混合型缓冲回填材料膨胀力试验研究

与纯膨润土相比,混合型缓冲回填材料（膨润土与石英砂混合物）能够实现防渗阻隔能力、热传导性能、力学强度和可施工性能的最佳组合。选用高庙子钠基膨润土（GMZ001）为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂比分别为0、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内试验。结果表明,混合物的液限、塑限随掺砂率的增大而线性降低;膨胀力随时间呈指数增长。初始含水率较大时,最大膨胀力随初始含水率的增大略有降低。掺砂率一定时,最大膨胀力随初始干密度指数增长。提出了有效黏土密度的概念,建立了一定初始含水率条件下,任意掺砂率和初始干密度的高庙子膨润土-砂混合物最大膨胀力归一化模型,为混合型缓冲回填材料膨胀力的预测与控制提供了依据。     

膨润土加砂混合物膨胀特性研究

通过有荷膨胀试验,对膨润土加砂混合物的膨胀特性进行了研究,分析了膨胀应变与轴向应力、膨胀应变与吸水量以及轴向应力与吸水量之间的关系,并建立了能综合反映轴向应力和吸水量对膨胀应变影响的混合物膨胀本构关系式。试验研究表明,膨胀应变随着轴向应力的增大而减小,两者之间的关系可以采用对数线性关系来表达;吸水量的变化对膨胀应变有明显的影响,膨胀应变随吸水量的增加而线性的增大;而吸水量受到轴向应力的影响,随着轴向应力的增大,吸水量减少,在轴向应力一定时,吸水量会达到一个最终的饱和值。由于考虑了膨胀变形过程中吸水量的变化,所建立的膨胀本构关系式能较好地反映膨润土加砂混合物的膨胀特性。     

重塑膨胀土非线性强度特性及一维固结浸水膨胀应力-应变关系

采用南水北调中线工程南阳膨胀土和新乡膨胀岩重塑试样,开展一系列干湿循环后的强度试验和一维固结后的有荷浸水膨胀试验。试验结果表明,(1) 膨胀土强度随竖向应力增加表现出明显的两阶段特性,低应力状态与高应力状态下的强度指标差别很大;(2) 同一上覆压力下,膨胀土的有荷膨胀率随着初始含水率的增大而线性减小,随着初始干密度的增大而线性增大,分别给出考虑初始含水率、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式和考虑初始干密度、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式,给出膨胀土一维固结后有荷浸水膨胀的应力-应变关系。分析认为,(1) 膨胀土边坡多发生浅层滑动,应测定低应力状态下的强度参数用于边坡稳定分析;(2) 膨胀土边坡浅层部分和坡脚的压实度不宜过高。     

混合型缓冲材料砌块渗透性及其各向异性研究

缓冲材料砌块具备良好的防渗性能,是保证高放废物处置库封闭性的关键。缓冲材料砌块经单轴加载挤压成型,块体尺寸大,测试与评价其渗透性能的均匀性和各向异性,对缓冲屏障设计具有重要价值。研究制备不同干密度的混合型缓冲材料砌块,定向切割获得砌块内部不同位置、不同方向的小试样,开展刚性壁和柔性壁渗透试验,综合评价了混合型缓冲砌块不同方向的水力传导系数。研究结果表明：砌块干密度越大,砌块的水力传导系数越低。所有砌块的水力传导系数均处于10?10 cm/s数量级,沿砌块z、?、r方向的水力传导系数基本相等,表明砌块渗透性具有良好的均匀性和各向同性,且满足高放缓冲材料防渗要求。两种试验方法获得的渗透结果差异较小,柔性壁渗透条件下砌块产生10%～20%的体积膨胀,导致其水力传导系数略大于刚性壁下的平行试样。引入CT试验,分析了渗透前后砌块的微观特性变化。试验证实,在饱和渗透之后,以CT值显示的砌块密度分布趋于均匀,砌块内部存在的微裂隙愈合消失。     

膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

运用自行研制的膨胀仪对膨润土加砂混合物进行了一系列膨胀力及膨胀应变等膨胀特性的试验研究,分析了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间的关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。试验研究表明,膨润土加砂混合物的最大膨胀力以及最大膨胀应变主要取决于混合物的最初干密度和膨润土含量,并且随着二者的增大而增大;膨润土加砂混合物的水平膨胀力与竖向膨胀力之比随着混合物干密度的增大减小,并且与干密度近似成线性关系;不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间成双曲线关系,与吸水量近似呈S型曲线关系,并且其最大膨胀应变与膨润土含量存在指数关系。试验结果对高放废物深处置库中的缓冲回填材料设计具有一定的参考价值。     

