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。     

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。     

混合型缓冲材料水分迁移及干缩开裂规律研究

膨润土砂混合物在高放射性废弃物地下填埋处置工程中有着广泛的应用,其在养护过程中对结构完整性、裂隙数量和变形尺寸都有着很高要求。为了研究掺砂率和厚度对混合型膨润土在干缩过程中的含水率变化及开裂规律的影响,本研究制备了不同掺砂率、厚度的试样进行室内恒温干燥试验,并对整个过程含水量进行连续监测。试验结果表明,增大试样厚度及适当提高掺砂率均有助于抑制膨润土收缩变形和开裂行为,试验得到试样最小裂隙率时的掺砂率范围为20%~30%;干燥过程中试样蒸发率受到进气值和土颗粒间气液接触面积变化的影响;试样干燥过程随厚度的增大而延长,而残余含水率随掺砂率的增大而降低;引入干燥系数k并对其研究发现,水分迁移速率与试样厚度呈负相关,与试样掺砂率呈正相关。     

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。     

膨润土–砂混合型缓冲/回填材料渗气规律试验研究

为研究高庙子膨润土–砂混合型缓冲/回填材料的渗气规律,利用改进的三轴渗气试验装置,对不同掺砂率、干密度和含水率的混合物试样进行一系列试验研究。结果表明:在试验研究的条件范围内,膨润土–砂混合物(含纯膨润土)的渗气系数为3.9×10-4~2.1×10-2 cm/s;膨润土–砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律,但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响;掺砂率、干密度和含水率均对混合物的渗气性质有影响,混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加,随干密度和含水率增加呈指数形式降低;在试验研究范围内建立了考虑不同条件下的混合物渗气系数的公式,与试验结果吻合较好。得到的一系列试验数据能为我国高放废物地质处置库的建设提供科学依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高庙子膨润土—砂混合物土水特征曲线数学模型研究

基于压力板法和水汽平衡法获取缓冲回填材料土水特征曲线,探讨干密度、掺砂率、温度和溶质浓度对缓冲回填材料土水特征曲线模型的影响。遴选出三参数的张虎元模型和四参数的Fredlund and Xing模型可用于拟合我国高庙子(GMZ)膨润土—砂混合物的土水特征曲线,发现吸力值测试范围对模型选取影响很大。干密度和温度与张虎元模型参数具有很好的相关性,而掺砂率和溶质浓度与模型参数的相关性不明显;干密度与Fredlund and Xing模型参数具有很好的相关性,但掺砂率、温度和溶质溶度与模型参数规律性不明显。根据试验数据拟合出的土水特征曲线模型参数与干密度的经验公式,可用来评估处置库运行期材料密度不断变化时的持水特性。     

Swelling characteristics of Gaomiaozi bentonite and its prediction

Gaomiaozi （GMZ） bentonite has been chosen as a possible matrix material of buffers/backfills in the deep geological disposal to isolate the high-level radioactive waste （HLRW） in China. In the Gaomiaozi deposit area, calcium bentonite in the near surface zone and sodium bentonite in the deeper zone are observed. The swelling characteristics of GMZ sodium and calcium bentonites and their mixtures with sand wetted with distilled water were studied in the present work. The test results show that the relationship be- tween the void ratio and swelling pressure of compacted GMZ bentonite-sand mixtures at full saturation is independent of the initial conditions such as the initial dry density and water content, hut dependent on the ratio of bentonite to sand. An empirical method was accordingly proposed allowing the prediction of the swelling deformation and swelling pressure with different initial densities and bentonite-sand ratios when in saturated conditions. Finally, the swelling capacities of GMZ Na- and Ca-bentonites and Kunigel Na-bentonite are compared.     

Coupled effects of saline solutions and temperature on the swelling deformation property of GMZ bentonite-sand mixtures

Based on the results of one-dimensional free swelling tests, the coupled effects of NaCl-Na₂SO₄ solutions and temperature on the swelling deformation property of compacted GMZ bentonite-sand mixtures were analyzed. The concentrations of the NaCl-Na₂SO₄ solutions were 0, 0.008, 0.04, 0.08 and 0.16 mol/L, the temperatures were 20 °C, 40 °C, 60 °C, 80 °C and 90 °C and the sand contents were 0, 30 and 50%. X-ray diffraction (XRD) and mercury intrusion porosimetry (MIP) tests were also performed to find the influences of the temperature, solution concentration and sand content on the mineral composition and microstructure. The results showed that the maximum swelling strain of the specimens increased with an elevated temperature, while it decreased with increases in the solution concentration and sand content. The swelling process was accelerated by the rising temperature. The XRD tests indicated that the combined effect of a high temperature and a high solution concentration may have caused more Na⁺ from the saline solutions to enter the interlayer, partly displacing the divalent cations. The MIP tests demonstrated that adding sand to the bentonite could reduce the amount of inter-granular pores and increase the intra-aggregate pores. These findings are advantageous to the transfer of heat and pour fluid in the specimens; and thus, the swelling deformation capacity of the bentonite-sand mixtures was higher than that of pure bentonite under the same conditions.     

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。     

土体干燥过程中的体积收缩变形特征

通过开展室内试验,分别研究了初始饱和的糊状试样和不同压实状态的压实试样的体积收缩变形特征。对于糊状试样,采用液体体积置换法测量了试样干燥过程中的体积变化,获得了完整的收缩曲线,试验结果表明：糊状试样的收缩过程可分正常收缩、残余收缩和零收缩 3 个阶段;绝大部分收缩变形发生在进气点之前即土体处于饱和状态。对于压实试样,初始干密度和含水率对收缩特征有重要影响：初始干密度增加对体积收缩变形起抑制作用,而初始含水率的增加对体积收缩变形起促进作用。此外,压实试样的体积收缩存在明显的各向异性,且对初始含水率的敏感程度高于初始干密度。最后,根据试验结果,提出了压实试样收缩应变与初始干密度和含水率之间的函数关系式。     

配合比参数对自密实混凝土早期收缩及开裂性能的影响研究

研究了配合比参数（水胶比和砂率）对自密实混凝土早期收缩及开裂性能的影响,结果表明,自密实混凝土的水分蒸发速率随水胶比增加而增加,随砂率的提高而减小;而配合比参数对开裂及早期收缩的影响较为复杂,水胶比小于0.45时,随着水胶比增加自密实混凝土开裂面积提高,而混凝土3d收缩应变与之相反,当水胶比超过0.45后,开裂面积随之减小而混凝土3d收缩应变随之增加;随着砂率由48％增至55％时,砂率在51％时,自密实混凝土开裂裂缝面积达到最大值;随着砂率增加,混凝土3d应变收缩逐渐增大.     

采用内约束法评价轻集料混凝土的干燥收缩开裂

本文采用内约束收缩应力方法研究了轻集料混凝土表观密度、水灰比、轻集料品种、不同矿物掺合料对混凝土收缩开裂的影响。结果显示,轻集料混凝土表观密度的降低增大了干燥收缩开裂趋势,过低过高的水灰比对干燥收缩开裂均有不利影响,粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰的掺入降低了收缩开裂风险,混凝土收缩开裂概率随着限制程度提高明显增大。