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。

密实砂-膨润土混合物膨胀特性的试验研究

密实砂－膨润土混合物作为高放废料地质处置的缓冲材料，人们越来越关心它的性质。通过大量的试验，研究了密实砂－膨润土的膨胀特性，阐明了其膨胀过程和方式，得出了一些有意义的结论。

初始含水率对膨润土-砂混合物膨胀性质的影响

通过对高庙子膨润土砂混合物压实试样进行膨胀试验,研究了初始含水率对混合物试样膨胀性质的影响.膨润土砂混合物试样的掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%,初始含水率范围为5%～45%,所制备试样的初始干密度范围为1.30～1.90g/cm3.试验结果表明,随着初始含水率的增大,混合物试样的膨胀速度减慢.在较低初始含水率范围内,随着初始含水率的增大,最大膨胀力降低;在较高的初始含水率范围内,随着初始含水率的增大,最大膨胀力的值基本不变.另外,初始含水率对最大膨胀力的影响,随试样初始干密度的增大而增大,随试样掺砂率的增大而降低.所以,试样的最大膨胀率随着初始含水率的增大而线性降低;初始含水率对最大膨胀率的影响随着试样初始干密度的降低或掺砂率的增大而降低.

静力压实膨润土-砂混合物膨胀特性研究

为研究缓冲回填材料静力压实试样的膨胀特性,选用高庙子钠基膨润土(GMZ)为缓冲回填材料的主料,对不同掺砂率的膨润土-砂混合物静力压实试样进行了室内膨胀力和膨胀率试验,并与动力击实高庙子膨润土-砂混合物试样的膨胀试验数据进行对比。结果表明,静力压实的高干密度试样膨胀特性试验数据结果可以很好地分布在动力击实低干密度试样数据拟合曲线上,说明静力压实与动力击实两种制样方法获得试样的膨胀特性具有完全的一致性,在现场施工时可以根据需要自由选择;同时也验证了最大膨胀力随初始干密度呈指数增长,最大膨胀率随初始干密度呈线性增长的正确性,说明高干密度与低干密度试样的膨胀特性,随掺砂率增大符合相同的变化趋势。

温度和盐/碱作用下膨润土-砂-石墨缓冲材料膨胀力性能演化

缓冲材料是核废料等高放废物地质处置库的最后一道工程屏障,要想科学合理地评估缓冲材料的实际工作性能,需对温度场和化学场作用下非饱和缓冲材料的膨胀特性有清晰的认识。以膨润土-砂-石墨缓冲材料(BSG)为研究对象,基于自主研发的膨胀力试验装置,系统研究了温度、化学溶液对BSG混合物的膨胀力的影响。结果表明:高温和化学溶液降低膨胀力。阳离子类型的影响通过其化学活性的差异来解释。Ca^(2+)离子具有比Na^(+)离子更高的交换容量。温度对膨胀力的影响超过了阳离子类型,在室温条件下,加入CaCl_(2)溶液的BSG混合物的膨胀力高于加入NaCl溶液的,而高温下规律则相反。随着NaOH溶液pH值的增加,膨胀力减小。在较高的温度下,下降速率取决于NaOH溶液pH值。高浓度的OH^(-)有利于双层膨胀和土体结构重排,不同浓度的NaOH溶液对膨胀力的影响表现为Na^(+)和OH^(-)的相互作用。土体结构重新排列引起的双层膨胀力的增加和膨胀力的降低分别由双层厚度的减小和蒙脱石和硅酸盐矿物的溶解控制。

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。

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。

膨胀土-砂桩界面剪切特性试验研究

为研究土体与弹性材料之间的界面力学特性,通过膨胀土-砂桩接触面直剪试验,对不同含水率和不同垂直压力下剪应力与剪切位移曲线进行分析,探讨含水率对界面抗剪强度的影响。结果表明:在不同的含水率条件下,剪应力与剪切位移的关系曲线均表现为剪切硬化型;随着垂直压力的增加,剪应力峰值增加,其对应的剪切位移变大;界面抗剪强度随含水率增长呈现先增长后降低的变化规律;在同一含水率条件下,界面抗剪强度与垂直压力的关系符合摩尔-库伦准则;界面内摩擦角、界面黏聚力与含水率之间满足二次多项式关系,随着含水率增加,界面黏聚力呈递增趋势,界面内摩擦角则呈下降趋势。

