掺砂率对膨润土与砂混合物膨胀特性的影响

膨润土与砂混合物的膨胀特性是评估核废料深层地质处置工程长期性能的重要指标。对比不同膨润土及其与砂混合物的膨胀试验结果可知,对纯膨润土及其低掺砂率混合物,浸水膨胀完成后蒙脱石孔隙比e_m与竖向应力δ_v在双对数坐标内呈惟一的线性关系,利用该线性关系可预测浸水完成后不同竖向应力下的体积变化量及不同初始状态对应的膨胀力;对高掺砂率混合物,在砂骨架形成之前,e_m-δ_v线性关系成立,随着竖向应力的增大,砂骨架形成,对应的e_m值脱离e_m-δ_v线性关系,混合物中掺砂率越大,脱离该线性关系时的竖向应力就越小。砂骨架形成前,砂颗粒被蒙脱石包围,外力由蒙脱石承担,最终变形量由试样中单位体积蒙脱石的含量决定;砂骨架形成后,竖向应力最终由砂骨架和蒙脱石共同承担。利用砂骨架孔隙比的概念可确定各种不同掺砂率混合物形成砂骨架时的应力起偏点。同时,还可确定混合物能够形成砂骨架的掺砂率范围。

高掺砂率膨润土混合土膨胀特性及其膨胀量预测

膨润土与砂混合土中掺砂率的高低会引起混合土膨胀特性的差异。对纯膨润土及其低掺砂率混合土,浸水膨胀完成后蒙脱石孔隙比em与竖向应力σv在双对数坐标内呈唯一线性关系。对高掺砂率混合土,在较小荷载下浸水,不会形成砂骨架,em–σv线性关系仍成立;在较大荷载下浸水,会形成砂骨架,砂骨架形成后,em与σv间不再满足该线性关系。利用砂骨架孔隙比的概念可确定不同掺砂率混合土形成砂骨架时对应的起偏应力及混合土能够形成砂骨架的临界掺砂率。砂骨架形成前,砂颗粒被蒙脱石包围,外力由蒙脱石承担,最终变形量由试样中单位体积蒙脱石的含量决定。砂骨架形成后,竖向应力最终由砂骨架和蒙脱石共同承担,提出了确定不同掺砂率下两者承担比例的方法,进而可确定砂骨架形成后的膨胀变化量,预测结果与膨胀试验结果吻合较好。该方法可以预测高掺砂率混合土的浸水膨胀量。

掺砂率对高放废物处置库中缓冲/回填材料收缩特性的影响

缓冲/回填材料的收缩特性对高放废物处置库的长期安全性和稳定性具有重要影响。以高庙子(GMZ)膨润土-砂混合物缓冲/回填材料为研究对象,探究了0～50%掺砂率下,试样蒸发失水过程中的收缩特性。试验结果表明:(1)试样的水分蒸发过程可分为常速率阶段、减速率阶段和残余阶段,且掺砂率对各阶段水分蒸发过程均有显著影响;(2)掺砂率对试样缩限值基本没有影响,但收缩应变却随着掺砂率的增大而减小;试样收缩系数在掺砂率为30%时达到最大,之后随掺砂率的增大而减小;(3)在不同掺砂率下,试样收缩均呈现出明显的各向异性;(4)掺砂率越高,试样进气点对应的含水率越大,最终孔隙比也越大。

掺砂率与干密度对膨润土收缩特性影响

膨润土具有明显胀缩性,收缩引起膨润土的强度变化并伴随着裂隙的产生,对工程结构安全有非常重要的影响,研究膨润土的收缩性对工程安全具有重要意义。通过对膨润土开展恒温干燥收缩试验,结合数字图像技术,从干密度和掺砂率2个方面研究其对土体干燥收缩过程中水分蒸发、各向收缩应变和裂隙的影响。土体的干燥收缩过程可以分为减速阶段和残余阶段,高干密度和高掺砂率土样在干燥收缩过程中失水更少、各向收缩应变更小、裂隙更少。通过扫描电镜试验观察得到高干密度和高掺砂率的土体在微观结构上更加均匀、密实,孔隙明显减少。针对土样收缩特征模型的选取发现T&D模型数据拟合效果较好。试验表明提高掺砂率和干密度是减小膨润土收缩性的有效手段。

