温度影响膨润土砂混合物的膨胀性能研究

高放废物深层地质处置库运行中,核废料衰变会释放较大热量,研究温度影响压实膨润土砂混合物的膨胀特性对于评价处置库人工屏障系统的性能具有重要意义。本文对高庙子钠基膨润土及其含砂混合物在25、60、90℃下进行了膨胀实验。结果表明:渗透膨胀时,蒙脱石膨胀系数与温度之间(K-T_(c))呈线性关系,最大膨胀应变随着温度升高而增大;相同温度下,高膨润土含量的混合物体积变形可以用e_(m)-σ_(v)分形关系表示,并且在去离子水内浸泡时,膨润土表面分维不受温度影响;低膨润土含量的混合物中存在砂骨架,上覆应力超过试样应力阈值时,e_(m)会偏离emσv曲线。结合分形模型,提出了一种预测不同砂土比的膨润土砂混合物在不同温度下的膨胀变形计算方法。

盐溶液对膨润土砂混合物膨胀性能的影响

利用自制固结仪,开展膨润土砂混合物在蒸馏水及不同浓度的NaCl、KCl和CaCl_(2)溶液下的膨胀变形试验,研究盐溶液浓度和阳离子交换反应对混合物膨胀变形的影响。试验表明,试样在蒸馏水与不同浓度的NaCl溶液下可用同一条e_(m)-p_(e)曲线表示,表明NaCl主要通过渗透吸力的作用影响混合物的膨胀变形。K^(+)、Ca^(2+)主要通过置换吸附在钠基膨润土表面的Na^(+),使得膨胀性能减弱,因此NaCl溶液的抑制性小于KCl和CaCl_(2)。值得关注的是,膨润土砂混合物在KCl与CaCl_(2)溶液下随浓度的变化产生了不同的膨胀变形规律。当浓度为0.1 mol/L时,由于同浓度下CaCl_(2)溶液中的总离子浓度大于KCl,从而通过渗透吸力的提高增大了有效应力,此时CaCl_(2)的抑制效果强于KCl;而浓度在0.5 mol/L时,CaCl_(2)的抑制效果弱于KCl,因为此时溶液中离子浓度较高,一方面K^(+)可以充分置换吸附在膨润土表面的Na^(+);另一方面K^(+)更容易嵌入相邻晶层间硅氧四面体中氧原子形成的孔穴里,使得相邻晶层连接起来,导致水分子不易进入层间,无法正常吸水,从而明显地抑制了膨胀变形。

膨润土再生砂对 CO_2 水玻璃再生砂性能的影响

将膨润土湿型砂和ＣＯ２水玻璃砂分别进行机械法再生，再按不同比例混合，用ＣＯ２水玻璃工艺研究了再生砂的主要工艺性能．研究结果表明，膨润土再生砂对ＣＯ２水玻璃再生砂的影响不大，随着膨润土再生砂比例的增加，混合再生砂的终强度缓慢降低，而８００℃的残留强度急剧下降．

高庙子膨润土-砂混合料的三向膨胀力特性

对不同干密度和含砂率高庙子膨润土-砂混合缓冲/回填材料的试样进行一系列三向膨胀力试验研究,结果表明,混合料三向膨胀力均随干密度呈指数关系递增,随含砂率呈指数关系递减。混合料存在各向异性,竖向膨胀力大于水平向膨胀力;含砂率和干密度均对试样的各向异性产生影响;当含砂率大于30%以后,含砂率的增加对其各向异性影响较小;混合料的各向异性随干密度的增大更加显著,并逐渐趋于稳定;对各向异性的机制进行分析,提出基于体积率的膨润土干密度这一指标,建立高庙子膨润土及其含砂混合料三向膨胀力的经验模型,并对模型进行验证和应用,研究成果可为高放废物深地质处置库中的缓冲/回填材料设计提供参考。

膨润土-砂的膨胀特性与蒙脱石质量比率

在高放废物(HLW)地质处置的工程屏障体系中,使用以膨润土为主料的混合型缓冲回填材料,是阻截放射性核素向地下水环境迁移的最主要的包封设施。膨润土中添加一定量的石英砂,既能优化回填设计与施工性能,又能满足对放射性核素的有效拦截。本文综合分析了初始含水量、干密度、膨润土含量、压力等对压实膨润土-砂混合物膨胀性能指标的影响,提出"蒙脱石的质量比率"这一指标,将干密度和膨润土含量归一为蒙脱石质量比率指标,得出混合材料膨胀力随蒙脱石质量比率增长呈指数增长的规律,从而可以实现对膨胀力的定量预测。

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。

温控高压实GMZ01膨润土-砂混合物土水特性

纯膨润土中掺入一定比例的石英砂,可以有效地提高工程屏障的热传导特性、力学强度和长期稳定性,并可降低屏障系统的工程造价;但同时也会改变混合物的土水特征。本文采用水汽平衡法和渗析法吸力控制技术,开展了不同温度(20℃、40℃和60℃)、恒体积条件下,高压实GMZ01膨润土-石英砂混合物(7︰3)试样的持水特性试验。结果表明,体积与吸力恒定时,高压实高庙子膨润土-砂混合物的含水量随温度升高而减少,但温度影响幅度取决于吸力水平;低吸力范围内,混合物的饱和度大于1,其原因可能是由于混合物中结合水密度大所引起的;基于Frendlund常温方程的万敏模型,能够拟合考虑温度影响的GMZ01膨润土-砂混合物土水特征曲线。