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。     

混合型缓冲回填材料膨胀变形试验研究

选用高庙子钠基膨润土(GMZ001)为缓冲回填材料的主料,添加不同比例的石英砂,对掺砂率分别为0%、10%、20%、30%、40%和50%的膨润土-砂混合物压实试样进行室内膨胀变形试验。结果表明：膨胀率随时间呈指数增长;掺砂率一定时,最大膨胀率随初始干密度的增大而线性增长;初始干密度一定时,最大膨胀率与掺砂率呈二次函数关系。引入有效黏土密度的概念对最大膨胀率进行计算,建立了任意掺砂率和初始干密度条件下膨润土-砂混合物最大膨胀率归一化模型,为混合型缓冲回填材料在高放废物地质处置中膨胀行为的预测与控制提供了依据。     

合肥重塑膨胀土三向膨胀力试验研究

以合肥重塑膨胀土为研究对象,采用改进的三向胀缩仪开展了16组不同初始含水率与干密度的三向膨胀力试验。研究结果表明,(1)在所研究的含水率、干密度范围内竖向膨胀力总是大于横向膨胀力,快速膨胀阶段大致在0~2 h以内,该阶段竖向膨胀力可达到极限膨胀力的80%以上;(2)同一干密度下竖向膨胀力随初始含水率增大而减小,竖向膨胀力与初始含水率之间具有良好的线性关系,且干密度越大,竖向膨胀力随着初始含水率的变化速率越大;(3)在竖向膨胀力与干密度的关系图中,每条曲线均以干密度1.6 g/cm~3为分界点呈双线性关系;(4)由膨胀力对数与初始干密度的关系,不同初始含水率下的ln(P_z)-ρ_d关系为一系列近似平行的递增直线,直线斜率大致相同,说明膨胀力随初始干密度的变化速度不随含水率的变化而变化。     

碱性溶液饱和高庙子钙基膨润土膨胀特性及预测

建设高放废物地质处置库需要大量混凝土,而放射性核素衰变释放的大量热量会加速水泥老化,产生的碱性孔隙水会对膨润土的缓冲性能产生不利影响。以高庙子(GMZ)钙基膨润土为试验材料,选用NaOH溶液模拟碱性孔隙水,利用自主研制的耐腐蚀固结仪,完成不同浓度和不同干密度下的膨胀力实验。结果表明,在相同浓度碱性溶液饱和后试样的最终膨胀力随初始干密度的增大而增大;初始干密度相同时,低浓度碱性溶液对膨润土膨胀力有强化作用,高浓度碱性溶液对膨润土膨胀力有弱化作用;在0.3、0.5、1.0 mol/L NaOH溶液环境下试样的膨胀力在达到最大值后会出现下降,膨胀力衰减的程度与溶液浓度有关而与干密度无关。通过X射线衍射试验(XRD)分析矿物成分和晶层间距得到,蒙脱石含量和方英石含量随碱溶液浓度升高而降低,长石含量随着碱溶液浓度升高而上升;NaOH溶液会使钙基膨润土钠化,钠化程度受溶液浓度影响。最后利用蒙脱石孔隙比的概念,对试样的蒙脱石孔隙比和最终膨胀力结果在双对数坐标系中线性拟合,给出预测碱性溶液饱和钙基膨润土膨胀力的表达式。     

混合型缓冲砌块导热性能及其均匀性研究

混合型缓冲砌块作为高放废物地质处置库的缓冲屏障具有良好的导热性能。将高庙子(GMZ)膨润土和标准石英砂混合,依据正交试验原则,控制掺砂率Rs=30%,设置含水率变化为7.0%、11.0%、15.0%,干密度变化为1.60、1.70、1.80g/cm~3,采用半自动化液压机压制成大型缓冲砌块。对砌块进行切割分解,开展热传导试验,建立含水率和干密度与导热性能的关系,了解导热性能的空间分布特征。试验结果表明,随着含水率和干密度的增大,混合型缓冲砌块导热系数显著增大,大致呈线性关系,且平均值均大于国际原子能机构国际原子能机构(IAEA)推荐的导热系数下限值0.8 W/m·K,满足推荐要求;热扩散系数先略微减小再增大,总体也呈增大趋势。对混合型缓冲砌块导热系数的空间分布及均匀性分析发现,砌块四周边缘部位的导热系数比中间部位的波动略大,但总体差异性及非均匀性不明显。采用t检验法对混合型缓冲砌块导热系数均匀性进行检验,发现砌块满足均匀性检验条件,试样均匀。用Johansen模型从物理指标可以预测混合型缓冲砌块的导热系数,偏差在±10%以内。     

