盐溶液对膨润土-砂混合物膨胀性能的影响

利用自制固结仪,开展膨润土-砂混合物在蒸馏水及不同浓度的NaCl、KCl和CaCl₂溶液下的膨胀变形试验,研究盐溶液浓度和阳离子交换反应对混合物膨胀变形的影响。试验表明,试样在蒸馏水与不同浓度的NaCl溶液下可用同一条e_m-p_e曲线表示,表明NaCl主要通过渗透吸力的作用影响混合物的膨胀变形。K⁺、Ca²⁺主要通过置换吸附在钠基膨润土表面的Na⁺,使得膨胀性能减弱,因此NaCl溶液的抑制性小于KCl和CaCl₂。值得关注的是,膨润土-砂混合物在KCl与CaCl₂溶液下随浓度的变化产生了不同的膨胀变形规律。当浓度为0.1 mol/L时,由于同浓度下CaCl₂溶液中的总离子浓度大于KCl,从而通过渗透吸力的提高增大了有效应力,此时CaCl₂的抑制效果强于KCl;而浓度在0.5 mol/L时,CaCl₂的抑制效果弱于KCl,因为此时溶液中离子浓度较高,一方面K⁺可以充分置换吸附在膨润土表面的Na⁺;另一方面K⁺更容易嵌入相邻晶层间硅氧四面体中氧原子形成的孔穴里,使得相邻晶层连接起来,导致水分子不易进入层间,无法正常吸水,从而明显地抑制了膨胀变形。     

盐溶液作用下压实膨润土体变性能研究

膨润土因其特殊的理化性质被优选用于部分工程领域中,在外界环境耦合作用下,性能发生转变会给工程安全带来隐患。以商用钠基膨润土为研究对象,开展蒸馏水、NaCl、KCl、CaCl₂四种溶液作用下的膨润土膨胀—压缩体变试验,研究溶液类型、浓度、初始荷载对膨润土膨胀变形和压缩性能的影响。结果表明：膨润土膨胀变形随溶液浓度及上覆荷载的增大而降低,由于K⁺水化能较低并且在与蒙脱石发生阳离子交换之后产生K-键,使得三种盐溶液对膨胀变形的影响在不同浓度下有一定差异;膨润土压缩变形曲线同膨胀变形曲线相同,具有三阶段特征,且达到压缩稳定状态所用的时间随荷载等级增大而降低;Na、Ca盐溶液浸泡下,膨润土试样的压缩系数均随上覆应力增大先升高后降低,而KCl溶液作用下其压缩系数一直降低。引入盐溶液作用下的修正有效应力,结合分形理论,对分级加载稳定后的膨润土体变性能进行表征,发现膨润土的体变曲线之间近乎平行,符合e-p_e分形关系。     

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。     

利用膨润土的膨胀和稠度特性对GCL渗透系数进行预测的试验研究

以土工合成粘土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)在尾矿库防渗层中的应用为背景,研究不同浓度重金属离子(Cu和Zn)作用下,膨润土的自由膨胀量、液限及GCL渗透系数的变化规律,并分析它们之间的对应关系。试验结果显示,当重金属离子浓度在0.01mol/L到0.1mol/L之间递增时,膨润土的自由膨胀量和液限会随着重金属离子浓度的增大而大幅度减小,但当重金属离子浓度从0.1mol/L增加到0.5mol/L时,膨润土的自由膨胀量和液限则只有微小变化。在渗透试验中,当渗透溶液中重金属离子浓度小于0.01mol/L时,GCL的渗透系数能够保持稳定;但当重金属离子浓度大于0.02mol/L后,GCL的渗透系数会随着渗透溶液中重金属离子的浓度增加而不断升高。研究结果表明,当尾矿库渗滤液中重金属离子浓度大于0.02mol/L时,GCL的渗透系数与膨润土的自由膨胀量和液限之间具有良好的数学对应关系,可以利用自由膨胀量和液限对渗透系数进行预测。     

干湿循环作用下盐分对水泥土性能的影响研究

为了研究盐分侵蚀与干湿循环共同作用下水泥土性能的劣化情况,分别考虑了硫酸钠、氯化钠及其复合盐在干湿循环作用下对水泥土性能的影响.试验设置硫酸钠的浓度依次为0.0mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L和0.3mol/L,氯化钠和复合盐的浓度为0.2mol/L、0.4mol/L,进行了电阻、超声波、无侧限抗压强度、...     

