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。     

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。     

膨润土–砂混合型缓冲/回填材料渗气规律试验研究

为研究高庙子膨润土–砂混合型缓冲/回填材料的渗气规律,利用改进的三轴渗气试验装置,对不同掺砂率、干密度和含水率的混合物试样进行一系列试验研究。结果表明:在试验研究的条件范围内,膨润土–砂混合物(含纯膨润土)的渗气系数为3.9×10-4~2.1×10-2 cm/s;膨润土–砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律,但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响;掺砂率、干密度和含水率均对混合物的渗气性质有影响,混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加,随干密度和含水率增加呈指数形式降低;在试验研究范围内建立了考虑不同条件下的混合物渗气系数的公式,与试验结果吻合较好。得到的一系列试验数据能为我国高放废物地质处置库的建设提供科学依据。     

饱和粉土变形特性三轴试验

对取自南京市某拟建高速公路路基的粉土,在室内按不同的干密度和含水率进行了试样重塑。按不同干密度和不同初始制样含水率进行饱和三轴固结排水剪切试验,测得不同围压条件下的固结排水剪应力-应变曲线以及有效应力比曲线形态等工程特性。分析了粉土干密度、初始制样含水率和围压对饱和粉土强度的影响。试验结果表明:粉土的强度随干密度的增加而变大,随围压增大而增加;初始制样含水率对粉土的强度有不同程度的影响;粉土的应力应变表现为弱应变软化型。     

常含水率下非饱和高庙子膨润土加砂混合物的水力-力学性质

对非饱和高庙子膨润土与砂混合物击实样进行常含水率下的不排水等向压缩和不排水三轴剪切试验,研究非饱和高庙子膨润土与砂混合物的水力-力学特性,拟模拟深层地质处置工程中缓冲/回填材料在不排水状态下受力时的性状。试验研究表明:在不排水等向压缩和不排水三轴剪切试验中,固结应力和剪应力的增大引起非饱和土试样孔隙比减小,饱和度增大,吸力减小;在不排水剪切试验中,应力-应变曲线呈外凸的形状,试样发生体积收缩和侧向膨胀变形,净围压对试样的初始刚度、不排水剪切强度和变形有较大的影响。     

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...     

混合型缓冲回填材料压实性能研究

 根据国外高放废物地质处置领域缓冲回填材料研发趋势,提出我国混合型缓冲回填材料开发新构想,即在纯膨润土中添加一定量的石英砂,期望在不显著降低渗透性能的前提下明显改善其热传导性能和力学强度。选取内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土)为主料,添加0%～50%含量的石英砂,采用标准击实试验和重型击实试验,研究混合土的动力压实特性;采用专门设计的压实模具,研究混合土在20和50 MPa压力下的静力压实特性。研究结果表明,不同掺砂率的膨润土–砂混合物,最大干密度与最优含水率存在统一的幂函数关系,而与压实方法及压实能大小无关。对于不同的压实方法及压实能大小,最优含水率与掺砂率之间存在线性关系。利用这些关系,就可以针对特定的压实目标选择适宜的压实方法。研究表明,高庙子膨润土掺加10%～30%的石英砂有助于改善压实质量,预计防渗性能也不会降低。     

非饱和含黏砂土不排水不排气力学特性三轴试验研究

为研究非饱和含黏砂土在不同含水率、压实度、不排水不排气条件下的强度、变形和回弹模量特性,用改进的非饱和土三轴仪对广佛高速路基含黏砂土做了2类试验：(1)不排水不排气三轴剪切试验,控制干密度为1.85 g/cm³,含水率为10.47%,13.63%,14.5%和16.02%,围压为50,100,200 kPa,共12个试验;(2)循环加卸载条件下回弹模量试验,干密度控制为1.70,1.80,1.85 g/cm³,含水率控制为10.47%,13.63%和16.02%,围压和偏应力分别控制为100,200 kPa,共9个试验,采用6级应力式加卸载方式,每个试样在不排水不排气剪切条件下进行了2次加卸载循环。研究结果表明：最优含水率是土样内摩擦角、黏聚力、破坏形态发生变化的临界值;剪胀强弱与围压和含水率密切相关;剪胀性随围压和含水率的增加而逐渐减弱;随剪切的进行,孔隙水压力和孔隙气压力都先增大再减小,随剪胀的发生,孔隙气压力与孔隙水压力曲线逐渐分开,基质吸力增大;相同含水率,净围压越大,孔隙气压力和孔隙水压力也越大。通过数据分析,构建了含水率、压实度、...     

