本文是一篇土木工程论文，本文以GMZ膨润土和石英砂为试验制备材料，制备不同干密度和饱和度的模拟砌块压实试样和微粒膨润土压实试样。
第一章 绪论
1.1 研究背景
我国经济发展已经转向高质量发展阶段，需要协调能源利用、经济发展与环境保护的关系。现如今我国能源结构中，煤炭仍然占据着相当大的比重，并且这种情况在短期内不会发生改变。但是，煤炭作为主要能源带来的直接后果是对生态环境的不利影响，所以创建安全高效、清洁的新型能源体系如今已经非常重要。
与火电相比，核电具有清洁、高效等优点。核能的发展利用在能源体系中有着独特的优势，天然铀能量密度大，易于长期储存；与燃煤发电相比，每百万千瓦核电机组每年可等效减排二氧化碳600万吨以上。根据国际能源署（IEA）的研究报告，2020年核电约占全球发电量的10 %，与1990年末的18 %相比有所下降，但是核电目前仍然是仅次于水电的第二大低碳能源，在如今全球能源危机的影响下核电将得以进一步发展[1]。在能源绿色低碳转型的大背景下，核电作为高效稳定、不受自然条件制约、可较大规模建设的基础性低碳能源，在保障我国能源安全方面将发挥重要作用。近年来，我国核准和开工建设的核电项目稳步增加，截止到2022年9月30日，我国大陆地区在运核电机组有54台，在建核电机组23台，在运和在建核电机组数为全球第二。“十四五”及今后一段时期，我国将保持每年6~8台核电机组的核准开工节奏。2022年1-12月，全国累计发电量为83886.3亿千瓦时，运行核电机组累计发电量为4177.86亿千瓦时，占全国累计发电量的4.98 %，图1-1为我国截至2022年12月22日的大陆核电厂分布示意图。
随着我国核电技术的不断进步，核电建设的安全性和经济性得以不断提升，大型核电机组的建设运营得以快速发展，模块化小型反应堆也将在区域供热、供电、海水淡化以及工业制氢等方面得到迎来更多发展机遇。核能将在国家“双碳”战略目标的持续推进和能源安全方面发挥新的更大作用。经过30多年持续努力的发展，我国核电事业经历了从无到有、自主建设设计再到吸收经验并创新的发展历程，现已经成为世界上核电发展前列的国家之一，逐渐占据核能市场的主导地位。
1.2 研究意义
高放废物的安全处置关系到自然生态环境的安全，对此世界上各国学者开展了广泛研究。目前关于缓冲砌块和施工接缝的研究还处在发展阶段，施工接缝对于缓冲屏障的影响引起了国内外研究人员的广泛关注。相关研究主要集中在施工接缝的水-力特性研究，即通过大量的室内试验、现场试验，研究接缝对于缓冲砌块膨胀性能、渗透性能的影响。国内关于接缝密封材料的选择和制备也已开展了部分研究，目前关于接缝的愈合效果以及砌块和接缝在愈合过程中的性能变化的研究仍然较少。
本研究以含接缝的拼接缓冲砌块为研究对象，通过室内试验，测定模拟砌块和接缝密封材料在不同干密度和饱和度的条件下的热传导系数，从饱和度角度分析模拟砌块和接缝的导热性能变化，建立热传导系数的归一化预测模型，为后续的数值模拟研究提供理论基础。然后以模拟砌块压实试样及微粒膨润土填充的含接缝模拟砌块压实试样为试验对象，进行刚性壁渗透和热传导试验，对接缝的愈合程度进行评价。最后通过数值模拟方法，基于非饱和土理论，建立含接缝的拼接砌块的热-水-力耦合模型，利用COMSOL多物理场有限元软件，预测缓冲屏障砌体结构在热-水-力耦合作用下的热传导性能变化，为我国地下处置库建设和后期性能评估提供参考。
第二章 文献综述
2.1 处置库多重缓冲屏障体系
高放废物深地质处置是目前已经被广泛公认的安全可靠、技术可行的高水平放射性废物安全处置方法。将高放废物地下处置库建造在地表以下500~1000 m的范围内，通过工程屏障和天然屏障组成的多重屏障系统，将放射性核素与人类可接近的生物圈相隔离，限制放射性核素向生物圈的释放。对于高水平放射性废物，隔离期应不少于10000年。废物固化体、废物罐和缓冲回填材料构成了处置库工程屏障，而天然屏障是指处置库周围的地质体。
为避免地表侵蚀作用和极端自然事件的不利影响，处置库应位于地表以下数百米深的稳定地质体中，具体深度应综合考虑待处置对象的特性、气候变化条件、地质条件、水文地质条件、地球化学和工程地质特性等因素。
天然屏障应具备保障处置库安全的各项功能，包括稳定的地质条件，低渗透性，有利的地下水化学条件，阻滞放射性核素迁移的能力以及抵御自然事件和人类活动干扰的能力[4,5]。工程屏障应当能够长期包容核废料处置罐，并提供稳定的支撑保护作用。废物处置容器应当具有优异的抗腐蚀性和良好的力学特性，缓冲回填材料应当能够有效减缓地下水入渗和阻滞放射性核素向自然环境迁移[6]。
2.2 各国处置库建设进展
1997年《国际乏燃料安全与放射性废物安全公约》在国际原子能机构成员国大会成功通过，公约明确各国安全处置放射性废物的责任。自此，美国、法国、瑞典、芬兰和加拿大等国家，通过制定颁布法律法规、筹集经费、建立地下处置设施，确保高放废物得以安全处置。以下是部分国家地下处置库建设进展。