混合型缓冲砌块导热性能及其均匀性研究

混合型缓冲砌块作为高放废物地质处置库的缓冲屏障具有良好的导热性能。将高庙子（GMZ）膨润土和标准石英砂混合,依据正交试验原则,控制掺砂率Rs=30%,设置含水率变化为7.0%、11.0%、15.0%,干密度变化为1.60、1.70、1.80 g/cm~(3),采用半自动化液压机压制成大型缓冲砌块。对砌块进行切割分解,开展热传导试验,建立含水率和干密度与导热性能的关系,了解导热性能的空间分布特征。试验结果表明,随着含水率和干密度的增大,混合型缓冲砌块导热系数显著增大,大致呈线性关系,且平均值均大于国际原子能机构国际原子能机构（IAEA）推荐的导热系数下限值0.8 W/m · K,满足推荐要求;热扩散系数先略微减小再增大,总体也呈增大趋势。对混合型缓冲砌块导热系数的空间分布及均匀性分析发现,砌块四周边缘部位的导热系数比中间部位的波动略大,但总体差异性及非均匀性不明显。采用t检验法对混合型缓冲砌块导热系数均匀性进行检验,发现砌块满足均匀性检验条件,试样均匀。采用Johansen模型从物理指标可以预测混合型缓冲砌块的导热系数,偏差在±10%以内。     

高庙子膨润土水化膨胀特性及其微观机理研究

膨润土具有遇水膨胀的特性,是高放核废料深地质处置库理想的缓冲回填材料。膨胀特性是其作为缓冲材料最重要的性能之一,同时受多方面因素的影响。本文以我国首选缓冲材料高庙子膨润土为研究对象,以含水率和干密度为控制变量,以恒体积法为试验方法,研究了高压实高庙子膨润土的水化膨胀特性,采用压汞试验法(MIP)对膨润土微观结构进行了研究,并以此对水化膨胀特性进行了解释。膨胀力试验结果表明,高庙子膨润土的膨胀力发展形式和最大膨胀力均受试样含水率和干密度影响,干密度较小时,水化曲线呈明显的双峰结构,干密度较大时,水化曲线形态与含水率相关,随着含水率增大,双峰结构逐渐消失。MIP试验结果表明,高庙子膨润土的孔径分布同样受含水率和干密度影响,随着含水率和干密度降低,集合体间大孔隙体积增多。膨润土的水化膨胀曲线受集合体间大孔隙影响显著。大孔隙较多时,膨润土集合体能迅速膨胀形成临时结构,当膨胀力超过临时结构的极限荷载时发生坍塌,膨胀力回落,内部结构重组后继续水化达到最大膨胀力,因此其水化膨胀曲线呈明显的双峰结构。随着大孔隙量减少,水化膨胀曲线由双峰结构演变成一条平滑曲线。     

膨润土-砂的膨胀特性与蒙脱石质量比率

在高放废物(HLW)地质处置的工程屏障体系中,使用以膨润土为主料的混合型缓冲回填材料,是阻截放射性核素向地下水环境迁移的最主要的包封设施。膨润土中添加一定量的石英砂,既能优化回填设计与施工性能,又能满足对放射性核素的有效拦截。本文综合分析了初始含水量、干密度、膨润土含量、压力等对压实膨润土-砂混合物膨胀性能指标的影响,提出"蒙脱石的质量比率"这一指标,将干密度和膨润土含量归一为蒙脱石质量比率指标,得出混合材料膨胀力随蒙脱石质量比率增长呈指数增长的规律,从而可以实现对膨胀力的定量预测。     

卸荷损伤原状膨胀土剪切力学特性试验研究

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验,同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明,膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下,初始卸荷速率越小,其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后,其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下,孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势,孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结,初始卸荷速率越大,不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后,再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度,建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。     

冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验,开展了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移影响的研究.试验结果表明:冻结过程中土样温度变化分为3个阶段:急剧降温阶段,缓慢降温阶段,稳定阶段; 干密度越大,稳定冻结锋面的水分迁移量越大,但冻结区的整体水分增量越小; 初始含水量越大,水分迁移量越大,并且在冻结锋面处含水量增幅越大; 在未冻结区,从邻近冻结锋面到暖端,含水量先增大后减小,初始含水量越小,这种现象越明显.此现象是冻结界面抽吸力、温度梯度和基质吸力梯度共同作用的结果.冻结方式直接影响已冻结区的含水量分布和水分迁移总量.     

