟环境忽略温度变化的影响，整个系统处

于１００℃的恒温环境中，相关的化学反应常数也随之取定值。

核废料储藏系统被封闭以后，铁罐的腐蚀氧化

反应会很快耗尽氧气，故矿物的水解反应都将在还

原型的环境中发生（Ｐ（Ｏ２）≈０，Ｅｈ＝－２００ｍＶ）。根据Ｈｋｍａｒｋ的研究［７］，埋置在核废料垫层中

的膨润土由于极强的吸水性，在３～４ａ的时间内就可以达到完全饱和状态，因此在较长时间尺度下，认

为土障系统初始就是饱和的。膨润土的膨胀性主要

是来自于晶层的水合作用，由于水合作用的过程远

快于离子扩散，水分子优先进入晶层间，故可以假定

初始状态时饱和膨润土晶层中的水为纯水。

核废料处置库一般修建在地下深处或海底，因

此模拟环境中的外界地下流体采用了海水和深层地

下水两种不同的溶液，比较外界溶液浓度对膨胀性

衰减的影响。

由于高压实膨润土的渗透性非常低，膨润土孔

隙中的流体几乎是静止的，忽略流体对流作用，溶质

运移仅依靠扩散作用。

２２　模型设计

本文的数值模拟模型利用 Ｐｈｒｅｅｑｃ软件建立了一个一维化学元素迁移反应模型，由 １ｍ厚的饱和状态膨润土组成，将其分成 ２０个 ５ｃｍ的单元格进行差分计算。模型的右边界与储存核废料的铁罐相

接触，为封闭边界；左边界与外界的地下流体相接

触，假设地下流体中组分浓度恒定，为定浓度边界

（

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图１）。因为模型主要是研究膨润土的膨胀性衰减情况，系统仅考虑与之相关的 Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、Ｍｇ２＋４种阳离子的迁移扩散以及矿物的溶解和沉淀反应对

其产生的影响。

图１　数值模拟模型示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ

通过分析膨润土组分的变化结果，结合不同矿

物膨胀性能的不同，从而可以对膨润土的膨胀性衰

减情况进行评估。

２３　计算膨胀性衰减的方法

本文采用了一种简单的衰减性评价方法。利用

黏土矿物摩尔体积，可以将矿物的组分浓度变化换

算为体积变化。而膨胀性的衰减主要是由钠基蒙脱

石转化为钙基蒙脱石引起，其衰减程度与发生反应

的矿物体积数成正比因此可以得到以下的计算方

程［８］：

Ｄ＝Ｖｉ－Ｖｄ＋Ｖｐ

Ｖｉ（１）

式中，Ｄ是膨胀性衰减系数；Ｖｉ是系统初始的膨胀性矿物体积；Ｖｄ是发生反应而减少的膨胀性黏土的

４０２ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　工程地质学报　２０１４

体积，这里主要是钠基蒙脱石；Ｖｐ是新生成的膨胀性矿物的体积，主要是钙基蒙脱石。

３　计算参数

以高庙子钠基膨润土和ＭＸ８０膨润土作为研究对象，这两种膨润土的性质被很多学者所研究过，被

认为是用于核废料处置库土障材料的理想材

料［６，９］。其中高庙子膨润土干密度为１８ｋｇ·Ｌ－１，压实后孔隙率为 ０３，比表面积为 ５７０ｍ２·ｇ－１，含有大约７５％的蒙脱石和２５％的其他附属矿物；ＭＸ８０膨润土干密度为 １７ｋｇ·Ｌ－１，孔隙率为 ０３，其比表面积为５６２ｍ２·ｇ－１，含有大约 ８５％的 Ｎａ／Ｃａ基蒙脱石和１５％的其他附属矿物。该模型考虑了矿物的溶解与沉淀反应，相应的矿物组分和热力学平衡常数

