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。     

地下水含盐量抑制缓冲砌块接缝的愈合效果

高放废物地质处置库在长期运营过程中,压实膨润土砌块水化膨胀,砌块之间的接缝逐渐封闭。地下水中的盐分会限制膨润土的膨胀量,进而抑制接缝体系的自愈合程度。以高庙子膨润土为研究对象,开展渗透试验、热传导试验及微观结构试验,评估渗透溶液含盐量对混合型缓冲砌块接缝愈合效果的影响。压制圆饼状含接缝试样,接缝中充填颗粒膨润土,以甘肃北山地下水模拟溶液开展刚性壁渗透试验,随后测试接缝附近的热传导系数和微观结构,与蒸馏水试验结果进行对比分析。试验结果表明,入渗液为蒸馏水时,接缝体系的水力传导系数最小。随着入渗液总溶解性固体浓度TDS上升到10 g/L,水力传导系数持续增大超过一个数量级,即含盐量越高,对接缝体系有效愈合的抑制效应越明显。渗透试验之后,试样接缝带内部干密度有所提高,非接缝部位的干密度有所降低,证明接缝愈合是通过膨润土向接缝低应力空间膨胀实现的。与蒸馏水相比,入渗液盐分浓度的升高,试样接缝带干密度的提高幅度减小,说明盐分抑制了接缝体系的愈合潜能。随着入渗液浓度增加,热传导系数总体呈微弱的减小趋势,而且接缝带内部的热传导系数方差增大,即接缝空间的热稳定性降低。     

缓冲回填材料砌块接缝密封及愈合研究

高放废物地质处置多重屏障体系中,缓冲回填材料砌块接缝构成潜在的"水力缺陷"和强度薄弱部位。室内试验制备压实膨润土模拟接缝试样,设置接缝宽度为2 mm,采用膨润土干粉、膨润土泥浆、微粒膨润土3种材料对接缝进行密封。将含接缝试样进行柔性壁渗透试验,之后开展热传导试验,评价砌缝不同密封形式愈合效果的差别。自然堆填密度和自由膨胀率试验得到,颗粒粒组为0.25~0.5 mm,且颗粒率为70%时,微粒膨润土达到最佳组构。试验数据表明,不同密封处理的含接缝试样的水力传导系数范围为(2.51~4.94)×10-10 cm/s,其水力传导系数Rg由小到大的顺序为Rg=70%微粒砌缝、Rg=90%微粒砌缝、Rg=50%微粒砌缝、泥浆砌缝、Rg=30%微粒砌缝和干粉砌缝,与接缝密封材料初始填充干密度成负相关。沿着接缝方向,各试样的平均热传导系数范围为1.43~1.63 W/(m·k),其中Rg=70%微粒膨润土砌缝的导热性能最好。垂直接缝方向,各试样的热传导系数基本呈现出接缝愈合带略小于接缝两侧的趋势。研究证实,膨润土干粉、膨润土泥浆和微粒膨润土3种形式的密封材料中,Rg=70%微粒膨润土是优良的密封材料,密封后的接缝愈合效果最佳。随着试样不断饱水膨胀,接缝带干密度提高,接缝结构面逐渐愈合消失,愈合带水力传导性质和热传导性质与砌块材料逐渐趋于一致。     

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。     

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%。     

接缝对高压实膨润土工程屏障自封闭性能的影响

 以高庙子膨润土为研究对象,采用自主研制的多功能膨胀–渗透仪,对不同初始干密度的试样进行不同接缝宽度条件下的膨胀力和渗透试验,并对水化后的膨润土进行水银孔隙率定试验,从微观结构层面分析接缝对膨润土渗透性的影响机制。结果表明：接缝的存在将导致膨润土的膨胀力减小、渗透性增大,从而降低膨润土在处置库中的自封闭性能;在水化过程中,接缝的存在会引起膨润土内部孔隙大小和数量的变化,宏观表现为膨润土渗透性增大。     

纳米膨润土加固黏土强度的试验研究

纳米膨润土是一种新型的土体加固材料,能有效提高土体的物理力学性质。掌握纳米膨润土加固土体的特性对于该技术的推广应用具有重要的意义。本文开展了10组无侧限抗压强度试验,研究了掺加纳米膨润土后黏土土样的力学性质,以及纳米膨润土掺量、土的含水率和干密度三个因素对土体无侧限抗压强度的影响。结果表明,纳米膨润土的掺加能有效提高黏土的抗压性能,且抗压强度随纳米膨润土掺量、土干密度的增加呈非线性增加;随土含水率的增加,抗压强度先减少后增加。黏土内掺入纳米膨润土后,由于土的孔隙会被填充,形成密集结构,纳米膨润土-黏土颗粒界面的有效接触面积增加,使黏土体的强度显著增加。同时,水分会在纳米膨润土-黏土界面起到润滑作用。本研究表明,这一土体加固技术能有效提高地基土的承载力和变形性能,因此具有巨大的应用潜力。     

