混合型缓冲回填材料压实性能研究

 根据国外高放废物地质处置领域缓冲回填材料研发趋势,提出我国混合型缓冲回填材料开发新构想,即在纯膨润土中添加一定量的石英砂,期望在不显著降低渗透性能的前提下明显改善其热传导性能和力学强度。选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土)为主料,添加0%～50%含量的石英砂,采用标准击实试验和重型击实试验,研究混合土的动力压实特性;采用专门设计的压实模具,研究混合土在20和50 MPa压力下的静力压实特性。研究结果表明,不同掺砂率的膨润土–砂混合物,最大干密度与最优含水率存在统一的幂函数关系,而与压实方法及压实能大小无关。对于不同的压实方法及压实能大小,最优含水率与掺砂率之间存在线性关系。利用这些关系,就可以针对特定的压实目标选择适宜的压实方法。研究表明,高庙子膨润土掺加10%～30%的石英砂有助于改善压实质量,预计防渗性能也不会降低。     

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。     

高放废物处置库缓冲材料导热性能研究

 缓冲材料是高放废物深地质处置库中的重要工程屏障,其导热性能参数是高放废物处置系统设计的关键参数之一。利用ISOMET导热仪,研究内蒙古高庙子天然钠基膨润土GMZ01与石英砂和石墨混合材料GMZM不同压实密度和不同含水量样品的导热性能。结果表明,GMZM的导热系数、热容量和热扩散系数随压实密度的增大而显著增大,随着含水量的增大而增大;与GMZ01的导热性能相比,随着压实密度的增大,石英砂和石墨作为添加剂可以明显提高缓冲材料的导热性能和热扩散性能,但对比热没有显著影响。压实干密度大于1.8 g/cm3后,GMZM的导热系数和热扩散系数比GMZ01的导热系数和热扩散系数均提高20%以上。缓冲材料的导热性能与其含水量、干密度、矿物组成和微结构等有关,导热系数随着含水量和干密度的增大而增大,但是导热系数与含水量和压实干密度不具有一致的线性关系。当GMZ01的饱和度大于20%时,不同压实干密度样品的导热系数、比热、热容量、热扩散系数均与饱和度具有线性关系。     

集成回填材料的压缩性能研究

缓冲材料是高放废物深地质处置多重屏障系统中非常重要的一道人工屏障,通过研究一定配比的集成回填材料在不同含水量条件下的压实成型性、不同压实干密度和不同含水量压实样品的无侧限压缩性能,认为：含水量为15％的集成回填材料压实成型性最好,含水量为20％次之,压实干密度越大,无侧限抗压强度越大,在无侧限压缩实验时,含水量为20％的高密度压实回填材料样品比含水量为10％和15％的样品的抗压强度小,变形大。     

高压实高庙子膨润土的热传导性能

采用基于热探针法的热传导仪,研究了作为我国高放废物深地质处置首选缓冲/回填材料的内蒙古高庙子钠基膨润土和膨润土–石英砂混合材料的热传导特性,探讨了含砂量、干密度和含水率等因素影响,并运用多种热传导模型进行了预测对比分析。结果表明:高压实高庙子膨润土及膨润土–混合物的热传导系数均随干密度和含水率的增大而增大;在不同的干密度条件下,混合物的热传导系数均随含砂量的增加而增大,且干密度越大,热传导系数随含砂量的增加越明显;含水率不为零时,膨润土–砂混合物的热传导系数随含砂量的增加而增大;烘干试样(含水率为零)在石英含砂量为0～30%的范围内,混合物中石英砂的比例越大,热传导系数越高,石英砂比例为50%时,热传导系数有所下降。Kahr方程能较好地预测高庙子膨润土的热传导系数;Fricke方程预测的高庙子膨润土–砂混合物热传导系数与实测值拟合较好,可用于高庙子膨润土–砂混合物热传导系数的预测。     

间断级配粗粒土压实特性试验研究

岩土工程中常遇到级配不连续的粗粒土,这类间断级配粗粒土的压实特性尚不清楚。通过开展室内压实试验,探究了影响间断级配粗粒土压实特性的主要因素。试验发现,间断级配与连续级配料相比,缺少d_(30)以下的粒径不利于压实,缺少中间粒径反而可能有利于压实。其干密度随基准级配分形维数D的增加而增大,并且D=2.5～2.7时压实性最好;随细料含量的增加先增后减,而最优细料含量与粗、细料单独堆积密度以及粗细颗粒堆积过程中的相互干扰程度有关。据此建立了间断级配粗粒土压实干密度的预测模型,通过少量压实试验即可得获得干密度与细料含量的关系曲线,从而得到最优细料含量和满足干密度要求的细料含量区间,可以较大程度上减少试验工作量。     

