具有负电荷密度梯度的缓冲回填层及其设计方法与流程
本发明涉及环境岩土技术领域，特别涉及具有负电荷密度梯度的缓冲回填层及其设计方法。
背景技术：
随着核工业的不断发展，产生了大量的高水平放射性废物(简称高放废物)，而如何长期安全、有效地处置这些高放废物成为全世界亟需解决的问题。经过多年的研究和实践，目前普遍接受的可行方案是深地质处置，即把高放废物埋在距离地表深约500-1000m的地质体中，使之永久与人类的生存环境隔离。其中缓冲回填材料是填充于废物体与处置库围岩之间的工程屏障材料，起到阻障围岩中地下水渗入的水力屏障、阻滞核素迁移的化学屏障以及扩散核辐射热等关键作用。由于压实膨润土具有极高的膨胀性、极低的渗透性、核素迁移的迟滞性等特点，成为国内外采用的首选缓冲回填材料。
在核废料处置库的运营过程中，膨润土遭受长期的扩散核辐射热作用以及化学作用。在温度、化学溶液的浓度及压力梯度共同作用下，围岩中的地下水会逐渐向膨润土中渗入。对于高压实的膨润土缓冲回填材料，孔隙水处于吸附状态。在这种状态下，尽管水分迁移同时受到压力梯度和温度梯度的驱动，但压力梯度驱动下的水分迁移以及扩散过程极为缓慢，有时甚至没有流动现象发生，而温度梯度驱动下的水分迁移往往会成为低渗材料中水分运移的主要机制。同时，膨润土因其特殊的结构，土颗粒表面带有剩余负电荷，因其带电性，土颗粒对孔隙水或离子具有吸附作用，同时在土颗粒周围产生耗散电子双层。当孔隙水溶液中的离子浓度较高时，双电层压缩，材料的渗透性急剧增大，而影响处置库安全运营的一个关键因素是地下水运动及随地下水运动的核素迁移问题。因此如何在上述极端条件作用下，仍能保持缓冲回填层极强的防渗性能是要解决的关键问题。
现有技术中的缓冲回填层在孔隙水溶液的离子浓度较高时，双电层压缩，材料的渗透性急剧增大，而影响处置库安全运营。
技术实现要素：
本发明提供了具有负电荷密度梯度的缓冲回填层及其设计方法，解决了或部分解决了现有技术中的缓冲回填层在孔隙水溶液的离子浓度较高时，材料的渗透性急剧增大的技术问题，实现了有效提高膨润土化学稳定性，提高耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力，在极端污染渗沥液作用下仍能维持极低的渗透系数，延长缓冲回填层的有效使用寿命，确保处置库安全运营的技术效果。
本发明提供的一种具有负电荷密度梯度的缓冲回填层，所述缓冲回填层的材质为钠基膨润土和羟甲基纤维素钠混合后通过插层反应制成的聚合物改性膨润土；
所述缓冲回填层设置为圆环体；所述圆环体的内孔用于包裹放置高放废物罐；
所述缓冲回填层通过若干层圆环状的聚合物改性膨润土层套叠制得；
每一层所述聚合物改性膨润土层的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比沿所述缓冲回填层的径向逐渐增大；
所有所述聚合物改性膨润土层的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比为1％～30％。
作为优选，所述钠基膨润土的粒径小于等于0.075mm。
作为优选，每一层所述聚合物改性膨润土层的厚度相同。
作为优选，所述缓冲回填层的外径与内径的差值为1000mm。
作为优选，所述缓冲回填层通过20层所述聚合物改性膨润土层套叠压制而成。
作为优选，每一层所述聚合物改性膨润土层的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比的差值为1.5％；
最内层所述聚合物改性膨润土层的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比为1.5％。
基于同样的发明构思，本申请还提供了一种具有负电荷密度梯度的缓冲回填层的设计方法，用于制备所述具有负电荷密度梯度的缓冲回填层，所述具有负电荷密度梯度的缓冲回填层的设计方法包括：
将所述钠基膨润土加水搅拌成含有2倍液限含水量的泥浆；