（1）美国
美国于1987年制定核废物法修正案，决定开展尤卡山处置库场址评价工作。进行了大规模的渗透试验、加热实验和放射性核素扩散等试验，随即提交了《场地适应性初步评价报告》和《环境影响最终报告》，美国国会于2002年批准了尤卡山高放废物处置场址[10,11]。2009年，美国政府决定停止建设尤卡山处置库。目前，美国能源部正在研究探索乏燃料深钻孔处置方案。
（2）法国
法国于1991年制定《废物法》，明确要求开展高放废物地质处置研究，成立“国家放射性废物管理局”（ANDRA），专门负责高放废物地质处置。目前法国高放废物处置库场址还未确定，建立了多个地下实验室，进行相关的岩体力学、热荷载响应以及渗透性等试验，对处置库天然屏障的性能做出评价[12]。Cigéo地下实验室，同时设计了高放废物（HLW）和中放射性废物（ILW）处置区域，处置库位于地下400~600 m深的粘土地层中。图2-1为法国Cigéo地下实验室的概念设计图[13]。
第三章 试验材料与试样制备 .............................22
3.1 试验材料 ................................ 22
3.1.1 高庙子膨润土 ....................... 22
3.1.2 石英砂 ................................... 22
第四章 模拟砌块压实试样热传导性能研究 ........................29
4.1 热传导试验 ..................................... 29
4.1.1 热传导系数 ................................. 29
4.1.2 试验仪器及方法 .......................... 29
第五章 含接缝模拟砌块试样接缝愈合程度评价 ........................44
5.1 刚性壁渗透试验 ..................... 44
5.1.1 试验设计 ................................... 44
5.1.2 试验仪器及方法 ............................. 45
第六章 含接缝缓冲砌体结构热-水-力耦合数值模拟
6.1 COMSOL Multiphysics软件介绍
COMSOL Multiphysics是一款通用的多物理场数值仿真软件。软件以有限元分析为基础，软件内附加有多个物理场模块，覆盖电磁学、结构力学、声学、流体、传热和化工等多个领域。同时，用户可以通过自定义偏微分方程或方程组，进行物理场仿真模拟。在COMSOL中，可以根据实际工程情况，对多个物理场之间进行耦合，通过自定义的参数和边界条件，实现数值仿真计算。 利用COMSOL Multiphysics 进行数值模拟时，操作流程主要包括建模、定义材料参数、选择或自定义合适的物理场接口、设定边界条件和计算处理等。
（1）建模
根据实际问题，构建几何模型。COMSOL支持CAD文件导入，同时也可以选择直接在软件内构建模型。
（2）定义材料
COMSOL软件及其附加模块均有内置的材料库，材料库内包含多种材料及其相关属性参数，可以直接在材料库中添加需要的材料。对材料属性进行自定义时，可以通过插值函数、解析函数和分段函数定义会随空间或温度等物理量变化的材料属性。
（3）选择物理场接口
根据实际问题选择合适的物理场接口，在每个物理场接口内可以选择不同的模式。对于复杂的研究问题，可以通过软件内置的PDE模块实现自定义偏微分方程，修改物理场控制方程。
（4）设定边界条件
在多物理场耦合研究中，在不同的物理场中，边界条件也将随之变化。比如在固体力学物理场中，需要添加约束、载荷等；在固体传热中，要添加温度、热绝缘、热源和热通量等边界条件。边界条件的设定对于模拟计算结果的准确性有很大影响，合适的边界条件有助于提高计算结果收敛性。
第七章 结论与展望
7.1 结论
本文以GMZ膨润土和石英砂为试验制备材料，制备不同干密度和饱和度的模拟砌块压实试样和微粒膨润土压实试样。研究饱和度对于模拟砌块和接缝密封材料热传导性能的影响，并基于试验数据拟合结果提出热传导系数归一化预测模型。开展刚性壁渗透和热传导试验，对含接缝的模拟砌块压实试样的接缝愈合效果和程度做出评价。最后基于本文试验结果和前人的研究成果，建立热-水-力耦合控制方程，利用COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件，以含接缝的拼接砌块为物
