高压实高庙子膨润土的热传导性能

采用基于热探针法的热传导仪,研究了作为我国高放废物深地质处置首选缓冲/回填材料的内蒙古高庙子钠基膨润土和膨润土–石英砂混合材料的热传导特性,探讨了含砂量、干密度和含水率等因素影响,并运用多种热传导模型进行了预测对比分析。结果表明:高压实高庙子膨润土及膨润土–混合物的热传导系数均随干密度和含水率的增大而增大;在不同的干密度条件下,混合物的热传导系数均随含砂量的增加而增大,且干密度越大,热传导系数随含砂量的增加越明显;含水率不为零时,膨润土–砂混合物的热传导系数随含砂量的增加而增大;烘干试样(含水率为零)在石英含砂量为0～30%的范围内,混合物中石英砂的比例越大,热传导系数越高,石英砂比例为50%时,热传导系数有所下降。Kahr方程能较好地预测高庙子膨润土的热传导系数;Fricke方程预测的高庙子膨润土–砂混合物热传导系数与实测值拟合较好,可用于高庙子膨润土–砂混合物热传导系数的预测。     

钙质砂热传导性能试验

基于热针法测得了不同条件下南海钙质砂的热传导性能,探讨了含水率、干密度、温度、颗粒粒径等因素对钙质砂热导率的影响。研究结果表明：钙质砂热导率随含水率、干密度的增大而增大,且含水率越大,干密度对热导率的影响越明显;相对于随干密度的变化,钙质砂热导率随含水率的变化尤为显著;钙质砂热导率随温度升高而增大,但是热导率在不同温度下随含水率的增长趋势不同;颗粒粒径对钙质砂热导率的影响甚微;在钙质砂中掺入一定量石英砂有助于改善其导热性能。     

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。     

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。     

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。     

缓冲材料热-水-力耦合模型试验研究

高放废物深地质处置采用多重屏障设计体系,缓冲材料是位于废物罐和围岩之间的一道重要的人工屏障。在放射性衰变热、地下水入侵和围岩应力等作用下,缓冲材料经历复杂的热-水-力耦合过程,评价其长期性能对高放废物地质处置库的稳定运行至关重要。缓冲材料模型试验是研究膨润土在多场耦合环境下性能变化的重要途径。中型实验台架是大型实验台架(China-Mock-up)的重要补充,用来模拟与大型实验台架边界相同的环境下,即热量和水分别从缓冲材料的不同侧向另一侧传递和渗透的条件下膨润土的行为特征。通过实时监测缓冲材料在长期加热和加水条件下的温度、相对湿度、力学等特征参数,揭示了在热-水-力耦合条件下缓冲材料的性能变化规律,同时对台架进行了拆解,对拆解样品的含水量、干密度和微观结构等进行了分析测试,研究结果可为高放废物处置库缓冲材料的工程设计提供参数支持。     

混合型缓冲砌块膨胀性的空间分布及其各向异性

高放废弃物处置过程中,缓冲砌块的膨胀性质是决定缓冲屏障密封效能的主要因素。缓冲砌块的膨胀性与砌块干密度、含水率的空间分布有关;受到砌块制备过程的影响,砌块的膨胀性在不同的方向会表现出一定的各向异性。提出我国高放处置缓冲屏障堆砌建造概念模型,设计了扇形砌块压实模具,并制备大尺寸混合型缓冲砌块。研究选择70%膨润土与30%石英砂混合,以12%目标含水率和1.87g/cm~3目标干密度制备混合型缓冲砌块。压实砌块经切割分解,测试砌块不同空间位置的干密度和含水率分布,并沿着不同方向取标准环刀试样,进行膨胀力与膨胀率试验。结果表明:(1)随着离开压头距离的增大,干密度、含水率分布略有波动。砌块内部不同位置的干密度和含水率分布总体较为均匀。(2)砌块内部不同位置的膨胀力和膨胀率空间分布,与干密度具有良好的对应关系,即干密度越高,对应的膨胀性就越好。(3)砌块膨胀性的各向异性主要体现在竖直方向(制备加压方向)与水平方向之间。定义砌块膨胀力各向异性系数α和膨胀率各向异性系数β,根据试验数据统计分析发现,α=0.856～0.926,β=0.885～0.934。砌块膨胀性各向异性随着干密度的增大而提高。     