膨润土加砂混合物膨胀特性研究

通过有荷膨胀试验,对膨润土加砂混合物的膨胀特性进行了研究,分析了膨胀应变与轴向应力、膨胀应变与吸水量以及轴向应力与吸水量之间的关系,并建立了能综合反映轴向应力和吸水量对膨胀应变影响的混合物膨胀本构关系式。试验研究表明,膨胀应变随着轴向应力的增大而减小,两者之间的关系可以采用对数线性关系来表达;吸水量的变化对膨胀应变有明显的影响,膨胀应变随吸水量的增加而线性的增大;而吸水量受到轴向应力的影响,随着轴向应力的增大,吸水量减少,在轴向应力一定时,吸水量会达到一个最终的饱和值。由于考虑了膨胀变形过程中吸水量的变化,所建立的膨胀本构关系式能较好地反映膨润土加砂混合物的膨胀特性。

水-力耦合条件下膨润土-砂混合物的体变特性研究

在高放核废物处置库中,膨润土-砂混合物是一种可选的缓冲回填材料,掌握其在水-力耦合条件下的体变特征对正确评价处置库的长期安全性有重要意义。按照不同的石英砂掺量(0%~50%)配制了6组膨润土/砂混合物,依次进行了单轴侧限压缩、有荷膨胀(轴向应力为0.2 MPa)和饱和再压缩试验,获得了混合物在不同水-力路径下的变形特征,并着重分析了砂掺量的影响。结果表明:(1)膨润土-砂混合物的压缩性与掺砂量、饱和状态和密实度有关。在非饱和及密实度较低(ρ_d<1.7 g/cm^3)的条件下,混合物的压缩指数随砂掺量的增加近似线性减小;当混合物压缩到较高的密实度(ρ_d>1.7 g/cm^3)并且饱和后,压缩指数受掺砂量的影响不明显,但其值远小于非饱和及低密实度状态。(2)混合物的最终膨胀率随着掺砂量的增加呈指数减小,随膨润土有效干密度的增加而呈指数增加。掺砂量达到40%时,膨胀过程伴随有体积回落现象,且体积回落率随砂掺量的增加而加剧。(3)混合物在不同水-力路径中及不同砂掺量条件下呈现的体变差异性与膨润土和砂在试样中的分布状态及二者对土体骨架的主导作用有关,总体上,掺砂量越高或试样密实度越大,砂对体变的主导作用越强。(4)混合物的膨胀力随掺砂量的增加而减小,通过引入膨润土有效干密度参数,建立了混合物膨胀力与该参数间的指数定量关系,可对膨胀力进行预测,并从蒙脱石的体积变化率与质量分布率的角度进一步分析了混合物膨胀力的作用机制。

膨润土-砂混合物缓冲层径向热传导性

膨润土-砂混合物作为高放废物处置库缓冲材料,在核废料衰变热影响作用下,其稳定性及物理力学性能产生显著变化,这对缓冲回填材料的包封阻隔作用及处置库的安全运行产生重要影响。采用自行设计的装置对按比例缩小后的不同干密度、含水率、掺砂率试样进行热传导模拟试验,并对试验过程进行热-力耦合数值模拟分析,得到了缓冲层温度、应力和应变的变化及分布情况。结果表明,增大试样干密度、含水率和掺砂率均可提高导热性,应力和应变也随之增大,且不同含水率试样产生的结果变化显著;缓冲层靠近热源的位置温度、应力和应变最大,且沿径向方向减小,初始时刻各值变化显著。

Ca^(2+)浓度对膨润土掺砂混合土渗透性能的影响

垃圾填埋场底部铺设含黏土或膨润土掺砂混合土的防渗系统,防止渗滤液流入地下污染周边环境。采用模型试验研究Ca^(2+)离子浓度和基础局部沉降对膨润土掺砂混合土渗透特性的影响。试验结果表明Ca^(2+)浓度对膨润土掺砂混合土的渗透性能有较大影响,渗透液中Ca^(2+)浓度超过一定值后混合土渗漏;Ca^(2+)离子浓度与发生渗透时间之间有很大关系,浓度越高发生渗透的时间越短;同样沉降量条件下,含Ca^(2+)离子溶液渗透的混合土均发生渗漏,而用蒸馏水作渗透液的没有出现渗漏;钠基膨润土遇Ca^(2+)离子溶液后,当Ca^(2+)离子浓度大于两倍Na+就会发生离子交换,钠基膨润土转化为钙基膨润土,混合土的防渗性能下降。因此开展Ca^(2+)离子浓度对膨润土掺砂混合土渗透特性的研究具有较好的理论和实际意义。

