Ca~(2+)浓度对膨润土掺砂混合土渗透性能的影响

垃圾填埋场底部铺设含黏土或膨润土掺砂混合土的防渗系统,防止渗滤液流入地下污染周边环境。采用模型试验研究Ca~(2+)离子浓度和基础局部沉降对膨润土掺砂混合土渗透特性的影响。试验结果表明Ca~(2+)浓度对膨润土掺砂混合土的渗透性能有较大影响,渗透液中Ca~(2+)浓度超过一定值后混合土渗漏;Ca~(2+)离子浓度与发生渗透时间之间有很大关系,浓度越高发生渗透的时间越短;同样沉降量条件下,含Ca~(2+)离子溶液渗透的混合土均发生渗漏,而用蒸馏水作渗透液的没有出现渗漏;钠基膨润土遇Ca~(2+)离子溶液后,当Ca~(2+)离子浓度大于两倍Na+就会发生离子交换,钠基膨润土转化为钙基膨润土,混合土的防渗性能下降。因此开展Ca~(2+)离子浓度对膨润土掺砂混合土渗透特性的研究具有较好的理论和实际意义。     

利用膨润土的膨胀和稠度特性对GCL渗透系数进行预测的试验研究

以土工合成粘土衬垫(Geosynthetic Clay Liner,GCL)在尾矿库防渗层中的应用为背景,研究不同浓度重金属离子(Cu和Zn)作用下,膨润土的自由膨胀量、液限及GCL渗透系数的变化规律,并分析它们之间的对应关系。试验结果显示,当重金属离子浓度在0.01mol/L到0.1mol/L之间递增时,膨润土的自由膨胀量和液限会随着重金属离子浓度的增大而大幅度减小,但当重金属离子浓度从0.1mol/L增加到0.5mol/L时,膨润土的自由膨胀量和液限则只有微小变化。在渗透试验中,当渗透溶液中重金属离子浓度小于0.01mol/L时,GCL的渗透系数能够保持稳定;但当重金属离子浓度大于0.02mol/L后,GCL的渗透系数会随着渗透溶液中重金属离子的浓度增加而不断升高。研究结果表明,当尾矿库渗滤液中重金属离子浓度大于0.02mol/L时,GCL的渗透系数与膨润土的自由膨胀量和液限之间具有良好的数学对应关系,可以利用自由膨胀量和液限对渗透系数进行预测。     

膨润土系隔离墙材料渗透特性研究综述

渗透特性是隔离墙材料的主要工程特征之一。根据大量文献中有关隔离墙材料渗透特性的相关报道,对比介绍了隔离墙材料渗透系数室内测试技术,总结分析了材料特性和化学溶液特性对渗透系数的影响规律。结果表明:渗透试验终止条件的合理选择对正确评价隔离墙材料长期渗透特性起决定性作用;级配较好的原位土可使材料渗透系数降低;渗透系数随膨润土掺量和双电层厚度增加而减小;溶液阳离子价数和离子浓度升高、溶液介电常数降低均可使渗透系数产生不同程度增大;膨润土预水化作用和离子水化半径对材料渗透特性的影响机制尚不完全明确。建议深入研究典型污染物和复合污染物与隔离墙材料间的相互作用,积极推广低质量膨润土及其改性土在中国隔离墙技术中的应用。     

砂土和膨润土混合物防渗性影响因素综述

伴随经济的发展,垃圾填埋场的数量猛增。但是垃圾填埋场大多建造在底部由砂土组成的地区,砂土的透水性较大,容易造成垃圾渗透液的渗出,污染环境。针对这一问题,将砂土与渗透性低的膨润土混合,提高防渗性就尤为重要。本文在收集和整理现有研究成果之后,分析了砂土和膨润土混合物防渗性的主要影响因素,包括膨润土含量、粒径分布、含水率、盐的浓度及复合比,对有关砂土和膨润土的防渗性研究具有重要的指导意义。     

膨润土中饱和渗透系数的计算

 当土工合成黏土衬垫用作垃圾填埋场衬垫时，渗滤液可能对其渗透性能产生重要的影响。为克服渗透试验可重复性差和试验时间长等缺点，从微观角度对土工合成黏土衬垫的饱和渗透系数进行研究。首先，以现有的膨润土微观结构的研究成果为基础，结合SEM方法对膨润土微观结构的分析结果，得出粒内孔隙比随CaCl2溶液浓度的变化规律。然后，将膨润土看作双重孔隙介质，推导出粒间孔隙内凝胶态蒙脱石矿物层间距离的计算公式。最后，根据Poiseuille定律，得到能够考虑CaCl2溶液浓度和孔隙比变化的膨润土饱和渗透系数的改进计算方法，并通过计算渗透系数与实测值的比较验证了这种渗透系数计算方法的有效性。结果表明，膨润土饱和渗透系数的变化是由表观孔隙率和凝胶体蒙脱石层间距离的共同作用引起的。     