高压实膨润土孔隙结构特征研究进展

在详细阐述高压实膨润土孔隙结构组成及其界限孔径确定方法的基础上,全面总结了处置库近场条件下孔隙结构演化规律及其对水力特性影响的研究成果.结果表明:高压实膨润土具有由晶层间孔隙、层叠体间孔隙、集合体间孔隙组成的三孔结构,而描述本构关系时通常简化为由宏观孔隙和微观孔隙构成的双孔结构.双孔结构中宏、微观孔隙界限孔径的确定方法...     

化–力耦合条件下膨润土的体变特性

在处置库长期运营中,由于地下水水位、温度等变化导致地下水离子浓度变化,围岩和废物罐的限制产生反压力,不可预知的地质构造活动或者地质环境变化导致附加应力变化都会影响缓冲/回填材料的体变。为模拟缓冲/回填材料在地下水离子浓度和附加应力变化下的体变情况,在不同化学–力学应力路径下,以不同浓度NaCl溶液和去离子水作为入渗溶液,采用高压固结仪对干密度1.6 g/cm~3的膨润土试样进行膨胀–压缩–回弹试验,从宏观和微观的角度系统地分析膨润土在化–力耦合条件下的体变特性。结果表明,随着NaCl溶液浓度增加,膨润土试样的最终膨胀率及压缩指数减小。通过对经历淡化(入渗溶液由盐溶液替换为去离子水)–盐化(入渗溶液由去离子水替换为原盐溶液)循环与未经历该循环的试样体变特性对比发现宏观结构塑性性状在一定程度上表现出不可逆性状,而微观结构性状是可逆的。在淡化循环下,随着循环前溶液浓度的增加以及循环时竖向应力的减小,循环膨胀率随之增加。     

透水性基床级配碎石填料宏细观压实特性试验研究

透水性级配碎石填料因其良好的渗透性而逐渐用于透(排)水性基床结构层,其压实质量直接影响路面结构工后变形和耐久性等关键服役性能。针对由颗粒堆积理论提出的石砂比(G/S)指标所设计的7种不同的透水性级配,分别开展室内重型击实和新型平板振动压实试验,研究级配、压实方式和能量水平等因素对碎石填料宏观压实特性和颗粒破碎的影响以及平板振动压实的最优激振参数组合,提出并初步验证对同种类型填料级配、压实方法和能量等的改变不敏感的干密度–饱和度归一化压实曲线;进一步采用高精度工业XCT扫描技术,从细观尺度对比研究了最优激振参数组合下不同级配的碎石填料试样内部颗粒运动、空隙分布和连通性特征等。结果表明：石砂比(G/S)指标级配设计方法可有效地区分透水性级配碎石填料不同的颗粒堆积结构类型,存在最优G/S值范围可使压实后的干密度最大、颗粒破碎程度最低和空隙结构最佳;平板振动压实下干密度随激振时间呈现3个不同的阶段,最优激振频率范围为25～27 Hz,且存在有效的激振时间和激振力组合,XCT扫描结果从细观层面分析不同阶段颗粒的运动规律验证宏观压实特性的变化规律,对比不同级配的空隙分布和连通性证实石砂比(G/S)...     

复合水泥粒径分布对强度影响的初步探讨

本文通过测定复合水泥各组分的粒径分布,测定和计算复合水泥的堆积密度,测定水泥砂浆的强度,得出：水泥石强度并不一定随水泥细度的增加、组分水化活性的提高而提高,水泥颗粒越细,水化活性越高,同时体系的堆积密度也越小;相反提高粒径,增加堆积密度也要牺牲水化活性。复合水泥的最佳粒径分布应该使体系的堆积密度和水泥颗粒的水化活性相匹配。使体系获得尽可能大堆积密度,同时所产生的水化物足以使体系的原始孔隙被完全填充     

盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土膨胀变形特性

高放射性废物深地质处置库中,混凝土材料在地下水和辐射热的长期耦合作用下,不断衰解生成高碱性物质,进而影响高压实膨润土的膨胀变形特性,危及处置库运行安全。针对中国北山处置场地下水特征对缓冲/回填材料高压实高庙子(GMZ)膨润土变形特性的影响,分别配制北山地下水(BSW)、早期混凝土衰解液(YCW)和后期混凝土衰解液(ECW),开展了盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土的一维膨胀变形试验,获取了初试干密度(1.50,1.60,1.70,1.80 g/cm³)和上覆荷载(0.1,0.2,0.4 MPa)对膨润土变形的影响规律。结果表明：随着BSW、YCW和ECW 3种溶液相继入渗,高压实膨润土的稳定膨胀变形率不断增加,但增加值逐渐减小;当YCW和ECW入渗时,稳定膨胀变形率的增加值随干密度增加而减小,随荷载增大而减小。基于压汞试验结果,阐明了盐碱演化环境下高压实膨润土持续膨胀的微观机理。研究成果可为中国处置库缓冲/回填材料的选择和工程屏障设计提供依据。     

高庙子膨润土在高温高压下的强度特性研究

高庙子膨润土是中国高放废物地质库的首选缓冲/回填材料,将长期在高温(100℃左右)高压(数十兆帕)条件下工作。为了探讨高庙子膨润土在高温高压条件下的强度特性,使用高温高压土工三轴仪,共做了81个三轴不排水剪切试验,系统研究了干密度、围压、温度和含水率对其强度特性的影响。研究结果表明:(1)围压和干密度对高庙子膨润土的破坏形态的影响很大;(2)高庙子膨润土的强度随含水率增大而减小;温度和干密度对其强度的影响比较复杂,干密度较低时,偏应力–轴向应变曲线的位置随温度升高而上移;但干密度较高时的情况则完全相反;(3)分别建立了高庙子膨润土的黏聚力和内摩擦角随干密度、含水率和温度变化的公式。本文的研究成果为分析缓冲材料的热–水–力耦合性状提供了科学依据。     

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。     

核废料处置库膨润土膨胀变形研究

膨润土因其优良的膨胀性,常被用于核废料处置库的土障材料。因为核废料处置库会受到温度、渗流、力学、化学等多场耦合作用,膨润土在复杂环境下的的膨胀特性也会受到影响。本文建立了一个核废料处置库的多场耦合模型,模拟了核废料处置库中膨润土土障的温度、饱和度、应力和位移情况,对复杂环境下的膨润土土障的安全性能进行了评价。     

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。     

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（1．35－1．84g/cm^2）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，其膨胀稳定后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。     

基于膨润土微观结构确定土水特征曲线的残余含水率

根据蒙脱石层间水化微观结构,建立了蒙脱石水化后的含水率计算公式,并认为蒙脱石发生第1层水化时的含水率即为残余含水率。用4种膨润土土水特征曲线试验数据,分析探讨了考虑不同初始干密度和同一初始干密度下不同温度环境等因素对膨润土土水特征曲线的残余含水率影响。研究结果表明,膨润土的残余含水率与膨润土的比表面积、水膜厚度以及水膜密度成正比,而与膨润土的初始干密度和温度无关。通过实测和计算残余含水率比较,验证了该公式的合理性。     

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。     

强碱性溶液扩散对高庙子膨润土的化学腐蚀

高放废物地下处置库中,地下水腐蚀衬砌混凝土析出的强碱性溶液,会扩散进入膨润土缓冲屏障内部,引起屏障性能的退化。设计专门的扩散试验单元,模拟KOH强碱性溶液在压实高庙子膨润土试样内部的扩散过程,研究辐射升温条件下膨润土中蒙脱石矿物含量及微结构变化,为我国高庙子膨润土缓冲屏障长期性能评价提供依据。设计24组正交试验,对初始干密度为1.80 g/cm3的压实膨润土开展KOH扩散试验,工况组合条件为:pH值为12.6,13.0和13.5,环境温度T为30℃和60℃,反应时间t为7,14,21和28 d。扩散试验终结之后对试样开展X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)试验。试验结果证实,高庙子膨润土中蒙脱石矿物溶解损失,与溶液pH值和试验温度的升高成正相关关系,显著溶解发生在接触带2 mm以内,最严重的情形下蒙脱石含量从初始的44.4%减少到25.9%。蒙脱石矿物的溶失可能与蒙脱石水化产生的羽翼状胶体的溶解有关。碱溶液对膨润土结构的损伤程度随扩散深度减缓,表观孔隙率逐渐降低。接触界面上肉眼观察到腐蚀裂隙;接触带0～4 mm范围内,膨润土团聚体结构遭受一定的破坏;大于4mm的范围,微结构形态基本保持不变。关于高庙子膨润土缓冲屏障长期性能的化学演化,今后应关注溶液化学性质、水力条件及固液反应时间等因素的影响。