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。     

高压实高庙子膨润土研究进展

高放废物深地质处置中,缓冲/回填材料系统起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障,以及传导和散失放射性废物衰变热等重要作用,是高放废物地质处置库长期安全性和稳定性的有效保障。前人研究表明,膨润土是理想的缓冲/回填材料。本文在归纳总结压实膨润土相关室内试验研究成果的基础上,采用水汽平衡法和渗析法吸力控制技术,借助恒体积膨胀法等试验手段,试验研究了自由膨胀与侧限两种条件下,高压实高庙子膨润土的土水特征及膨胀力发展规律。结果表明,低吸力范围内,高压实高庙子膨润土在自由膨胀和侧限条件下的土水特征存在明显差异。膨胀力随时间的变化曲线是一条渐近线,而时间/膨胀力与时间之间存在很好的线性关系;膨胀力和干密度之间存在指数关系,干密度是影响膨胀力的一项重要的外部因素。     

两种高庙子钠基膨润土膨胀特性比较研究

对两种高庙子钠基膨润土（简称GMZ001和GMZ07）在不同初始干密度下进行膨胀力试验、常压力下的膨胀变形试验以及压缩试验。试验结果表明,GMZ001的膨胀能力要比GMZ07的大,并且GMZ001比GMZ07更难压实。对饱和后两种膨润土进行压汞试验和扫描电子显微镜测试后发现,在相同孔隙比下,GMZ07集聚体间孔隙较多,并且GMZ001集聚体的水化程度大于GMZ07。结合土工和微观试验的结果,认为导致两者力学性能差异的主要原因是由于颗粒粒径大小的差异以及蒙脱石含量的不同。最后利用蒙脱石孔隙比的概念对两种膨润土的浸水膨胀试验结果进行归一化,并对膨润土的膨胀特性进行了预测。     

盐溶液中膨润土膨胀变形的分形模型

当压实膨润土在蒸馏水中膨胀后,施加于膨润土颗粒上的有效应力通常被认为是外部施加的荷载,而当膨润土在盐溶液中膨胀时,膨润土颗粒所承受的有效应力还包括由孔隙水渗透吸力所引起的渗透应力。而压缩膨润土的蒙脱石孔隙比e_m与膨润土颗粒承受的有效应力p之间满足分形关系,该关系可用来计算膨润土的膨胀变形。通过对压实膨润土在盐溶液中颗粒的分散情况以及颗粒表面的分形特性,推导出该渗透应力的表达式,进而得出膨润土颗粒所承受的有效应力。将所提出的有效应力代入分形模型中,计算GMZ01和MX-80膨润土在不同浓度NaCl溶液中的膨胀变形,将现有的两种膨润土膨胀试验结果与模型计算结果对比,发现具有较好的吻合度,在蒸馏水以及各浓度的盐溶液中膨润土的膨胀变形都可采用统一的e_m-p曲线表示,表明提出的有效应力符合膨润土颗粒在盐溶液中的实际受力情况。分形模型为研究膨润土在盐溶液中的膨胀性质提供了有效的计算方法。     

基于同步辐射小角X射线散射和液氮吸附所测分维计算高庙子膨润土膨胀变形

针对核废料缓冲回填材料内蒙古高庙子钠基膨润土GMZ01,采用同步辐射小角X射线散射(SAXS)和液氮吸附法,基于双对数曲线求斜率测定了SAXS分形维数,基于FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型计算了液氮吸附分形维数。归纳了膨润土膨胀变形计算模型和所需计算参数。基于膨润土膨胀变形双电层和分形模型,采用SAXS分形维数和液氮吸附分形维数分别计算了膨润土膨胀力参数K值,对比了两种方法所测分形维数的计算膨胀力的迥异。结果表明:同步辐射小角散射(SAXS)和液氮吸附所测分形维数较为接近,分别是2.600和2.636,两者差值较小。在双对数坐标表下散射强度和散射矢量存在良好的线性关系;在孔隙比和膨胀力关系中,两种方法所得预测值小于试验实测值;相同的膨润土密度条件下,由SAXS分维计算膨胀应变预测值大于由液氮吸附测试的分维所预测的值。     

