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系統識別號 U0002-0207200719530300
中文論文名稱 皂土質緩衝材之乾裂與回脹自癒特性研究
英文論文名稱 The Swelling and Self-Healing Characteristics of Bentonite Buffer Materials
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 薛新翰
研究生英文姓名 Hsin-Han Hsueh
學號 694311050
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-21
論文頁數 209頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-黃燦輝
委員-褚炳麟
中文關鍵字 皂土質緩衝材  乾縮破裂  回脹自癒  表面破裂孔隙率  碎形維度 
英文關鍵字 Bentonite buffer materials  Drying-crack  Self-healing  Crack porosity  Fractal dimension 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 核廢料地質處置工程圍堵系統中緩衝材之要求重點在利用皂土遇水膨脹自癒特性,但也應具有高導熱性,因此常於皂土中添加顆粒性底材。一般建議使用:50%皂土添加50%石英砂。緩衝材會因衰變熱的高溫作用,導致皂土中水分蒸散使含水量下降而乾縮甚或出現裂縫,導致減低緩衝材的完整性。另一方面,鑑於當緩衝材受地下水入侵後卻可產生吸水膨脹而自癒填塞裂縫。本文試驗主要以50%石英砂混合50%皂土之緩衝材,在吸水七天後進行加熱乾裂與再吸水回脹癒合試驗,以探討添加石英砂對緩衝材之乾縮破裂與吸水癒合行為之影響。
主要獲得以下研究結論: (1) 緩衝材之乾縮裂隙發展程度與其內部含水量蒸散損失的多寡有關,含水量之損失量愈多產生的乾裂面積愈大、表面破裂孔隙率愈大。而且,緩衝材表面破裂孔隙率與其含水量損失量為一非線性關係。(2) 皂土在添加石英砂後之最終乾裂面積、破裂孔隙率均低於純皂土,顯見石英砂在皂土質緩衝材中具導熱效益。(3) 純皂土在乾裂與癒合行為中,裂縫的成長與癒合速率皆較快於皂土-級配砂,顯示裂縫之生成或癒合速率與皂土之含量相關。而添加石英砂雖可抑制裂縫的發展,相對也會阻礙皂土吸水回脹時填充裂縫的自癒能力。(4) 方格維度Db確可用以描述裂縫分佈之演進,純皂土裂縫分佈之Db值為1.43,而添加優良級配砂皂土之Db為1.14,顯示純皂土裂縫分佈較隨機分佈於二維平面上,而添加石英砂後裂縫則被侷限於沿某單一方向分佈。
英文摘要 In deep geological disposal for the radioactive waste repository, after the emplacement of a container, the gap between the container and the rock wall of borehole would be filled with a buffer material. Buffer material is expected as a barrier with groundwater movement and self-sealing ability. The buffer is proposed to consist of a mixture of 50% bentonite 50% quartz sand. This study aims to investigate the shrinkage behaviors of 50% bentonite - 50% quartz-sand mixtures with various sand gradations by experimental tests. The factors of sand gradation, initial density and initial water content are considered in this experimental program. In this test, the compacted buffer material is first swelling by absorbing water in seven days and then cracking by heating shrinkage (60oC, 80oC, 100oC) in an oven. Finally, the damaged bentonite-based material is re-saturated to recover the water content and seal cracking. The shrinkage and sealing behaviors are discussed.
Some conclusions are drawn as following: (1) Shrinkage cracks development of buffers materials is related to the loss of water content. The surface crack area or crack porosity is increased with the water decreasing. (2) The surface crack area of sand-bentonite mixture is less than bentonite. This implies the quartz sand within bentonite has the heat conduction effect. (3) The growth of cracking and self-healing in bentonite are faster than those in sand-bentonite mixture. This indicates the creaking and sealing behaviors are correlated to the bentonite content in buffer materials. The quartz sand can suppress the crack developing, but also hinders the bentonite swelling to seal the cracks. (4) The box dimension, Db is capable of describing the complexity of cracking progress. In this study, the value of Db for bentonite is 1.43, and 1.14 for well-graded sand-bentonite mixture. This indicates shrinkage crack distribution of bentonite is more randomly distributed than the quartz sand- bentonite mixture.
