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。     

高庙子膨润土在高温高压下的强度特性研究

高庙子膨润土是中国高放废物地质库的首选缓冲/回填材料,将长期在高温(100℃左右)高压(数十兆帕)条件下工作。为了探讨高庙子膨润土在高温高压条件下的强度特性,使用高温高压土工三轴仪,共做了81个三轴不排水剪切试验,系统研究了干密度、围压、温度和含水率对其强度特性的影响。研究结果表明:(1)围压和干密度对高庙子膨润土的破坏形态的影响很大;(2)高庙子膨润土的强度随含水率增大而减小;温度和干密度对其强度的影响比较复杂,干密度较低时,偏应力–轴向应变曲线的位置随温度升高而上移;但干密度较高时的情况则完全相反;(3)分别建立了高庙子膨润土的黏聚力和内摩擦角随干密度、含水率和温度变化的公式。本文的研究成果为分析缓冲材料的热–水–力耦合性状提供了科学依据。     

压制压力对膨润土压实性能的影响

膨润土作为高放射性核废料处置库回填/缓冲层的首选材料,需实现隔离防渗的目标。获得高压实膨润土是实现这一目标的必备条件。而压制压力是影响膨润土密实度的因素之一。以纯膨润土粉末为研究对象,采用静力压实方法,开展了不同含水率(0%～30%)膨润土试样在不同压制压力(0 k N～45 k N)作用下的压实试验,提出干密度增长率与增长率增量参数评价压力对膨润土的压实效果。结果表明,在同一含水率状态下,膨润土的干密度随着压力的增大而增大。但在低含水率状态下,受粒间摩擦力的影响,膨润土干密度增长缓慢;在高含水率状态下,受粒间摩擦力与孔隙水压力的双重作用,导致压制压力持续增大到某一压力值后,膨润土的干密度增长率增量逐渐趋于稳定。压制膨润土试样时,可根据目标干密度值选择初始含水率以及压制压力,以便有效减少机械与时间成本。     

压实膨润土膨胀应变时效性试验及模型研究

本文对高庙子膨润土试样竖向膨胀应变时效性进行了试验和理论研究。首先,3种不同含水率的高庙子膨润土粉末被压实到2种不同干密度,然后保持试样含水率不变分别静置0、1、7、15、30和90天,最后利用膨胀变形仪对静置完成后的试样的水化膨胀变形进行了测量,试验结果表明:试样的水化膨胀曲线呈双曲线型,水化初期膨胀明显,之后逐渐稳定;竖向膨胀应变随初始干密度的增加而增大,与初始含水率关系不明显;最大竖向膨胀应变随静置时间的增长不断衰减,且静置前期衰减明显,后期趋于稳定;基于试验成果,通过类比,建立了压实膨润土的膨胀应变时效性经验模型,拟合结果表明该模型能够较好地反映静置时间对高庙子膨润土膨胀应变的影响。     

主应力轴旋转对黄土动模量和阻尼比的影响

对各种不同初始状态下的黄土进行周期扭剪试验,研究主应力轴旋转对其动模量和阻尼比的影响规律,结果表明:黄土的最大动剪切模量随含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;阻尼比随含水率增大而增大,随干密度的增大而减小。     

西北地区膨润土湿化变形特征的试验研究(英文)

通过对西北地区原生与重塑膨润土的湿化试验,研究了初始含水量、初始干密度与荷载水平对湿化变形的影响。研究表明,当初始干密度给定时,湿化变形增量随初始含水量增加而减小;当初始含水量给定时,湿化变形增量随初始干密度增加而增大。重塑膨润土也同样有此规律,但重塑膨润土的湿化变形比原生膨润土为大。     

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。     

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。     

广西红黏土热物理特性及影响因素试验研究

结合矿物组成分析,通过室内试验对广西4种红黏土的热物理特性从土质学角度进行了深入研究,探讨了红黏土的热特性参数与各影响因素之间的关系。研究结果表明:当土体干密度保持不变,红黏土的热导率、比热容随体积含水率的增加而线性递增;热导率变化曲线存在临界含水率点,土体含水率低于该点时,热导率呈线性急剧增加,反之,热导率增长缓慢,趋于稳定;热扩散率以临界含水率点为界,先随含水率的增大而递增,到达临界含水率后随含水率的增加而递减,整体呈抛物线的变化趋势;当土体含水率保持不变,红黏土的热导率、比热容、热扩散率均随干密度的增加而线性递增;红黏土矿物成分中的石英含量对土体的热导率具有显著影响,石英含量与热导率的增长速率呈正相关的关系。     