Ｋｍ的ｌｏｇ值列于

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表１。书书书

表１　膨润土矿物组分与热力学常数［６，９］

Ｔａｂｌｅ１　Ｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆｔｈｅｂｅｎｔｏｎｉｔｅ

膨胀土

类型矿物名称

干膨润土中

体积分数

饱和膨润土中

体积分数

ｌｏｇ（Ｋｍ）／１００℃

高庙子

钠基膨

润土

方解石 ０００９ ０００７ －９３９

方英石 ００７３ ００５３ －３０９５

长石 ００４３ ００３１ －１８１０４

石英 ０１１７ ００８５ －３０９５

蒙脱石 ０７５４ ０８２１ －２８４５５

ＭＸ８０膨润土

黄铁矿 ０００３ ０００２ －６７８９

方解石 ００１０ ０００６ －９３９

石英 ００７０ ００４５ －３０９５

斜长石 ００１１ ０００７ －１８１０４

钠长石 ００３５ ００２３ －１６０３７

黑云母 ００２８ ００１８ ５９１０

钠钙基蒙脱石 ０８４３ ０８９９ －２８４５５

ＰａｕｌＷｅｒｓｉｎ［１０］研究膨润土在地质流体作用下的反应时采用了两种地质流体：海水和深层地下水。

本文也采用相同的溶液 （

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表２）。高庙子钠基膨润土的离子交换容量为７６０

ｍｍｏｌ·ｋｇ－１，ＭＸ８０膨润土为 ７５０ｍｍｏｌ·ｋｇ－１而在Ｐｈｒｅｅｑｃ软件中化学反应都假设发生在１ｋｇ水中，故离子交换容量需要按照式（２）进行换算：

Ｘ＝（１－θ）ρ·ＣＥＣ

θ（２）

式中，Ｘ为 Ｐｈｒｅｅｑｃ软件中所用的离子交换容量（ｍｏｌ·ｋｇ－１水）；θ为土样的饱和含水率；ρ为土样的干

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表２　地下流体溶液组分［１０］

Ｔａｂｌｅ２　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｌｕｉｄ

溶液组分地质流体

地下水 海水

ＰＨ值 ７３ ７３

Ｎａ／ｍｍｏｌ·Ｌ－１ ４１７ ２０９

Ｋ／ｍｍｏｌ·Ｌ－１ ５４ ０５

Ｃａ／ｍｍｏｌ·Ｌ－１ ９７４ １００

Ｍｇ／ｍｍｏｌ·Ｌ－１ ７６８ ２３

Ｃｌ／ｍｍｏｌ·Ｌ－１ ７１９ ４１７

ＳＯ４／ｍｍｏｌ·Ｌ－１ ４４ ０００４４

Ｃｔｏｔ／ｍｍｏｌ·Ｌ－１ １４４ ０００３５

容重（ｋｇ·ｍ－３）；ＣＥＣ为土样阳离子交换容量（ｍｍｏｌ·ｋｇ－１土）。计算得高庙子钠基膨润土中 Ｘ为４３１ｍｏｌ·ｋｇ－１水，ＭＸ８０膨润土中为４２５ｍｏｌ·ｋｇ

－１水。

在该模拟中我们主要要考虑 Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、Ｍｇ２＋４种离子交换反应，文中列出了模拟中采用的反应式、热力学平衡常数 （

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表３），以及初始状态下两种膨润土的离子交换点当量分数和相应浓度

