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。     

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%。     

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。     

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。     

膨胀土裂隙发育的厚度效应试验研究

膨胀土的裂隙开展受到许多因素的影响,包括自身的土体性质,环境状况,边界条件、土体尺寸等。厚度对膨胀土等黏性土体的开裂规律具有重要的影响,为了探究这种重要因素在膨胀土失水收缩开裂过程中的具体影响规律,试验设置了4个具有不同厚度的大直径圆形泥浆试样。运用图像处理技术,通过记录试样的裂隙演化过程及质量的变化,定量分析裂隙面积分形维数、长度分形维数等指标随含水率下降的动态变化关系。试验结果发现:①厚度对膨胀土失水收缩开裂及裂隙扩展过程有明显影响,厚度较小的试样其裂隙发育充分,裂隙密集细长而纹理丰富;厚度较大的试样裂隙发育单一,裂隙宽大而边界效应明显,通过提出厚度和试样直径的比值,可以初步预估试样的裂隙发育情况;②裂隙面积分形维数受厚度的影响较小,而裂隙长度分形维数受厚度的影响较大,结合两者可以有效地对裂隙形态及分布进行表征,裂隙最终的长度分形维数一般在1～1.5,而面积分形维数基本维持在1.6～1.7。此外,结合土体开裂的张拉破坏理论以及试样的收缩蒸发情况,对厚度影响下的土体开裂差异进行了理论分析,进一步探究了裂隙的扩展规律。     

膨胀土收缩开裂过程及其温度效应

温度作为主要的外部环境因素之一,对膨胀土水-力学性质有重要影响。为了了解膨胀土在不同温度条件下的干缩开裂特性,开展了一系列干燥试验。试验中共配制了9组初始饱和的泥浆试样,干燥环境温度分别为22℃,60℃和105℃。在干燥过程中,实时监测试样的含水率变化及表面裂隙的演化过程,利用数字图像处理技术,对裂隙图像进行了定量分析,获得了表面裂隙率R_sc;采用填充法,测量了裂隙的体积。结果表明：在干燥初期,试样中水分蒸发速率为常数,且随温度的增加而增加,试样达到残余含水率所需时间随温度的增加而减小;裂隙出现时对应的临界含水率w_IC受温度的影响非常明显,当温度从22℃增加到105℃时,w_IC从38.0%增加到90.9%;在裂隙发展前期,R_sc增速较缓,随后进入快速发展期,较小的含水率变化可导致R_sc迅速增加;当含水率接近终期临界含水率w_FC或缩限时,裂隙发展趋于稳定,且w_FC基本不受温度的影响;在高温环境下,膨胀土的裂隙发育程度较低温环境高,存在明显的温度效应。     

膨润土-砂混合物缓冲层热传导性试验研究

由于高放废物长期衰变放热,因此缓冲材料的热性能参数对处置库的稳定和安全运营具有重要意义。膨润土-砂混合物中石英砂的掺入可有效改善其热传导性能。本研究采用中粒石英砂作辅料,利用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪对不同干密度、掺砂率和含水率试样进行测量,分析不同参数对导热性能的影响;采用自行设计的装置对按比例缩小后的试样进行不同热源温度下的热传导模拟试验,并对缓冲层热-力耦合过程进行数值模拟分析,得到了缓冲层温度、应力和位移的变化及分布情况,对比分析不同热源幅值对其分布影响的敏感程度。研究结果表明,导热系数随着干密度、掺砂率增大而增大,且含水率越高增幅越明显;热源温度越高,缓冲层温度、应力及位移的变化越大,且热-力耦合条件下,径向比轴向变化相对较大。热源温度较低时处置库更为稳定。     

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。     

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。     

Experimental studies on curling development of artificial soils

Soil curling is an important phenomenon associated with volume changes induced by increasing soil suction upon desiccation. The study of soil behaviors associated with drying in soils (e.g. soil shrinkage, desiccation cracks and curling) has received increasing attention over the last few years, which has been mainly driven by the forecast climate change that will warm up our planet. There are significant gaps in the current knowledge related to the factors that control the development of curling deformations in soils. For this, the curling phenomenon is investigated through laboratory desiccation tests on different mixtures of artificial soils. The effects of soil grain size distribution, mineralogy, soil microstructure, and soil water content on the curling deformation are analyzed. Digital photos were taken at regular time intervals during the tests to understand the volume changes in the soil samples during drying. It is found that soil fabric and soil water content have significant effects on curling scenario. It is observed that the percentage of sand particles and the initial water content play a critical role in the development of soil curling. Samples of pure clayey minerals experienced shrinkage without or with minor curling during drying.     

