低放射性廢棄物最終處置回填材料於不同配比下之工程力學特性

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陳韋慈(Wei-Ci Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

低放射性廢棄物最終處置回填材料於不同配比下之工程力學特性
(Effects of sand bentonite ratio on mechanical properties of low-level radioactive waste backfill mixtures)

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摘要(中)

低放射低放射性廢棄物最終處置場設施必須考慮的安全目標，是避免放射性物質外洩，處置場必須與生物圈長久隔離，因此使用多重障壁設計概念，其使用之回填材料以砂與膨潤土混合填充。回填材料為多重障壁其中一項重要隔阻元件，其需要具備適當的回脹潛能、低水力傳導度等其他性質，針對回填材料特性因地制宜的設計最終處置場，才能有效確保處置之安全及穩定。
本研究以室內實驗探討砂與膨潤土混合物在不同配比下之工程力學性質，分別以兩種膨潤土(MX-80及K-V1)且不同膨潤土含量之混合物(30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%)，以無圍壓縮試驗得其抗壓強度及彈性模數。試驗過程中發現，試體製作方法影響試體均勻受力與否，膨潤土含量越大之混合材料影響越大，因此為使試體皆均勻受力，試體製作方法嘗試採用單向壓製、上下翻轉壓製、分層壓製、雙向壓製四種方式施作。
試驗結果顯示，(1)使用雙向壓製之試體製作方法，大多數的砂與膨潤土之混合材料能均勻受力；(2)膨潤土與矽砂之混合材料達最佳含水量時，K-V1的混合材料在膨潤土含量為50%具有最大平均抗壓強度；MX-80的混合材料則在膨潤土含量為60%具有最大平均抗壓強度；(3) 整體平均抗壓強度隨者膨潤土含量不同而不同，就兩種膨潤土材料比較，膨潤土含量大於60%之配比，MX-80之混合材料的平均抗壓強度皆較K-V1的混合材料的平均抗壓強度大；膨潤土含量小於60%之配比，K-V1的混合材料的平均抗壓強度皆較MX-80之混合材料的平均抗壓強度大。

關鍵字：膨潤土、回填材料、抗壓強度、彈性模數。

摘要(英)

The multiple barriers design is the main concept for radioactive waste repository system. These barriers (host rock, backfill, buffer, …) are the isolators that help to prevent the poisonous chemical leak to biosphere. Therefore, the barriers components must be robust and durable. Backfill is an important component of the barriers system and thus it need to meet some rigorous requirements about strength, swelling potential and low hydraulic conductivity to ensure the human being safety.
This study investigated the engineering and mechanical properties of mixtures by sand and bentonite with different ratio. Two bentonites (MX-80 and K-V1) and seven bentonite contents (30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% and 90%) were tested to investigate the effect of the mixture content on the mechanical properties of backfill material. Compressive strength and elastic modulus were obtained by unconfined compression test. During the testing, it was found that the sample preparation technique has a considerable effect on the uniformity of sample, the more bentonite content of mixed material the more influence on its strength. In order to apply the loading on the sample uniformly, the preparation methods were tried in four ways: one-way loading, two-way loading, up and down turning, layer-by-layer compression.
Through the experiment program some conclusions can be draw. Firstly, the use of two-way loading preparation method could produce a more uniform specimen. Secondly, for K-V1 based mixture the maximal unconfined strength is reached where the ratio of bentonite is 50%. However, the highest strength of MX-80 based mixture archived where the ratio of bentonite is 60%. Second, comparing two mixture types where the ratio of bentonite over 60% the MX-80 based mixture has a larger strength than K-V1 based material and vice versa, where the ratio of bentonite lower than 60% the K-V1 based mixture has a higher strength.

Keywords: Bentonite, Backfill, Compressive strength, Elastic modulus

關鍵字(中)

★ 膨潤土
★ 回填材料
★ 抗壓強度
★ 彈性模數

關鍵字(英)

★ Bentonite
★ Backfill
★ Compressive strength
★ Elastic modulus

論文目次

摘要 i
Abstract ii
圖目錄 v
表目錄 x
附圖目錄 xi
附表目錄 xiv
1. 前言 1
1.1. 研究動機 1
1.2. 研究目的及內容 1
1.3. 論文架構 2
2. 文獻回顧 3
2.1. 低放廢棄物處置概念 3
2.1.1. 國際低放射性處置概念 3
2.1.2. 台灣低放射性處置概況 4
2.2. 低放射性廢棄物 9
2.3. 回填材料 12
2.4. 膨潤土基本性質 13
2.4.1. 膨潤土礦物的結晶構造 13
2.4.2. 膨潤土與水的作用 14
2.4.3. 分散及絮凝結構 15
2.5. 黏土回脹潛能 16
2.5.1. 回脹發生的機制 16
2.5.2. 回脹行為模式 16
2.6. 水力傳導度基本理論 18
2.6.1. 達西定律(Darcy’s Law) 18
2.6.2. 達西定律之適用性 18
2.7. 抗壓強度試驗(無圍壓縮試驗) 19
2.8. 彈性模數 21
2.9. 破壞型態 21
3. 試驗規劃、材料、設備介紹 22
3.1. 試驗材料 22
3.1.1. 膨潤土MX-80 22
3.1.2. 膨潤土K-V1 22
3.1.3. 矽砂 25
3.1.4. 壓實回填材料試體 26
3.2. 試驗設備 27
3.2.1. 100 ton MTS (100噸材料試驗機) 27
3.2.2. 無圍壓縮試驗儀 28
4. 試體製作程序及比較 32
4.1. 壓製試體使用之模具 32
4.2. 試驗程序 34
4.2.1. 材料準備程序 34
4.2.2. 試體壓製程序 37
4.2.3. 試體抗壓程序 37
4.3. 試體壓製方法 38
4.3.1. 單向壓製 38
4.3.2. 分層壓製 40
4.3.3. 上下翻轉壓製 41
4.3.4. 雙向壓製 42
5. 試驗結果與討論 44
5.1. 試驗規劃及條件 44
5.2. 膨潤土MX-80與矽砂之混合物試驗結果 46
5.2.1. MX-80 10/90 46
5.2.2. MX-80 20/80 51
5.2.3. MX-80 30/70 56
5.2.4. MX-80 40/60 61
5.2.5. MX-80 50/50 66
5.2.6. MX-80 60/40 71
5.2.7. MX-80 70/30 76
5.3. 膨潤土K-V1與矽砂之混合物試驗結果 81
5.3.1. K-V1 10/90 81
5.3.2. K-V1 20/80 86
5.3.3. K-V1 30/70 91
5.3.4. K-V1 40/60 96
5.3.5. K-V1 50/50 101
5.3.6. K-V1 60/40 106
5.3.7. K-V1 70/30 111
5.4. 綜合分析與討論 116
5.4.1. 抗壓強度 117
5.4.2. 兩種膨潤土材料抗壓強度 118
5.4.3. 破壞型態 118
6. 結論與未來建議 119
6.1. 結論 119
6.2. 未來建議 119
參考文獻 121
圖附錄 125
表附錄 220

參考文獻

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指導教授

洪汶宜(Wen-Yi Hung)

審核日期

2019-8-26

推文