（

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表４）。书书书

表３　离子交换反应参数［１１］

Ｔａｂｌｅ３　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅ

离子 方程式 ＬｏｇＫ／２５℃ ΔＨ°／ｋｃａｌ

Ｎａ＋ Ｎａ＋＋Ｘ＝ＮａＸ ００ —

Ｋ＋ Ｋ＋＋Ｘ＝ＫＸ ０７ －４３

Ｃａ２＋ Ｃａ２＋＋２Ｘ＝ＣａＸ２ ０８ ７２

Ｍｇ２＋ Ｍｇ２＋＋２Ｘ＝ＭｇＸ２ ０６ ７４书书书

表４　初始离子交换点浓度［６，９］

Ｔａｂｌｅ４　Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｅｘｃｈａｎｇｅｄｃａｔｉｏｎｓ

膨润土类型 初始离子交换点 当量分数 组分浓度／ｍｏｌ·Ｌ－１

高庙子钠基

膨润土

ＮａＸ ０５４００ ２３２７

ＣａＸ２ ０３０１３ ０６５０

ＭｇＸ２ ０１５１３ ０３２６

ＫＸ ０００７４ ００３２

ＭＸ８０膨润土

ＮａＸ ０８０８ ３０９４

ＣａＸ２ ０１２８ ０４４５

ＭｇＸ２ ００５５ ０１１０

ＫＸ２ ０００９ ００３７

由于假定流体静止，溶质运移看作是饱和介质

中的纯扩散过程。根据 Ｌｅｈｉｋｏｉｎｅｎ等的研究［１２］，干

密度１７ｋｇ·Ｌ－１的 ＭＸ８０膨润土的初始有效扩散系

５０２２２（２）　姜　昊等：膨润土在核废料处置环境中的膨胀衰减规律研究

图２　海水边界下吸附离子组分变化图Ｆｉｇ．２　Ｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｓｅａｗａｔｅｒａ．１００ａ；ｂ．１０００ａ；ｃ．５０００ａ；ｄ．１００００ａ

数为１０－１１ｍ２·ｓ－２，为方便比较两种膨润土的膨胀衰减特性，本文中 ＧＭＺ膨润土也将取这一数值，并假定其值不会随反应的发生而改变。

４　结果与分析

４１　膨润土吸附离子组分变化

　　初始状态下 Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｎａ＋、Ｍｇ２＋４种阳离子会与黏土矿物表面的负离子（用Ｘ表示）结合，形成离子交换点。当外界溶液中的阳离子进入膨润土孔隙

水中，会在这些交换点上发生离子交换反应。

当地质流体为海水时，高庙子钠基膨润土在不

同时间吸附离子的变化情况不同 （

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图２）。

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图 ２中给出了１００ａ、１０００ａ、５０００ａ和１００００ａ膨润土吸附离子浓度变化情况。图中横坐标是到地质流体边界的

距离，纵坐标是各离子组分浓度，Ｐｈｒｅｅｑｃ软件中的单位为ｍｏｌ·ｋｇ－１水。而水的密度为１ｋｇ·Ｌ

－１，所以图中

的纵坐标采用的单位为ｍｏｌ·Ｌ－１。从图中可以看出：（１）地质流体中的离子扩散入膨润土孔隙水

中，与膨润土表面吸附的阳离子进行交换反应，这一

影响过程会随着时间的增长逐渐深入膨润土。

（２）由于膨润土在高压实状态下的低渗透性，整个变化过程非常缓慢。在１００ａ这样的时间尺度下，左端地质流体边界也仅仅影响到１０ｃｍ范围。

（３）离子交换过程主要表现为 ＮａＸ向 ＣａＸ２的转变。从

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表３中可以看出，Ｃａ２＋与交换点 Ｘ－的结合反应具有最大的ＬｏｇＫ值。因此当外界的 Ｃａ２＋通过扩散作用进入孔隙水中时会替换膨润土表面的

Ｎａ＋。从ＮａＸ、ＣａＸ２、ＭｇＸ２和 ＫＸ各自组分浓度随时

间的变化关系 （

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图３）可以更清楚地看出，随着时间的增长，Ｃａ２＋逐渐替换了，交换点上的其他离子，ＣａＸ２的组分浓度随时间增大而 ＮａＸ、ＭｇＸ２和 ＫＸ的组分浓度变小。而且可以看出这样的过程不是无

