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。     

邯郸强膨胀土三向膨胀力特性试验研究

对在不同干密度、初始含水率、温度下的邯郸强膨胀土和复合改性后的膨胀土进行三向膨胀力试验研究。结果表明,在试验条件范围(干密度:1.2,1.35,1.5,1.65 g/cm~3;初始含水率:15%,18%,21%,24%;温度:20℃,35℃,45℃,55℃,65℃)内,竖向与水平向膨胀力的比值随干密度增加而增加,干密度等于1.2g/cm~3时,比值接近1;干密度是决定平衡时间的关键因素,干密度越大的试样膨胀平衡时间越长,且所有试样平衡时间都在3000 min内;在室内常温(20℃左右)和初始含水率相同时,竖向膨胀力随干密度呈指数关系递增;相同温度和干密度下,随着初始含水率增加,三向膨胀力皆呈线性减小的规律,且三向膨胀力与初始含水率关系曲线的斜率随干密度线性递增;经过0.8%PVA(聚乙烯醇)+5%KCl(氯化钾)的混合溶液改性,并添加0.6%聚丙烯纤维后的土样竖向膨胀力下降33.3%,0.8%PVA+4%CaO(氧化钙)的混合溶液改性的土样竖向膨胀力下降16.7%。未改性和经过0.8%PVA+4%CaO的混合溶液改性的土样竖向膨胀力随着温度的升高而减小,经过0.8%PVA+5%KCl的混合溶液改性,并添加0.6%聚丙烯纤维后的土样随着温度升高竖向膨胀力先增加,温度大于45℃后逐渐减小。     

膨润土–砂混合型缓冲/回填材料渗气规律试验研究

为研究高庙子膨润土–砂混合型缓冲/回填材料的渗气规律,利用改进的三轴渗气试验装置,对不同掺砂率、干密度和含水率的混合物试样进行一系列试验研究。结果表明:在试验研究的条件范围内,膨润土–砂混合物(含纯膨润土)的渗气系数为3.9×10-4~2.1×10-2 cm/s;膨润土–砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律,但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响;掺砂率、干密度和含水率均对混合物的渗气性质有影响,混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加,随干密度和含水率增加呈指数形式降低;在试验研究范围内建立了考虑不同条件下的混合物渗气系数的公式,与试验结果吻合较好。得到的一系列试验数据能为我国高放废物地质处置库的建设提供科学依据。     

初始含水率对膨润土-砂混合物膨胀性质的影响

通过对高庙子膨润土-砂混合物压实试样进行膨胀试验,研究了初始含水率对混合物试样膨胀性质的影响。膨润土-砂混合物试样的掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%,初始含水率范围为5%~45%,所制备试样的初始干密度范围为1.30~1.90g/cm3。试验结果表明,随着初始含水率的增大,混合物试样的膨胀速度减慢。在较低初始含水率范围内,随着初始含水率的增大,最大膨胀力降低;在较高的初始含水率范围内,随着初始含水率的增大,最大膨胀力的值基本不变。另外,初始含水率对最大膨胀力的影响,随试样初始干密度的增大而增大,随试样掺砂率的增大而降低。所以,试样的最大膨胀率随着初始含水率的增大而线性降低;初始含水率对最大膨胀率的影响随着试样初始干密度的降低或掺砂率的增大而降低。     

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。     

合肥重塑膨胀土三向应力–应变规律探讨

以合肥重塑膨胀土为研究对象,运用改进的"三向胀缩仪"开展一系列不同初始含水率与干密度的三向膨胀力试验,以及控制竖向与侧向应变的下的膨胀力试验,旨在了解膨胀土三向应力–应变的规律。研究结果表明:(1)水平膨胀力与竖向膨胀力的比值均小于1,也即竖向膨胀力总是大于水平膨胀力,且水平膨胀力与竖向膨胀力比值R0随着试样初始含水率与干密度的不同而不同,变化范围为0.525~0.904。(2)在相同的初始含水率下,R0会随着干密度的增大而增大,这说明,随着试样干密度的增大,土样的各向异性特性减弱。(3)控制竖向变形的膨胀力变化曲线与控制侧向变形的水平膨胀力曲线变化趋势相似,同样是微小的形变就能导致膨胀力的大幅减小,并且应变越小时,膨胀力衰减速率越快。     

