刘延　王哲　易发成

摘 要：缓冲材料是高放废物处置库的最后一个人工屏障，其导热性是评估整个处置库热导性能的重要参数。文章则是针对缓冲材料在不同的含水率、干密度及不同含量条件下，采用基于瞬变平面热源法的Hot Disk热常数分析仪对集成缓冲材料的导热性能进行研究，结果表明，集成缓冲材料的导热系数与添加剂含量呈正比例增大，与含水率和干密度含量呈正相关性。

关键词：不同含水率；干密度；添加剂；集成缓冲材料；导热系数

中图分类号：TL942 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0026-02

Abstract： Cushioning material is the last artificial barrier of high-level radioactive waste repository， and its thermal conductivity is an important parameter to evaluate the thermal conductivity of the whole repository. In this paper， Hot Disk thermal constant analyzer based on transient plane heat source method is used to study the thermal conductivity of integrated cushioning materials under different moisture content， dry density and different contents. The results show that the thermal conductivity of integrated cushioning materials is better than that of integrated cushioning materials. The thermal conductivity of the integrated cushioning material increases in direct proportion to the additive content， and it is positively correlated with the moisture content and the dry density content.

Keywords： different moisture content； dry density； additive； integrated cushioning material； thermal conductivity

1 概述

随着核能技术的发展，不可避免地产生了大量的高放废料，对环境和人类健康构成潜在威胁。然而，当高放废物处置库关闭并投入运营后，高放废物固化体内的放射性核素会发生衰变并产生热量，如果这些增生热量不能及时传递到处置库围岩中，则将会对缓冲材料产生热应力影响，这可能导致缓冲材料内部出现裂隙，进而会对缓冲材料功能的有效性产生影响，因此，在设计高放废物处置系统时必须考虑热缓冲材料的热传导系数。目前，国内外对于缓冲材料导热性的研究较多，并且主要是以膨润土和基于膨润土的混合型缓冲材料的导热性开展的研究。崔玉军[1]等探讨了干密度、含水率、饱和度与MX80膨润土导热系数之间的响应关系，建立了导热系数与孔隙气体体积的线性方程；Pacavsky[2]的研究表明干密度和含水率是影响导热系数的重要参数；刘月妙[3]和谢敬礼等[4]认为缓冲材料的导热性能与其含水量、干密度、矿物组成和微结构等有关。

2 实验材料选择

目前，国内外缓冲材料的构成大都以膨润土为主，且缓冲材料中膨润土含量一般不低于50%，添加剂主要以石英砂为主，掺入量不超过50%。此外，在刘月妙对高庙子钠膨润土的理化性质研究中，建议密实干密度为1.6g/cm3，膨润土含水量为10%～15%。而崔素丽[5]和梁健等通过对膨润土、石英砂的配比合理优化研究，得出混合物材料的合适干密度为1.6至1.8g/cm3。

本次实验研究以新疆阿尔泰膨润土为主料，沸石为辅料，鉴于以上研究观点，本实验膨润土含量不低于60%，然后以不同含量的黄铁矿为添加剂，以确定添加剂量的变化对缓冲材料导热系数的影响并确定该黄铁矿的最优添加量；其次以不同含水率和干密度的缓冲材料为基础，研究含水率及干密度对集成缓冲材料导热性的响应特征，不同黄铁矿、含水率及干密度的选取如表1所示。

3 实验方法及步骤

按照以含水率为14%、干密度为1.7/cm3，并以烘干过200目筛后膨润土、沸石和黄铁按表2中的比例混合，然后进行湿化处理，将均匀湿化后的缓冲材料装入内径Ф=61.8mm，高度H=25mm的压样模具内，然后用微机控制电液式压力试验机（YAW-300）以2kN/s的加载速度逐渐施加荷载至最终荷载50MPa后饱载10min，脱模后密封备用，再用同样的方法压制相同的另一块试样。再然后采用基于瞬变平面热源法的 Hot Disk热常数分析仪（TPS2500 S，Hot Disk AB Co， Ltd.），并将双螺旋结构的聚酰亚胺薄膜探头置于两块压实试样中间后开机测试，并根据测试结果分析黄铁矿添加量与导热性之间的响应特征。

4 结果与讨论

根据实验测试得到不同黄铁矿的添加量对集成缓冲材料B-Z的导热系数的影响特征图，如图1所示。

从图中不难看出，当黄铁矿加入量为0～6%时，导热系数相对增加的快且明显，当加入量为6～10%时，随着黄铁矿的添加，导热系数的升高趋势逐渐变缓，当黄铁矿加入量大于10%，小于16%时，导热系数的变化曲线处于平稳状态，不在随着黄铁矿量的添加而增大。由此也可以看出，黄铁矿含量为10%时，即是该黄铁矿的最优添加量。

选出黄铁矿含量为10%，即在导热系数最优状态下的集成缓冲材料导热特性与其不同干密度、含水率条件下的变化关系图，如图2所示。

从图中可以看出，当含水率相同条件下，干密度在1.3～1.8g/cm3范围内时，导热系数随着干密度的增加而增大；当干密度相同条件下，含水率在11%～20%范围内，集成缓冲材料的导热系数随着含水率的增加而增大。

5 结束语

通过对缓冲材料不同的含水量、干密度、以及不同矿物含量条件下利用Hot Disk热常数分析仪对集成缓冲材料的导热性能研究，可以得出结论为：黄铁矿添加量在0～15%范围内时，集成缓冲材料的导热系数与添加剂呈正比例增大，黄铁矿的最优添加量为10%。干密度在1.3～1.8g/cm3范围内，含水率在11%～20%范围内时，集成缓冲材料的导热系数与两者呈正相关。

参考文献：

[1]崔玉军，陈宝.高放核废物地质处置中工程屏障研究新进展[J].岩石力学与工程学报，2006，25（4）：842-847.

[2]Pacovsky J.Some results from geotechnical research on bentonite[C].CTU Reports-Experimental Investigation of Building Materials and Technologies，2002，[S.l.]：[s.n]：107-116.

[3]劉月妙，蔡美峰，王驹.高放废物处置库缓冲材料导热性能研究[J].岩石力学与工程学报，2007（S2）：3891-3896.

[4]谢敬礼，刘月妙，周宏伟.砂-膨润土混合物热传导特性研究[A].岩石力学与工程的创新和实践：第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].武汉：湖北科学技术出版社，2010：439-444.

[5]崔素丽，张虎元，梁健，等.膨润土-砂的膨胀特性与蒙脱石质量比率[J].水文地质工程地质，2009，36（4）：95-99.