氯化钠溶液对膨胀土膨胀力及孔隙分布影响的研究

利用常规三轴固结仪,进行了一系列膨胀力实验,研究了不同浓度氯化钠溶液对不同初始干密度试样的膨胀力的影响,并且利用核磁共振仪,探究了完成膨胀力试验后试样孔隙分布的情况。试验结果表明:在干密度不变的情况下,随着盐浓度增加,膨胀力逐渐减小;盐浓度越大,T_2曲线分布整体往右移,说明大孔隙体积增加,小孔隙体积减小。分析试验结果认为:在相同干密度下,随着盐浓度增加,Donnan渗透压逐渐减小,导致膨胀力降低;在体积保持恒定的情况下,由于膨胀力降低,必然导致内部膨胀力相应减小,所以孔隙被填充的体积减小,使得大孔隙较多,因此随着盐溶液浓度增加,同一干密度试样的T_2曲线向右移动。     

膨润土膨胀力时程曲线的形态特征及其模拟

为了研究膨润土膨胀力时程曲线的形态特征,采用恒体积法开展了不同干密度高庙子(GMZ)膨润土的膨胀力试验。试验结果表明,不同干密度高庙子膨润土的膨胀力时程曲线均呈典型的双峰形态：膨胀力先迅速增大至一个峰值,然后小幅回落或增速明显减小,随后再次升高并最终趋于稳定。膨胀力时程曲线的形态由膨胀力峰值、谷值、终值、峰值时间、谷值时间和终值时间等6个关键参数控制。在分析膨胀力形成机理及其发展规律的基础上,基于累积“楔”力与消散“楔”力相互叠加的原理,并假设累积“楔”力随水化时间呈指数分布,消散“楔”力随水化时间呈高斯分布,建立了一个膨胀力时程曲线的预测模型。该模型仅包含5个参数,均具有较明确的物理意义。根据试验结果和文献资料的验证结果表明,模型能够较好地模拟不同形态的膨胀力时程曲线。     

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。     

高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特征

 高放废物深地质处置中，缓冲/回填材料系统起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是高放废物地质处置库长期安全性和稳定性的有效保障。前人研究表明，膨润土是理想的缓冲/回填材料。在归纳总结压实膨润土膨胀力的室内试验研究成果的基础上，采用恒体积试验法研究高压实高庙子膨润土GMZ01的膨胀力特性，该膨润土已经被确定为我国高放废物地质处置库首选缓冲材料。结果表明，高压实高庙子膨润土GMZ01膨胀力随时间的变化曲线是一条渐近线，而时间/膨胀力与时间之间存在很好的线性关系；膨胀力发展过程曲线与吸水量曲线具有明显的阶段性特征；高压实高庙子膨润土的膨胀力和干密度之间存在指数关系，干密度是影响膨胀力的一项重要的因素。所取得的膨胀力特性成果，对于高庙子膨润土膨胀性能的正确判定具有非常重要的意义。     

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。     

阜新哈尔套街膨润土矿特征及其性能研究

通过对哈尔套街钠基膨润土的矿物组成、差热分析、阳离子交换量及一系列物理性能的研究,表明该钠基膨润土具有优良的性能,可广泛应用于铸造、冶金球团、钻井泥浆和化工等行业。     

自由膨胀条件下高压实砂–膨润土混合物非饱和渗透特征

选择合适的配合比,使得膨润土–石英砂混合物在增加导热性能和强度的同时,又能满足渗透性要求并维持适当的膨胀力,是混合型缓冲/回填材料研究的关键。采用瞬时截面法,通过试验研究了干密度1.9 g/cm³、配合比为7∶3的高庙子膨润土–石英砂混合物的非饱和渗透特性。结果表明,所测非饱和渗透系数主要集中在2.1×10^-15～1.0×10^-13 m/s,且趋势上随吸力的增大而减小但变化较为平缓;与自由膨胀条件下、纯膨润土试样的非饱和渗透系数相比,混合物渗透系数稍有增大,但变化幅度不太明显。石英砂的加入,改善了混合物的导热性能,且仍然基本符合缓冲/回填材料的低渗透性要求。     