将所述泥浆分成若干份，向每一份所述泥浆内加入质量比不同的所述羟甲基纤维素钠后搅拌获得所述聚合物改性膨润土；每一份所述聚合物改性膨润土的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比为1％～30％；
将每一份所述聚合物改性膨润土风干至含水量为4～5％后碾碎；
将碾碎后的所述聚合物改性膨润土压制成若干粘土包；
将同一份所述聚合物改性膨润土对应的若干所述粘土包拼接固定在所述高放废物罐的圆周外，形成圆环状的所述聚合物改性膨润土层；每一份所述聚合物改性膨润土对应形成一层所述聚合物改性膨润土层；
将所有所述聚合物改性膨润土层套叠固定后形成所述缓冲回填层，且每一层所述聚合物改性膨润土层的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比沿所述缓冲回填层的径向逐渐增大。
作为优选，所述钠基膨润土的粒径小于等于0.075mm；
所述粘土包设置成矩形板结构，所述粘土包的长度为25mm，宽度为15mm，厚度为25mm；
所述粘土包的平均干密度为1.8g/cm3。
作为优选，所述泥浆分成20份，对应形成20层所述聚合物改性膨润土层；
最内层所述聚合物改性膨润土层的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比为1.5％；
相邻层所述聚合物改性膨润土层的所述羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比的差值为1.5％。
本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将钠基膨润土加水搅拌成含有2倍液限含水量的泥浆；向泥浆内加入设定质量的羟甲基纤维素钠后搅拌获得聚合物改性膨润土，聚合物改性膨润土风干至含水量为4～5％后碾碎制得粘土包，将粘土包拼接固定在高放废物罐的圆周外，形成圆环状的聚合物改性膨润土层，所有聚合物改性膨润土层套叠固定后形成缓冲回填层；钠基膨润土与羟甲基纤维素钠拌合，制成聚合物改性膨润土，使得膨润土的固定负电荷密度增大；每一层的聚合物改性膨润土层采用不同质量的羟甲基纤维素钠进行拌合，得到不同的固定负电荷密度，缓冲回填层从内向外固定负电荷的含量依次等梯度增大，而缓冲回填层的温度梯度由内向外是递减的；因此能抵消温度梯度引起的渗流。这样，有效解决了现有技术中的缓冲回填层在孔隙水溶液的离子浓度较高时，材料的渗透性急剧增大的技术问题，实现了有效提高膨润土化学稳定性，提高耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力，在极端污染渗沥液作用下仍能维持极低的渗透系数，延长缓冲回填层的有效使用寿命，确保处置库安全运营的技术效果。
附图说明
图1为本发明提供的具有负电荷密度梯度的缓冲回填层的结构示意图；
图2为本发明提供的具有负电荷密度梯度的缓冲回填层的设计方法的流程示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了具有负电荷密度梯度的缓冲回填层及其设计方法，解决了或部分解决了现有技术中的缓冲回填层在孔隙水溶液的离子浓度较高时，材料的渗透性急剧增大的技术问题，通过将钠基膨润土加水搅拌成含有2倍液限含水量的泥浆；向泥浆内加入设定质量的羟甲基纤维素钠后搅拌获得聚合物改性膨润土，聚合物改性膨润土风干至含水量为4～5％后碾碎制得粘土包，将粘土包拼接固定在高放废物罐的圆周外，形成圆环状的聚合物改性膨润土层，所有聚合物改性膨润土层套叠固定后形成缓冲回填层；实现了有效提高膨润土化学稳定性，提高耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力，在极端污染渗沥液作用下仍能维持极低的渗透系数，延长缓冲回填层的有效使用寿命，确保处置库安全运营的技术效果。
