高庙子膨润土膨胀力时效性试验研究

针对高庙子膨润土在不同含水率和不同干密度条件下膨胀力时效性进行了试验研究。首先采用静力压实法将3种不同含水率的高庙子膨润土粉末压实为两种不同密实状态的试样,随后在保持压实试样的体积和含水率不变的条件下,分别静置0,1,7,15,30和90 d,最后采用膨胀仪对完成静置试样的膨胀力进行量测;同时结合静置过程,完成了部分试样的扫描电镜（SEM）试验。试验结果表明：高庙子膨润土的膨胀力随静置时间的增长不断减小,且前期减小明显,后期逐渐趋于稳定;膨胀力的时效性与试样初始条件有关,试样含水率和干密度越大,膨胀力随静置时间的衰减越明显,即时效性越强。SEM试验结果表明,静置90 d后,高庙子膨润土内的蒙脱石发生了水化,集合体分解,颗粒相互黏结,微观孔隙结构趋于均质化,呈现点阵式的絮状结构;试样静置过程中不同微观结构层次之间的水分重分布导致的蒙脱石水化是高庙子膨润土静置过程中膨胀力降低的主要内在原因。     

高庙子膨润土GMZ001三向膨胀力特性研究

为研究高庙子钠基膨润土GMZ001的三向膨胀力特性,改进了三向胀缩仪,扩大了该仪器膨胀力的测量范围,进行了一系列不同干密度和不同初始吸力的三向膨胀力试验。研究结果表明:①在所研究的干密度、含水率范围内,竖向(平行于压实方向)膨胀力、水平(垂直于压实方向)膨胀力均主要与干密度有关,初始吸力对其没有明显影响。②水平膨胀力与竖向膨胀力之比随干密度的增大而减小;当干密度较小时,竖向膨胀力与水平膨胀力基本相等;当干密度大于1.6 g/cm3时,水平膨胀力与竖向膨胀力之比变化很小,其值稳定在0.78左右。③初始吸力、干密度均会显著影响膨胀力随时间变化曲线的形状;对于高吸力高干密度试样,其膨胀力–时间关系曲线在中间一段出现"平台"。④相同初始吸力下,膨胀力变化速率随干密度的增大有所增加,但不同干密度试样的膨胀力变化速率的差异随时间逐渐缩小;相同干密度下,尽管初始阶段高吸力试样的膨胀力发展更快,但一段时间后低吸力试样的膨胀力变化速率会比高吸力试样的大。⑤膨胀力最终平衡时间随干密度增大有所增加,而初始吸力对平衡时间影响不大。     

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–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。     

钠钾盐梯度循环作用下高压实膨润土膨胀力衰变特性

高放废物深地质处置库近场环境中,高压实膨润土将长期遭受含盐地下水的循环化学作用,导致其膨胀性能不断衰变。针对干密度为1.7 g/cm3的高压实高庙子(GMZ)膨润土,分别开展了0.5 mol/L和1.0 mol/L两种盐梯度、Na Cl-水-KCl和Na Cl-水不同循环路径下的恒体积膨胀力试验,探讨盐梯度循环化学作用下其膨胀力的衰变特性。结果表明:盐梯度循环作用下,膨润土膨胀力的发展与离子种类、浓度和循环次数等因素有关。盐化阶段膨胀力不断降低,淡化阶段膨胀力有所提高;低盐度梯度循环下各阶段的稳定膨胀力均高于高盐度梯度循环时的膨胀力。随着循环次数的增加,稳定膨胀力逐渐下降,入渗溶液浓度越高,降幅越大,且衰减幅度随着循环次数的增加而减小。KCl溶液的入渗会引起膨润土发生矿物相变,膨胀力显著降低;当KCl溶液浓度达到一定值时,蒙脱石的充分溶解导致膨润土丧失膨胀能力。     

圆饼状高压实膨润土膨胀力各向异性特征研究

针对作为我国缓冲/回填材料的高压实高庙子膨润土，采用自主研制的膨胀力-渗透性一体化测试仪器开展膨胀力试验，分别测定圆饼状试样的轴向膨胀力和径向膨胀力发展规律，研究试样初始干密度、初始吸力和尺寸效应对其膨胀力各向异性特征的影响。试验结果显示，轴向膨胀力和径向膨胀力均随着试样初始干密度的增加呈指数增大，膨胀力各向异性特征愈加显著。轴向膨胀力和径向膨胀力均随着试样初始吸力的增加而呈减小趋势；相同初始吸力条件下，径向膨胀力均大于轴向膨胀力，但是膨胀力各向异性系数随着初始吸力增大而不断减小。试样尺寸对膨胀力有显著影响，增加试样高度，轴向膨胀力不断增加，径向膨胀力增加到某一数值后不再随高度增加，膨胀力各向异性系数随着试样高度的增加逐渐减小。最后，基于膨润土膨胀机理、压实效应和尺寸效应，分析了膨胀力各向异性特征的形成机理。     