膨胀条件下混合型缓冲回填材料的渗透特性

 选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土),分别向其中添加0%,10%,20%,30%,40%,50%的石英砂,采用电子压力试验机在20 MPa荷载下静力压实制样,利用柔性壁渗透仪实测300 kPa围压条件下膨润土–石英砂混合物的渗透系数和体积膨胀变化。研究表明,在0%～50%掺砂率范围内,GMZ001膨润土–石英砂混合物的渗透性随掺砂率增大没有明显的变化,能够满足高放废物处置缓冲回填材料低渗透性的要求。引入有效黏土密度的概念,分析掺砂率和干密度对渗透系数的共同影响可知,膨润土–石英砂混合物渗透系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系。结合压实试验结果发现,GMZ001膨润土–石英砂混合物的渗透系数为掺砂率的单值函数,据此提出不同压实条件下GMZ001膨润土–石英砂混合物渗透系数的预测关系式,期望为混合型缓冲回填材料的配比优化提供理论依据。     

混合型缓冲回填材料土水特征曲线测试与修正

 利用压力板法和水汽平衡法,对不同掺砂率和干密度的膨润土–砂混合物在脱湿过程中的土水特征曲线进行测试,探讨不同初始饱和条件、掺砂率与干密度对脱湿过程中混合物持水性能的影响。随着掺砂率和干密度增大,侧限饱和混合物试样持水性能下降;随着掺砂率增大,自由饱和混合物试样持水性能下降,而干密度对其持水性能基本没有影响。引入有效黏土密度和有效含水率的概念对混合物的实测土水特征曲线进行修正,发现饱和条件不同,混合物持水能力的控制因素也不同：侧限饱和条件下混合物持水性能主要受有效黏土密度控制,而自由饱和条件下混合物持水性能主要受掺砂率控制。根据试验数据拟合出侧限饱和与自由饱和后GMZ001膨润土–砂混合物修正土水特征曲线的经验公式,可用来估算高放废物处置工程中混合型缓冲回填材料的非饱和含水率。     

膨胀土膨胀力的改进测定及其规律研究

通过改进的测试手段,对膨胀土膨胀力与初始含水量、初始干密度和竖向压力的相关关系及其对各因素的敏感性进行研究。结果表明,在800kPa范围内,膨胀土的膨胀力随初始干密度的增大而增加,随初始含水量和竖向压力的增大而减小;膨胀力与初始干密度和初始含水量几近呈线性关系,而与竖向压力呈半对数线性关系;影响膨胀力发挥的最大因素是干密度,其次为含水量,最后为竖向压力。     

考虑初始状态影响的膨胀土一维膨胀特性研究

以南阳中膨胀土为研究对象,通过室内一维膨胀特性试验和土水特性试验探究不同初始状态(包括吸力、含水率和干密度等)影响下非饱和重塑土膨胀率或膨胀力的演化规律。试验结果表明,在不同初始含水率下,无荷膨胀率与初始吸力呈幂函数关系,且与初始干密度无关;膨胀力随初始干密度的增加呈幂函数增大,而膨胀力随初始含水率的增加却是先增大后减小;膨胀力与初始干密度和最终吸水量均呈幂函数关系,给出初始干密度–最终吸水量–膨胀力的三变量模型;构建了全吸力范围内初始含水率–初始干密度–初始吸力–膨胀力的统一模型;所提模型不仅参数少,方程左右量纲统一,且与试验数据具有良好的一致性,便于工程应用。     

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.     

高掺砂率膨润土混合土膨胀特性及其膨胀量预测

膨润土与砂混合土中掺砂率的高低会引起混合土膨胀特性的差异。对纯膨润土及其低掺砂率混合土,浸水膨胀完成后蒙脱石孔隙比em与竖向应力σv在双对数坐标内呈唯一线性关系。对高掺砂率混合土,在较小荷载下浸水,不会形成砂骨架,em–σv线性关系仍成立;在较大荷载下浸水,会形成砂骨架,砂骨架形成后,em与σv间不再满足该线性关系。利用砂骨架孔隙比的概念可确定不同掺砂率混合土形成砂骨架时对应的起偏应力及混合土能够形成砂骨架的临界掺砂率。砂骨架形成前,砂颗粒被蒙脱石包围,外力由蒙脱石承担,最终变形量由试样中单位体积蒙脱石的含量决定。砂骨架形成后,竖向应力最终由砂骨架和蒙脱石共同承担,提出了确定不同掺砂率下两者承担比例的方法,进而可确定砂骨架形成后的膨胀变化量,预测结果与膨胀试验结果吻合较好。该方法可以预测高掺砂率混合土的浸水膨胀量。     