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。     

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。     

氢氧根离子在膨润土中的弥散规律及其溶蚀作用

高放废物地质处置库中可能出现的碱性孔隙水,会对膨润土的缓冲封闭性能产生不良影响,尤其是碱性孔隙水中的OH^-离子。本文用NaOH溶液模拟碱性孔隙水,用蒸馏水模拟处置库现场的地下水,对初始干密度为1.70 g/cm³的高庙子(GMZ)膨润土试样开展弥散试验,研究OH^-离子在高压实GMZ膨润土中的弥散规律;用pH值为13和13.8的NaOH溶液模拟孔隙水侵蚀GMZ膨润土试样,研究碱性孔隙水侵蚀,GMZ膨润土的溶解规律。结果表明,非稳态条件下,OH^-离子在GMZ膨润土中的弥散系数为1.49×10^-11~1.89×10^-10 m²/s,且弥散系数随着试样两侧溶液浓度差的减小而降低;高pH值碱性孔隙水侵蚀,首先会造成膨润土中含Si和Al矿物的迅速溶解,溶解速率与时间呈近似线性增长关系,且溶液的pH值越高,溶解速率越快。     

重塑膨胀岩土微变形条件下膨胀力试验研究

 通过对南宁膨胀性泥岩重塑土样进行变形量分别为0,0.2,0.5和1 mm的微变形膨胀力试验,分析膨胀力的主要影响因素,建立膨胀力与干密度、初始含水率双因素之间关系,研究微变形条件下膨胀力变化机制。结果表明：(1) 零变形时,膨胀力随干密度增大呈指数形式增大,并与初始含水率呈幂函数关系。(2) 微变形时,膨胀力随变形增大而衰减明显,在干密度大、初始含水率低时衰减幅度较大,反之较小;在干密度及初始含水率一定时,微变形膨胀力随着变形率增大而呈指数衰减。(3) 微变形与零变形膨胀力之比随变形率增大而呈指数减小,当变形率为1%,2.5%和5%时,微变形膨胀力与对应零变形膨胀力之比分别为75%,55%和35%。     

干密度对黄土渗透系数的影响

非饱和渗透系数是研究非饱和土入渗规律的重要参数,同时也是研究边坡失稳和地基浸湿变形的重要基础。本文采用变水头法测量原状黄土和重塑黄土饱和渗透系数,基于ChildsCollis-Geroge模型,结合土水特征曲线和饱和渗透系数,详细探讨了原状黄土、不同干密度非饱和重塑黄土体积含水率与渗透系数的关系和规律。结果表明,原状黄土的饱和渗透系数远小于重塑样,重塑土样饱和渗透系数随着干密度的增大而减小;黄土非饱和渗透系数减小趋势随着干密度增大而减小,但在残余含水率附近,不同干密度下试样的渗透性基本相同。     

南宁市河流冲积相黏性土抗剪强度热效应研究

为研究不同初始状态黏性土抗剪强度的热效应规律,以南宁市河流冲积相黏性土为研究对象,选取7种初始含水量和5种初始干密度制成720个三轴试样,分别在20℃、40℃、60℃环境中养护168h后利用温控三轴仪进行剪切试验。试验结果表明:温度升高时,黏性土的黏聚力和内摩擦角有升有降,它由土样含水量以及温度变化范围所决定;黏性土抗剪强度的热效应存在一个临界含水量,此临界含水量在该土的最优含水量附近;当温度从20℃上升到40℃时,若小于临界含水量,黏聚力降低,内摩擦角升高,反之则黏聚力升高,内摩擦角降低;当温度从40℃上升到60℃时,若小于临界含水量,内摩擦角降低,反之则内摩擦角升高,而土样黏聚力均升高;在临界含水量处,黏性土的热效应最不明显,含水量与临界含水量相差越大,热效应越显著;对于含水量小于临界含水量的土样,存在一个干密度,使其热效应最显著,此干密度远小于最大干密度,大于临界含水量土样的热效应与干密度之间的规律并不明显。     

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。     

高温后上海软黏土的物理性能试验研究

土的温度效应是岩土工程领域的热点问题,但对于100℃以上高温环境下土的物理性能的研究并不多。详细介绍了自行研制的高温加热试验装置,并利用该设备测定了上海软黏土样在105℃,120℃,150℃和200℃等高温加热2.5h和4.0 h后的体积变化、干密度和饱和度的变化,测定了105℃,150℃和200℃下恒温4.0 h土的导热情况。试验结果表明土样的体积和饱和度均随温度增加而减小,土样的干密度随温度的增加而增加,且随加热时间增加变化趋缓;湿土和干土的导热系数均随温度升高而增大,且干土的导热系数小于湿土的导热系数。说明软黏性土在100℃以上高温环境作用下会出现塑性变形和加热硬化现象,高温对土的导热系数影响显著。