电化学法定性与定量分析水溶液中的微量硼氢根

采用循环伏安法分析了硼氢化钠(Na BH_4)在金(Au)电极上的电化学氧化还原行为,在-0.473 V电位处发现了比较明晰且稳定的BH_4~-特征氧化峰,可作为BH_4~-存在的定性判据。通过线性伏安扫描,对浓度为1.0×10~(-4)~9.0×10~(-3)mol/L的Na BH_4碱性溶液进行了测定,发现Na BH_4特征氧化峰的峰值电流与其浓度呈良好的线性关系,相关系数为0.998 4。利用线性伏安法分别对5.0×10~(-4)mol/L Na BH_4+0.10 mol/L Na OH溶液和5.0×10~(-3)mol/L Na BH_4+0.10 mol/L Na OH溶液平行测定5次,所得结果的平均相对误差分别为3.18%和1.63%,相对标准偏差分别为2.38%和1.88%。     

电解质溶液对电化学除氯效果的影响

电解质溶液是电化学除盐过程中必备的物质条件之一,着重研究不同电解质对电化学除盐效果的影响。试验结果表明:在0.1mol/LNa3BO3溶液中和饱和Ca(OH)2溶液的除盐效果相差不大,且除盐效率比较好;无论在哪种电解质中进行电化学除盐,混凝土中的Cl-含量以钢筋为中心由内及外呈梯度递增分布;而K+、Na+等阳离子含量则是由内及外呈梯度递减的规律,且内层含量远远高于外层含量。     

盐度驯化过程中虹鳟血清渗透压、激素水平及离子组成的变化

在0、8、16、24、32 5个盐度梯度下对虹鳟Oncorhynchus mykiss进行驯化,研究了盐度对虹鳟血清中3种激素含量、渗透压以及离子浓度的影响。结果表明:淡水中虹鳟的血清渗透压最低,但进入盐度为8、16的水体中时,其渗透压迅速升高,之后随着驯化时间的延长明显下降,盐度为24时其渗透压变化较小,盐度为32时其渗透压稍有下降并稳定在(327.0±2.7)mOsm/kg;随着盐度的升高,虹鳟血清中的皮质醇(COR)含量明显增加,在盐度为24时又开始下降;血清中三碘甲状腺原氨酸(T3)含量整体上随盐度的升高呈下降趋势,而四碘甲状腺原氨酸(T4)含量在盐度为16时最低,之后随盐度的升高而增加;随着盐度的提高,虹鳟血清中Na+、Cl-浓度均呈现出明显上升趋势;血清中K+浓度在盐度升至8时的第4 h出现急剧下降,之后在第96 h又有所回升,在盐度为24的第96 h上升到最高(3.76 mmol/L±0.05mmol/L),在盐度为32的第4 h又下降至最低(1.14 mmol/L±0.15 mmol/L);血清中Ca2+浓度在盐度为0～16时的变化趋势与K+相似,从盐度为24时开始显著上升,到盐度为32时的第96 h上升至最高值(3.39 mmol/L±0.01 mmol/L);除盐度为32时的Ca2+>K+之外,各盐度条件下虹鳟血清中Na+、K+、Cl-、Ca2+4种离子浓度的高低顺序均为Na+>Cl->K+>Ca2+。本研究结果表明:虹鳟在高渗环境下,能迅速启动海水中渗透压的调节机制,在皮质醇、T3、T4等几种激素共同作用下增强对高盐度的适应能力。     

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。     

酸雨入渗膨胀土的水土化学试验与作用机理分析

弄清酸雨入渗膨胀土所产生的水土化学作用,对获取酸雨区浅表层膨胀土基本性能劣化机理及分析边坡的稳定性非常重要。为此,取广西酸雨重灾区的百色原状膨胀土,研制循环饱水试验装置并模拟不同pH值的雨水入渗环境,开展酸雨入渗膨胀土水土化学试验;运用多种微观测试技术,探究膨胀土的矿物与化学成分演变规律;采用地球化学模拟软件(PHREEQC)及水土化学理论,分析膨胀土与酸雨间水土化学作用机理。结果表明：相比静态水饱和状态,降雨入渗动态水饱和环境能促进膨胀土中矿物质的溶蚀与淋滤,加速土体结构的破坏;酸雨入渗后膨胀土中CaO、Fe₂O₃、K₂O明显大于Si O₂、Al₂O₃等氧化物的溶蚀与淋滤量;雨水的pH值越小,膨胀土片状微结构间溶蚀的方解石及游离氧化物等胶结物越多,离子交换作用增强;酸雨与土中矿物的相互作用加剧,部分伊利石脱钾转变为蒙脱石黏土矿物,导致伊利石含量减小,蒙脱石含量增加,土的亲水性增强而结构不稳定性变大,不利于膨胀土边坡的稳定。     