混合型缓冲回填材料抗剪强度特性研究

高放废物深地质处置中,缓冲回填材料的抗剪性能对处置库的安全设计、施工及运营有重要的影响。本文从工程应用的角度出发,测试不同掺砂率时膨润土-砂混合物标准击实样在最优含水率条件下的抗剪强度指标。研究结果表明:随着掺砂率的增大,膨润土-砂混合物的抗剪强度指标略有下降;纯膨润土的抗剪强度指标随着干密度的增大而增大,随着含水率的增大而减小。通过测试和分析不同干密度和含水率时纯膨润土的抗剪强度指标,引入有效粘土密度和有效含水率的概念,对最优含水率条件下不同标准击实样的抗剪强度指标进行分析。     

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。     

高庙子膨润土及其混合材料导热性能研究

导热性能是高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要性能之一。采用瞬变平面热源法,研究了我国高放废物地质处置首选缓冲/回填材料高庙子膨润土,及以其为主料,添加不同含量石英砂、北山花岗岩碎屑组成的混合材料的导热性能。分析了添加剂种类和含量、干密度、饱和度等因素对导热系数的影响。研究结果表明:高庙子膨润土及其混合材料的导热系数、热扩散系数都随干密度和含水量的增大而增大;石英砂、北山花岗岩碎屑能够不同程度提高膨润土的导热系数,石英砂的作用优于北山花岗岩碎屑;饱和度对添加剂发挥其提高缓冲/回填材料导热性能的作用影响明显,饱和度越高,添加剂的作用越显著。     

混合型缓冲回填材料压实性能研究

 根据国外高放废物地质处置领域缓冲回填材料研发趋势,提出我国混合型缓冲回填材料开发新构想,即在纯膨润土中添加一定量的石英砂,期望在不显著降低渗透性能的前提下明显改善其热传导性能和力学强度。选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土)为主料,添加0%～50%含量的石英砂,采用标准击实试验和重型击实试验,研究混合土的动力压实特性;采用专门设计的压实模具,研究混合土在20和50 MPa压力下的静力压实特性。研究结果表明,不同掺砂率的膨润土–砂混合物,最大干密度与最优含水率存在统一的幂函数关系,而与压实方法及压实能大小无关。对于不同的压实方法及压实能大小,最优含水率与掺砂率之间存在线性关系。利用这些关系,就可以针对特定的压实目标选择适宜的压实方法。研究表明,高庙子膨润土掺加10%～30%的石英砂有助于改善压实质量,预计防渗性能也不会降低。     

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。     

Laboratory characterization and modelling of the thermal-mechanical properties of binary soil mixtures

Binary soil mixtures are extensively used in the construction of geothermal-related earth structures such as geothermal energy piles (GEP), ground source heat pumps (GSHP) and earth air tunnel heat exchangers (EATHE). An evaluation of the binary soil’s thermal-mechanical properties is the key process in determining the final performance of geothermal-related projects. Therefore, the thermal-mechanical properties of binary soil mixtures were systematically investigated in this paper. A series of thermal and mechanical property tests was conducted on five sand-kaolin clay mixtures with sand contents ranging from 0% to 100% by dry weight. The experimental results indicated that the sand-clay mixtures achieved the theoretically densest state when the sand content reached the critical threshold. The further the binary mixture’s sand content was from the critical threshold, the lower the mixture’s density was. As the sand content increased, the shear stress-strain curves gradually shifted from strain-softening behavior to strain-hardening behavior due to the decrease in suction stress. The relationship between the sand content and the shear strength of the mixtures exhibited an “S” shape, which is attributed to the interaction between the sand and clay particles and varied with the sand contents. The shear wave velocity of the sand clay mixtures was found to decrease continuously with the increase in sand content until the sand skeleton had formed. In addition, the thermal conductivity of the binary mixed soil changed linearly with the sand content, and the upper bound of the critical threshold interval (77%) was found to separate the two different heat conduction modes. Finally, an elastic shear modulus (G₀) model, which correlated to the tangent elastic modulus of the binary mixture (E_m), and a more generalized thermal conductivity (K) model were formulated for the binary sand-clay mixtures, and the effectiveness and feasibility of the proposed models were validated by comparing the values predicted with the model and the experimental data.     