参见附图1，本发明提供的一种具有负电荷密度梯度的缓冲回填层，缓冲回填层的材质为钠基膨润土和羟甲基纤维素钠混合后通过插层反应制成的聚合物改性膨润土；缓冲回填层设置为圆环体；圆环体的内孔用于包裹放置高放废物罐；缓冲回填层通过若干层圆环状的聚合物改性膨润土层套叠制得；每一层聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比沿缓冲回填层的径向逐渐增大；所有聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比为1％～30％。
其中，羟甲基纤维素钠是一种阴离子带电聚合物，掺入膨润土中可显著增大膨润土的固定负电荷密度，当孔隙水的离子浓度增大时，仍能维持较大的双电层厚度，降低渗透性。同时，可通过在膨润土中掺入不同质量的聚合物来控制负电荷的密度梯度，来抵消封存过程中温度梯度引起的渗流。同时羧甲基纤维素钠与膨润土发生插层反应，不易被流体洗脱，使得聚合物改性膨润土性能更加稳定。该缓冲回填层可有效提高抗渗性，并且具有较强的化学稳定性及耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力，在极端污染渗沥液作用下仍能维持极低的渗透系数，大大提高了缓冲回填层的防渗性能。
进一步的，钠基膨润土的粒径小于等于0.075mm。每一层聚合物改性膨润土层的厚度相同。缓冲回填层的外径与内径的差值为1000mm。缓冲回填层通过20层聚合物改性膨润土层套叠压制而成，每一层聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与所述钠基膨润土的质量比的差值为1.5％；最内层聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比为1.5％。
基于同样的发明构思，本申请还提供了一种具有负电荷密度梯度的缓冲回填层的设计方法，用于制备上述具有负电荷密度梯度的缓冲回填层，参见附图2，该具有负电荷密度梯度的缓冲回填层的设计方法包括：
s1：将钠基膨润土加水搅拌成含有2倍液限含水量的泥浆。
s2：将泥浆分成若干份，向每一份泥浆内加入质量比不同的羟甲基纤维素钠后搅拌获得聚合物改性膨润土；每一份聚合物改性膨润土的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比为1％～30％。
s3：将每一份聚合物改性膨润土风干至含水量为4～5％后碾碎。
s4：将碾碎后的聚合物改性膨润土压制成若干粘土包。
s5：将同一份聚合物改性膨润土对应的若干粘土包拼接固定在高放废物罐的圆周外，形成圆环状的聚合物改性膨润土层；每一份聚合物改性膨润土对应形成一层聚合物改性膨润土层。
s6：将所有聚合物改性膨润土层套叠固定后形成缓冲回填层，每一层聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比沿缓冲回填层的径向逐渐增大。
进一步的，钠基膨润土的粒径小于等于0.075mm；粘土包设置成矩形板结构，粘土包的长度为25mm，宽度为15mm，厚度为25mm；粘土包的平均干密度为1.8g/cm3。
进一步的，将泥浆分成20份，对应形成20层聚合物改性膨润土层；最内层聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比为1.5％；相邻层聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比的差值为1.5％。
下面通过具体实施例来详细介绍本申请提供的具有负电荷密度梯度的缓冲回填层的设计原理及设计步骤：
该基本原理是：
广义的孔隙渗流过程由下列方程来描述：
式中nl为孔隙流体的体积分数，vl,s为孔隙流体相对于固体骨架的速度，ξl为渗透系数，
式中
另外，真实孔压与测量孔压存在以下关系：
在致密膨润土中，压力梯度项(式(3)右边第一项)相比温度梯度(式(3)右边第三项)和浓度梯度项(式(3)右边第二项)较小可忽略。同时平衡溶液孔隙流体中水的活性
式中cfix为材料的固定负电荷密度，t为温度。
