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。     

高庙子膨润土微观结构时效性试验研究

针对高庙子膨润土在不同含水率和不同干密度条件下的微观孔隙结构时效性进行了试验研究。首先采用静力压实法将3种不同含水率条件下的高庙子膨润土粉末压实到2种不同密实状态,压实结束后保持试样体积和含水率不变分别静置1,30,90d,然后分别采用压汞仪法和扫描电镜法对静置不同时间后试样的微观孔隙结构进行量测。试验结果表明,高庙子膨润土集合体间大孔隙随静置时间增加逐渐减少,而集合体内孔隙和小于压汞仪最小探测粒径的极小孔隙逐渐增多;随着静置时间的延续,膨润土微观孔隙结构趋于均匀化。产生上述现象的主要原因是：试样静置过程中,为达到吸力平衡,试样各微观孔隙结构中水分子重分布,导致层叠体内水分子层数增多,蒙脱石水化;随着水化的进行,层叠体晶层间水分子层数逐渐增多,同时厚的层叠体逐渐裂开成薄的层叠体,导致集合体内小孔隙增多;在体积不变条件下,集合体间大孔隙不断被挤压填充,孔隙体积逐渐减少。     

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。     

考虑温度影响的高庙子膨润土强度与变形特性试验研究

为了探讨温度对高庙子膨润土的强度和变形特性的影响,使用高温高压土工三轴仪,共做81个高压高温高庙子(GMZ)膨润土的三轴不排水剪切试验,系统分析干密度、围压、温度和含水率对高庙子膨润土强度与变形特性的影响。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;无围压及较高干密度时试样均呈现脆性破坏,较高围压和较低干密度时,试样主要呈塑性破坏;(2)高庙子膨润土的强度随含水率增大而减小;较低干密度时,偏应力–轴向应变曲线的位置随温度升高而上移;但较高干密度时的情况则完全相反;(3)初始杨氏模量在干密度较低时随温度升高呈现增加的趋势,而在干密度较高时则相反;随着含水率的升高,初始杨氏模量总体上不断减少;(4)随着温度升高,泊松比增加;干密度和含水率对泊松比的影响不大;(5)建立高庙子膨润土的黏聚力和内摩擦角随干密度、含水率和温度变化公式。研究成果可为分析缓冲材料的热–水–力耦合性状提供科学依据。     

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。     

高庙子膨润土热膨胀特性试验研究

采用DIL806热膨胀仪,通过室内试验系统研究了不同影响因素对高庙子压实膨润土样品热膨胀性能的影响,获得了膨润土样品热膨胀系数随干密度、升温速率、含水率和环境气氛等条件的变化规律.试验结果表明:膨润土样品的热膨胀系数随着干密度的增大而增大;样品热膨胀系数随初始含水率的升高而降低;高含水率的膨润土样品,其热膨胀系数随升温...     

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。     

高庙子膨润土的胀缩变形特性及其影响因素研究

以高庙子钠基膨润土为对象,研究了干密度、竖向压力、浸泡液体、吸湿方式对其膨胀变形的影响,探讨了浸泡液体变化引起的渗析变形以及加卸载循环中的变形规律。试验表明膨润土的水–力–化学耦合作用非常复杂:干密度、竖向压力、浸泡溶液及其浓度均对膨润土的膨胀变形有显著影响;无荷状态下,饱和蒸气吸湿与浸水饱和两种方法得到的膨胀变形存在巨大差异;先在氯化钠溶液、再在蒸馏水中浸泡的试样的膨胀变形小于直接在蒸馏水中浸泡的试样的膨胀变形。浸泡液体由氯化钠溶液调整为蒸馏水,试样膨胀;而由蒸馏水换为氯化钠溶液,试样则压缩。在高浓度盐溶液中浸泡的初始干密度低的试样,浸泡液体调整为蒸馏水后,初始可产生压缩变形。加卸载循环中的规律比较独特,既表现出塑性压缩变形,亦存在塑性膨胀变形,用巴塞罗那膨胀土模型对其进行了解释。     

土体干燥过程中的体积收缩变形特征

通过开展室内试验,分别研究了初始饱和的糊状试样和不同压实状态的压实试样的体积收缩变形特征。对于糊状试样,采用液体体积置换法测量了试样干燥过程中的体积变化,获得了完整的收缩曲线,试验结果表明：糊状试样的收缩过程可分正常收缩、残余收缩和零收缩 3 个阶段;绝大部分收缩变形发生在进气点之前即土体处于饱和状态。对于压实试样,初始干密度和含水率对收缩特征有重要影响：初始干密度增加对体积收缩变形起抑制作用,而初始含水率的增加对体积收缩变形起促进作用。此外,压实试样的体积收缩存在明显的各向异性,且对初始含水率的敏感程度高于初始干密度。最后,根据试验结果,提出了压实试样收缩应变与初始干密度和含水率之间的函数关系式。     

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。     

Investigation on swelling-shrinkage behavior of unsaturated compacted GMZ bentonite on wetting-drying cycles

It is generally recognized that swelling/shrinkage deformation and accumulative deformation of compacted expansive soil on wetting-drying cycles are strongly influenced by the specimen’s dry density and the net stress applied. However, investigations on the coupling effects of dry density and vertical net stress on the swelling/shrinkage deformation and accumulative deformation are limited. Cyclical wetting-drying tests were conducted on unsaturated compacted GMZ bentonite specimens with three dry densities under five vertical net stresses. The influence of vertical stress on accumulative deformation was analyzed. Then, the critical vertical stress was proposed for specimens with different dry densities. The effect of dry density on accumulative deformation was studied and the critical dry density was determined for different vertical stresses. Based on these, the concept of critical swelling-shrinkage line is proposed in the e-p space. According to the relationship between the initial state of specimen and the critical swelling-shrinkage line, a state parameter is proposed for determination of the accumulative strain on wetting-drying cycles.

     

接缝对高压实膨润土工程屏障自封闭性能的影响

 以高庙子膨润土为研究对象,采用自主研制的多功能膨胀–渗透仪,对不同初始干密度的试样进行不同接缝宽度条件下的膨胀力和渗透试验,并对水化后的膨润土进行水银孔隙率定试验,从微观结构层面分析接缝对膨润土渗透性的影响机制。结果表明：接缝的存在将导致膨润土的膨胀力减小、渗透性增大,从而降低膨润土在处置库中的自封闭性能;在水化过程中,接缝的存在会引起膨润土内部孔隙大小和数量的变化,宏观表现为膨润土渗透性增大。     

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.     

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。     

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。     

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.     

约束状态对高庙子膨润土的水力学特性的影响

在我国核废料深地质处置中,高庙子膨润土作为首选缓冲回填材料,起着阻隔核素迁移的作用。高压密膨润土填充于核废料包装罐与围岩之间,在水化初期和水化后期分别处于自由膨胀和侧限状态。因此,认识其在这两种约束状态下的水力学特性是十分重要的。为了加深对高庙子膨润土水力学特性的认识,对其分别进行了自由膨胀和侧限状态下的土水特征测定试验、微观结构测定试验和非饱和渗透系数测定试验。最后在以上试验结果的基础上,分析了约束状态的不同对高庙子膨润土水力学特性的影响。