非饱和高压实膨润土水化的数值模拟

高压实膨润土是核废料处置的首选缓冲回填材料.使用Code_Bright软件对侧限条件下高压实膨润土的室内注水试验进行了数值模拟.数值模型中的非饱和渗流特性参数即土-水特征曲线参数由室内试验确定.数值模型中使用的膨润土非饱和弹塑性本构模型参数由膨润土的常规非饱和三轴力学模型试验得到.数值模拟结果和实测结果的比较可以反分析出膨润土的固有渗透系数.对数值模型的研究有助于加深对膨润土非饱和渗流特性的认识.数值模型计算得到的吸力分布和实测结果基本吻合.     

氢氧根离子在膨润土中的弥散规律及其溶蚀作用

高放废物地质处置库中可能出现的碱性孔隙水,会对膨润土的缓冲封闭性能产生不良影响,尤其是碱性孔隙水中的OH^-离子。本文用NaOH溶液模拟碱性孔隙水,用蒸馏水模拟处置库现场的地下水,对初始干密度为1.70 g/cm³的高庙子(GMZ)膨润土试样开展弥散试验,研究OH^-离子在高压实GMZ膨润土中的弥散规律;用pH值为13和13.8的NaOH溶液模拟孔隙水侵蚀GMZ膨润土试样,研究碱性孔隙水侵蚀,GMZ膨润土的溶解规律。结果表明,非稳态条件下,OH^-离子在GMZ膨润土中的弥散系数为1.49×10^-11~1.89×10^-10 m²/s,且弥散系数随着试样两侧溶液浓度差的减小而降低;高pH值碱性孔隙水侵蚀,首先会造成膨润土中含Si和Al矿物的迅速溶解,溶解速率与时间呈近似线性增长关系,且溶液的pH值越高,溶解速率越快。     

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...     

非饱和高压实膨润土水化的数值模拟

高压实膨润土是核废料处置的首选缓冲回填材料。使用Code—Bright软件对侧限条件下高压实膨润土的室内注水试验进行了数值模拟。数值模型中的非饱和渗流特性参数即土一水特征曲线参数由室内试验确定。数值模型中使用的膨润土非饱和弹塑性本构模型参数由膨润土的常规非饱和三轴力学模型试验得到。数值模拟结果和实测结果的比较可以反分析出膨润土的固有渗透系数。对数值模型的研究有助于加深对膨润土非饱和渗流特性的认识。数值模型计算得到的吸力分布和实测结果基本吻合。     

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。     

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。     

核废料处置库近场热-水-力耦合性状

采用高放射性核废料处置库模型试验,以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象,建立轴对称模型,选用适当的热、水、力本构方程,运用有限元软件code-bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行考虑TH, HM, TM部分耦合与THM完全耦合的数值模拟分析。得到处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、应力的变化规律及不同耦合对这些性状影响的敏感度。结果可为核废料处置库的规划、设计以及数值分析时耦合类型的选择提供参考。     

高温后钢纤维混凝土热学性能试验研究

为预测火灾条件下SFRC 构件内部温度场,对高温后SFRC 的表观密度、孔隙率、导热系数、导温系数和比热容等进行了试验研究,并对导热系数下降机理进行混凝土细观尺度的数值模拟分析。研究表明,SFRC 的表观密度、导热系数和比热容总体上均随受热温度的上升而下降;孔隙率随受热温度的升高而上升,其中约有1%~3%的孔隙率是由SFRC 内热开裂造成;细观尺度有限元模拟显示高温热开裂形成的裂缝热阻是引起导热系数下降的主要原因之一;砂浆与素混凝土导温系数随温度升高而降低,但SFRC 导温系数在300 ℃时出现拐点,呈上升趋势;相同受热温度下,随着钢纤维含量的增加,导热系数和导温系数均呈上升趋势。     

考虑侧壁摩阻的围岩裂隙中膨润土-砂混合物侵入过程及其模型

高放废物处置库建设与运营期间,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土-砂混合物侵入裂隙,在降低围岩渗透性的同时,会引起膨润土的流失与可能的核素外泄,危及处置库的运营安全.针对膨润土-砂混合物侵入围岩裂隙问题,开发试验装置,开展不同裂隙宽度(0.1,0.3,0.5,1.0 mm)情况下,不同含砂率(0％,15％和30％)的膨润...     

膨润土在高碱环境中的反应变化特征

膨润土具有高膨胀性、低渗透性以及优良的核素吸附能力,被选为高放废物处置库的缓冲回填材料。然而,作为处置库主要建造材料的混凝土会随着时间衰退分解产生高碱性溶解物,与地下水形成高碱性孔隙水,膨润土会与之反应,使得孔隙结构和性能发生较大的变化而影响处置库的封闭性。本文分析了膨润土和高碱性孔隙水的反应过程以及两者之间反应的主要影响因素,总结出高碱性环境中膨润土的反应变化特征。     

粗骨料随机分布对混凝土导热性能的影响

采用COMSOL与MATLAB联合仿真的方法,基于混凝土二维细观几何模型,实现了混凝土稳态热传导的数值模拟.在利用试验结果验证数值模拟有效性的基础上,分析了骨料随机分布对混凝土导热性能的影响,并讨论了粗骨料粒径、形状及其体积分数,以及分散相导热系数对混凝土导热性能的影响规律.结果表明:粗骨料随机分布是造成混凝土导热性能产生随机性的重要因素;混凝土导热系数相对平均值随着粗骨料体积分数、分散相导热系数的增加而增大,但受粗骨料粒径和形状的影响不大;粗骨料体积分数越高,分散相与水泥砂浆导热系数相差越大,粗骨料粒径越大,轴长比越大,混凝土导热系数的变异性越显著,但当粗骨料体积分数超过35%后混凝土导热系数的变异性基本保持不变.     