石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制

高放废物深部地质处置工程中,向膨润土中加入一定比例的石英砂可以优化缓冲回填材料的热传导性和可施工性。从"混合土"的概念出发,设计干密度和含水率相同、掺砂率不同的压实膨润土-砂混合物试样,通过剪切试验揭示掺砂率对抗剪强度的控制机制。试验材料选用内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土),石英砂按照质量0%～50%的比率添加。剪切试验结果表明:随着掺砂率的增大,压实混合物由应变软化型向应变硬化型过渡,黏聚力及内摩擦角逐渐减小,即抗剪强度降低。基于混合土孔隙结构假说,通过类比分析,对黏土-砂混合物抗剪强度的界限掺砂率进行估计,提供孔隙结构的扫描电镜证据。引入有效黏土密度和有效含水率的概念,描述石英砂颗粒之间的黏土基质的物理状态,阐释石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制。

石英砂掺量对膨润土–砂混合物泥浆样干缩开裂的控制机制

高放废物地质处置工程中,膨润土–砂混合物作为缓冲回填材料的干缩开裂特征对工程屏障的安全性有重要影响。以混合型缓冲回填材料为研究对象,分别制备掺砂率为0%～50%膨润土–砂的浆状试样,通过室内恒温干燥试验,研究混合物的干缩开裂特征。结果表明:当掺砂率小于30%时,混合物的收缩曲线与径向应变曲线均基本重合,石英砂悬浮在膨润土中,混合物的干缩开裂特性由膨润土决定;当掺砂率大于30%时,混合物中石英砂逐渐相互接触,增加了颗粒间的摩擦力且有大孔隙形成,进而能够抑制混合物的干缩开裂。石英砂颗粒的相互接触显著提高了混合物进气值,略微提高了缩限,限制了混合物的干燥收缩。大孔隙的形成导致毛细水作用力的降低;颗粒间摩擦力的增加,增强了混合物抵抗断裂的能力,进而抑制了混合物干燥裂隙的发展。最终确定了抑制膨润土–砂混合物干缩开裂的最低掺砂率为30%。

非充分供水表层掺砂土壤水分入渗及再分布试验研究

为了给干旱半干旱地区农田蓄水保肥的掺砂制度提供理论支持,本文采用室内模拟降雨土柱试验,在土壤表层设置4个掺砂水平,掺砂率分别为0%(对照)、25%、50%、75%。研究非充分供水条件下,掺砂率对土壤水分入渗及再分布过程影响。研究结果表明:(1)掺砂处理加快了湿润锋推移进程,掺砂率越高,影响效果越明显,并且在掺砂率大于25%时影响幅度较大。(2)掺砂率越高,掺砂层土壤含水率越小,掺砂层以下土层含水率越大、持水性能越好。掺砂率达到50%以上能够取得较好的保水效果。当掺砂率为75%时,30 cm深度处土壤含水率较于不掺砂土壤提高了约40%。(3)在土壤水分的再分布阶段,当掺砂率为75%时,15 cm深度处的土壤含水率最高,30 cm土层深度处的土壤持水性能最好。当土壤表层掺砂率较高时,其最佳蓄水层深度为15～30 cm,可为植物生长提供持续供水。

掺砂软黏土一维压缩和渗透性状研究

针对真空预压法加固软黏土地基存在深层土体加固效果差的问题,提出掺砂改良软黏土压缩和渗透特性的方法。通过室内掺砂软黏土的一维固结渗透试验,探讨了掺砂率对软黏土压缩性状和渗透性状的影响规律,建立了掺砂土体的归一化压缩公式,得出了如下结论:不同掺砂率土体的压缩曲线形态相近;与初始孔隙比相比,1600 kPa荷载下的孔隙比减小幅度均在45%左右;可根据参数e/eL对压缩曲线进行归一化处理;孔隙比相同时,渗透系数随着掺砂率的增大而增大;掺砂土体的压缩系数、压缩指数和渗透指数均随掺砂率的增加呈幂函数减小规律。

不同砂率下再生透水混凝土基本性能分析

通过再生骨料透水混凝土在不同砂率掺量条件下的试验,研究其强度与渗透性能的变化趋势与表现特征。在此基础上,将试块经切割机进行切面处理并基于Image方法提取其截面孔隙,观察其内部孔隙结构分布在不同砂率掺量下的变化情况,将其量化后与宏观的强度与渗透性能的测试结果相融合。结果显示:随着砂率的增大,再生骨料透水混凝土的强度与渗透性能分别表现为升高和降低,而量化的孔隙结构也出现了相应增减趋势;Image方法能够用于再生骨料透水混凝土的孔隙结构的提取,且孔隙面积与孔隙个数是影响再生骨料透水混凝土强度与渗透性能的主要因素。

