《Applied Clay Science》：Five-year thermo-hydro-mechanical and chemical evolution of compacted bentonite: reactive transport
编辑推荐：
通过六项热液压实验模拟核废料库环境，研究压实高山型蒙脱石在温度梯度和不同水质下的矿物演化及化学行为，发现盐水环境加速溶解-沉淀过程及离子交换，模型验证有效。
玛丽亚·维多利亚·维拉尔（María Victoria Villar）|安德烈斯·伊迪亚特（Andrés Idiart）|埃米莉·科内（Emilie Coene）|海梅·库埃瓦斯（Jaime Cuevas）|安娜·玛丽亚·梅隆（Ana María Melón）|安娜·I·鲁伊斯（Ana I. Ruiz）|阿尔穆德娜·奥尔特加（Almudena Ortega）|维尔·海诺（Ville Heino）
西班牙马德里能源、环境与技术研究中心（Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas，简称CIEMAT）
摘要
为了描述和理解在类似于放射性废物储存库中所经历的水力和热梯度条件下，压实的膨润土的地球化学演变和矿物学变化机制及影响因素，我们开展了一项实验和建模研究。实验在圆柱形容器（尺寸为10×10厘米）中进行了六次热水力测试，使用了压实的怀俄明型膨润土。容器底部最初被加热至90°C，达到水力平衡后，通过顶部表面让膨润土开始水化，水化时间分别为1年、2.5年和5年。在整个测试过程中，顶部表面始终保持20°C以产生温度梯度。一半的容器使用盐水作为水化用水，另一半使用稀释的冰川水。大约1年后，加热器的温度升高至110°C。测试结束后，对膨润土进行了表征。通过热水化学模型模拟了操作过程中的热水力变化、膨润土的最终状态及其矿物学变化，并在另一篇论文中进行了报告。
水化作用导致方解石和石膏的溶解，层间可交换钠部分被钙取代，并使溶质向温度较高的区域迁移；在盐水条件下，这些溶质以硬石膏和岩盐的形式沉淀。长期来看，浓度梯度促进了氯离子的扩散传输。阳离子交换能力随时间未发生变化，这证实了矿物学分析所显示的蒙脱石晶体化学性质未发生改变。尽管膨润土保持未饱和状态，但层间蒙脱石的组成仍以单价离子为主。无论使用何种类型的水，观察到的现象都相同，不过使用盐水时相关过程更为显著。
引言
芬兰根据KBS-3 V概念计划将核废料进行地质处置，该计划采用压实膨润土作为工程屏障之一（Dohrmann等人，2013年；El-Showk，2022年）。如果储存库中的热水力和化学梯度导致膨润土发生矿物学变化，这一屏障的安全功能可能会受到影响。这些变化可能包括蒙脱石质量的损失、由于次生矿物沉淀而引起的胶结作用、阳离子交换能力的改变以及辅助矿物的溶解。常见的膨润土变化包括通过钾在层间固定导致伊利石化、蒙脱石层电荷增加以及硅的释放（参见Leupin等人，2014年的综述）。触发这些变化的主要参数是温度和钾的可用性；而层间存在二价阳离子以及未饱和状态会抑制转化过程。也有研究报道膨润土会转化为绿泥石和皂石（Kumpulainen等人，2016年）。此外，膨润土中的辅助矿物（硫酸盐、碳酸盐）也会受到温度梯度的影响；它们的溶解、迁移和沉淀可能导致储罐附近盐分积聚（Fernández和Villar，2010年；Kober等人，2021年）以及二氧化硅的沉淀（Svensson和Hansen，2013年；Wersin等人，2007年）。
为减少这方面的不确定性，芬兰核废料管理机构Posiva开展了一个包含实验和建模活动的项目。实验使用了压实的怀俄明型膨润土，水化用水种类（盐水和冰川水）和持续时间（1年、2.5年和5年）各不相同。研究人员在TOUGHREACT软件中应用了热水化学（THC）模型，以更深入地定量描述相关过程。项目的目标是获得有助于理解控制压实膨润土矿物学变化机制及其影响因素的结果。
在本文及另一篇配套论文（Villar等人，2025年）中，展示了该项目的最终成果。文章总结了经验教训、主要结论、模型局限性，并概述了在水力和热梯度条件下怀俄明型膨润土的关键变化过程。第二部分重点讨论了膨润土的地球化学变化和物质传输过程，第一部分则介绍了操作过程中的行为、膨润土的最终物理状态及其矿物学特性。
材料
所使用的膨润土产自美国怀俄明州，由American Colloid Co.公司生产，属于火山成因，粉粒粒度小于1毫米。本次实验使用的膨润土由Sibelco Nordic AB公司提供，最初由Kiviranta等人（2018年）进行了表征。其吸湿性重量含水量为10%（基于干质量计算）。
实验所用膨润土中蒙脱石的质量占比为80%，其余成分包括5%的斜长石、5%的石英和6%的伊利石等。
结果与讨论
以下结果基于Villar等人（2025年）提供的矿物学分析结果进行讨论。
总结与结论
为了揭示在水力和热梯度条件下压实膨润土矿物学变化的控制机制及其影响因素，我们在不锈钢圆柱形容器（尺寸10×10厘米）中进行了六次热水力（TH）测试，使用的是干密度为1.57克/立方厘米、含水量约为17%的怀俄明型膨润土。容器底部装有加热器，初始温度设定为90°C。
CRediT作者贡献声明
玛丽亚·维多利亚·维拉尔（María Victoria Villar）：负责撰写初稿、监督研究过程、方法设计、数据分析及概念构建。安德烈斯·伊迪亚特（Andrés Idiart）：参与撰写初稿、项目管理、方法设计、数据分析及概念构建。埃米莉·科内（Emilie Coene）：负责审稿与编辑工作、软件应用、方法设计及数据分析。海梅·库埃瓦斯（Jaime Cuevas）：参与撰写初稿、数据分析及数据整理。安娜·玛丽亚·梅隆（Ana María Melón）：参与数据收集与分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究由芬兰放射性废物管理机构POSIVA资助。Ana Esther González在CIEMAT实验室工作中提供了协助。