高庙子膨润土—砂混合物土水特征曲线数学模型研究

基于压力板法和水汽平衡法获取缓冲回填材料土水特征曲线,探讨干密度、掺砂率、温度和溶质浓度对缓冲回填材料土水特征曲线模型的影响.遴选出三参数的张虎元模型和四参数的Fredlund and Xing模型可用于拟合我国高庙子(GMZ)膨润土—砂混合物的土水特征曲线,发现吸力值测试范围对模型选取影响很大.干密度和温度与张虎元模...     

考虑Klinkenberg效应的压实膨润土渗气特性研究

利用非饱和三轴渗气仪研究了压实高庙子膨润土的渗气特性。发现当渗气系数小于10~(-14) m~2时,压实膨润土中的Klinkenberg效应较为显著,渗气系数会随气压力的增大而降低;气体滑脱因子随Klinkenberg渗气系数与体积含气率之比的变化满足幂函数关系,试验得到的二者之间关系与干密度、含水率无关,并与Klinkenberg理论模型相近;Klinkenberg渗气系数与体积含气率在双对数坐标中呈线性关系,其斜率与含水率基本无关。基于试验规律,建立了考虑Klinkenberg效应的高庙子膨润土非饱和渗气系数的数学模型。     

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。     

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。     

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.     

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。     

中国高放废物处置库缓冲材料物理性能

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。中国深地质处置的概念模型采用多重工程屏障系统（包括废物固化体、废物容器、外包装、缓冲／回填材料）和适宜的地质围岩地质体共同作川来确保高放废物与生物圈的安全隔离。膨润上由于具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能向被国际上选作缓冲材料的基础材料。经过全国筛选，高庙子膨润土矿床被选作我国缓冲材料供应基地。从2000年起，对产自该矿床的钠基膨润土GMZ-1开始了系统的研究工作。介绍了GMZ-1的矿物组成、基本特征和GMZ-1在不同干密度、不同含水量条件下的热传导、水传导、力学性能参数及GMZ-1在不同干密度条件下的膨胀特性参数测定结果。GMZ-1钠基膨润土具有蒙脱石含量高（75％左右）、杂质矿物相对较少的特点，对于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。     

粘性土剪切带破坏研究

压实粘性土是静水压力和应变率相关性材料,在低围压下表现出软化现象,在高围压下表现出硬化现象.在同一含水率,不同围压下粘性土随周围压力的增大,同一轴向应变所对应的偏应力也越大;压实度一定时,含水率越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,粘性土的抗剪强度越弱;含水率一定时,压实度越高,粘聚力越大,而摩擦角越小,抗剪强度也越大.利用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪,对四川绵阳地区粘性土进行了常规三轴压缩试验,研究了不同围压和含水率下粘性土的应力-应变关系、抗剪强度指标,并对粘性土的剪切带破坏进行了拟合分析.     

石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制

高放废物深部地质处置工程中,向膨润土中加入一定比例的石英砂可以优化缓冲回填材料的热传导性和可施工性。从"混合土"的概念出发,设计干密度和含水率相同、掺砂率不同的压实膨润土-砂混合物试样,通过剪切试验揭示掺砂率对抗剪强度的控制机制。试验材料选用内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土),石英砂按照质量0%～50%的比率添加。剪切试验结果表明:随着掺砂率的增大,压实混合物由应变软化型向应变硬化型过渡,黏聚力及内摩擦角逐渐减小,即抗剪强度降低。基于混合土孔隙结构假说,通过类比分析,对黏土-砂混合物抗剪强度的界限掺砂率进行估计,提供孔隙结构的扫描电镜证据。引入有效黏土密度和有效含水率的概念,描述石英砂颗粒之间的黏土基质的物理状态,阐释石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机制。     

上海人工冻结软黏土抗压抗拉强度试验研究

对3种典型的上海饱和冻结软黏土进行单轴无侧限抗压强度试验,通过对试验数据的分析,得出饱和冻结软黏土的单轴抗压强度受温度、应变速率、含水率及干密度等因素的影响规律:①抗压强度随应变速率的增加以幂函数的形式增大;②抗压强度随温度的降低线性增加;③在相同的应变速率及温度条件下,含水率越大,冻结软黏土的抗压强度越大;干密度越大,抗压强度越小。并得出抗压强度与温度、应变速率关系的幂函数模型参数。通过恒温下冻土间接拉伸试验,分析了保持轴压的大小及加载速率的大小对抗拉强度的影响,得出试样所受轴压和围压对抗拉强度起到一个弱化作用的结论,并分析了原因。对抗拉强度与加载速率进行线性回归,得出了模型参数。通过分析图表得出了抗拉强度随加载速率增加而增加,轴压保持越高抗拉强度增长速率越小的结论。