不同條件下集成緩沖材料導熱系數的研究

劉延　王哲　易發成

摘 要：緩沖材料是高放廢物處置庫的最后一個人工屏障，其導熱性是評估整個處置庫熱導性能的重要參數。文章則是針對緩沖材料在不同的含水率、干密度及不同含量條件下，采用基于瞬變平面熱源法的Hot Disk熱常數分析儀對集成緩沖材料的導熱性能進行研究，結果表明，集成緩沖材料的導熱系數與添加劑含量呈正比例增大，與含水率和干密度含量呈正相關性。

關鍵詞：不同含水率；干密度；添加劑；集成緩沖材料；導熱系數

中圖分類號：TL942 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著核能技術的發展，不可避免地產生了大量的高放廢料，對環境和人類健康構成潛在威脅。然而，當高放廢物處置庫關閉并投入運營后，高放廢物固化體內的放射性核素會發生衰變并產生熱量，如果這些增生熱量不能及時傳遞到處置庫圍巖中，則將會對緩沖材料產生熱應力影響，這可能導致緩沖材料內部出現裂隙，進而會對緩沖材料功能的有效性產生影響，因此，在設計高放廢物處置系統時必須考慮熱緩沖材料的熱傳導系數。目前，國內外對于緩沖材料導熱性的研究較多，并且主要是以膨潤土和基于膨潤土的混合型緩沖材料的導熱性開展的研究。崔玉軍[1]等探討了干密度、含水率、飽和度與MX80膨潤土導熱系數之間的響應關系，建立了導熱系數與孔隙氣體體積的線性方程；Pacavsky[2]的研究表明干密度和含水率是影響導熱系數的重要參數；劉月妙[3]和謝敬禮等[4]認為緩沖材料的導熱性能與其含水量、干密度、礦物組成和微結構等有關。

2 實驗材料選擇

目前，國內外緩沖材料的構成大都以膨潤土為主，且緩沖材料中膨潤土含量一般不低于50%，添加劑主要以石英砂為主，摻入量不超過50%。此外，在劉月妙對高廟子鈉膨潤土的理化性質研究中，建議密實干密度為1.6g/cm3，膨潤土含水量為10%～15%。而崔素麗[5]和梁健等通過對膨潤土、石英砂的配比合理優化研究，得出混合物材料的合適干密度為1.6至1.8g/cm3。

本次實驗研究以新疆阿爾泰膨潤土為主料，沸石為輔料，鑒于以上研究觀點，本實驗膨潤土含量不低于60%，然后以不同含量的黃鐵礦為添加劑，以確定添加劑量的變化對緩沖材料導熱系數的影響并確定該黃鐵礦的最優添加量；其次以不同含水率和干密度的緩沖材料為基礎，研究含水率及干密度對集成緩沖材料導熱性的響應特征，不同黃鐵礦、含水率及干密度的選取如表1所示。

3 實驗方法及步驟

按照以含水率為14%、干密度為1.7/cm3，并以烘干過200目篩后膨潤土、沸石和黃鐵按表2中的比例混合，然后進行濕化處理，將均勻濕化后的緩沖材料裝入內徑Ф=61.8mm，高度H=25mm的壓樣模具內，然后用微機控制電液式壓力試驗機（YAW-300）以2kN/s的加載速度逐漸施加荷載至最終荷載50MPa后飽載10min，脫模后密封備用，再用同樣的方法壓制相同的另一塊試樣。再然后采用基于瞬變平面熱源法的 Hot Disk熱常數分析儀（TPS2500 S，Hot Disk AB Co， Ltd.），并將雙螺旋結構的聚酰亞胺薄膜探頭置于兩塊壓實試樣中間后開機測試，并根據測試結果分析黃鐵礦添加量與導熱性之間的響應特征。

4 結果與討論

根據實驗測試得到不同黃鐵礦的添加量對集成緩沖材料B-Z的導熱系數的影響特征圖，如圖1所示。

從圖中不難看出，當黃鐵礦加入量為0～6%時，導熱系數相對增加的快且明顯，當加入量為6～10%時，隨著黃鐵礦的添加，導熱系數的升高趨勢逐漸變緩，當黃鐵礦加入量大于10%，小于16%時，導熱系數的變化曲線處于平穩狀態，不在隨著黃鐵礦量的添加而增大。由此也可以看出，黃鐵礦含量為10%時，即是該黃鐵礦的最優添加量。

選出黃鐵礦含量為10%，即在導熱系數最優狀態下的集成緩沖材料導熱特性與其不同干密度、含水率條件下的變化關系圖，如圖2所示。

從圖中可以看出，當含水率相同條件下，干密度在1.3～1.8g/cm3范圍內時，導熱系數隨著干密度的增加而增大；當干密度相同條件下，含水率在11%～20%范圍內，集成緩沖材料的導熱系數隨著含水率的增加而增大。

5 結束語

通過對緩沖材料不同的含水量、干密度、以及不同礦物含量條件下利用Hot Disk熱常數分析儀對集成緩沖材料的導熱性能研究，可以得出結論為：黃鐵礦添加量在0～15%范圍內時，集成緩沖材料的導熱系數與添加劑呈正比例增大，黃鐵礦的最優添加量為10%。干密度在1.3～1.8g/cm3范圍內，含水率在11%～20%范圍內時，集成緩沖材料的導熱系數與兩者呈正相關。

參考文獻：

[1]崔玉軍，陳寶.高放核廢物地質處置中工程屏障研究新進展[J].巖石力學與工程學報，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，王駒.高放廢物處置庫緩沖材料導熱性能研究[J].巖石力學與工程學報，2007（S2）：3891-3896.

[4]謝敬禮，劉月妙，周宏偉.砂-膨潤土混合物熱傳導特性研究[A].巖石力學與工程的創新和實踐：第十一次全國巖石力學與工程學術大會論文集[C].武漢：湖北科學技術出版社，2010：439-444.

[5]崔素麗，張虎元，梁健，等.膨潤土-砂的膨脹特性與蒙脫石質量比率[J].水文地質工程地質，2009，36（4）：95-99.