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。     

钠蒙脱土晶层间距膨胀影响因素研究

通过研究在不同条件下钠蒙脱土（Na-MMT）晶层间距的变化情况,分析了不同电性的聚合物及K⁺,Na⁺,Ca²⁺对Na-MMT晶层间距变化的影响。结果表明：聚合物溶液抑制Na-MMT晶层间距的膨胀不明显;K⁺,Na⁺,Ca²⁺对晶层间距的影响随阳离子种类和浓度的不同而不同,并且Na-MMT晶层间距膨胀过程中发生了蒙脱土与溶液的离子交换。最后,在对离子交换定量分析的基础上对水溶液中K⁺,Na⁺,Ca²⁺影响Na-MMT晶层间距膨胀的机制进行了分析。     

膨润土表面分维的试验确定

压实膨润土因其膨胀特性被用作高放射性核废料深地质处置工程的缓冲材料,膨润土的膨胀特性与其表面特性有关。对原始膨润土粉末以及被不同浓度的NaCl溶液浸泡过的膨润土进行N₂分子吸附实验,测得N₂吸附等温线,对吸附等温线采用Frenkel-Halsey-Hill(FHH)方程和Neimark热力学方法计算表面分维,计算结果表明,采用两种方法计算的表面分维基本相同。膨润土的表面性质受NaCl溶液浓度的影响较大,表面分维随NaCl浓度的增加呈现出先增大后减小的趋势,这是由于浓度不同膨润土表面吸附的Na⁺量不同所引起的。     

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。     

盐溶液中膨润土膨胀变形的计算方法

膨润土的膨胀变形特性会受到盐溶液的渗透吸力的影响,其影响效果与在膨润土上施加外荷载产生的效果类似。因此,用与渗透吸力相关的修正有效应力来表示膨润土实际受到的总外应力。由分形理论可推导出：在双对数坐标下,修正有效应力与膨润土的最大膨胀变形间的关系可用一条直线表示;修正有效应力可利用溶液的渗透吸力和施加的外荷载求得。但不同浓度盐溶液的渗透吸力须通过较为复杂的试验获得,给工程实际应用造成了困难。基于修正的Debye-Hückel公式求得NaCl、NaNO₃、CaCl₂和Ca(NO₃)₂四种溶液在不同浓度下的渗透系数,结果经已有文献验证,计算方法可靠。以此为基础,进一步求得膨润土在不同浓度下所受到的修正有效应力。经试验数据验证,同种膨润土在不同浓度、不同种类溶液下的最大膨胀变形与修正有效应力之间在双对数坐标下存在统一的线性关系,符合理论公式。     

考虑渗透吸力影响膨润土的修正有效应力及其验证

普遍认为膨润土是高放废物地质处置库缓冲/回填层的理想材料,膨润土在地下水溶液中的膨胀变形和剪切强度关乎高放废物地质处置库的安危。地下水溶液中膨润土膨胀变形和剪切强度受到渗透吸力影响,根据膨润土表面分形模型,建立考虑渗透吸力应力影响的修正有效应力公式,用竖向应力p和渗透吸力π表示为■,并采用膨润土在NaCl溶液中的膨胀变形和剪切强度进行验证。NaCl溶液中膨润土的膨胀变形与修正有效应力p~e表示为同一曲线■,峰值剪切强度与修正有效应力p~e表示为同一直线■,符合Mohr–Coulomb准则。     

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。     

盐溶液中膨润土膨胀变形的计算方法

膨润土的膨胀变形特性会受到盐溶液的渗透吸力的影响,其影响效果与在膨润土上施加外荷载产生的效果类似。因此,用与渗透吸力相关的修正有效应力来表示膨润土实际受到的总外应力。由分形理论可推导出:在双对数坐标下,修正有效应力与膨润土的最大膨胀变形间的关系可用一条直线表示;修正有效应力可利用溶液的渗透吸力和施加的外荷载求得。但不同浓度盐溶液的渗透吸力须通过较为复杂的试验获得,给工程实际应用造成了困难。基于修正的Debye-Hückel公式求得NaCl、NaNO_3、CaCl_2和Ca(NO_3)_2四种溶液在不同浓度下的渗透系数,结果经已有文献验证,计算方法可靠。以此为基础,进一步求得膨润土在不同浓度下所受到的修正有效应力。经试验数据验证,同种膨润土在不同浓度、不同种类溶液下的最大膨胀变形与修正有效应力之间在双对数坐标下存在统一的线性关系,符合理论公式。     

沙漠砂微生物注浆钙离子追踪数值分析

在微生物诱导CaCO₃沉淀技术的基础上,利用Matlab软件建立一维流动注浆模型,在离子层面对模拟注浆的砂柱进行分析和计算,并着重对砂柱后期强度的关键影响因素Ca²⁺浓度进行追踪,以期从理论方面对注浆效果进行进一步的优化和深入研究.结果表明：注浆模型能够灵活追踪Ca²⁺浓度随时间的变化,检测砂柱任意位置的Ca²⁺浓度;钙源为0.75、1.00 mol/L的CaCl₂溶液时的注浆效果更优;数值模拟与试验结果吻合较好,可以为利用沙漠砂快速固结形成的高强度材料来建造沙漠公路路基提供有效的参考和依据.     

