冰-土混合法调配膨润土缓冲回填材料含水率研究

高放废物缓冲回填工程屏障材料膨润土塑性高,可调性差,加水制样过程中土“团聚化”及含水率分布不均匀现象明显,影响缓冲回填压实砌块质量。与传统直接喷水法对比,试验探索一种加水工艺,即采用粉状冰与膨润土粉混合调配膨润土含水率,试验含水率在5%～30%之间,分析了膨润土与水混合物的混合效率、黏附质量损失率、实际含水率与理论含水率差值、团聚体含水率与粒径关系、混合物中团聚体分布及含量等指标综合评价加水工艺优劣,提出微波辅助解冻法以提高冰-土混合法制备土样的解冻效率。结果显示,与喷水法相比,冰-土混合法混合效率高,膨润土黏附容器少,实际含水率更集中于目标含水率,团聚体数量明显减少,水分分布更均匀;配套的微波辅助解冻法能有效提高冰-土混合法解冻效率,且不影响团聚体数量及试样含水率。研究成果可供我国高放废物缓冲回填材料高效生产及其他高黏性土含水率均匀调配参考。     

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。     

集成回填材料的渗透特性研究

本文在前人基础上改进渗透装置,通过自制多功能膨胀渗透仪在氮气加压为1.0 MPa条件下,测得沸石-膨润土-硫铁矿、凹凸棒石-膨润土-硫铁矿两组混合物在不同膨润土含量、压制载荷、压实密度、出水时间等条件下的渗透系数。实验结果表明:集成回填材料的渗透系数随时间的变化不大,基本满足达西定律。同一干密度和含水率条件下,不同混合物随着膨润土含量的增加,其渗透系数降低。膨润土含量占沸石混合物或者凹凸棒石混合物比例不小于60%时,二者混合物的渗透系数均满足高放废物处置中回填材料渗透系数小于7×10-10m/s的要求。但同等条件下,由于沸石为非粘性矿石,其具有孔隙大、渗透性好等特点,因此天然地下水在沸石混合物中比在凹凸棒石混合物中渗透得快。同一干密度和含水率条件下,不同混合物压实制样的载荷越大,其渗透系数越小,反之越大。压制载荷在50~100 MPa间时,混合物的渗透系数变化不大。通过进行混合物不同配比、不同影响因素对渗透特性影响的研究,为我国新型缓冲回填材料在未来地下工程中施工提供一定的理论依据。     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究

高放废物（HLW）深地质处置中,在膨润土中添加一定比例的石英砂能优化缓冲/回填材料的性能。利用水汽平衡法,对高庙子压实膨润土-砂混合物在不同温度、掺砂率和干密度条件下的土-水特征曲线（SWCCs）进行试验研究,分析温度、掺砂率与干密度对混合物土-水特征曲线的影响。试验结果表明,随着温度升高,混合物的持水能力明显下降;在试验控制吸力范围内,低吸力段掺砂率对土-水特征曲线影响明显,高吸力段掺砂率对混合物土-水特征曲线的影响逐渐降低;干密度对混合物的土-水特征曲线基本没有影响。根据试验数据建立了不同温度和掺砂率条件下膨润土-砂缓冲/回填材料土-水特征曲线的经验公式,可用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线     

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-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。     

高效废物处置库的混合型缓冲回填材料压缩特性研究

高放废物处置库中缓冲回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的安全设计、施工及运营有重要影响。目前,国内初步考虑将膨润土-砂混合物作为缓冲回填材料的首选。采用WG型单杠杆固结仪,对不同干密度、掺砂率的膨润土-砂混合物进行侧限压缩试验研究。试验结果表明：随着干密度的增大,压缩系数呈二次曲线减小;随着掺砂率的增大,压缩系数呈非线性增大。通过引入有效黏土密度和有效含水率的概念,对不同干密度、掺砂率的膨润土-砂混合物的压缩系数进行解释,并根据试验数据得到了回归的数学模型,试图为缓冲回填材料的配比优化研究提供相关依据。     