改性膨润土作为垃圾填埋场防渗材料的研究

对膨润土与改性膨润土作为垃圾填埋场防渗层材料研究进展进行简要介绍;重点阐述聚丙烯酰胺改性膨润土的研究现状,分析聚丙烯酰胺改性膨润土作为垃圾填埋场土工合成材料的可行性.     

盐溶液对膨润土-砂混合物膨胀性能的影响

利用自制固结仪,开展膨润土-砂混合物在蒸馏水及不同浓度的NaCl、KCl和CaCl₂溶液下的膨胀变形试验,研究盐溶液浓度和阳离子交换反应对混合物膨胀变形的影响。试验表明,试样在蒸馏水与不同浓度的NaCl溶液下可用同一条e_m-p_e曲线表示,表明NaCl主要通过渗透吸力的作用影响混合物的膨胀变形。K⁺、Ca²⁺主要通过置换吸附在钠基膨润土表面的Na⁺,使得膨胀性能减弱,因此NaCl溶液的抑制性小于KCl和CaCl₂。值得关注的是,膨润土-砂混合物在KCl与CaCl₂溶液下随浓度的变化产生了不同的膨胀变形规律。当浓度为0.1 mol/L时,由于同浓度下CaCl₂溶液中的总离子浓度大于KCl,从而通过渗透吸力的提高增大了有效应力,此时CaCl₂的抑制效果强于KCl;而浓度在0.5 mol/L时,CaCl₂的抑制效果弱于KCl,因为此时溶液中离子浓度较高,一方面K⁺可以充分置换吸附在膨润土表面的Na⁺;另一方面K⁺更容易嵌入相邻晶层间硅氧四面体中氧原子形成的孔穴里,使得相邻晶层连接起来,导致水分子不易进入层间,无法正常吸水,从而明显地抑制了膨胀变形。     

赤泥渗滤液对改性GCL防渗性能的影响

旨在评价商用土工合成材料黏土衬垫(GCL)用于阻隔赤泥渗滤液的有效性。赤泥渗滤液作用下GCL的防渗特性是评价其防污性能的关键因素。以商用改性GCL中膨润土为研究对象,通过自由膨胀试验,研究了4种赤泥渗滤液中膨润土的自由膨胀指数。以商用改性GCL为研究对象,通过改进滤失试验,研究了4种赤泥渗滤液作为渗透液作用下GCL渗透系数的变化规律,评价了预水化作用对渗透系数的影响。研究还采用清洁自来水作为GCL的渗透液作为对照。结果表明,随着离子强度的增加,改性GCL中的膨润土自由膨胀指数随之减小。预水化处理改性GCL的渗透系数相较于未预水化处理试样降低了5倍左右。在实际工程应用中,建议采用自来水预水化处理GCL,以此充分发挥其防渗性能。随着改进滤失试验中施加气压的增大,不同赤泥渗滤液作用下的改性GCL渗透系数均下降。随着离子强度和一价二价离子摩尔数比的增加,改性GCL的渗透系数随之增大。随着膨润土自由膨胀指数的增加,改性GCL的渗透系数随之减小。与自来水渗透情况相比,赤泥渗滤液渗透作用下,改性GCL渗透系数增大4.35~12.0倍。     

GCL对铜离子吸附和隔离性能试验研究

采用蒸馏水和0.01 mol/L铜离子溶液分别水化钠基膨润土防水毯(以下简称GCL)进行渗透试验,并用0.01 mol/L铜离子溶液代替蒸馏水测试GCL渗透系数和渗滤液中铜离子浓度;分析了不同水化处理对GCL吸附铜离子和防渗性能的影响。结果表明:不同水化方式预水化的GCL对铜离子都具有优异过滤效果,两种水化方法对铜离子过滤能力都达到99%以上;相比于0.01 mol/L铜离子溶液直接水化,蒸馏水预水化后GCL吸附性能较好,但防渗性能随着时间的增加而变差。     