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究

高放废物(HLW)深地质处置中,在膨润土中添加一定比例的石英砂能优化缓冲/回填材料的性能。利用水汽平衡法,对高庙子压实膨润土-砂混合物在不同温度、掺砂率和干密度条件下的土-水特征曲线(SWCCs)进行试验研究,分析温度、掺砂率与干密度对混合物土-水特征曲线的影响。试验结果表明,随着温度升高,混合物的持水能力明显下降;在试验控制吸力范围内,低吸力段掺砂率对土-水特征曲线影响明显,高吸力段掺砂率对混合物土-水特征曲线的影响逐渐降低;干密度对混合物的土-水特征曲线基本没有影响。根据试验数据建立了不同温度和掺砂率条件下膨润土-砂缓冲/回填材料土-水特征曲线的经验公式,可用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线。

膨润土-砂混合材料三向膨胀力试验研究

利用改进的三向胀缩仪研究了掺砂率、干密度对高庙子膨润土-砂混合型缓冲/回填材料膨胀特性的影响。试验结果表明:混合物的三向膨胀力与掺砂率和干密度均呈指数关系,随干密度增加而增加,随掺砂率增加而减小;混合物的竖向膨胀力始终大于水平向膨胀力,在试验研究的范围内,水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值随干密度变化较小,其值稳定在0.8左右;水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值随掺砂率增加大致呈线性降低;混合物的三向膨胀力发展呈两个阶段,初始阶段膨胀力发展迅速可达到最大膨胀力80%左右,第二阶段膨胀力发展缓慢。最后从晶体扩张理论和双电层理论分析了混合物的膨胀特性机理。

高压实膨润土-砂混合型缓冲材料的渗透性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置中的最后一道人工屏障,它的水力学屏障作用直接影响到化学屏障作用的有效发挥及处置库的长期稳定性及安全性。采用自主研制的高压实黏土渗透实验装置,探讨了不同干密度和掺砂率条件下的膨润土-石英砂混合型缓冲饱和侧限渗透性能。实验研究结果表明,随着掺砂率的增加,膨润土-石英砂混合型缓冲材料的渗透系数先减小再增大,当掺砂率为10%时,缓冲材料的渗透系数最小,其最佳掺砂率为10%;缓冲材料的渗透系数随着试样干密度增加而减小,干密度控制在1.6~1.8 g/cm^3时,能够更好地满足高放废物深地质处置库对缓冲材料的渗透特性的要求。

膨润土-砂混合料膨胀特性的试验研究

利用自制的岩土三向膨胀力测量仪,采用不同干密度、掺砂率对膨润土-砂混合料膨胀特性进行试验。研究结果表明:膨润土-砂混合料的膨胀力随掺砂率的增加而减小,随干密度的增大而增加;在已知掺砂率下,当干密度大于1.7 g/cm3以后,膨胀力随干密度增加明显;通过砂骨架孔隙比,可以确定不同掺砂率下混合料砂骨架形成时所对应的起偏应力,进而可以计算得到合理的临界掺砂率。

高压实膨润土-砂混合物膨胀性能实验研究

采用自主研制的岩土三向膨胀仪实验装置,探讨了不同干密度(1.6 g/cm^(3)、1.7 g/cm^(3)、1.8 g/cm^(3)、1.9 g/cm^(3))和掺砂率(0%、10%、20%、30%)条件下,高压实膨润土-砂混合物试样吸水过程中的膨胀特性。结果表明,在30℃下,膨胀应力的发展经历了快速膨胀阶段、减速膨胀阶段和缓慢膨胀阶段,快速膨胀阶段主要处于350 min之前,达到了极限膨胀力的80%,膨胀力发展稳定在1200 min内。混合物膨胀应力存在各向异性,竖向膨胀力大于水平向膨胀力,水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值约为0.9。混合物的三向膨胀力与掺砂率和干密度均呈指数关系,随掺砂率增加而减小,随干密度增加而增加。掺砂率从0%增加到30%,竖向膨胀力从4.62 MPa降低到1.23 MPa,干密度从1.6 g/cm^(3)增加到1.9 g/cm^(3)时,竖向膨胀力由0.8 MPa增大到3.1 MPa。实验结果对高庙子膨润土膨胀性能的正确判定具有重要意义。