北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料导热性能研究

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要作用之一是传导和散失高放废物衰变热,在膨润土中添加石英砂、石墨、花岗岩岩屑等导热性能较好的添加剂是提高缓冲/回填材料导热性能的主要方法。选用北山花岗岩岩屑为添加剂,与高庙子钠基膨润土GMZ01组成混合材料,制备不同含水率、不同密度的试样。使用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测定样品的导热系数,分析其与花岗岩岩屑含量、干密度、饱和度等参数的关系,并运用多种混合物热传导模型分析预测导热系数。研究结果表明,花岗岩岩屑能够有效提高缓冲/回填材料的导热性能,混合材料的导热系数分别与其饱和度、气体体积存在线性关系;Maxwell方程能够较好预测北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料的导热系数。     

含水率和添加剂对膨润土导热性能影响的研究

膨润土的热学性能是评价膨润土作为高放废物深地质处置库缓冲/回填材料的重要参数。高庙子膨润土矿床初步确定为我国缓冲/回填材料的供应基地,本研究以石英砂作为添加剂,通过实验获得了高庙子膨润土在不同含水率和不同砂含量时所对应的导热系数。结果表明,在相同压实条件下,导热系数随着含水率、石英砂含量的增加而增加。     

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。     

江西广丰李家膨润土压实性能研究--高放废物处置缓冲/回填材料压实性能初探

研究了广丰李家钠基膨润土的压实性能,得出了不同压实功作用下,膨润土干密度与含水率之间的关系．以及粒径、压实功等因素对压实性能的影响;在相同压实功和相同含水率条件下,膨润土粒径较小时相对应的干密度较小．当压实功为2684．9kJ／m^3时,钠基膨润土的最大干密度可达1．525g／cm^3,最优含水率为26．30％。首次选用石英砂作为添加荆,探索了添加荆对膨润土压实性能的改善作用,实验结果说明石英砂添加荆的加入可以大大提高膨润土的干密度。减小对应的最优含水率,并得出约10％的石英砂是添加剂的最佳用量。该研究结果为钠基膨润土作为高放废物处置库缓冲／回填材料的性能评价提供了重要的依据。     

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。     

渗流条件下含裂缝压实膨润土应力及渗透性能试验研究

压实膨润土是放射性废物处置库的理想缓冲/回填材料,但它在失水收缩过程中易产生裂缝,该裂缝在浸水条件下能否愈合是放射性废物处置安全评价中的重要课题。其研究对含纵向单裂缝的压实膨润土样品开展渗透试验,以渗透系数、隙面法向应力及含水率为指标,研究含裂缝压实膨润土吸水膨胀后应力及渗透性能的变化,从而评价裂缝对膨润土屏障层性能的影响。研究结果表明,样品渗透系数随时间逐渐递减,隙面法向应力随时间逐渐递增,且在85 d时两参数达到稳定水平,分别为4.6410~(-10)m/s和2.5 MPa,与完整压实膨润土样品的渗透系数及内部应力处于相同水平,可以认为,此时土体实现了饱和及均一化。该研究从渗透性和应力角度证实了裂缝对压实膨润土渗透系数及应力参数未产生显著影响,膨润土具有较好的自愈合能力。研究建立了膨润土裂缝自愈合效果评价方法,为膨润土作为回填材料的安全性评价提供理论依据。     

中国高放废物深地质处置的缓冲材料选择及其基本性能

人类的许多生产、生活活动均可能产生不同活度的放射性废物,其中高放废物的安全处置倍受全球科学家和广大公众所重视。目前深地质处置被国际上公认为处置高放废物的最有效可行的方法。借鉴国外成熟的技术和经验,我国采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器及其外包装和缓冲/回填材料)和适宜的围岩地质体共同作用,来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润土由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能而被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国膨润土矿床筛选,我国高放废物深地质处置库缓冲材料的研究以产自高庙子膨润土矿床深部的钠基膨润土作为基本组成材料。本文介绍了高庙子膨润土矿床的地质特征以及高庙子钠基膨润土的基本特征。该膨润土与国外同类型材料相比具有蒙脱石含量高(75%左右)、杂质矿物相对较少的特点,该材料的系统和深入研究对于开发我国缓冲回填材料技术、确保高放废物的安全有效处置有重要意义。     