膨润土防水毯在垃圾填埋场中的应用

简要介绍了国内外膨润土防水毯在垃圾填埋场中的应用情况,分析了膨润土防水毯作为垃圾填埋场防渗层的防水机理,阐述了其主要技术性能指标、优缺点和施工技术。     

Effect of water chemistry on the hydro-mechanical behaviour of compacted mixtures of claystone and Na/Ca-bentonites for deep geological repositories

In the French deep geological disposal for radioactive wastes, compacted bentonite/claystone mixtures have been considered as possible sealing materials. After emplacement in place, such mixtures are hydrated by the site solution as well as the cement solution produced by the degradation of concrete. In this study, the effects of synthetic site solution and cement solution on the hydro-mechanical behaviour of compacted mixtures of claystone and two types of bentonites (MX80 Na-bentonite and Sardinia Ca-bentonite) were investigated by carrying out a series of swelling pressure, hydraulic conductivity and mercury intrusion porosimetry (MIP) tests. It was found that for the MX80 bentonite/claystone mixture hydrated with synthetic site solution, the swelling capacity was reduced compared to the case with deionised water owing to the transformation of Na-montmorillonite to multi-cation dominant montmorillonite by cation exchanges. For the Sardinia bentonite/claystone mixture, the similar increasing rate of swelling pressure was observed during the crystalline swelling process for different solutions, suggesting insignificant cation exchanges. Additionally, the cations in the synthetic site solution could reduce the thickness of diffuse double layer and the osmotic swelling for both MX80 bentonite/claystone and Sardinia bentonite/claystone mixtures. The large-pore volume increased consequently and enhanced water flow. In the cement solution, the hydroxide could also dissolve the montmorillonite, reducing the swelling pressure, and increase the large-pore volume, facilitating the water flow. Furthermore, the decrease of swelling pressure and the increase of hydraulic conductivity were more significant in the case of low dry density because of more intensive interaction between montmorillonite and hydroxide due to the high permeability.     

自由膨胀条件下高压实砂–膨润土混合物非饱和渗透特征

选择合适的配合比,使得膨润土–石英砂混合物在增加导热性能和强度的同时,又能满足渗透性要求并维持适当的膨胀力,是混合型缓冲/回填材料研究的关键。采用瞬时截面法,通过试验研究了干密度1.9 g/cm³、配合比为7∶3的高庙子膨润土–石英砂混合物的非饱和渗透特性。结果表明,所测非饱和渗透系数主要集中在2.1×10^-15～1.0×10^-13 m/s,且趋势上随吸力的增大而减小但变化较为平缓;与自由膨胀条件下、纯膨润土试样的非饱和渗透系数相比,混合物渗透系数稍有增大,但变化幅度不太明显。石英砂的加入,改善了混合物的导热性能,且仍然基本符合缓冲/回填材料的低渗透性要求。     

高碱溶液对高庙子膨润土侵蚀作用的研究

采用NaOH溶液模拟高放射性核废物处置库中可能产生的高碱性孔隙水,对初始干密度为1.70 g/cm³的高庙子（GMZ）膨润土试样进行渗透侵蚀试验,借助扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对侵蚀后试样的表观特性进行观察分析,对碱溶液侵蚀对膨润土试样膨胀性、渗透性、孔隙比和化学成分的影响规律进行解释,以研究碱性孔隙水侵蚀对膨润土性能影响的微观机理。结果表明,GMZ膨润土主要成分蒙脱石呈层片状结构,蒙脱石水化会在其表面形成羽翼状的胶体,会堵塞试样的孔隙;高碱性溶液的侵蚀会造成膨润土水化产生的羽翼状胶体溶解和膨润土结构的不可逆性破坏,并且破坏程度与碱溶液的浓度成正相关关系;经高碱性溶液侵蚀的膨润土试样,其表面有明显的溶蚀痕迹,说明碱溶液的入渗侵蚀会造成膨润土有效成分蒙脱石的溶解,试验结果与X射线衍射（XRD）测试结果吻合。因此,碱性孔隙水的入渗侵蚀会逐渐溶解膨润土中的蒙脱石,破坏了膨润土的结构,增大了膨润土的孔隙率,进而降低了膨润土的膨胀性,提高了膨润土的长期渗透性,最终造成膨润土的封闭和缓冲性能降低。     

膨润土防水毯在渗滤液环境下防渗性能的测试应用研究

膨润土防水毯作为一种优异的防渗材料,国内暂无其在渗滤液环境下的渗透性能报道。本文拟配置性能组分稳定的代表性合成渗滤液作为实际渗滤液的替代试验介质,研究合成渗沥液对膨润土原料膨胀性能和滤失性能的影响,测试在合成渗滤液环境中,不同压力和温度条件下膨润土防水毯的渗透系数,以此为垃圾填埋工程和其他固废填埋工程使用膨润土防水毯作为防渗衬垫提供指导。     