压实膨润土在盐溶液中的膨胀变形特性

采用蒸馏水以及浓度不同的NaCl溶液作为浸泡溶液,对商用膨润土进行了膨胀变形试验。结果表明在相同的荷载作用下,膨胀变形随浸泡溶液浓度的增加而减小。这是因为浸泡溶液的浓度越大,溶液的渗透吸力也越大,渗透吸力的增加将引起施加在黏土颗粒上有效应力的增加,使得在外部施加荷载相同时膨润土的膨胀变形随溶液浓度的增加而减小。当压实膨润土在盐溶液中膨胀时,其有效应力pe可分为两部分,即施加荷载部分p和渗透吸力部分p。对于浸泡于蒸馏水和NaCl溶液中的膨润土试样,其膨胀后的蒙脱石孔隙比em与有效应力pe之间的关系可采用同一关系曲线表示,此时施加于黏土颗粒上的有效应力的渗透吸力部分p=(p/)0.66。     

阳离子交换量和盐溶液浓度对膨润土膨胀变形的影响

膨润土遇水产生的膨胀变形以及膨胀力是由于颗粒间的斥力引起的,而该斥力大小与土体的固定负电荷密度（采用阳离子交换量CEC来表征）以及孔隙溶液的浓度有关,已有的对膨润土膨胀变形研究多针对孔隙溶液而非土体的阳离子交换量。现以钠基膨润土为研究对象,采用Li+固定法来控制膨润土的固定负电荷密度,以达到降低膨润土阳离子交换量的目的,再采用Li Cl为盐溶液,获得了上述不同阳离子交换量的膨润土在不同浓度的盐溶液作用下的膨胀指数。结果表明：随着溶液浓度升高,土样的膨胀指数降低;当浓度小于1 mol/L时,下降较为显著,之后则缓慢降低;随着阳离子交换量的减少,土样的膨胀指数也呈降低趋势。这是因为土颗粒的阳离子交换量和溶液浓度是影响土样与孔隙溶液物理化学作用的决定性因素,阳离子交换量越小,浓度越高,土颗粒之间的斥力降低,土样的膨胀指数则会降低。采用考虑颗粒间物理化学作用的粒间应力来描述试验结果,表明对于该种膨润土来说,不同阳离子交换量以及不同盐溶液作用下的回弹变形和回弹应力几乎在一条曲线上,这也进一步验证了粒间应力在膨胀土模拟中的有效性和适用性。     

高庙子膨润土强度时效性试验研究

本文用试验方法研究了静置时间对不同含水率高庙子钠基（GMZ07）膨润土强度的影响。在保持试样干密度和含水率不变的情况下,将初始含水率为10%、18%和24%（饱和）3组压实试样分别静置0、5、15、30、90 d,之后采用精度较高的直剪仪在400、800和1 600 kPa垂直压力下进行剪切试验;同时完成了部分试样的压汞试验。结果表明：GMZ07膨润土的剪切强度随静置时间增长而减小;静置前期,强度下降较快;静置时间超过一定天数后,其剪切强度逐渐趋于稳定。根据3种含水率试样的强度包线可得到：随着静置时间增加,饱和试样的内摩擦角略微下降而黏聚力变化不大;含水率10%和18%试样的黏聚力明显变小而内摩擦角几乎不变。根据Alonso等提出的非饱和土有效应力,结合压实膨润土试样的孔径分布,认为集聚体内孔隙增多是非饱和膨润土强度随静置时间而变小的原因。     

大气条件下高庙子钠基膨润土化学缓冲特性研究

深地质处置目前被国际上公认为是处置高放废物的最有效可行的方法。我国采用多重工程屏障系统和适宜的地质体共同作用来确保与生物圈的安全隔离。缓冲材料是高放废物重要的工程屏障材料之一,我国选用高庙子钠基膨润土作为缓冲材料的基础材料。膨润土作为缓冲材料的一个重要性能表现为缓冲孔隙水的化学变化。介绍了GMZ-1钠基膨润土大气条件下与蒸馏水的反应试验,并对试验结果进行了讨论。批式试验反应溶液中钠离子来源于钠基膨润土层间阳离子和矿物溶解,镁离子来源于钠基膨润土层间阳离子,钾离子和钙离子来源于矿物溶解,相关研究认识对于高放废物处置库近场核素迁移研究和评价工程屏障的长期稳定性具有重要意义。     

