低碱水泥与普通硅酸盐水泥在幌延地下实验室泥岩-水泥界面原位反应及蚀变行为的对比研究

为解决放射性废物地质处置中水泥-围岩界面化学扰动带对安全性的影响，日本原子能机构研究人员在幌延地下实验室开展了长达11年的原位实验，对比分析了普通硅酸盐水泥(OPC)与低碱水泥(HFSC)与泥岩界面的反应机制。研究发现两种水泥体系均形成方解石和C-(A-)S-H相次生矿物，但HFSC的钙溶蚀区更广(5 mm vs. OPC的100 μm)，且泥岩孔隙率降低5-10%。该研究为评估放射性核素迁移屏障性能提供了关键数据，对地质处置库安全设计具有重要指导意义。

　　

放射性废物安全处置是当前全球面临的重大环境挑战。深地质处置库中，水泥材料作为隧道衬砌和缓冲屏障，会与围岩发生长期化学反应形成化学扰动带，可能改变围岩的物理化学性质，进而影响放射性核素的迁移行为。然而，传统普通硅酸盐水泥(OPC)会释放高碱性溶液，而新型低碱水泥(LAC)虽能减轻碱度，但其长期界面反应机制尚不明确。日本原子能机构(JAEA)在幌延地下实验室(URL)开展了长达11年的原位实验，首次系统对比了OPC与高飞灰含量硅灰水泥(HFSC)与泥岩界面的蚀变行为。

研究团队采用电子探针显微分析(EPMA)、微区X射线衍射(μ-XRD)、扫描电镜/能谱(SEM/EDS)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)等先进表征技术，结合孔隙度和阳离子交换容量(CEC)测量，对取自140米深廊道的界面样品进行多尺度分析。

3.1 EPMA结果
通过元素分布图谱发现，OPC界面形成20-30 μm致密方解石层，钙溶蚀区仅延伸100 μm；而HFSC界面方解石分布松散，钙溶蚀区达5 mm。HFSC中未反应的球形粉煤灰颗粒表明其水化程度较低。

3.2 XRD结果
μ-XRD证实两种体系均形成方解石，但OPC界面还检测到Friedel盐(氯铝酸盐相)，反映氯离子渗透。HFSC中检测到文石(方解石前驱体)，暗示其成矿路径差异。

3.3 SEM/EDS分析
原子比(Ca/Si vs. Ca/Al)显示，泥岩侧形成两类次生矿物：高Ca/Si比的方解石和低Ca/Si比的C-(A-)S-H相。OPC接触的蒙脱石Ca/Na比升高，证实钠钙离子交换。

3.4 LA-ICP-MS
锶(Sr)和钡(Ba)在方解石富集区浓度最高，显示二价阳离子优先掺入碳酸盐相。HFSC体系中元素空间分布更不均匀，反映反应过程异质性更强。

3.5 CEC
接触带交换性Ca²⁺
含量比未蚀变区高2倍，HFSC体系的Na⁺
-Ca²⁺
交换更显著，可能影响黏土矿物膨胀性。

3.6 孔隙度分析
汞孔隙度测定显示，蚀变泥岩总孔隙度降低5-10%，数百纳米级大孔隙显著堵塞，将优先抑制阴离子扩散。

研究揭示了水泥-泥岩界面反应的三大关键机制：碳酸盐主导的OPC体系形成致密矿物层，而HFSC因低碱特性导致更广泛的C-(A-)S-H相生成；次生矿物通过孔隙堵塞和离子交换双重作用改变传输性能；Sr/Ba等核素示踪显示方解石比C-(A-)S-H相更易固定二价阳离子。这些发现为优化处置库屏障材料选择提供了科学依据——虽然HFSC能减轻高碱影响，但其更广的蚀变区可能加速水泥降解，需在工程设计中权衡考虑。未来需结合反应传输模型，将11年尺度观测外推至万年尺度的安全评估。

该成果发表于《Results in Earth Sciences》，通过多方法联用首次揭示了真实地质环境下水泥-围岩体系的长期演化规律，为全球高放废物处置库安全论证提供了关键数据支撑。特别是发现的次生矿物空间分异规律，为发展更精确的核素迁移预测模型奠定了实验基础。