高庙子膨润土—砂混合物土水特征曲线数学模型研究

基于压力板法和水汽平衡法获取缓冲回填材料土水特征曲线,探讨干密度、掺砂率、温度和溶质浓度对缓冲回填材料土水特征曲线模型的影响.遴选出三参数的张虎元模型和四参数的Fredlund and Xing模型可用于拟合我国高庙子(GMZ)膨润土—砂混合物的土水特征曲线,发现吸力值测试范围对模型选取影响很大.干密度和温度与张虎元模...     

改进的膨胀土侧限膨胀试验研究

为量测膨胀土在侧限浸水和不同上覆荷载下的竖向膨胀率和侧向膨胀力,通过改进常规侧限膨胀试验装置和方法,确保了施加上覆荷载后试样浸水前初始湿密状态不变,消除了制样产生的初始水平应力,并将侧向膨胀力从总的侧向力中区分出来。采用改进的试验装置和方法,以特定初始湿密状态下的广西百色中等膨胀土为研究对象,分别进行了常规侧限膨胀试验和改进的侧限膨胀平行性试验。试验结果表明:常规侧限膨胀试验中的上覆荷载会改变试样初始湿密状态,测得的竖向膨胀率偏小7%～95%;因制样产生的初始水平应力会使最终侧压力偏小16.1%～43.5%;分级加载和逐级卸载的改进侧限膨胀试验结果具有良好的一致性和可重复性;竖向膨胀率随着上覆荷载逐渐减小,引入相对膨胀率和相对压力,可建立反映极限膨胀状态的幂函数拟合公式;侧向膨胀力与上覆荷载相关并随之增大而逐渐增大,当上覆荷载增至竖向膨胀力时侧向膨胀力达到最大,两者之间可用双曲线较好拟合。研究成果可为膨胀模型的建立以及膨胀土地区支挡结构物设计计算提供参考。     

石英砂掺量对膨润土–砂混合物泥浆样干缩开裂的控制机制

高放废物地质处置工程中,膨润土–砂混合物作为缓冲回填材料的干缩开裂特征对工程屏障的安全性有重要影响。以混合型缓冲回填材料为研究对象,分别制备掺砂率为0%～50%膨润土–砂的浆状试样,通过室内恒温干燥试验,研究混合物的干缩开裂特征。结果表明:当掺砂率小于30%时,混合物的收缩曲线与径向应变曲线均基本重合,石英砂悬浮在膨润土中,混合物的干缩开裂特性由膨润土决定;当掺砂率大于30%时,混合物中石英砂逐渐相互接触,增加了颗粒间的摩擦力且有大孔隙形成,进而能够抑制混合物的干缩开裂。石英砂颗粒的相互接触显著提高了混合物进气值,略微提高了缩限,限制了混合物的干燥收缩。大孔隙的形成导致毛细水作用力的降低;颗粒间摩擦力的增加,增强了混合物抵抗断裂的能力,进而抑制了混合物干燥裂隙的发展。最终确定了抑制膨润土–砂混合物干缩开裂的最低掺砂率为30%。     

石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制

高放废物深部地质处置工程中,向膨润土中加入一定比例的石英砂可以优化缓冲回填材料的热传导性和可施工性。从"混合土"的概念出发,设计干密度和含水率相同、掺砂率不同的压实膨润土-砂混合物试样,通过剪切试验揭示掺砂率对抗剪强度的控制机制。试验材料选用内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土),石英砂按照质量0%～50%的比率添加。剪切试验结果表明:随着掺砂率的增大,压实混合物由应变软化型向应变硬化型过渡,黏聚力及内摩擦角逐渐减小,即抗剪强度降低。基于混合土孔隙结构假说,通过类比分析,对黏土-砂混合物抗剪强度的界限掺砂率进行估计,提供孔隙结构的扫描电镜证据。引入有效黏土密度和有效含水率的概念,描述石英砂颗粒之间的黏土基质的物理状态,阐释石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制。