高碱溶液对高庙子膨润土侵蚀作用的研究

采用NaOH溶液模拟高放射性核废物处置库中可能产生的高碱性孔隙水,对初始干密度为1.70 g/cm³的高庙子（GMZ）膨润土试样进行渗透侵蚀试验,借助扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对侵蚀后试样的表观特性进行观察分析,对碱溶液侵蚀对膨润土试样膨胀性、渗透性、孔隙比和化学成分的影响规律进行解释,以研究碱性孔隙水侵蚀对膨润土性能影响的微观机理。结果表明,GMZ膨润土主要成分蒙脱石呈层片状结构,蒙脱石水化会在其表面形成羽翼状的胶体,会堵塞试样的孔隙;高碱性溶液的侵蚀会造成膨润土水化产生的羽翼状胶体溶解和膨润土结构的不可逆性破坏,并且破坏程度与碱溶液的浓度成正相关关系;经高碱性溶液侵蚀的膨润土试样,其表面有明显的溶蚀痕迹,说明碱溶液的入渗侵蚀会造成膨润土有效成分蒙脱石的溶解,试验结果与X射线衍射（XRD）测试结果吻合。因此,碱性孔隙水的入渗侵蚀会逐渐溶解膨润土中的蒙脱石,破坏了膨润土的结构,增大了膨润土的孔隙率,进而降低了膨润土的膨胀性,提高了膨润土的长期渗透性,最终造成膨润土的封闭和缓冲性能降低。     

温度对GMZ膨润土的膨胀性能影响研究

在25℃,40℃,60℃和90℃的蒸馏水中对高庙子(GMZ)膨润土进行了膨胀性能试验。由于在试验条件下渗透膨胀占主导地位,GMZ膨润土的膨胀性能随温度的升高而增大,其中最大膨胀率随温度线性增加,而膨胀力随温度呈指数增加。压实GMZ膨润土的膨胀性能可用em=Kp^D-3表示。N2吸附试验结果表明温度对GMZ膨润土的表面分维D基本没有影响。在渗透膨胀条件下,采用扩散双层模型计算发现膨胀系数K与温度T_c之间存在线性关系,并且通过GMZ膨润土和Bikaner膨润土的膨胀试验进行了验证。将K–T_c线性关系与e_m–p分形关系相结合,提出了温度作用下GMZ膨润土膨胀性能的一种简便定量评价方法。     

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.     

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。     

氯化钠溶液饱和不同初始含水率膨润土的膨胀特性

采用不同初始含水率控制土颗粒扩散双电层的形成程度,进行了一系列氯化钠溶液饱和膨胀试验,探究了具有不同扩散双电层厚度膨润土样在不同浓度氯化钠溶液中的膨胀特性,并对不同初始含水率膨润土样进行核磁试验。核磁试验结果表明,当初始含水率小于10%时,最优T2值不随着含水率增加而增加,根据T2值与水的赋存半径关系,说明此时土样只有强结合水存在,即土样强结合水率为10%。这与用其它方法算出的强结合水率基本一致,说明核磁共振技术可测定出土样的强结合水率。膨胀试验结果表明,当初始含水率小于10%时,不同浓度氯化钠溶液饱和试样时,其膨胀性基本不变;而用氯化钠溶液初始含水率大于10%试样时,随着其浓度的增加,膨胀率明显降低。造成上述差异的原因是,当只有强结合水存在时,试样被氯化钠溶液饱和后,土颗粒会吸附水化的阳离子,增加土颗粒固定电荷,导致膨胀力增加,增加试样的膨胀性,而随着溶液浓度的增加双电层厚度与膨胀力降低,会降低试样的膨胀性。     

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.     

压实膨润土膨胀应变时效性试验及模型研究

本文对高庙子膨润土试样竖向膨胀应变时效性进行了试验和理论研究。首先,3种不同含水率的高庙子膨润土粉末被压实到2种不同干密度,然后保持试样含水率不变分别静置0、1、7、15、30和90天,最后利用膨胀变形仪对静置完成后的试样的水化膨胀变形进行了测量,试验结果表明:试样的水化膨胀曲线呈双曲线型,水化初期膨胀明显,之后逐渐稳定;竖向膨胀应变随初始干密度的增加而增大,与初始含水率关系不明显;最大竖向膨胀应变随静置时间的增长不断衰减,且静置前期衰减明显,后期趋于稳定;基于试验成果,通过类比,建立了压实膨润土的膨胀应变时效性经验模型,拟合结果表明该模型能够较好地反映静置时间对高庙子膨润土膨胀应变的影响。     

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。     

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。