論文目次 目錄 I
表目錄 V
圖目錄 VII
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 3
1.3 研究內容 4
第二章 文獻回顧 5
2.1 最終處置場設計概念 5
2.2 緩衝材料功能需求 7
2.3 回脹機制及回脹行為 9
2.3.1 回脹機制 9
2.3.2 回脹行為 10
2.4 受熱乾縮及乾裂形態 11
2.4.1 材料在受熱過程之反應 11
2.4.2 乾裂機制 13
2.4.3 裂縫形態 16
2.5 緩衝材回脹-乾縮-再回脹循環之研究 17
2.5.1 國內之相關研究 17
2.5.2 國外之相關研究 19
2.6 碎形維度 21
2.6.1 碎形維度之定義 21
2.6.2 碎形維度之量測方法 21
第三章 試驗計劃與內容 43
3.1 試驗材料 43
3.1.1 級配石英砂 44
3.1.2 皂土 44
3.2 試驗儀器 45
3.2.1 自由回脹試驗儀 45
3.2.2 熱乾縮試驗裝置 46
3.2.3 再回脹癒合試驗儀器 46
3.3 試驗方法 47
3.3.1 試體尺寸之決定 47
3.3.2 試體製作 48
3.4 試驗步驟 50
3.4.1 單向自由回脹試驗 50
3.4.2 熱乾縮試驗 52
3.4.3 再回脹癒合試驗 53
3.5 試驗之可重複性驗證 54
第四章 影像分析方法 81
4.1 影像分析軟體介紹 81
4.1.1 eVision 81
4.1.2 eVision 之操作方法 82
4.2 影像分析技術 83
4.2.1 分析方法 83
4.3 eVision軟體估算之誤差 84
第五章 試驗結果之分析 97
5.1 乾縮試體之吸水回脹預備 97
5.1.1 皂土回脹歷程 97
5.1.2 皂土-石英砂之回脹歷程 99
5.2 加熱乾縮行為 100
5.2.1 乾縮裂縫型態之發展 100
5.2.2 乾裂之機制 103
5.3 乾裂之影響因素 105
5.3.1 皂土餅初始含水量之影響 105
5.3.2 近場環境溫度之影響 108
5.4 皂土質緩衝材吸水癒合行為 112
5.4.1 初始含水量狀況 112
5.4.2 乾裂溫度之影響 113
5.4.3 純皂土與皂土-石英砂緩衝材之吸水自癒能力比較 116
第六章 裂縫分佈形態之碎形分析 155
6.1 網格覆蓋法 155
6.2 乾裂裂縫之網格維度 156
6.2.1 純皂土裂縫分佈之碎形特性 156
6.2.2 皂土-添加級配砂裂縫分佈之碎形特性 157
6.3 裂縫延伸連接程度 159
6.3.1 裂縫串聯交點數變化趨勢 159
6.3.2 裂縫交點位置分佈之碎形 161
6.3.3 裂縫串聯程度與乾縮溫度之關係 161
第七章 結論與建議 187
7.1 結論 187
7.2 建議 189
參考文獻 191
附錄 A :試體資料彙整 197

表目錄
表2.1 主要核能國家的高放射性廢棄物處置概念(邱太銘, 1999) 25
表2.2 依各現地土壤裂縫交點統計之相關資料(Velde,1999) 26
表3.1 皂土基本性質(資料來源: 磊盈股份有限公司) 55
表3.2 級配料配比後之整理分組( = 1.81 mm) 56
表3.3 本文所使用之試體種類 56
表4.1(a) eVision軟體之誤差百分比(已知面積) 86
表4.1(b) eVision軟體之誤差百分比(已知面積) 87