孔隙溶液对高压实膨润土-砂混合物膨胀性及渗透性的影响试验

以高庙子(GMZ)钠基膨润土和石英砂混合物为原料,采用多功能膨胀-渗透仪进行不同干密度和不同孔隙溶液对试样膨胀性及渗透性的影响试验,结果表明:孔隙溶液饱和后,试样的膨胀力随干密度的增大而增大;干密度相同时,除了NaOH溶液外,其他孔隙溶液对试样的膨胀力均有强化作用,膨胀力先迅速增大至一个峰值,然后增速明显减小,随后再次升高,最终趋于稳定;干密度相同时,试样的渗透系数大小顺序为NaOH溶液> NaCl-Na_(2)SO_(4)溶液>模拟北山地下水>去离子水;孔隙溶液相同时,渗透系数随最大膨胀力和干密度的增大而减小。

膨润土-砂混合物碱热耦合老化后的膨胀性能

在高放射核废物地质处置中,膨润土-砂混合物作为其人工屏障的一种缓冲回填材料,长期受到含盐地下水与地热、化学衰变热的双重碱热耦合作用,导致该材料封闭性能衰退。为了研究膨润土-砂混合物在碱热耦合作用后的膨胀性能,将膨润土分别放入密封容器中用1 mol/L的Na OH溶液浸泡并置于90℃的高温烘箱中进行2~12个月的碱热耦合反应,模拟膨润土在地质库中的运行情况,考察了碱热耦合老化后膨润土-砂混合物恒体积膨胀力与膨润土自由膨胀率指标。结果表明,碱热耦合老化作用会显著降低膨润土-砂混合物的膨胀性能,随着老化时间的延长,膨润土-砂混合物的膨胀力和膨润土的自由膨胀率都明显减小。研究成果可为高废处置库长期运行的稳定性和安全性预测提供参考。

含砂量对砂-粉土混合物强度特性的影响试验研究

为研究砂粒对砂-粉土混合物强度特性的影响规律及作用机制,对不同含砂量的砂-粉土混合物进行三轴固结排水剪切试验和压汞试验。研究结果表明:随含砂量的增加,砂-粉土混合物的内摩擦角和峰值偏应力增大,黏聚力降低,含砂量≤30%时变化幅度最明显,其后较弱并趋于稳定;同时,峰值偏应力增幅随着围压的增加而增大。含砂量<15%时,砂-粉土混合物的强度由黏聚强度控制,随着含砂量增大,摩擦强度逐步超过黏聚强度对强度起主要作用。砂-粉土混合物的体积收缩致使土体更加密实,从而导致砂-粉土混合物内摩擦角和峰值偏应力的增加。

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。

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.

路基黏土-砂混合填料的工程特性

为研究路基黏土-砂混合填料的工程特性,本文选取高岭土和石英砂,分别制备不同含砂率与含水率的黏土-砂混合物试件,开展轻型击实、液限塑限联合测定、自由膨胀率、承载比(CBR)、无侧限抗压强度试验。结果表明,随着含砂率增加,黏土-砂的最大干密度升高,最佳含水率、塑限、液限、塑性指数降低。在相同含砂率下,黏土-砂的CBR值随着含水率上升先增后减。若含砂率上升,则黏土-砂的最大CBR值升高,最大CBR值所对应的含水率降低,黏土-砂满足作为路基填料的CBR值要求时,所对应的含水率范围明显收窄。随着含水率或含砂率增加,黏土-砂的自由膨胀率与无侧限抗压强度均减小。相比于含砂率,含水率对黏土-砂无侧限抗压强度的影响更显著。

混合型缓冲回填材料膨胀变形试验研究

选用高庙子钠基膨润土(GMZ001)为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内膨胀变形试验。结果表明:膨胀率随时间呈指数增长;掺砂率一定时,最大膨胀率随初始干密度的增大而线性增长;初始干密度一定时,最大膨胀率与掺砂率呈二次函数关系。引入有效黏土密度的概念对最大膨胀率进行计算,建立了任意掺砂率和初始干密度条件下膨润土-砂混合物最大膨胀率归一化模型,为混合型缓冲回填材料在高放废物地质处置中膨胀行为的预测与控制提供了依据。