限进行的，反应会达到平衡，比如经过一段时间的反

应之后最左边界处的 ＮａＸ浓度会稳定在０．７６ｍｏｌ·Ｌ－１左右，而 ＣａＸ２的组分会在 １７５ｍｏｌ·Ｌ

－１左

右，说明在该海水浓度下，最终整个系统的 ＮａＸ和ＣａＸ２浓度会趋于这一数值。

同样可以得到高庙子钠基膨润土和ＭＸ膨润土分别在海水和地下水两种溶液下的组分浓度随时间

变化情况 （

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图４，

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图５）。由于这两种溶液的浓度差异，对膨润土中的化学反应进程影响也很大，分别展

６０２ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　工程地质学报　２０１４

图３　海水边界下各组分浓度随时间变化图Ｆｉｇ．３　Ｍｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｓｅａｗａｔｅｒ

ａ．ＮａＸ；ｂ．ＣａＸ２；ｃ．ＭｇＸ２；ｄ．ＫＸ

图４　地下水和海水中高庙子钠基膨润土组分浓度对比图Ｆｉｇ．４　ＭｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＧＭＺｎａｂｅｎｔｏｎｉｔｅｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｎｄｓｅａｗａｔｅｒ

ａ．ＮａＸ；ｂ．ＣａＸ２

示了高庙子膨润土和ＭＸ８０膨润土在两种溶液下的组分浓度对比情况。因ＭｇＸ２和ＫＸ组分浓度较小，

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图４和

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图５仅列出ＮａＸ和ＣａＸ２在１０００ａ和１００００ａ时的组分对比图。

从

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图４和

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图５中可以看出，由于海水中的离子浓度高，扩散速度相对较快，转化反应较快，所以相

同时间下减少的 ＮａＸ和增加的 ＣａＸ２都较多；但是由于外界溶液组分的差异，最终反应平衡状态不同；

通过对比，可看出与高庙子膨润土相比，ＭＸ８０中的

ＮａＸ初始组分含量较高，膨胀性衰减也较大。

４２　膨润土膨胀性衰减变化情况

膨润土膨胀性的衰减主要原因是钠基蒙脱石转

变为钙基蒙脱石（由于相似的物理性质，计算膨胀

性时将ＫＸ和 ＭｇＸ２分别当作 ＮａＸ和 ＣａＸ２处理）。从Ｍｏｎｔｅｓ对于膨胀性矿物物理性质的研究数据（

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表５）中可以得到钠基和钙基蒙脱石的摩尔体积数，可以将计算得到的各组分浓度值转变为体积分

７０２２２（２）　姜　昊等：膨润土在核废料处置环境中的膨胀衰减规律研究

图５　地下水和海水中ＭＸ８０钠基膨润土组分浓度对比图Ｆｉｇ．５　ＭｉｎｅｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＭＸ８０ｂｅｎｔｏｎｉｔｅｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｎｄｔｈｅｓｅａｗａｔｅｒ

ａ．ＮａＸ；ｂ．ＣａＸ２

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表５　膨胀性矿物物理性质［１０］

Ｔａｂｌｅ５　Ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｗｅｌｌｉｎｇｍｉｎｅｒａｌｓ

矿物名称饱和密度

／ｇ·ｃｍ－３摩尔质量

／ｇ·ｍｏｌ－１摩尔体积

／ｃｍ３·ｍｏｌ－１

钠基蒙脱石 ２１０ ３７３１４ １７８

钙基蒙脱石 ２１８ ３７１９６ １７１

数值，再根据式（１）计算膨胀性衰减程度。本文分别计算了高庙子和ＭＸ８０膨润土在海水

和地下水边界下经历 １００ａ、２００ａ、１０００ａ、２０００ａ、５０００ａ和１００００ａ后的组分变化情况，并求得膨胀性衰减随时间的变化情况 （

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图６）。

图６　膨胀性衰减系数随时间变化图Ｆｉｇ．６　Ｃｈａｎｇｅｏｆｄｅｃａｙｉｎｓｗｅｌｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｖｅｒｔｉｍｅ

