高庙子膨润土与模拟水泥浸出液的矿物反应机理研究.pdfVIP

StudyontheMineralReactionMechanismof

GaomiaoziBentoniteandSimulatedCement

Solution

20235

世界各国以节能减排的环保理念为目标大力发展核电能源。核电站运行的过

程中会产生大量乏燃料。乏燃料在提取钚和铀之后成为核废料。核废料按照放射

性水平不同可划分为极短寿命、极低水平、低水平、中水平和高水平放射性废物

等5类。其中危害最大的是高水平放射性废物。目前各国对高放废物接受度最高

的方案为深地质处置法，其设计要求为“多重屏障体系”，包括围岩、缓冲材料、

废物罐和高放废物玻璃固化体。缓冲材料作为处置库中最重要的人工屏障，需满

足长期稳定性、膨胀性等多种缓冲屏障性能。

高放废物处置库中混凝土衬砌富含水泥基材料，在地下水长期作用下，释放

出强碱性溶液，即“水泥浸出液”。水泥浸出液缓慢扩散至膨润土屏障内部，溶

解膨润土中的蒙脱石矿物，并伴随蒙脱石的伊利石化，从而对膨润土缓冲屏障性

能的长期性能产生不利影响。为了发挥膨润土优良的膨胀特性和阳离子交换能力，

GMZ膨润土必须在处置库条件下保持足够的化学稳定性。

水泥浸出液的化学成分的演变过程经历4个阶段。其中I阶段溶液的主要碱

金属离子为Na、K，pH值为13.0～13.5；II阶段溶液的主要碱金属离子为Ca，

pH值缓冲在12.5；III阶段的主要成分为水化硅酸钙凝胶，pH值为10.4～12.5；

IV阶段浸出液中的碱性成分基本被稀释，化学性质与地下水趋于平衡，pH值为

7～9。不同阶段的水泥浸出液将与膨润土发生不同的反应，从而对缓冲屏障产生

不同程度的影响。

本文的研究对象为我国处置库缓冲回填材料高庙子（GMZ）膨润土。研究方

法为室内膨润土-模拟水泥浸出液静态批式试验。配制新鲜水泥浸出液（Young

CementSolution,YCSEvolvedCementSolution,ECS

）和陈水泥浸出液（）模拟第

I阶段和第II阶段水泥浸出液。其中YCS为NaOH和KOH的混合溶液，ECS为

饱和Ca(OH)溶液，初始pH值分别为13.4和12.5，与GMZ膨润土粉末混合成

2

悬液体系，开展批式固–液静态反应，反应时间t16、23、32、45、64、91、128、

181、256d。静态反应期间，分阶段采收的悬液离心成固、液两相。液相检测pH

XFourier

值、电导率和阳离子浓度。固相开展射线衍射、红外光谱和扫描电子

显微镜–能谱仪分析测试。分析不同时间，不同试验溶液条件下，GMZ膨润土

发生的矿物学变化，评估中国处置库膨润土缓冲材料的长期化学稳定性。

I

然后从工程角度出发，开展钙基GMZ膨润土改性和提纯试验研究。试验使

用氯化钠、碳酸钠、焦磷酸钠和六偏磷酸钠四种钠化剂对GMZ膨润土进行钠化

2%5%10%20%

改性，钠化剂质量分数分别为膨润土质量的、、和，钠化温度为

20℃、60℃、80℃,钠化时间为1h、2h、3h。改性完成后使用自然沉降法提取粒

径5μm的膨润土颗粒。所得膨润土进行膨胀容试验和XRD测试，根据试验结

果分析膨润土的最佳改性条件。

静态批式试验结果表明：YCS组中，试验期间体系pH12.9，满足蒙脱石溶

解的pH值阈值条件，整个体系的反应速率随着试验时间的延长而降低。膨润土

中的蒙脱石矿物在YCS中被不断溶解，蒙脱石含量从56%下降至10%，并形成

伊利石/蒙脱石混层次生矿物。膨润土水化后在蒙脱石颗粒表面形成的羽翼状胶

YCS