土体导热系数温度效应及其预测模型

考虑环境温度变化对土体导热系数的影响,对于地下热工项目的优化设计和安全评价是必要的。利用热探针法测试了不同温度下红黏土、粉土、软土和膨润土的导热系数,分析了土体导热系数的温度效应及其影响因素,建立了考虑导热系数温度效应的加权几何平均模型,并与传统的预测模型进行对比分析。试验结果表明：土体导热系数随温度的增加而增大,其温度效应随干密度的增大而减小,温度对非饱和土体导热系数的影响较大,对于干燥和饱和土体导热系数的影响较微弱。温度对土体导热系数的影响可能取决于水汽潜热传输作用的变化,土中可提供潜热传输的水分和水汽运移通道越多,土体导热系数的温度效应越显著。模型计算结果表明,提出的加权几何平均模型预测性能良好,且较好预测了含水率和干密度对土体导热系数温度效应的影响,而Tarnawski模型、Gori模型、Leong模型预测精度均低于加权几何平均模型。     

保温混凝土细观模型建立及导热系数分析

研究建立了针对含有大量玻化微珠颗粒的二维保温混凝土细观模型,给出了一种基于图片数字化处理方法的背景网格划分方法,有效克服了由于模型尺寸小、数量大等因素造成的有限元网格划分困难的问题。采用该模型进行保温混凝土导热系数数值模拟,并与试验数据相比较,验证了模型的有效性,且误差较小。对3种不同粗骨料形状的保温混凝土的导热系数进行了模拟分析,结果表明,粗骨料形状对保温混凝土的导热系数影响不大。     

基于多尺度细观力学方法计算水泥基材料的导热系数

基于Eshelby等效夹杂理论和水泥基材料微观结构多尺度特征,从细观力学的角度,研究了水泥基复合材料的热力学性能,推导出了水泥基复合材料的导热系数细观力学一般表达式.借助Mori-Tanaka均质化方法,计算了不同化学组分、水灰比和养护龄期的水泥基复合材料导热系数,并研究了孔隙饱和度的影响.将研究结果与参考文献中的测量值进行综合对比后发现,基于多尺度细观力学的计算方法适用于不同饱和度水泥基复合材料导热系数的评估和计算;所得结果可进一步用于不同原材料和养护条件下水泥基复合材料导热系数及其他热力学参数的精确计算.     

压制压力对膨润土压实性能的影响

膨润土作为高放射性核废料处置库回填/缓冲层的首选材料,需实现隔离防渗的目标。获得高压实膨润土是实现这一目标的必备条件。而压制压力是影响膨润土密实度的因素之一。以纯膨润土粉末为研究对象,采用静力压实方法,开展了不同含水率(0%～30%)膨润土试样在不同压制压力(0 k N～45 k N)作用下的压实试验,提出干密度增长率与增长率增量参数评价压力对膨润土的压实效果。结果表明,在同一含水率状态下,膨润土的干密度随着压力的增大而增大。但在低含水率状态下,受粒间摩擦力的影响,膨润土干密度增长缓慢;在高含水率状态下,受粒间摩擦力与孔隙水压力的双重作用,导致压制压力持续增大到某一压力值后,膨润土的干密度增长率增量逐渐趋于稳定。压制膨润土试样时,可根据目标干密度值选择初始含水率以及压制压力,以便有效减少机械与时间成本。     

岩土热物性测试影响因素的研究

研制了两种岩土热物性测试仪,介绍了线热源斜率法、双参数估计法和三维数值模型法3种测试热物性的方法.建立了一个三维数值模拟模型,分析了测试时间、计算开始与结束时间、比热容等因素对导热系数、热阻的影响.     

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。     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

基于真实骨料形状库的混凝土细观数值模型

针对混凝土细观数值模型生成的骨料形状与真实骨料形状不一致及难以进行凹凸型骨料的侵入判断等问题,提出了一种基于真实骨料形状库的骨料数值生成方法。采用双判据准则直接对凹凸型骨料进行侵入判断,并提出一种两阶段细观有限元方法对混凝土试件进行网格剖分;采用VC++开发的混凝土力学性能细观数值模拟前处理软件对该方法进行了验证。结果表明:这种改进的骨料数值生成方法使细观数值模型更加接近实际混凝土试件,消除了外包络辅助几何体增加骨料占用面积对骨料填充率的影响,同时能够尽可能地用矩形单元对混凝土细观数值模型中的各相材料分别进行网格剖分。     

膨润土的膨胀性衰减研究

利用地球化学软件Phreeqc模拟了高放核废料处置库的高压实MX80膨润土中发生的水文地球化学反应,基于长时间尺度的研究的需要,忽略热、力、流等因素的影响,主要考虑了K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺四种阳离子的离子交换和矿物溶解沉淀反应,建立了膨润土中的一维离子运移反应模型。模拟了不同外界流体作用下,膨润土化学组分在时间和空间上的变化。结合化学组分变化结果,对膨润土膨胀性衰减情况进行了计算和评估。得到1万年后海水和地下水环境下的MX80膨润土膨胀性衰减系数分别达到0.79和0.91。