由式(4)可知，在致密缓冲层回填材料中，渗透的驱动力主要是温度以及固定电荷的浓度梯度。因此可以采用一种办法，使得上式右端较小，趋近于零，维持缓冲回填层极强的渗透阻滞性能。式(4)右端括号内前两项的系数均为正值，因此需要控制固定负电荷的梯度要和温度梯度相反，从而抵消温度梯度引起的渗流。而在处置库运营过程中，缓冲层的温度为从内向外逐渐降低，因此需要控制固定负电荷的密度从内向外增大。
综上所述，为了保证缓冲回填层在极端渗沥液作用下具有极强的防渗性能，可采取的有效办法是在缓冲回填材料中加入某种带电聚合物，能够改变膨润土的固定负电荷密度，使得缓冲回填层具有一定的负电荷密度梯度，从而抵消温度梯度引起的渗流，维持其低渗透率。
该设计步骤为：
s1：将钠基膨润土加水搅拌成含有2倍液限含水量的泥浆；钠基膨润土的粒径小于或等于0.075mm。
s2：将泥浆分成20份，向每一份泥浆内加入质量比不同的羟甲基纤维素钠后搅拌获得聚合物改性膨润土；羟甲基纤维素钠的分子量为263.1976。质量比最小的一份聚合物改性膨润土的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比为1.5％；其余的聚合物改性膨润土的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比的差值为1.5％。
s3：将每一份聚合物改性膨润土风干至含水量为4％后碾碎。
s4：将碾碎后的聚合物改性膨润土压制成多块尺寸为25*25*15mm的粘土包，且粘土包的平均干密度为1.8g/cm3。
s5：将同一份聚合物改性膨润土对应的若干粘土包拼接固定在高放废物罐的圆周外，形成圆环状的聚合物改性膨润土层；20份聚合物改性膨润土对应形成20层聚合物改性膨润土层。
s6：将所有聚合物改性膨润土层套叠固定后形成缓冲回填层，每一层聚合物改性膨润土层的羟甲基纤维素钠与钠基膨润土的质量比沿缓冲回填层的径向逐渐增大。
该缓冲回填层为圆柱行腔体，厚度为500mm，高放废物罐设置在缓冲回填层内孔中，每层聚合物改性膨润土层所含的羟甲基纤维素钠质量不同，从内向外含量依次等梯度增大，因此固定负电荷的密度梯度由内而外逐渐增大，而缓冲回填层的温度梯度由内向外是递减的，缓冲回填层的负电荷密度梯度能抵消温度梯度引起的渗流，维持其低渗透率。
该缓冲回填层的设计方法大大提高了缓冲回填材料的防渗性能，有效提高膨润土化学稳定性，提高耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力，在极端污染渗沥液作用下仍能维持极低的渗透系数，延长了隔离设施的有效使用寿命，同时，该设计方法原理直观、缓冲回填层材料制备简单易于操作、造价低廉；并且具有较高的力学和化学稳定性。
本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将钠基膨润土加水搅拌成含有2倍液限含水量的泥浆；向泥浆内加入设定质量的羟甲基纤维素钠后搅拌获得聚合物改性膨润土，聚合物改性膨润土风干至含水量为4～5％后碾碎制得粘土包，将粘土包拼接固定在高放废物罐的圆周外，形成圆环状的聚合物改性膨润土层，所有聚合物改性膨润土层套叠固定后形成缓冲回填层；钠基膨润土与羟甲基纤维素钠拌合，制成聚合物改性膨润土，使得膨润土的固定负电荷密度增大；每一层的聚合物改性膨润土层采用不同质量的羟甲基纤维素钠进行拌合，得到不同的固定负电荷密度，缓冲回填层从内向外固定负电荷的含量依次等梯度增大，而缓冲回填层的温度梯度由内向外是递减的；因此能抵消温度梯度引起的渗流。这样，有效解决了现有技术中的缓冲回填层在孔隙水溶液的离子浓度较高时，材料的渗透性急剧增大的技术问题，实现了有效提高膨润土化学稳定性，提高耐盐、耐酸、耐重金属离子污染的能力，在极端污染渗沥液作用下仍能维持极低的渗透系数，延长缓冲回填层的有效使用寿命，确保处置库安全运营的技术效果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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