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。     

盐溶液对膨润土膨胀性的影响

膨润土因其优良的膨胀性和低渗透性常被用作深层地质处置库的缓冲和回填材料,但其膨胀性会受到地下流体溶液浓度的影响。针对这种现象,利用单轴固结仪研究了压实商用膨润土在不同上覆荷载和不同浓度NaCl溶液作用下的膨胀变形特性。结果表明：随着NaCl溶液浓度升高,该膨润土的膨胀性显著降低,且最大膨胀应变与上覆荷载之间在双对数坐标系下存在良好的线性关系。利用有效压力的概念和计算方法,实现了用唯一一条曲线来描述不同盐溶液浓度作用下膨润土的膨胀变形行为,同时证明了有效压力理论的合理性。     

双电层理论与高庙子膨润土的体变特征

黏性土中土体颗粒（矿物颗粒）带有负电荷,周围存在电场。在静电引力与布朗运动（热运动）作用下,紧邻土体颗粒表面处静电引力最强,水化离子和极性分子牢牢地被吸附在颗粒表面附近形成固定层。由固定层向外,静电引力逐渐减小,水化离子和极性分子的活动性逐渐增大,形成扩散层。固定层和扩散层中的阳离子（反离子层）与土粒表面负电荷共同构成双电层。根据双电层理论,当给定两个黏土片层之间的距离时,渗透压力可以由两个片层中轴线处的离子浓度来求取。同样,对于给定的渗透压力和中轴线处的离子浓度,便可以确定两个片层之间的距离。采用渗析法吸力控制技术与压汞仪法（MIP）微观结构试验手段,研究了低吸力范围内、自由膨胀条件下高压实高庙子膨润土的土水特性与体变特征,同时采用双电层理论估算了高庙子膨润土水化过程中的自由膨胀量,并将估算值与试验实测值进行了对比分析。在使用孔率计法试验结果求取试样孔隙比时考虑了压汞仪出力能力影响,采用线性延伸方法估算了残余孔隙量。研究结果显示,低吸力范围内,由双电层理论,估算的高压实高庙子膨润土的自由体积膨胀量与试验数据吻合较好,但随着吸力的进一步减小,两者之间的误差有增大的趋势,文中对出现这一偏差的原因进行了分析探讨。     

碱金属离子及碱溶液对膨润土性能影响的研究进展

基于前人有关膨润土在碱性环境下的室内试验和数值模拟的研究结果 ,重点阐述了碱金属离子及碱溶液对膨润土矿物成分、微观结构、膨胀性和渗透性等方面的影响,讨论了温度、pH值与溶液浓度等对上述过程的影响。碱金属离子及碱性溶液不仅可交换膨润土中蒙脱石层间阳离子,而且可溶解膨润土中的蒙脱石,生成非膨胀性矿物,并随着温度和pH值升高,蒙脱石被溶解程度增加,从而导致了膨润土膨胀力减小,且随着温度、溶液浓度及pH值的增加,膨胀力削弱程度加强;同时,膨润土与碱金属离子及碱溶液接触时孔隙增多,进而渗透性增强,随着温度和溶液浓度增加,渗透性也明显增强。数值模拟可实现膨润土与碱性溶液长期接触时发生的矿物成分及渗透性变化的预测。高温、不同pH值的低碱性溶液及其耦合作用对膨润土的矿物化学成分、微观结构、膨胀力和渗透性的影响及机理研究应该是今后研究的重点。     

饱和膨润土及其与砂混合物的压缩变形特性

对用不同制样方法得到的饱和膨润土及其与砂混合物进行了压缩试验。试验结果表明,饱和膨润土的压缩曲线呈双线性,不同于普通黏土的压缩曲线。压缩试验中量测了侧向应力,由此得到的饱和膨润土的静止侧向压力系数值较一般黏土的数值要大。对膨润土与砂混合物的击实样进行了由非饱和到饱和状态的浸水试验,并得出试验过程中侧向应力的变化规律。由于浸水饱和的试样和抽真空饱和的试样在较高压力时压缩曲线趋于一致,可采用快速抽真空饱和的方法进行试验研究,以缩短非饱和混合物击实样浸水饱和所需时间。引入骨架孔隙比的概念,用来判断膨润土与砂混合物中砂骨架是否形成,得出影响混合物压缩特性的决定因素。     