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。

饱和膨润土及其与砂混合物的压缩变形特性

对用不同制样方法得到的饱和膨润土及其与砂混合物进行了压缩试验。试验结果表明,饱和膨润土的压缩曲线呈双线性,不同于普通黏土的压缩曲线。压缩试验中量测了侧向应力,由此得到的饱和膨润土的静止侧向压力系数值较一般黏土的数值要大。对膨润土与砂混合物的击实样进行了由非饱和到饱和状态的浸水试验,并得出试验过程中侧向应力的变化规律。由于浸水饱和的试样和抽真空饱和的试样在较高压力时压缩曲线趋于一致,可采用快速抽真空饱和的方法进行试验研究,以缩短非饱和混合物击实样浸水饱和所需时间。引入骨架孔隙比的概念,用来判断膨润土与砂混合物中砂骨架是否形成,得出影响混合物压缩特性的决定因素。

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。

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。

膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

运用自行研制的膨胀仪对膨润土加砂混合物进行了一系列膨胀力及膨胀应变等膨胀特性的试验研究,分析了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间的关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。试验研究表明,膨润土加砂混合物的最大膨胀力以及最大膨胀应变主要取决于混合物的最初干密度和膨润土含量,并且随着二者的增大而增大;膨润土加砂混合物的水平膨胀力与竖向膨胀力之比随着混合物干密度的增大减小,并且与干密度近似成线性关系;不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间成双曲线关系,与吸水量近似呈S型曲线关系,并且其最大膨胀应变与膨润土含量存在指数关系。试验结果对高放废物深处置库中的缓冲回填材料设计具有一定的参考价值。

自由膨胀条件下高压实砂-膨润土混合物非饱和渗透特征

选择合适的配合比,使得膨润土–石英砂混合物在增加导热性能和强度的同时,又能满足渗透性要求并维持适当的膨胀力,是混合型缓冲/回填材料研究的关键。采用瞬时截面法,通过试验研究了干密度1.9 g/cm3、配合比为7∶3的高庙子膨润土–石英砂混合物的非饱和渗透特性。结果表明,所测非饱和渗透系数主要集中在2.1×10-15～1.0×10-13 m/s,且趋势上随吸力的增大而减小但变化较为平缓;与自由膨胀条件下、纯膨润土试样的非饱和渗透系数相比,混合物渗透系数稍有增大,但变化幅度不太明显。石英砂的加入,改善了混合物的导热性能,且仍然基本符合缓冲/回填材料的低渗透性要求。

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

膨润土因具有渗透性低、阳离子交换能力高等优点被认为是最适合高放废物深地质处置库中屏障系统的缓冲材料,工程实践发现随着水化过程的进行,纯高压实膨润土强度不断降低,并最终影响到工程屏障系统功能的发挥。针对这一问题,在膨润土中加入一定比例的石英砂,可以有效地提高工程屏障的热传导特性、压实性、力学强度和长期稳定性,降低工程造价。本文研究了影响砂-膨润土混合物渗透性的主要因素,包括膨润土含量、粒径分布、含水量和干密度、压实方法以及膨润土类型等。结果表明,砂土混合物渗透性主要受膨润土的渗透性控制,渗透系数随着膨润土含量和干密度的增加而减小,当膨润土含量超过某一界限值后,继续增加膨润土含量对降低渗透系数的作用有限;细颗粒和级配良好的混合物渗透系数小,当土体内部发生渗透侵蚀将增大渗透系数;最优含水量条件下压实得到的渗透系数最低,高于最优含水量压实得到的渗透系数比低于最优含水量压实得到的渗透系数要小。

非饱和膨润土掺砂混合物的水力和力学性质

采用压力板法和滤纸法对膨润土掺砂混合物土-水特征曲线的低吸力段(<1.5 MPa)与高吸力段(>1.5MPa)分别进行量测.不同吸力测试方法得到的试验结果具有较好的一致性.根据试验测得的土-水特征曲线,得到混合物的残余含水量和进水值;利用吸力可控制的非饱和土固结仪,进行不同常吸力下膨润土掺砂混合物的压缩试验,得到不同吸力下的压缩曲线.试验结果表明:随着施加吸力的增大,膨润土掺砂混合物的屈服应力增大,而压缩指数减小;同一吸力下,湿化段上吸力对应试样的屈服应力大于经过湿化饱和后处于干化段上吸力对应试样的屈服应力.

砂-膨润土混合物膨胀力影响因素的研究

在放射性废料地质处置中,砂-膨润土混合物可用作缓冲回填材料,因而引起了人们对其性能的更加关注。通过室内试验,初步研究了砂-膨润土混合物在不同含水量(4%～17.9%)、膨润土含量(10%～50%)和干密度(1.35～1.84 g/cm3)状态下的膨胀性能。通过对试验结果的分析,获得了一些有意义的结论。试验研究表明:砂-膨润土混合物的膨胀性能取决于其干密度、膨润土含量和含水量。含水量小于塑限含水量时,其对膨胀稳定后的膨胀率和膨胀力的影响不明显。在对膨胀力的影响因素的分析中,使用蒙脱石的填充率这一参数来描述膨胀力。把粘土矿物含量、干密度的影响都统一到蒙脱石填充率对膨胀力的影响,建立了蒙脱石密度与膨胀力的函数关系。