垂直地埋管地源热泵膨润土基钻孔回填材料导热特性研究

实验通过对膨润土基回填材料的配比、干密度、孔隙率、含水率和环境温度等因素研究发现,膨润土基回填材料的导热性能主要是由骨料(石英砂)含量、干密度和孔隙程度共同决定的,环境温度对回填材料导热性影响较小。含水率应合理控制,适宜配比、正确回灌能有效提高导热性和地下热交换器的工作效率,工程收益率高。     

Numerical analysis of thermal process in the near field around vertical disposal of high-level radioactive waste

For deep geological disposal of high-level radioactive waste(HLW)in granite,the temperature on the HLW canisters is commonly designed to be lower than100fiC.This criterion dictates the dimension of the repository.Based on the concept of HLW disposal in vertical boreholes,thermal process in the nearfield(host rock and buffer)surrounding HLW canisters has been simulated by using different methods.The results are drawn as follows:(a)the initial heat power of HLW canisters is the most important and sensitive parameter for evolution of temperaturefield;(b)the thermal properties and variations of the host rock,the engineered buffer,and possible gaps between canister and buffer and host rock are the additional key factors governing the heat transformation;(c)the gaps width and thefilling by water or air determine the temperature offsets between them.     

Numerical analysis of thermal process in the near field around vertical disposal of high-level radioactive waste简

For deep geological disposal of high-level radioactive waste (HLW) in granite, the temperature on the HLW canisters is commonly designed to be lower than 100 °C. This criterion dictates the dimension of the repository. Based on the concept of HLW disposal in vertical boreholes, thermal process in the near field (host rock and buffer) surrounding HLW canisters has been simulated by using different methods. The results are drawn as follows: (a) the initial heat power of HLW canisters is the most important and sensitive parameter for evolution of temperature field; (b) the thermal properties and variations of the host rock, the engineered buffer, and possible gaps between canister and buffer and host rock are the additional key factors governing the heat transformation; (c) the gaps width and the filling by water or air determine the temperature offsets between them.     

Effect of sedimentary facies and geological properties on thermal conductivity of Pleistocene volcanic sediments in Tokyo,central Japan

When ground source heat pump systems are installed underground, an estimate of the thermal conductivity is required to determine the desired total length of the heat exchanger (U-tube). Many large cities in Asia are built on Quaternary sediments, but the thermal conductivity of these sediments is not well understood. To measure the thermal conductivity of Pleistocene volcanic sediments in Tokyo, Japan, we discuss methods of measuring thermal conductivity and factors influencing the thermal conductivity of volcanic sediment, which has low quartz content. The results obtained from experiments using a drill core, borehole data and artificial sediment samples are as follows: (1) values of thermal conductivity predicted using water content, porosity or sand content can be underestimated in volcanic sediment or sediments with large amounts of magnetic minerals; (2) magnetic minerals have a higher thermal conductivity than quartz, so there is a relationship between magnetic susceptibility and thermal conductivity: (3) comparison of thermal conductivity measurements performed using box- and needle-type probes showed that the values measured using the former are comparatively larger. This decrease in thermal conductivity is explained by formation of air-filled cracks when the needle penetrates the sediment, as air has a lower thermal conductivity than sediment.