德国Westerwald与Bavaria地区两种膨润土的矿物学与岩土特性表征及其在核废料封存工程中的应用研究

本研究针对高放核废料地质处置中膨润土密封材料的性能需求，系统表征了德国Westerwald的Secursol UHP?和Bavaria的Calcigel?两种天然Ca/Mg膨润土及其Na饱和亚组分的矿物学、物理化学和岩土特性。研究发现尽管Secursol UHP蒙脱石含量更高（79% vs 61%），但Calcigel表现出更高的液限（wL）、吸水性和分散性，这与其继承的母岩结构特征密切相关，为核废料屏障系统材料选择提供了关键数据支撑。

　　

随着全球核能应用的快速发展，高放核废料的安全处置成为关乎人类可持续发展的重大课题。自1970年代起，各国开始探索利用粘土岩层构建地质处置库，其中膨润土因其极低的饱和渗透性、膨胀压力和离子截留能力，被广泛研究用于工程屏障系统(EBS)的缓冲回填材料。然而，天然膨润土作为地质成因材料，其矿物组成和工程性能存在显著批次差异，这给核废料处置库的长期安全评估带来挑战。德国在竖井密封设计中创新的"三明治"密封系统（Sandwich sealing system），通过交替布置膨润土密封段(DS)和高导水率等势段(ES)，可促进均匀水化和膨胀，但该系统对膨润土材料的性能提出了更精确的要求。

为应对这一挑战，德国卡尔斯鲁厄理工学院等机构的研究人员对德国两种商用膨润土——Westerwald地区的Secursol UHP?和Bavaria地区的Calcigel?进行了系统研究。这两种Ca/Mg膨润土以颗粒和枕状形式用于"三明治"密封系统的多尺度测试，但此前缺乏全面的基础数据。研究团队通过X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、同步热分析(STA)等表征手段，结合岩土工程测试标准方法，揭示了两种材料在矿物学特性和工程性能上的关键差异。

关键技术方法包括：(1) XRD定量相分析(QPA)和层电荷(LC)测定；(2) 烷基铵法测定蒙脱石层电荷密度；(3) Cu-三乙烯四胺(Cu-trien)法测定阳离子交换容量(CEC)；(4) N₂/水蒸气/EGME吸附测定比表面积；(5) 原子力显微镜(AFM)表征单层蒙脱石形态；(6) 基于DIN EN ISO标准的岩土分类测试（液塑限、颗粒分布等）。研究使用的原始材料由Stephan Schmidt集团提供，为0-4 mm颗粒状物料。

【3.1 Calcigel和Secursol UHP矿物学与固有特性】
XRD分析显示Secursol UHP含有79%的二八面体蒙脱石，显著高于Calcigel的61%。两种蒙脱石均为蒙脱石-贝得石混合型，具有显著八面体铁且无层间混杂。结构公式计算表明，Secursol UHP蒙脱石的层电荷更高（0.36 vs 0.31 eq/f.u.），且具有更高的四面体电荷比例（76% vs 57%）。AFM显示Calcigel蒙脱石单层平均直径大25%（126 vs 95 nm），但Secursol UHP的粒径分布更宽。

【3.2 蒙脱石相特性】
STA和MS联用分析揭示了两种蒙脱石不同的八面体空位分布：Secursol UHP中反式空位(tv)占63-65%，高于Calcigel的53-57%，反映其更稳定的形成环境。水吸附实验表明，在相对湿度56%时，Na饱和亚组分中每个层间阳离子对应5-6个水分子，形成12.5 ?的单层水结构。

【3.3 物理化学与岩土特性】
岩土测试获得意外发现：尽管Secursol UHP蒙脱石含量更高、比表面积更大（a_s(N₂)=74 vs 57 m²/g），Calcigel却表现出更高的液限（117% vs 93%）、吸水率（157% vs 112%）和分散性。颗粒分析揭示Secursol UHP的<2 μm组分仅占73%，远低于Calcigel的98%，表明其继承的母岩结构（玄武岩蚀变产物）阻碍了蒙脱石充分解离和膨胀。

这项发表于《Applied Clay Science》的研究首次系统揭示了德国两种关键膨润土的构-效关系。研究证实，仅凭蒙脱石含量和比表面积等常规参数无法准确预测膨润土的工程性能，母岩结构和形成历史对材料行为具有决定性影响。这一发现对核废料处置库的密封材料选择和性能评估具有重要指导意义：在材料替代场景中，必须通过多尺度表征验证新膨润土与基准材料的等效性。研究建立的综合表征方法体系，为膨润土在环境工程和地质处置等领域的应用提供了标准化评估框架。