膨润土-砂混合材料三向膨胀力试验研究

利用改进的三向胀缩仪研究了掺砂率、干密度对高庙子膨润土-砂混合型缓冲/回填材料膨胀特性的影响。试验结果表明:混合物的三向膨胀力与掺砂率和干密度均呈指数关系,随干密度增加而增加,随掺砂率增加而减小;混合物的竖向膨胀力始终大于水平向膨胀力,在试验研究的范围内,水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值随干密度变化较小,其值稳定在0.8左右;水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值随掺砂率增加大致呈线性降低;混合物的三向膨胀力发展呈两个阶段,初始阶段膨胀力发展迅速可达到最大膨胀力80%左右,第二阶段膨胀力发展缓慢。最后从晶体扩张理论和双电层理论分析了混合物的膨胀特性机理。     

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。     

溶液特征对石屑掺膨润土混合土的渗透特性影响

垃圾填埋是目前世界各地处置城市固废的主要方法,为了有效防止渗滤液污染地下水和周边环境,在垃圾填埋场底部铺设含黏土或膨润土掺砂混合土的防渗系统。利用采石场的石屑和膨润土配制防渗材料,通过渗透试验、Zeta电位试验和X射线衍射试验,分析溶液种类和浓度对渗透特性的影响机理。研究结果表明随着离子浓度的增大,混合土的渗透系数变大,其主要是由于溶液中的离子与钠基膨润土进行离子交换,膨润土土粒间斥力与土粒双电层厚度减小,且膨润土中的蒙脱石层晶间距增大。     

温度和盐/碱作用下膨润土-砂-石墨缓冲材料膨胀力性能演化

缓冲材料是核废料等高放废物地质处置库的最后一道工程屏障,要想科学合理地评估缓冲材料的实际工作性能,需对温度场和化学场作用下非饱和缓冲材料的膨胀特性有清晰的认识。以膨润土-砂-石墨缓冲材料(BSG)为硏究对象,基于自主研发的膨胀力试验装置,系统研究了温度、化学溶液对BSG混合物的膨胀力的影响。结果表明:高温和化学溶液降低膨胀力。阳离子类型的影响通过其化学活性的差异来解释。Ca²⁺离子具有比Na⁺离子更高的交换容量。温度对膨胀力的影响超过了阳离子类型,在室温条件下,加入CaCl₂溶液的BSG混合物的膨胀力高于加入NaCl溶液的,而高温下规律则相反。随着NaOH溶液pH值的增加,膨胀力减小。在较高的温度下,下降速率取决于NaOH溶液pH值。高浓度的OH^-有利于双层膨胀和土体结构重排,不同浓度的NaOH溶液对膨胀力的影响表现为Na⁺和OH^-的相互作用。土体结构重新排列引起的双层膨胀力的增加和膨胀力的降低分别由双层厚度的减小和蒙脱石和硅酸盐矿物的溶解控制。     

干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征

为了了解干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征,分别开展了两组干湿循环试验。在控制吸力干湿循环试验中,吸力控制范围为 0.4 ～ 262 MPa ,采用了两种吸力控制方法,分别为渗析法（吸力＜ 4 MPa ）和蒸汽平衡法（吸力＞ 4 MPa ）,当每一级吸力达到平衡时,测量试样对应的含水率和体积;在常规干湿循环试验中, 采取了两种干缩路径,分别为全干燥和部分干燥,并测量试样在每次干湿循环过程中的轴向变形及循环结束后的含水率。结果表明： 在脱湿和吸湿过程中,试样孔隙比随吸力变化可分 3 个典型阶段：大幅变化阶段（ 0.4 ～ 9 MPa ）、过渡阶段（ 9 ～ 82 MPa ）和平缓阶段（ 82 ～ 262 MPa ）; 当吸力大于 113 MPa 时,试样的胀缩变形基本可逆,而当吸力小于 113 MPa 时,试样的胀缩变形 表现出明显的不可逆性,且不可逆程度随吸力的减小而增加。试样在常规干湿循环过程中的胀缩变形随循环次数的增加逐渐趋于稳定;胀缩特征受干缩路径的影响非常明显,全干缩路径中测得的膨胀率高于部分干缩路径,膨胀速率随干湿循环次数的增加而增加;试样在干湿循环过程中的膨胀率大小在一定程度上取决于吸湿能力。