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。     

Ca~(2+)浓度对膨润土掺砂混合土渗透性能的影响

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,防止渗滤液流入地下污染周边环境。采用模型试验研究Ca~(2+)离子浓度和基础局部沉降对膨润土掺砂混合土渗透特性的影响。试验结果表明Ca~(2+)浓度对膨润土掺砂混合土的渗透性能有较大影响,渗透液中Ca~(2+)浓度超过一定值后混合土渗漏;Ca~(2+)离子浓度与发生渗透时间之间有很大关系,浓度越高发生渗透的时间越短;同样沉降量条件下,含Ca~(2+)离子溶液渗透的混合土均发生渗漏,而用蒸馏水作渗透液的没有出现渗漏;钠基膨润土遇Ca~(2+)离子溶液后,当Ca~(2+)离子浓度大于两倍Na+就会发生离子交换,钠基膨润土转化为钙基膨润土,混合土的防渗性能下降。因此开展Ca~(2+)离子浓度对膨润土掺砂混合土渗透特性的研究具有较好的理论和实际意义。     

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。     

Use of rat brain Na, K-ATPase assay to determine effectiveness of biological treatment to reduce toxicity of paper mill effluents

This work evaluates the toxicity of kraft mill wastewaters and the extent of detoxification attained after biological treatment of these effluents with the fungus Phanerochaete chrysosporium. The degree of inhibition of the enzyme Na⁺, K⁺-ATPase was used as an indicator of toxicity. The untreated alkali extraction stage effluent significantly inhibited the enzyme activity. When this effluent was treated biologically the degree of enzyme inhibition was practically reduced to zero. The inhibition of the enzyme Na⁺, K⁺-ATPase was found to be a suitable indicator of toxicity for bleached pulp and paper mill waste waters.     

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。     

干湿循环作用下砂岩溶蚀的孔隙度演化规律

针对干湿循环作用下岩石劣化机理的复杂性,以砂岩为研究对象,通过对砂岩浸泡溶液离子浓度的测试,定量反分析砂岩矿物的溶解,得到砂岩孔隙度的演化规律,分析干湿循环作用下砂岩的劣化机制。结果表明:浸泡溶液中Ca~(2+)的生成速率比K~+、Na~+、SiO_2高一个数量级,Fe~(2+)的生成速率最低。每阶段循环后,方解石的体积减少量最多,其次是钾长石和钠长石,黑云母和石英的体积减少量最小。干湿循环作用后,微小的孔隙度变化,会导致抗压强度的大幅度降低,各阶段孔隙度变化值与劣化度成正相关。干湿循环侵蚀后,砂岩各种矿物的溶解流失,使得自身胶结物量减少,孔隙度增大,产生各种空洞与微裂缝,最终反映为强度的降低,是为干湿循环导致砂岩劣化的重要原因。     

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.     

Interaction of light metals and protons with seaweed biosorbent

Based on their displacement by protons, the following ascending order of light metals affinity toward Sargassum fluitans biomass was observed: Na⁺ K⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Al³⁺. Higher biomass-metal affinities resulted in lowering the leaching tendency of (polysaccharidic) biomass components during the sorption process. More than 12% weight loss of protonated biomass occurred during 2 min of sorption, which should be considered in all stoichiometric and sorption calculations. The rate of proton uptake for Na-loaded and Ca-loaded S. fluitans biomass at pH 4.5 was lower than the rate of desorption at pH 1.1. In the case of Na-loaded S. fluitans, the predominant proton uptake rate was of a zero order. Na uptake by protonated S. fluitans biomass did not take place at all in the presence of Ca and Al ions. However, it increased in the absence of other light metals. Since the affinity of Ca²⁺ for the biomass was much greater than that of Na⁺, the three-component system of Na⁺, H⁺ and Ca²⁺ could be simplified into proton-calcium ion exchange. The initial rate of Ca uptake with protonated S. fluitans biomass at pH 4.5 was lower than that of proton release from biomass. Approximately 20% of Ca²⁺ sorbed was bound to the binding site as a mono-valent ion. Titration and stoichiometric indications pointed to the fact that Al was being sorbed as a hydroxyl complex.