红黏土的土水特性及其孔隙分布

以桂林红黏土为研究对象,采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法3种方法研究在全吸力范围内原状样和压实样的土水特性,并结合压汞试验研究其孔隙分布。试验结果表明:当吸力约小于10 MPa时原状样的土水特征曲线略低于压实样,主要原因是原状样内部裂隙随吸力的增加而不断发展;当吸力约大于10 MPa时两者的土水特征曲线几乎重合。原状和压实桂林红黏土样的土水特征曲线与典型的土水特征曲线不同,即在过渡段均不是单一直线。此外,原状样为单峰孔隙结构,压实样则为双峰孔隙结构,原状样的最终收缩变形量比压实样大。不同干密度的压实样内部颗粒间孔隙分布几乎相同,而积聚体间孔隙或积聚体内孔隙相对较大孔隙存在差异;由此可解释在高吸力范围内不同干密度压实样的含水率与吸力关系土水特征曲线几乎重合;以饱和度与吸力关系表示时,干密度越大,土水特征曲线越高。     

间断级配粗粒土压实特性试验研究

岩土工程中常遇到级配不连续的粗粒土,这类间断级配粗粒土的压实特性尚不清楚。通过开展室内压实试验,探究了影响间断级配粗粒土压实特性的主要因素。试验发现,间断级配与连续级配料相比,缺少d₃₀以下的粒径不利于压实,缺少中间粒径反而可能有利于压实。其干密度随基准级配分形维数D的增加而增大,并且D=2.5~2.7时压实性最好;随细料含量的增加先增后减,而最优细料含量与粗、细料单独堆积密度以及粗细颗粒堆积过程中的相互干扰程度有关。据此建立了间断级配粗粒土压实干密度的预测模型,通过少量压实试验即可得获得干密度与细料含量的关系曲线,从而得到最优细料含量和满足干密度要求的细料含量区间,可以较大程度上减少试验工作量。     

钢渣-泡沫混凝土的配合比设计及性能研究

本文以钢渣为掺合料制备泡沫混凝土,研究了钢渣替代水泥量、单位体积发泡剂掺量对钢渣-泡沫混凝土力学性能和干体积密度的影响。实验结果表明:单位体积凝土中发泡剂掺量一定时,随着钢渣替代水泥量的增加,泡沫混凝土的抗压强度呈逐渐下降趋势,而干体积密度却不断增加,当替代量为50%时,干体积密度增加43.3%;当钢渣掺量在20%时,随着单位体积发泡剂掺量增加,泡沫混凝土的抗压强度和干体积密度呈下降趋势。     

侧限状态下高压实高庙子膨润土非饱和渗透性的试验研究

高放废弃物深地质处置库中,由高压实膨润土形成的人工屏障,起着阻障围岩中地下水渗入内库并引起核素迁移以及库内高放废物的辐射扩散的作用。因此,有必要研究侧限状态下高压实膨润土的非饱和渗透性能。采用瞬时截面法试验研究了侧限状态下高压实高庙子膨润土的非饱和渗透特性。结果表明:侧限状态下,干密度为1.7g/cm3的高压实高庙子膨润土的非饱和渗透系数,数值为1.13×10-13～8.41×10-15m/s,且与土中吸力呈非单一增减关系。当土中吸力约为68MPa时,非饱和渗透系数最小;吸力大于68MPa时,其非饱和渗透系数随着吸力的增加而增加;而当吸力小于68MPa时,非饱和渗透系数随着土中吸力的增加而减小。     

纳米黏土改良黄土力学性能试验研究

在陕西安塞地区黄土中掺入两种不同纳米黏土材料,设计不同掺量、含水率、养护龄期等多因素影响下的正交试验,并对改良后黄土进行三轴试验,分析凹凸棒土和纳米蒙脱土改善黄土无侧限抗压强度指标以及抗剪强度指标的变化特征,并采用SEM对两种纳米黏土改良黄土进行改善机理微观分析。结果表明:掺量为1%的凹凸棒土、掺量为2%的纳米蒙脱土对黄土抗压强度影响最为显著,在一定含水率下可使素黄土的抗压强度分别提高21%和42.3%; 两种纳米黏土改良黄土应力-应变曲线受试样干密度、围压及掺量的影响,干密度为1.35 g?cm^-3、围压为50 kPa的改良黄土有应变软化现象,干密度达到1.65 g?cm^-3时,4种不同围压下改良黄土应力-应变曲线均有应变硬化的趋势; 两种纳米黏土对改良黄土的抗剪强度指标影响效果显著,其中1%掺量的凹凸棒土、2%掺量的纳米蒙脱土可以使改良黄土的黏聚力分别提升61.02%和81.70%,内摩擦角分别提升27.86%和21.31%。     