膨润土加砂混合物干燥收缩特征及缩裂机制研究

膨润土加砂混合物作为核废料储存库缓冲材料,在库内高温高吸力条件下易干燥收缩,对工程安全运营有着重要影响,研究其收缩特性具有实际意义。以砂-膨润土混合物的饱和压实样为研究对象,采用自制恒温箱控制其收缩进程,分析含砂量及干密度对混合物收缩特性的影响。研究结果表明:干燥―收缩过程水分蒸发可分为减速阶段与残余阶段。减速阶段内水分迁出受控于干密度,而最终残余含水率主要受膨润土含量的影响。增加初始干密度和降低膨润土含量可使混合物变形协调,减少收缩变形的各向异性。膨润土含量M和初始干密度ρ是影响干燥―收缩过程的重要物理量,与Cornelis收缩模型中的拟合参数及最终孔隙比e_0具有很好的相关性。同等干密度条件下,随膨润土含量降低,压实膨-砂混合样的微观结构形态趋于致密化的趋势,从而有效地抑制了干燥收缩过程中裂隙发育与演化程度。     

不同密度粗粒料强度特性的大型真三轴试验

干密度对粗粒料的强度特性有重要影响,特别是三维应力状态下影响更为显著。通过不同密度粗粒料大型真三轴等小主应力等中主应力系数（b=0.25）加载试验和大三轴试验研究了干密度对粗粒料强度特性的影响。结果表明,大型真三轴试验的应力曲线基本呈爬升型,高于和陡于大三轴应力曲线,表现出较强的硬化性;粗粒料强度基本随初始干密度的增大或小主应力的增大呈线性增大;大型真三轴试验强度比大三轴试验强度增大20%～97%,且小主应力越小,强度增大幅度越大;令粗粒料黏聚力为0,则内摩擦角随初始干密度的增大基本呈线性增大,随小主应力的增大而减小;破坏应力比随初始干密度的增大呈线性增大,随小主应力的增大而呈线性减小,大型真三轴试验的破坏应力比小于大三轴试验的破坏应力比。     

混合型缓冲回填材料非饱和水分扩散试验研究

设计了专门的浸水试验装置,测定了膨润土-石英砂混合物在非膨胀条件下吸水引起的水分分布及膨胀应力变化,研究了混合型缓冲回填材料非饱和水力学性质。试验结果表明,干密度约1.70 g/cmP3、掺砂率为30%的GMZ001膨润土-砂混合物的水分扩散系数与含水率的关系呈U型变化,即随着含水率增加,汽态水分扩散系数减小,液态水分扩散系数增大。根据理论推导建立非饱和导水率估算方程。计算发现,混合物的非饱和导水率随含水率的增大而增大。其中,汽态水分非饱和导水率先增大后略有减小,液态水非饱和导水率始终增大。试验发现,试样吸水后干密度趋于均匀化,试样内部不同位置的应力发展与水分迁移过程密切相关：渗入端的应力在入渗初期增长很快,随后减慢;渗出端的应力持续稳定增长;入渗96 h后,两端应力趋于一致。估算出的水分扩散系数及非饱和导水率,可用于评价混合型缓冲回填材料阻隔核素迁移安全性。     

红黏土浸水变形特性试验研究

对广西桂林红黏土进行了浸水饱和引起的膨胀变形和压缩变形试验,在竖向压力25~800 k Pa范围下,研究了不同初始含水率和干密度对浸水变形特性的影响。结果表明:浸水饱和引起的压缩变形量主要取决于初始干密度,而初始含水率对其影响较小;在相同的含水率下,浸水压缩变形量随着干密度的增加而减小。把各组的固结状态线和浸水饱和稳定后状态线的交点称为分界点。初始含水率对分界点的影响较小,而随着干密度的增加,分界点右移,即浸水膨胀区域增大,浸水压缩区域减小。由分界点可得出了介于浸水膨胀和浸水压缩的分界状态线,从而可以判定不同孔隙比、不同竖向压力下土样会产生浸水膨胀还是压缩。最后,基于浸水变形试验结果,可以计算压缩区红黏土试样在不同竖向压力下浸水压缩变形量。     

荷载条件下兰新铁路地基泥岩吸水变形试验

以兰新铁路地基中的膨胀泥岩为试验材料,开展不同上覆荷载、不同干密度、不同初始含水率下的重塑土吸水变形试验。试验结果表明:当干密度和上覆荷载一定时,胀限膨胀率随初始含水率的增大而减小;当干密度和初始含水率一定时,胀限膨胀率随上覆荷载的增大而减小。上覆荷载的增大使得土颗粒间传递的平均法向应力增大,进而加大了土体的有效应力,土粒间应力的增大抑制了水分子与土体内黏土矿物的结合,削弱了结合水膜的厚度,从而使胀限膨胀率减小。通过对试验数据结果的分析,建立了初始含水率,干密度,上覆荷载耦合作用下的胀限膨胀率函数关系式。经过同等试验条件验证,试验得到膨胀率公式具有较好的可靠性。