基于模糊综合评判的膨润土-砂最优配比计算

以掺砂率和干密度2个回填材料性能主控因素为自变量构造隶属函数,以渗透系数、膨胀力、导热系数等12个性能指标为因素集,引入权向量分析理论,采用加权平均法和几何平均法进行综合评判以确定各性能下整体最优掺砂率和干密度.结果表明:在膨润土-砂混合物的干密度为1.82～1.83 g/cm^3、掺砂率为29%～30%时,其综合性能表现最优,可为中国膨润土-砂混合缓冲回填材料的配比优化提供数据参考.

石灰和砾砂改良红黏土试验研究

文章采用石灰和砾砂改良红黏土,对改良土进行击实试验、无侧限抗压强度试验、自由膨胀率试验等室内试验研究。结果表明:石灰改良红黏土在无水的情况下可以取得较好效果,最佳掺灰率为6%;砾砂改良红黏土效果较明显,最佳掺砂率为30%。

混合型缓冲回填材料土水特征曲线测试与修正

利用压力板法和水汽平衡法,对不同掺砂率和干密度的膨润土–砂混合物在脱湿过程中的土水特征曲线进行测试,探讨不同初始饱和条件、掺砂率与干密度对脱湿过程中混合物持水性能的影响。随着掺砂率和干密度增大,侧限饱和混合物试样持水性能下降;随着掺砂率增大,自由饱和混合物试样持水性能下降,而干密度对其持水性能基本没有影响。引入有效黏土密度和有效含水率的概念对混合物的实测土水特征曲线进行修正,发现饱和条件不同,混合物持水能力的控制因素也不同:侧限饱和条件下混合物持水性能主要受有效黏土密度控制,而自由饱和条件下混合物持水性能主要受掺砂率控制。根据试验数据拟合出侧限饱和与自由饱和后GMZ001膨润土–砂混合物修正土水特征曲线的经验公式,可用来估算高放废物处置工程中混合型缓冲回填材料的非饱和含水率。

膨胀条件下混合型缓冲回填材料的渗透特性

选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土),分别向其中添加0%,10%,20%,30%,40%,50%的石英砂,采用电子压力试验机在20 MPa荷载下静力压实制样,利用柔性壁渗透仪实测300 kPa围压条件下膨润土-石英砂混合物的渗透系数和体积膨胀变化。研究表明,在0%～50%掺砂率范围内,GMZ001膨润土-石英砂混合物的渗透性随掺砂率增大没有明显的变化,能够满足高放废物处置缓冲回填材料低渗透性的要求。引入有效黏土密度的概念,分析掺砂率和干密度对渗透系数的共同影响可知,膨润土-石英砂混合物渗透系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系。结合压实试验结果发现,GMZ001膨润土-石英砂混合物的渗透系数为掺砂率的单值函数,据此提出不同压实条件下GMZ001膨润土-石英砂混合物渗透系数的预测关系式,期望为混合型缓冲回填材料的配比优化提供理论依据。

混合型缓冲回填材料抗剪强度特性研究

高放废物深地质处置中,缓冲回填材料的抗剪性能对处置库的安全设计、施工及运营有重要的影响。本文从工程应用的角度出发,测试不同掺砂率时膨润土-砂混合物标准击实样在最优含水率条件下的抗剪强度指标。研究结果表明:随着掺砂率的增大,膨润土-砂混合物的抗剪强度指标略有下降;纯膨润土的抗剪强度指标随着干密度的增大而增大,随着含水率的增大而减小。通过测试和分析不同干密度和含水率时纯膨润土的抗剪强度指标,引入有效粘土密度和有效含水率的概念,对最优含水率条件下不同标准击实样的抗剪强度指标进行分析。

围堰防渗膜垫层料实验及Matlab在其中的运用

通过对黑河水利枢纽工程混凝土骨料生产过程中富余的大量20～40mm砾石与砂子在不同掺和比例下的试验研究,结合试验数据,应用Matlab作出了不同垫层料的掺砂率与松填密度、孔隙率及休止角之间的关系曲线。研究表明,选择砾石和砂子掺和料时,采用松填密度最大、孔隙率最小情况下所对应的掺砂率作为上游围堰的垫层料,沉降量较小,而且是稳定的。因而,提出了利用富余砾石的方法。