由于海水中的离子浓度高，扩散速度较快，使得

蒙脱石转化速率较快，膨胀性衰减速度要大于在地

下水环境中的衰减速度。比较高庙子钠基膨润土和

ＭＸ８０膨润土的结果，可以看出由于 ＭＸ８０中的钠基蒙脱石的含量较高，相同条件下的膨胀性衰减程

度也较大，说明相对来说高庙子膨润土的稳定性更

高。通过计算得出在１００００ａ的安全要求年限内，海水和地下水中的高庙子膨润土膨胀性衰减系数分别

达到０８３和０９２，而 ＭＸ８０膨润土则达到０７９和０９０。这样的变化足以对土障系统的封闭性产生一定的影响，应引起相关工程设计者的注意。

５　结　论

本文基于Ｐｈｒｅｅｑｃ软件模拟了高放核废料处置库中的膨润土与其孔隙水发生的化学反应。计算得

到了膨润土的化学组分变化情况，并以此对其膨胀

性衰减情况进行了评估。得出了以下的一些成果：

（１）考虑高放废物处置库中的膨润土的离子交换和矿物溶解沉淀反应，得出了其ＮａＸ、ＣａＸ２、ＭｇＸ２和ＫＸ组分浓度随时间和空间的变化规律图。

（２）采用了淡水和海水两种不同的边界溶液，高庙子和ＭＸ８０两种不同的膨润土，对比了膨润土组分和外界溶液浓度对反应和膨胀性的影响。

（３）计算了膨润土化学组分变化引起的膨胀性衰减程度，得到了膨胀性衰减系数随时间的变化规

律图。初步评价了膨润土膨胀性衰减对于高放废物

处置库安全性的影响。

目前针对化学变化过程对 ＴＭＨ三场的影响作用的研究还较少，本文尚不能全面地考虑各种因素，

所以在模型中做了一些假定接下来还需要做更深入

的研究。

参 考 文 献

［１］　徐永福，孙德安，董平．膨润土及其与砂混合物的膨胀试验

［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３，２２（３）：４５１～４５５．

８０２ ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　工程地质学报　２０１４

ＸｕＹｏｎｇｆｕ，ＳｕｎＤｅａｎ，ＤｏｎｇＰｉｎｇ．Ｓｗｅｌｌｉｎｇｔｅｓｔｓｏｎｂｅｎｔｏｎｉｔｅ

ａｎｄｓａｎｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｍｉｘｔｕｒｅ．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓ

ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，２２（３）：４５１～４５５．

［２］　ＥｒｉｃｓｓｏｎＬＯ．ＧｅｏｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲ＆Ｄｆｏｒｈｉｇｈｌｅｖｅｌｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅｗａｓｔｅ

ｄｉｓｐｏｓａｌｉｎ Ｓｗｅｄｅｎ：Ｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄ ｆｕｔｕｒｅｐｌａｎｓ［Ｊ］．

ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ，１９９９，５２（３—４）：３０５～３１７．

［３］　ＨｕｄｓｏｎＪＡ，ＳｔｅｐｈａｎｓｓｏｎＯ，ＡｎｄｅｒｓｓｏｎＪ，ｅｔａｌ．ＣｏｕｐｌｅｄＴＨＭ

ｉｓｓｕｅｓｒｅｌａｔｉｎｇ ｔｏ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｗａｓｔｅ ｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄ

ＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００１，３８（１）：１４３～１６１．

［４］　ＭｏｎｔｅｓＨＧ，ＦｒｉｔｚＢ，ＣｌｅｍｅｎｔＡ，ｅｔａｌ．Ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｅｔｈｏｄｔｏ

ｅｖａｌｕａｔｅｓｗｅｌｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆａｂｅｎｔｏｎｉｔｅｂａｒｒｉｅｒｒｅｌａｔｅｄｔｏ

ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ．ＡｐｐｌｉｅｄＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００５，２０