废弃橡胶轮胎环箍的散体材料特性研究

为了提高废弃轮胎路基使用性能和效果,研究了废弃轮胎环箍下的散体材料压实度和承载力。由于轮胎的侧限作用,轮胎内粉质黏土的最佳含水量比标准实验测定的最优含水量大,细砂的小于最优含水量。轮胎内散体材料的压实度一定范围内随着压实功的增加而增加,级配均匀的砂土在相同压实功的条件下干密度最高,取得最优的压实效果。轮胎的半径越大承载力越低;粗骨料填充的轮胎比细骨料填充的轮胎承载力高,但变形大。轮胎新旧对其内填散体材料的压实度和承载能力没有影响。由于散体材料的横向变形受到轮胎的约束,处于三向受压状态,因此提高了竖向载荷能力。     

最大干密度和最优含水率的准确性探讨

对土的压实原理做了简单论述 ,同时还提出了提高击实试验结果准确性时应注意的几个问题。介绍了击实规范中规定的击实标准及在实际工作中击实方法的选择 ;对试验时采用不同土样制备方法求得的最大干密度和最优含水率进行了比较和较透彻的理论分析 ;对击实功对最大干密度的影响做了一定的试验研究。同时 ,关于余土高度对最大干密度的影响 ,提出余土高度控制在3mm以内得到的结果比较理想 ,而且为了减少人为因素导致最大干密度和最优含水率产生的偏差 ,提出借助 Excel或插值函数计算法来处理室内标准击实试验数据。     

碎石–膨润土混合物之压实行为

核废料处置之缓冲材料系由膨润土或碎石(或硅砂)-膨润土混合材料构成,由粉体压制为高密度块体过程中材料与模具间会产生壁面摩擦力,故求取之压缩曲线无法代表材料真实之压缩行为。进行一系列不同最终长宽比压实试验,利用实验结果拟合求取膨润土Gurnham压缩方程式相关参数,建立膨润土之无摩擦力压缩曲线;此一压缩曲线排除壁面摩擦力且不受材料几何形状之影响,可代表材料真实之压缩行为。针对影响压实行为之各项因素(如应力速率、壁面条件、碎石含量及碎石粒径)进行压实试验,探讨各项因素对摩擦力之影响。     

建筑废弃物应用于路基填料的性能研究

为了明确建筑废弃物应用于路基填料的使用性能,通过系统的室内试验,研究建筑垃圾再生骨料的基本性能,通过标准击实试验以及承载比试验,得出混合料的最大干密度、最佳含水量以及CBR值,分析了建筑废弃物混合料不同砖混凝土比例以及在土中的不同掺量对以上指标的影响,得出了建筑废弃物混合料用于路基填料中的最佳配比。经试验和模拟分析,各配比混合料下的CBR值均能满足现行规范的要求,可以在道路工程中使用。     

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。     

石灰改良红土击实特性研究

通过击实试验,研究了石灰掺量对石灰改良红土击实特性的影响规律,结果表明石灰改良红土的最大干密度随含石灰量的增大而增大,增大的趋势先快后慢,石灰改良红土的最优含水量随含石灰量的增大而增加,且增加趋势先快后慢。     

马兰黄土压实工艺的试验研究

针对马兰黄土的压实工艺开展了击实试验及系列现场试验研究,分析含水量对压实效果的影响和单项工艺及新型组合工艺的压实工效,给出压实马兰黄土主要物理力学性质、填筑地基承载力特征值及土体变形模量的参考值。试验结果表明:马兰黄土水敏感性强,含水量控制是其压实效果的关键因素,现场压实施工的土体含水量控制范围可取12%～14%,最大干密度可取1.85～1.89 g/cm3,压实施工可首选振碾强夯组合压实工艺,该工艺施工速度快,场地适应性好,可较好地应用于沟壑填筑施工。     

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。