碱性渗流影响下Boom Clay自密封能力的显微CT与水力传导性研究

本研究针对放射性废物地质处置中混凝土降解产生的碱性渗流(Young Cement Water, YCW和Evolved Cement Water, ECW)对Boom Clay屏障自密封(self-sealing)能力的影响展开。通过长达5年的渗透实验结合X射线显微CT(μCT)和光谱CT(SP-μCT)技术，证实即使在高pH(13.5-12.6)条件下，Boom Clay仍能通过黏土膨胀和蠕变效应实现裂缝自密封，水力传导系数(K)最终恢复至10-12 -10-13 m/s量级。该成果为评估地质处置库长期安全性提供了关键实验依据。

　　

在核废料地质处置领域，混凝土工程屏障降解产生的碱性渗流(pH可达13.5)可能破坏黏土屏障的自密封(self-sealing)能力，这个隐患如同悬在核废料处置库头上的"达摩克利斯之剑"。比利时核研究中心等机构的研究人员历时5年开展了一项开创性研究，通过模拟混凝土降解液(YCW和ECW)与Boom Clay的长期相互作用，首次结合显微CT和光谱CT技术揭示了碱性环境下黏土的自密封机制。研究发现即使经过2100天高pH溶液侵蚀，Boom Clay仍能通过黏土矿物蠕变实现裂缝自密封，相关成果发表于《Applied Clay Science》。

研究采用三组关键技术：1) 长达5年的渗透实验系统，测量水力传导系数(K)变化；2) X射线显微CT(μCT)和新型光谱CT(SP-μCT)技术，分辨率达45μm，实现裂缝闭合过程可视化；3) 联合定量X射线衍射(QXRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和N₂
物理吸附分析，表征矿物和孔隙结构变化。所有样品取自比利时HADES地下实验室的CG72-73W和TD19-20钻孔。

4.1 水力传导性演变
平行/垂直层理方向的初始K值分别为3.87×10^-12
和1.35×10^-12
m/s。人工断裂后K值骤增10倍(最高达1.76×10^-11
m/s)，但在YCW(pH13.5)和ECW(pH12.6)中均呈现持续下降趋势，最终恢复至5.45×10^-12
-7.65×10^-13
m/s，证实自密封效应。

4.2 比表面积与孔隙结构
N₂
吸附显示比表面积(SSA)从初始30.5-39.9 m²
/g降至21.6-24.4 m²
/g，且孔隙分布向大孔径偏移(4.04→4.18 nm)，反映微孔隙减少与黏土矿物溶解。

4.3 矿物学分析
QXRD和FTIR证实仅在YCW环境中观察到蒙脱石(smectite)含量下降10wt%，ECW组矿物组成稳定。光谱CT密度图谱(1.41-1.99 g/cm³
)排除了方解石大量沉淀的可能性。

4.5 显微CT验证
断层扫描显示断裂带X射线衰减系数从初始的"凹陷型"分布转变为均匀分布，密度差异消失，直观证实了黏土基质的塑性流动填充机制。

这项研究首次将光谱CT技术应用于黏土屏障研究，证实碱性环境下Boom Clay的自密封主要依赖物理机制而非矿物转化。该发现修正了先前关于方解石沉淀导致孔隙堵塞的假设，为地质处置库的安全评估提供了实验基准。特别值得注意的是，即使在pH13.5的极端条件下，黏土仍保持10^-12
m/s量级的屏障性能，这一结果对优化处置库设计具有重要指导价值。未来研究可进一步探索温度耦合效应下的长期演化规律。