重塑膨胀岩土微变形条件下膨胀力试验研究

 通过对南宁膨胀性泥岩重塑土样进行变形量分别为0,0.2,0.5和1 mm的微变形膨胀力试验,分析膨胀力的主要影响因素,建立膨胀力与干密度、初始含水率双因素之间关系,研究微变形条件下膨胀力变化机制。结果表明：(1) 零变形时,膨胀力随干密度增大呈指数形式增大,并与初始含水率呈幂函数关系。(2) 微变形时,膨胀力随变形增大而衰减明显,在干密度大、初始含水率低时衰减幅度较大,反之较小;在干密度及初始含水率一定时,微变形膨胀力随着变形率增大而呈指数衰减。(3) 微变形与零变形膨胀力之比随变形率增大而呈指数减小,当变形率为1%,2.5%和5%时,微变形膨胀力与对应零变形膨胀力之比分别为75%,55%和35%。     

高庙子膨润土热膨胀特性试验研究

采用DIL806热膨胀仪,通过室内试验系统研究了不同影响因素对高庙子压实膨润土样品热膨胀性能的影响,获得了膨润土样品热膨胀系数随干密度、升温速率、含水率和环境气氛等条件的变化规律.试验结果表明:膨润土样品的热膨胀系数随着干密度的增大而增大;样品热膨胀系数随初始含水率的升高而降低;高含水率的膨润土样品,其热膨胀系数随升温...     

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。     

呈贡隧道膨胀土膨胀力试验研究

选取呈贡隧道膨胀土重塑土样,通过膨胀力试验,研究了膨胀土在不同初始状态下的膨胀特性,探明了昆明膨胀土的膨胀力与初始含水量和干密度的内在联系,为昆明地区建筑物的设计与施工提供相关依据。     

Swelling pressure characteristics of compacted Chinese Gaomiaozi bentonite GMZ01

Gaomiaozi bentonite (GMZ01) has been decided upon as the first option for use as buffer/backfill materials in the deep disposal of high-level radioactive waste in China. The basic functions of the materials used in the waste repositories request among others a sufficient swelling pressure and low hydraulic conductivity in order to provide long-term stability to the barrier system under environmental pressure and behavior of the waste loads. As such, it is necessary to investigate the influence of initial dry density on the swelling properties of Gaomiaozi bentonite (GMZ01) in order to achieve better design of buffer/backfill materials. In this study the swelling pressure of GMZ01 has been studied and analyzed by multi and one-step wetting constant volume tests with five different dry densities (1.15, 1.35, 1.50, 1.60 and 1.75 mg/m³). Results show that swelling pressure changes with time nonlinearly, while there is a linear relationship between time/swelling pressure and time. Curves of swelling pressure and the amount of absorbed water varying with time can be classified into typical phases. For the GMZ01 tested here, the initial dry density is an important factor influencing the swelling pressure. The results show that there is an exponential relationship between swelling pressure and dry density. Moreover, comparison was done between the experimental swelling pressure results of used GMZ bentonite in this study and other bentonites cited in literature: (i) other GMZ׳s and (ii) different types of bentonites proposed as buffer/backfill materials (i.e., MX80, Kunigel, Montigel, and Calcigel). The effect on the microstructure of the density and the wetting under the constant volume condition (after the swelling pressure test) has been investigated by studying the results of pore size distribution for GMZ01 by using the mercury intrusion porosimetry (MIP) test and the environmental scanning electron microscope (ESEM) photos. Finally, two different theoretical concepts were used to estimate the swelling pressure (the modified DDL and thermodynamics approaches). The results of the two methods show that the swelling pressure results compare relatively well with the experimental data for the GMZ bentonite.     