表5.1 吸水回脹過程間含水量之變化 118
表5.2(a) 緩衝材在各溫度下最終表面乾裂面積(含周邊乾縮) 119
表5.2(b) 緩衝材在各溫度下最終表面乾裂面積(不含周邊乾縮) 119
表5.3 緩衝材經乾縮試驗後之含水量變化 120
表5.4 乾縮後表面裂縫在吸水癒合20 min內之自癒速率 120
表6.1(a)純皂土在各階段裂縫之網格維度值 163
表6.1(b)皂土-優良級配砂在各階段裂縫之網格維度值 163

圖目錄
圖2.1 瑞典地下深層地質處置坑配置及近場緩衝材之佈設(SKB) 27
圖2.2 坑內以皂土塊環繞儲存筒之擺設(Alonso et al., 2005) 27
圖2.3 坑內緩衝材區內、外皂土塊分別受到熱擴散與濕氣入滲之交互作用 (Grimsel) 28
圖2.4 緩衝材(固定體積下)具備回脹填塞孔隙的自癒功能示意圖 28
圖2.5 反應土壤持水能力之保水曲線(Montanez,2002; Mata et al., 2005) 29
圖2.6 晶格回脹與滲透回脹(Madsen and Muller-Vonmoos, 1989) 30
圖2.7 回脹歷時曲線關係圖(王欣婷,2003) 30
圖2.8 裂縫產生之動力行為(Vogel,2005) 31
圖2.9 擴散雙層概念示意圖(Mitchell, 1993) 31
圖2.10 不同破裂程度之裂縫形態(Vogel,2005) 32
圖2.11 推算現場裂縫之交點與切片(Velde,1999) 32
圖2.12 裂縫交點形成之幾何圖形(Velde,1999) 33
圖2.13 不同乾縮時間之裂縫破裂孔隙率(Velde,2001) 34
圖2.14 不同乾縮時間裂縫網之碎形維度(Velde,2001) 34
圖2.15 碎石級配對回填材(碎石/皂土比例皆為70/30)破壞行為之改變(楊長義 等,2006) 35
圖2.16 級配料減緩回填材之乾縮裂縫發展(淡江大學,2006) 36
圖2.17 日興土攝水飽和度之分佈(蘇依豪,2005) 36
圖2.18 皂土受潮吸水回脹的三階段行為(Montes-H et al.,2003) 37
圖2.19 不同濕度環境下MX80皂土之回脹與乾縮行為(Montes-H et al.,2003) 38
圖2.20 皂土/砂緩衝材乾縮與再飽和路徑(Agus,2005) 39
圖2.21 不同皂土含量之乾縮-濕脹循環路徑比較(Montes-H,2002) 40
圖2.22 皂土添加優良級配砂與均勻級配砂(藍色)之乾縮-濕脹循環路徑比較(Montes-H,2002) 40
圖2.23 計算兩兩顆粒質心間距之對數示意圖(李彥宏,2005) 41
圖2.24 圖2.23之雙點相關維度Dcorr計算方法 41
圖2.25 不同尺寸網格之覆蓋方格示意圖與方格維度求法 42
圖3.1 試驗用石英砂顆粒形狀 57
圖3.2 編號201 與403石英砂之粒徑分佈曲線 58
圖3.3 本試驗所調配之石英砂級配(n=0.2、dmax=1.18 mm) 59
圖3.4 本試驗所用之石英砂均一級配(單一粒徑) 59
圖3.5 皂土之粒徑分佈曲線 60
圖3.6 標準自由回脹試驗儀實體與構造示意圖 61
圖3.7 本研究吸水回脹試驗儀實體與構造示意圖 62
圖3.8 回脹試體模具(底座、試體環、延伸環) 63
圖3.9 再吸水愈合試驗儀實體與構造示意圖 64
圖3.10 吸水回脹試餅製作流程 65