控制厚度条件下土体干缩开裂的界面摩擦效应

土体厚度和界面粗糙度对土体干缩开裂有着重要影响,为了探究土体在不同厚度和界面粗糙度条件下的干缩开裂特性,开展了一系列室内干燥试验。试验中共配置了9组初始饱和的泥浆样,分别设置3种不同的土体厚度和3种不同的界面粗糙度,并在恒温30℃的条件下进行干燥,实时记录试样含水率变化及表面裂隙的演化过程,利用数字图像处理技术,对裂隙网络进行了定量分析,得到不同厚度和不同界面粗糙度条件下土体龟裂的动态发展过程及相关参数。试验结果表明:①界面粗糙度越大,龟裂发育速度越快,然而土体厚度越大,龟裂发育速度越慢,且土体整体收缩效应越明显;②界面粗糙度越大,龟裂发育程度越高,然而增加土体厚度可以削弱界面粗糙度对龟裂发育过程的影响;③土体厚度和界面粗糙度都对土体开裂时的临界含水率有重要影响,且两者对龟裂发育过程的影响具有耦合作用关系。最后,结合土体干燥收缩特性,探讨了上述两种因素对龟裂的影响机理。     

泵送混凝土裂缝的产生及其防治

泵送混凝土具有水泥用量多、单位用水量大、砂率高和掺化学外加剂的特点,结构物容易产生裂缝。该文从温差、沉陷收缩、干缩引起的裂缝进行分析,提出了从合理选用原材料、合适的配合比、改进施工工艺、加强科学养护等方面采取措施、防止裂缝产生。     

膨胀土干燥过程中收缩应力的测试与分析

膨胀土在膨胀过程中会产生膨胀应力,收缩过程中亦会产生收缩应力。探究膨胀土在干燥过程中收缩应力的变化规律对理解收缩变形机制有重要意义。为了掌握膨胀土在干燥过程中内部收缩应力与含水率及吸力之间的关系,在控制相对湿度条件下开展了一系列干燥试验。试验中共配置了3组初始饱和的泥浆样,将试样分别置于装有不同过饱和盐溶液的保湿器中,并在恒温20℃的条件下进行干燥,实时记录试样含水率的变化。此外,在试验过程中,通过在试样内部植入微型压力传感器来测定土体收缩应力随干燥时间的变化。试验结果表明:①在不同相对湿度条件下,土体内水分蒸发特性不同,如相对湿度越小,土体水分蒸发的越快,且蒸发结束后,土体残余含水率越低;②干燥过程中,土体内收缩应力呈现明显的阶段性变化特征。干燥前期,收缩应力随时间的推移增加缓慢,但当达到临界时间点ts或临界含水率ws以后,收缩应力随着干燥的持续开始急剧增加,并且蒸发速率越大,ts和ws越小;③干燥结束后,土体内部收缩应力与环境相对湿度呈负相关,与对应吸力呈正相关。     

萘系高效减水剂对砂浆早期变形性能影响的研究

高效减水剂是高性能水泥基材料不可缺少的组分．早期收缩开裂是导致水泥基材料劣化的根本原因。本文采用多通道椭圆环收缩开裂测试手段、自由收缩和强度试验综合评价了萘系高效减水剂对水泥砂浆早期收缩开裂和强度的影响。结果表明．掺萘系高效减水剂延长了砂浆初始开裂时间．从而降低了砂浆的开裂敏感性。且高浓型比普通型更能有效地降低砂浆开裂敏感性。掺萘系高效减水剂增大了砂浆自由收缩值．砂浆自由收缩值都随着UNF掺量的增大而增大．且在同等掺量条件下．掺高浓型UNF砂浆的自由收缩值要比掺普通型UNF的略大。在干燥养护条件下．普通型UNF比高浓型UNF更能有效地提高砂浆的28d强度。     

干湿循环下复合固废填料配比对强度的影响

通过对不同配比的9组复合固废轻质填料(简称轻质填料)试样在不同干湿循环次数下的单轴抗压强度试验,分析了干湿循环下各组分掺入比对轻质填料抗压强度的影响.结果表明:轻质填料经历8次干湿循环后仍有较好的力学性能,达到或超过水泥土的强度要求.随着水泥掺量的增加,轻质填料在早期干湿循环过程中强度提高,有助于后期抗干湿循环.适量掺...     

水泥基体参数对砂浆塑性收缩开裂性能的影响

研究了水泥基材料基体参数对砂浆塑性收缩开裂性能的影响，结果表明：水泥品种不同，砂浆的塑性开裂性能不同；水泥标号增大，砂浆的塑性开裂也将加大；存在使砂浆塑性开理解最大化的水比；灰砂比越小，砂浆的抗塑性开裂性能越好；粗细集料、外加剂种类、混合料品种及掺量也对砂浆的塑性开裂性能有很大影响。     

Relationship between the shrinkage crack characteristics and the water content gradient of compacted clay liner in a landfill final cover

Shrinkage cracking is the primary reason for the anti-seepage failure of compacted clay liner (CCL) in a landfill final cover. With a focus on the surface crack characteristics and the water content distribution of three CCLs with different liquid limits and their mineral compositions, experiments were conducted to investigate the cracking mechanism of a CCL during the drying process. The results showed that the total crack ratio (TCR), the sum of the surface shrinkage crack ratio (SCR) and the surface boundary shrinkage ratio (BSR), is a function of the surface water content of a CCL. The change in the TCR with surface water content is consistent with the soil shrinkage characteristic curve (SSCC). The surface SCR is a function of the surface water content gradient of a CCL. The variations in the SCR with the water content gradient can be divided into the following three stages: the crack open stage, the crack linear expansion stage and the crack linear close stage. The effect of sample size, surface boundary shrinkage and shrinkage cracking are the main deformations of CCL specimens with low and high liquid limits, respectively, during the drying process. An increase in the amount of clay minerals in CCLs enhances the soil shrinkage capacity, leading to an increase in the SCR under the same water content gradient. A unified linear relationship exists between $\mathit{SCR}/K_{\text{j}}$ (where K_j is the slope of the SSCC) and the water content gradient in the crack linear expansion stage and the crack linear close stage for different CCL types.