高碱性溶液对高庙子膨润土溶蚀作用的研究

 在高放性核废物地质处置库中,碱性孔隙水长期入渗可能会对膨润土的缓冲封闭性能产生不良影响。为了研究高碱性溶液对膨润土的溶蚀作用及其机制,本文用NaOH溶液模拟高碱性孔隙水,对初始干密度为1.70 g/cm3的高庙子膨润土试样进行渗透侵蚀,并借助X射线衍射(XRD)和能谱分析(EDS)测试,对侵蚀后各试样的矿物成分和Mg元素含量的变化进行测定分析。结果表明：高庙子膨润土含有蒙脱石、石英、斜长石和微斜长石(或方石英),且主要有效组分为蒙脱石;在试验过程中,经高碱性溶液的侵蚀,试样的主要原生矿物的种类没有减少,也没有检测到新物质生成,但膨润土试样中的蒙脱石和Mg元素的含量随着侵蚀碱性溶液浓度的增大而降低,这说明在高碱性溶液的侵蚀作用下,膨润土中的蒙脱石发生溶解。因此,碱性孔隙水的长期入渗会对膨润土产生溶蚀作用,进而降低膨润土的膨胀性能,增大膨润土的有效孔隙比和渗透性,最终削弱了膨润土的缓冲封闭性能。     

自由膨胀条件下高压密膨胀粘土微观结构随吸力变化特征

核废料处置问题是世界各国安全利用核能所关心的重大问题。作为用于封堵通往地下处置库的通道,以隔断处置库内核废料与外界环境联系的首选隔绝用材料——膨胀性粘土的特性正越来越受到岩土工程界的关注。利用压汞测试法和电镜扫描法方法,对吸力控制条件下高压密蒙脱石充分自由水化后微结构变化特征展开平行对比试验,以研究高压密蒙脱石在不同吸力条件下的体积变化特征。吸力的控制采用了渗析(液相)法。试验对不同密实度的压密膨胀土随吸力变化特征的进行了研究。研究结果表明:(1)压实膨胀土水化过程中的膨胀势与初始压实密度有关,初始压实密度越大,膨胀势越大;(2)体积膨胀量与水化过程的控制吸力之间存在近似的半对数衰减关系,且随着控制吸力的增大,衰减速率减弱;(3)体积的膨胀主要来源于膨胀土集合体结构中集合体之间的大孔的扩张。     

膨润土及其与砂混合物的膨胀试验

用固结仪完成了膨润土及其与砂混合物的一系列膨胀变形试验，由试验结果得到了蒙脱石孔隙比与上覆压力的通用表达式。试验结果表明，膨润土及其与砂混合物的膨胀变形特性与试样的击实条件有关，膨胀变形试验结果反映了膨胀矿物与水的相互作用。     

高庙子膨润土的土水特征曲线

近年来，用于高放废物深地质处置工程屏障的高压密膨润土越来越受到关注。经过全国范围内的比较和筛选，内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物处置库缓冲材料的首选矿床。采用渗析法和水汽平衡法来控制吸力技术，通过上水特征曲线测定试验、环境扫描电镜和乐汞试验，研究高庙子高压密膨润土在不同吸力下的持水特性及其微观结构特征。利用压汞试验结果推算膨润土在恒体积条件下的土水特征曲线，并与实测数据进行比较。研究结果表明：在不同吸力作用下，膨润土的持水特性与其微观结构之间有着密切关系。     

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。     

压实膨胀土的膨胀变形规律与计算模式

以陕西安康压实膨胀土为对象,通过不同初始干重度、初始含水率和上覆压力的一系列膨胀量试验,得到了人工压实膨胀土的膨胀变形随以上3种因素变化的规律,并总结提出了考虑初始含水率、初始干重度和上覆压力3种因素的耦合变化,满足工程精度要求的膨胀量计算模式,并对该计算模式进行了验证,证实了其正确性。结果表明:在实际工程中,可以通过有限的几组膨胀量试验得到计算模式的参数,用文中提出的计算模式直接计算任意初始干重度、初始含水率的土体在任意压力下的膨胀变形量,具有重要的实用价值。     

膨胀力概念及其增湿规律试验研究

通过对膨胀土膨胀力概念的剖析,指出《岩土工程基本术语标准》(GB/T 50279-98)界定的膨胀力为极限膨胀力。根据对膨胀土增湿试验的研究,得出:前期增湿会引起较大的膨胀力,在达到一定程度后出现拐点,以后膨胀力的增加趋于缓慢且近于线性;换算膨胀力与初始含水率成非线性负相关关系。同时探讨了极限膨胀力影响因素,试验表明,不同含水率制备的相同干密度的土样的极限膨胀力随初始含水率的增大而减小,对以往典型试验现象做了解释。