圖3.10 吸水回脹試餅製作流程 (續) 66
圖3.11 皂土回脹在含水量方法與標準ISRM單向度回脹之回脹量修正 67
圖3.12 自由回脹之試驗狀況 68
圖3.13 吸水自由回脹試體之最終含水量 68
圖3.14 各回脹歷時後之試體內含水量分佈 69
圖3.15 試餅表面(延伸環底)吸水回脹過程間含水量之變化 70
圖3.16 回脹後試餅乾縮流程 71
圖3.17 乾縮試體之含水量折減量 72
圖3.18 吸水試餅再癒合過程 73
圖3.19 再回脹試體之破裂面積完全愈合 73
圖3.20 最終(180min)乾裂裂縫分佈狀況比較 74
圖3.21 乾裂與吸水癒合裂縫發展之重複性測試(B.H.) 74
圖3.22 網格維度值比較(B.H.) 75
圖3.23 最終(180min)乾裂裂縫分佈狀況比較 76
圖3.24 乾裂與吸水癒合裂縫發展之重複性測試(B.H.+SUB) 76
圖3.25 網格維度值比較(B.H.+SUB) 77
圖3.26 最終(180min)乾裂裂縫分佈狀況比較 78
圖3.27 乾裂與吸水癒合裂縫發展之重複性測試(B.H.+SUS) 78
圖3.28 網格維度值比較(B.H.+SUS) 79
圖4.1 eVision 操作過程 88
圖4.1 eVision 操作過程 (續) 89
圖4.2 緩衝材裂縫數位相片載入軟體 90
圖4.3 將裂縫處轉成黑白 90
圖4.4 已知面積之實心正方形與圓形 91
圖4.5 eVision對已知實心圓面積誤差之檢驗 91
圖4.6 已知面積之空心圓(直徑R不同) 92
圖4.7 eVision對已知直徑不同空心圓面積誤差之檢驗 92
圖4.8 已知面積之空心圓(內外徑不同) 93
圖4.9 eVision對已知內外徑不同空心圓面積誤差之檢驗 93
圖4.10 eVision對前述三種型態圓面積誤差之比較 94
圖4.11 對已知各種型態面積誤差之檢驗 95
圖5.1 壓實膨潤土的回脹歷時曲線圖 121
圖5.2 壓實皂土-石英砂複合材之回脹歷時曲線圖 122
圖5.3 皂土與皂土-石英砂(1:1)緩衝材自由回脹比較 123
圖5.4 張力釋放造成(B.H. bentonite,T=100oC)裂縫擴展之示意圖 124
圖5.5 模擬皂土顆粒破裂機制:(a)上視圖(b)側視圖(Horning et al.,1996) 125
圖5.6 皂土及皂土-優良級配砂在60oC烘乾之乾裂過程比較 126
圖5.7 皂土及皂土-優良級配砂在80oC烘乾之乾裂過程比較 127
圖5.8 皂土及皂土-優良級配砂在100oC烘乾之乾裂過程比較 128
圖5.9 經過20min烘乾後皂土及皂土-優良級配砂裂縫分佈之比較 129
圖5.10 經過60min烘乾後皂土及皂土-優良級配砂裂縫分佈之比較 130
圖5.11 經過180min烘乾後皂土及皂土-優良級配砂裂縫分佈之比較 131
圖5.12 各階段乾裂(T = 80 oC)與癒合之破裂面積試驗圖 132
圖5.12 各階段乾裂(T = 80 oC)與癒合之破裂面積試驗圖(續) 133
圖5.13 各階段乾裂(T = 100 oC)與癒合之破裂面積試驗圖 134
圖5.13 各階段乾裂(T = 100 oC)與癒合之破裂面積試驗圖(續) 135
圖5.14 皂土-優良級配砂在不同回脹時間後烘乾(T=80 oC)過程之含水量與 時間關係 136