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

膨润土因具有渗透性低、阳离子交换能力高等优点被认为是最适合高放废物深地质处置库中屏障系统的缓冲材料,工程实践发现随着水化过程的进行,纯高压实膨润土强度不断降低,并最终影响到工程屏障系统功能的发挥。针对这一问题,在膨润土中加入一定比例的石英砂,可以有效地提高工程屏障的热传导特性、压实性、力学强度和长期稳定性,降低工程造价。本文研究了影响砂-膨润土混合物渗透性的主要因素,包括膨润土含量、粒径分布、含水量和干密度、压实方法以及膨润土类型等。结果表明,砂土混合物渗透性主要受膨润土的渗透性控制,渗透系数随着膨润土含量和干密度的增加而减小,当膨润土含量超过某一界限值后,继续增加膨润土含量对降低渗透系数的作用有限;细颗粒和级配良好的混合物渗透系数小,当土体内部发生渗透侵蚀将增大渗透系数;最优含水量条件下压实得到的渗透系数最低,高于最优含水量压实得到的渗透系数比低于最优含水量压实得到的渗透系数要小。     

膨润土颗粒混合物的堆积性质与水-力特性研究进展

膨润土颗粒混合物是高放废物深地质处置库中的一种缓冲/回填材料,掌握其堆积性质与水-力特性是开展处置库安全性能评估的关键基础。本文全面回顾和总结了近年来国内外学者对膨润土颗粒混合物的堆积性质、持水特性、结构特征、渗透特性、胀缩特性及本构模型等方面的研究进展与取得的成果,展望了几个值得进一步研究的问题。结果表明,颗粒混合物的堆积性质与粒径级配密切相关;湿化过程中,颗粒混合物由初始松散结构逐渐转变为胶结融合结构,孔隙结构逐渐趋于均一化,并伴随着颗粒破碎和错动,进而影响其水-力特性。考虑到处置库实际运营环境的复杂性,颗粒混合物的原位填充技术以及多场(热-水-力-化)耦合条件下颗粒混合物的水-力特性是今后值得深入研究的方向。     

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,分析含砂量及密实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,从而有效的抑制了干燥收缩过程中裂隙发育与演化程度。     

水-力耦合条件下膨润土-砂混合物的体变特性研究

在高放核废物处置库中,膨润土-砂混合物是一种可选的缓冲回填材料,掌握其在水-力耦合条件下的体变特征对正确评价处置库的长期安全性有重要意义。按照不同的石英砂掺量(0%~50%)配制了6组膨润土/砂混合物,依次进行了单轴侧限压缩、有荷膨胀(轴向应力为0.2 MPa)和饱和再压缩试验,获得了混合物在不同水-力路径下的变形特征,并着重分析了砂掺量的影响。结果表明:(1)膨润土-砂混合物的压缩性与掺砂量、饱和状态和密实度有关。在非饱和及密实度较低(ρ_d1.7 g/cm~3)的条件下,混合物的压缩指数随砂掺量的增加近似线性减小;当混合物压缩到较高的密实度(ρ_d1.7 g/cm~3)并且饱和后,压缩指数受掺砂量的影响不明显,但其值远小于非饱和及低密实度状态。(2)混合物的最终膨胀率随着掺砂量的增加呈指数减小,随膨润土有效干密度的增加而呈指数增加。掺砂量达到40%时,膨胀过程伴随有体积回落现象,且体积回落率随砂掺量的增加而加剧。(3)混合物在不同水-力路径中及不同砂掺量条件下呈现的体变差异性与膨润土和砂在试样中的分布状态及二者对土体骨架的主导作用有关,总体上,掺砂量越高或试样密实度越大,砂对体变的主导作用越强。(4)混合物的膨胀力随掺砂量的增加而减小,通过引入膨润土有效干密度参数,建立了混合物膨胀力与该参数间的指数定量关系,可对膨胀力进行预测,并从蒙脱石的体积变化率与质量分布率的角度进一步分析了混合物膨胀力的作用机制。     

缓冲／回填材料——砂-膨润土混合物研究进展

砂-膨润土混合物已被很多核能国家选为核废物地质处置库中理想的缓冲/回填材料。膨润土中加入砂可提高热传导系数和强度,维持适当的膨胀力,使其工程上易于处理并节省成本;但同时会导致其阻水能力和自愈性减弱。研究表明,影响砂-膨润土混合物以上各性质的主要因素为：砂/膨润土配合比、初始含水量、干密度等,它们综合决定着砂/膨润土最优配合比的选取。石英砂对混合物的渗透性、热传导性、强度等的影响,最优配合比选取,以及非饱和状态下吸力变化对混合物渗透性的影响等,应该是今后一段时间内砂-膨润土混合物研究的重点。     

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。