（２）：４０９～４２２．

［５］　叶为民，申淼，陈宝，等．温控高压实 ＧＭＺ０１膨润土－砂混合

物土水特性［Ｊ］．工程地质学报，２０１３，２１（３）：３８５～３９０．

ＹｅＷｅｉｍｉｎ，ＳｈｅｎＭｉａｏ，ＣｈｅｎＢａｏ，ｅｔａｌ．Ｗａｔｅｒｒｅｔｅｎｔｉｏｎ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｈｉｇｈｌｙ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ＳａｎｄＧＭＺ０１ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ

ｍｉｘｔｕｒｅｓａｔｆｉｘｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ，

２０１３，２１（３）：３８５～３９０．

［６］　钱丽鑫．高放废物深地质处置库缓冲材料－高庙子膨润土基本

特性研究［Ｄ］．上海：同济大学，２００７．

ＱｉａｎＬｉｘｉｎ．ＡＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｆＧＭＺＢｅｎｔｏｎｉｔｅａｓＢｕｆｆｅｒ

ＭａｔｅｒｉａｌｉｎＤｅｅｐＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＤｉｓｐｏｓａｌｆｏｒＨｉｇｈＬｅｖｅｌＲａｄｉｏａｃｔｉｖ

Ｗａｓｔｅ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７．

［７］　ＨｋｍａｒｋＨ，ＫａｒｎｌａｎｄＯ，ＰｕｓｃｈＲ．Ａ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｍｏｄｅｌｉｎｇ

ｔｒａｎｓｐｏｒｔ／ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｍｅｃｔｉｔｅｔｏｉｌｌｉｔｅ

ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎＨＬＷｂｕｆｆｅｒｓ．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ，１９９７，４７（６）：

３６７～３７８．

［８］　ＭｏｎｔｅｓＨＧ，ＭａｒｔｙＮ，ＦｒｉｔｚＢ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｌｏｎｇｔｅｒｍ

ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｉｎａｂｅｎｔｏｎｉｔｅｂａｒｒｉｅｒｆｏｒｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅｗａｓｔｅ

ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＣｌａｙＳｃｉｅｎｃｅ，２００５，３０（３—４）：１８１～

１９８．

［９］　ＣｕｅｖａｓＪ，ＶｉｌｌａｒＭＶ，Ｆｅｒｎａ′ｎｄｅｚＡＭ，ｅｔａｌ．Ｐｏｒｅｗａｔｅｒｓｅｘｔｒａｃｔｅｄ

ｆｒｏｍｃｏｍｐａｃｔｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｈｅａｔｉｎｇａｎｄ

ｈｙｄｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９７，１２（４）：４７３～４８１．

［１０］　ＷｅｒｓｉｎＰ．Ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｂｅｎｔｏｎｉｔｅｐｏｒｅｗａｔｅｒｉｎｈｉｇｈ

ｌｅｖｅｌｗａｓｔｅｒｅｐｏｓｉｔｏｒｉｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｔａｍｉｎａｎｔＨｙｄｒｏｌｏｇｙ，

２００３，６１：４０５～４２２．

［１１］　ＰａｒｋｈｕｒｓｔＤ，ＡｐｐｅｌｏＣ．ＵｓｅｒｓＧｕｉｄｅｔｏＰＨＲＥＥＱＣ（Ｖｅｒｓｉｏｎ２）

［Ｍ］．Ｕ．Ｓ．ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙ，Ｄｅｎｖｅｒ，Ｃｏｌｏｒａｄｏ，１９９９．

［１２］　ＬｅｈｉｋｏｉｎｅｎＪ，ＣａｒｌｓｓｏｎＪ，ＭｕｕｒｉｎｅｎＡ，ｅｔａｌ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｆａｃｔｏｒｓ

ａｆｆｅｃｔｉｎｇｄｉｆｆｕｓｉｏｎｉｎｃｏｍｐａｃｔｅｄｂｅｎｔｏｎｉｔｅ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ

ＳｏｃｉｅｔｙＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９６，４１２：６７５～６８２．

９０２２２（２）　姜　昊等：膨润土在核废料处置环境中的膨胀衰减规律研究