圖5.15 皂土-優良級配砂在不同回脹歷時(day)後於T=80oC乾縮之乾裂面積 與時間關係 137
圖5.16 皂土-優良級配砂試餅在不同回脹歷時(day)後之乾縮(T=80oC)破裂 面積與含水量變化關係 138
圖5.17 緩衝材在不同初始含水量之含水量損失與破裂孔隙率關聯 139
圖5.18 皂土在三種乾縮溫度下之乾裂發展過程( ) 140
圖5.19 皂土在不同溫度下之乾裂面積發展速度比較 141
圖5.20 皂土-優良及配砂在三種乾縮溫度下之乾裂發展過程( ) 142
圖5.21 皂土-優良級配砂在不同溫度下之乾裂面積發展速度比較 143
圖5.22 皂土-均一級配砂(d=0.15 mm)在不同溫度下之乾裂面積發展速度 比較 144
圖5.23 皂土-均一級配砂(d=0.85 mm)在不同溫度下之乾裂面積發展速度 比較 144
圖5.24 皂土與皂土-級配砂在各溫度乾縮之乾裂面積與時間關係 145
圖5.25 純皂土乾縮裂縫面積與癒合之比較 146
圖5.26 裂縫乾裂癒合之能量示意圖 147
圖5.27 皂土-優良級配砂之乾裂與癒合行為比較 148
圖5.28 皂土與皂土-優良級配砂之乾裂與癒合行為比較 149
圖5.29 皂土-均一級配砂緩衝材在不同溫度下之乾裂與癒合行為比較 150
圖5.30 受不同溫度乾裂後試餅之主要癒合速率比較 151
圖5.31 皂土與皂土-優良級配砂緩衝材之乾裂與癒合行為比較 152
圖5.32 皂土與皂土-級配砂之乾縮與癒合行為比較 153
圖5.33 含不同粒徑砂緩衝材之乾縮與癒合行為比較 154
圖6.1 覆蓋方格示意圖 ( 100oC乾縮180min ) 164
圖6.2 純皂土在100 oC下乾縮各階段之方格維度求取 165
圖6.2 純皂土在100 oC下乾縮各階段之方格維度求取 (續) 166
圖6.3 純皂土乾縮裂縫之方格維度成長關係 167
圖6.4 純皂土裂縫之方格維度與破裂面積發展比較 168
圖6.5 皂土-優良級配砂在100oC乾縮各階段之方格維度求取 169
圖6.5 皂土-優良級配砂在100oC乾縮各階段之方格維度求取 (續) 170
圖6.6 皂土-優良級配砂乾縮裂縫之方格維度成長關係 171
圖6.7 皂土-優良級配砂裂縫之方格維度與破裂面積發展比較 172
圖6.8 皂土與皂土-優良級配砂裂縫分佈之Db值比較 173
圖6.9 純皂土與皂土-優良級配砂乾縮時裂縫分佈之碎形趨勢 174
圖6.10 純皂土與皂土-優良級配砂裂縫之Db值之範圍比較 175
圖6.11 純皂土裂縫之網格維度Db與破裂孔隙率ncr關係 176
圖6.12 純皂土與皂土-優良級配砂裂縫之網格維度與破裂孔隙率關聯 177
圖6.13 皂土質緩衝材裂縫方格維度與破裂孔隙率之關連 178
圖6.14 純皂土之乾裂(100oC)裂縫交點數(Ni)趨勢 179
圖6.15 皂土-優良級配砂之乾裂(100oC)裂縫交點數(Ni)趨勢 180
圖6.16 求取裂縫交點之相關維度 181
圖6.17 純皂土乾裂時裂縫之交點數變化 182
圖6.18 純皂土吸水癒合時裂縫之交點數變化 183
圖6.19 皂土-優良級配石英砂乾裂時裂縫之交點數變化 184
圖6.20 皂土-優良級配石英砂吸水癒合時裂縫之交點數變化 185

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