海水环境下高/低pH水泥-压实膨润土体系的界面蚀变行为及其对放射性废物地质处置的影响

本研究通过浸泡实验和概念性反应传输模型，揭示了海水渗透路径对普通波特兰水泥(OPC)与低碱水泥(LAC)接触压实膨润土界面的关键影响。研究发现高pH的OPC样品会产生陡峭化学梯度，导致显著的水泥水合物溶解和次生矿物形成；而低pH的LAC虽能减少膨润土蚀变，却因海水镁离子侵入引发明显结构改变。研究强调在处置库设计中，除考虑蒙脱石溶解外，更需关注次生矿化作用对质量传递特性的影响。

　　

亮点聚焦

海水渗透路径对水泥-膨润土界面产生截然不同的影响：当海水先接触膨润土时，界面处会形成富镁次生矿物；而海水先接触水泥则使相互作用局限在膨润土表层区域。

人工海水

实验采用超纯水（电阻率>18.2 MΩ•cm）和商用海水试剂配制的模拟海水(SW)，主要含Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺等阳离子及Cl^?、SO₄^2?、HCO₃^?等阴离子，pH值用NaOH调节至8.2以模拟真实海水环境。

CT扫描与元素分布

X射线CT显示浸泡后OPC样品在界面3mm内CT值下降（水泥水合物溶解），而膨润土侧2mm内CT值上升（次生矿物沉淀）。元素图谱证实高pH的OPC产生明显Ca/Si梯度，而LAC样品元素分布更为平缓。

海水渗透路径的魔法效应

就像化学信使选择了不同的传送路线：当海水"走水泥捷径"时，仅在膨润土表面引发轻微反应；但若海水"迂回穿越膨润土"，则会在界面处引发大规模矿物改造派对，特别是镁离子的狂欢导致显著结构重组。

镁离子的双面角色

在LAC样品中，海水带来的镁离子像微型拆迁队，虽然pH较低保护了蒙脱石结构，但镁离子仍能引发水泥基体的显著结构变化。有趣的是，无论水泥类型如何，靠近水泥材料的蒙脱石交换性阳离子都从钠主导变成了钙主导。

结论启示

这项研究打破了"仅选用低pH水泥就能完美保护膨润土"的简单认知，揭示了次生矿物形成这个"隐形玩家"对工程屏障性能的重要影响。就像在放射性废物处置库的设计拼图中，我们不仅需要关注pH值这块显性拼图，更要重视矿物演变的隐性拼图。