盐溶液法测定非饱和膨润土的水分特征曲线

对于高放废物的最终处置，深地质处置被国内外公认为最合适的方法，而膨润土也被认为是高放废物处置库缓冲回填材料的良好基质。鉴于膨润土各项性质研究的重要性。本文介绍了利用盐溶液法进行非饱和膨润土水分特征曲线的测定工作，发现盐溶液法适合测定吸力极高的非饱和土，是一种值得推广的方法。     

地下水对压实高庙子膨润土冲蚀作用研究

采用膨胀渗透仪和浊度仪,通过检测冲蚀循环溶液浊度和膨润土试样膨胀力的变化,获得了冲蚀液对高庙子（GMZ）膨润土的冲蚀规律,对比分析了膨润土干密度、冲蚀液pH值、冲蚀液渗流方向、围岩裂隙条数、溶液类型和浓度等因素对膨润土冲蚀的影响规律。研究表明：膨润土的膨胀力在冲蚀开始的几天内迅速增长,随后达到稳定,膨润土干密度越大,地下水对膨润土的冲蚀作用越弱;冲蚀液pH值对膨润土的冲蚀作用影响很大,碱性较强的地下水对膨润土的冲蚀作用较弱,而碱性较弱地下水的冲蚀作用则明显;地下水径向渗流时对膨润土的冲蚀作用大于纵向渗流情况,围岩裂隙增多后,地下水对膨润土的冲蚀作用加强;随着冲蚀液中NaCl浓度的增加,冲蚀液对膨润土的冲蚀作用先增强后减弱,冲蚀液中CaCl2的浓度对膨润土的冲蚀影响规律与NaCl浓度对膨润土的冲蚀影响规律相似,但CaCl2浓度的变化对膨润土的冲蚀影响不明显。     

盐溶液饱和黏土的力学行为模拟

由于黏性土表面带有丰富的负电荷,孔隙水溶液化学状态的变化对黏性土的物理力学特性存在明显影响。随着化学-力学耦合的相关岩土工程问题日益突出,进行有效的化学-力学耦合行为的数值分析评价显得尤为重要。因此,建立一个简单有效的考虑化学-力学耦合的本构模型是非常关键的。基于传统的修正剑桥模型,提出了一个简单的化学-力学耦合模型。该模型采用渗透吸力π描述孔隙水的化学状态,建立了前期屈服应力,临界状态线斜率M和弹性刚度与渗透吸力π之间的关系式,从而实现了模型对盐溶液饱和黏性土的变形和强度特性的有效模拟。通过与试验数据的对比和分析,说明该模型能有效地模拟孔隙盐溶液饱和黏性土的等向压缩行为、 状态下压缩行为以及 状态下化学-力学循环加载行为。此外,通过对黏性土三轴压缩试验的模拟,说明该模型能反映黏性土三轴应力状态下的基本力学特征。     

高压实膨润土的非饱和渗透膨胀模型

高放废弃物深地质处置库中,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土的设计功能是,遇水吸湿导致土体膨胀变形,以密封高压实膨润土块体砌置时形成的块体与块体之间和块体与围岩之间的施工缝隙以及围岩中因处置库开挖卸载引起的裂缝,形成阻障围岩中地下水渗入内库引起核素迁移,与库内高放废物的辐射扩散的人工屏障。高压实膨润土在自由膨胀条件下的膨胀应变和非饱和渗透系数由渗透试验测得;孔隙比和吸力的关系由压汞试验测得。吸力和含水率的函数关系可由土-水特征曲线测试试验得到。因此,自由膨胀条件下膨润土的非饱和渗透膨胀模型由膨胀应变、非饱和渗透系数和孔隙比与吸力的函数关系建立。结果表明：渗透系数和体积应变都随吸力减小而增加,因为吸力减小会导致孔隙比增加。这一发现有助于设计高放废物的最终处置方案。     

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。