盐溶液饱和高庙子膨润土的强度特性

膨润土因具有高膨胀性、低渗透性、优良的核素吸附性等性质,被选作深层地质处置库的缓冲和回填材料。为研究围岩孔隙溶液对膨润土强度的影响,将GMZ07膨润土试样在不同浓度的Na₂SO₄溶液中饱和、固结后进行直剪试验,分析溶液浓度对GMZ07膨润土抗剪强度的影响。试验结果表明,随着盐溶液浓度的增加,膨润土试样的黏聚力及内摩擦角均增大,强度显著提高。在膨润土表面分形模型的基础上,引入考虑渗透吸力的修正有效应力对试验结果进行了解释。将通过修正有效应力计算得到的GMZ07膨润土在Na2SO4溶液中的抗剪强度与实测抗剪强度进行比较,二者基本吻合,验证了考虑渗透吸力的修正有效应力的正确性。     

Deformation and water/gas flow properties of claystone/bentonite mixtures

As a potential engineered barrier material for disposal of radioactive waste in clay formations,claystone aggregate excavated from the Opalinus clay(OPA),its mixture with bentonite MX80 in a mass ratio of 7/3,and pure bentonite were extensively investigated with respect to the hydro-mechanical properties and performances.With these materials,a series of parallel experiments was performed under sequentially applied conditions of hydration with synthetic porewater of the clay formation,consolidation and water flow under increased stresses,and gas injection into the water-saturated and compacted materials under loading.Significant responses of the clay mixtures were observed.Main findings include:(1) the hydration and induced swelling of the mixtures are mainly dominated by bentonite content and dry density;(2) the consolidation decreases the porosity and water permeability exponentially by 2-3 orders of magnitude to low values of 10~(-18)-10~(-20) m~2 at stresses of 2-5 MPa,depending upon bentonite content;and(3) the gas penetration in the water-saturated and compacted bentonite is characterised by a cyclic pressure rising/dropping process limited in between the upper breakthrough and lower shut-off boundaries,whereas the compacted claystone and claystone/bentonite mixture allow for gas release at low and moderate pressures.The results are helpful for design of the engineered barriers for safe isolation of radioactive waste in repositories.     

膨润土防水毯搭接方式渗流特性试验研究

为了从渗流量和渗透稳定角度深入研究膨润土防水毯搭接处的防渗问题,开发了由压力控制系统和模型试验系统两部分组成的具有施加法向应力作用的接触面渗流试验装置,建立了真实模拟设计提出的防水毯铺设工序的渗流搭接物理试验方法,并通过不同工况下的膨润土防水毯搭接渗流试验,初步探讨了搭接处膨润土发挥防渗作用的最佳状态。结果表明:防水毯的搭接宽度宜大于30 cm;搭接处的膨润土添加量最好在4000~5000 g/m2之间选取;取防水毯规格型号为5000 g/m2能满足防渗体的要求;围压大小和加载路径对搭接处的渗透性影响均较大,若围压先增大然后再减小,搭接处仍能保持较为密实,其渗透性变化不大。     

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%。     

高碱性溶液对高庙子膨润土溶蚀作用的研究

 在高放性核废物地质处置库中,碱性孔隙水长期入渗可能会对膨润土的缓冲封闭性能产生不良影响。为了研究高碱性溶液对膨润土的溶蚀作用及其机制,本文用NaOH溶液模拟高碱性孔隙水,对初始干密度为1.70 g/cm3的高庙子膨润土试样进行渗透侵蚀,并借助X射线衍射(XRD)和能谱分析(EDS)测试,对侵蚀后各试样的矿物成分和Mg元素含量的变化进行测定分析。结果表明：高庙子膨润土含有蒙脱石、石英、斜长石和微斜长石(或方石英),且主要有效组分为蒙脱石;在试验过程中,经高碱性溶液的侵蚀,试样的主要原生矿物的种类没有减少,也没有检测到新物质生成,但膨润土试样中的蒙脱石和Mg元素的含量随着侵蚀碱性溶液浓度的增大而降低,这说明在高碱性溶液的侵蚀作用下,膨润土中的蒙脱石发生溶解。因此,碱性孔隙水的长期入渗会对膨润土产生溶蚀作用,进而降低膨润土的膨胀性能,增大膨润土的有效孔隙比和渗透性,最终削弱了膨润土的缓冲封闭性能。