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。     

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。     

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。     

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。     

Eu(Ⅲ)溶液对膨润土-砂混合物渗透性能影响研究

在高放废物处置库长期运营过程中包封容器将发生破坏,核素会向外界迁移,缓冲回填材料的水力传导系数是评价处置库工程屏障性能的重要指标。采用柔性壁渗透仪,研究2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液作为渗入液时膨润土-砂混合物的渗透特性。结果表明,膨润土-砂混合物的水力传导系数K=(2.07⁵.23)×10-10 cm/s;在05.23)×10-10 cm/s;在0⁵0%掺砂率范围内,膨润土-砂混合物吸水膨胀过程中渗透性能随掺砂率增大时没有明显的变化,能够满足高放废物处置库缓冲回填材料低渗透性的要求。使用有效黏土密度的概念,得到膨润土-砂混合物的体积膨胀率随初始有效黏土密度的增大呈指数增大的趋势;混合物水力传导系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系;与蒸馏水相比,渗入液(ECDD)为2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液时,膨润土-砂混合物的水力传导系数较小,可能是由于渗入液黏滞性的影响。     

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。     

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。     

混合型缓冲回填材料导热性能试验

为提高高放废物地质处置库中缓冲回填材料的导热性能,选用高庙子钙基膨润土和钠基膨润土为基础材料,添加不同比例的石英砂、石墨和沸石配置成混合型缓冲回填材料,运用瞬变平面热源法进行了不同含水率、不同干密度条件下导热系数的测试分析,并提出了混合型缓冲回填材料的建议配合比。结果表明,缓冲回填材料的导热性能随着含水率、干密度的增大而增大,各材料导热系数的大小排序为:石墨(M)石英砂(S)钠基膨润土(N)钙基膨润土(G)沸石(F)。石英砂和石墨作为添加剂可以极大地提高缓冲回填材料的导热性能,沸石对混合材料导热性影响不大,但其优良的吸附性与化学稳定性可为混合型缓冲回填材料其他性能提供保障。     

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。     

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。     

非饱和含盐土壤水扩散系数试验研究

在室内用水平土柱吸渗法对不同含盐量、不同溶液浓度和不同土类的土壤水扩散系数进行了试验研究.试验结果表明:土壤水(或盐水)扩散系数与土壤的体积含水量之间具有指数函数的关系,且随着含水量的降低而减小.当同一类土在干容重和含水量相同时,土壤水扩散系数是随土中含盐量的增多而增大,以粗粒土最为明显.不同浓度的盐水在土壤中运行时,其盐水的扩散系数是随盐水浓度的增大而减小.     

压实黄土水分入渗规律及渗透性试验研究

为了研究压实黄土中的水分垂直入渗规律和非饱和渗透系数函数,在实验室内利用一维土柱垂直入渗模型试验装置,对两组压实黄土土柱试样分别进行了常水头入渗和降雨入渗试验。得到主要结论如下:（1）常水头入渗试验中,累积入渗量和湿润锋前进距离都随入渗时间呈幂函数形式增长,累积入渗量和湿润锋前进距离之间存在线性关系。入渗率在入渗初期最大,之后随入渗时间而快速降低,并在土柱试样底部出水以后达到稳定,且与湿润锋前进距离呈反比关系。（2）降雨入渗试验中,得到两组试样入渗过程中土-水特征曲线数据,分别用van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对两组试样进行了特征曲线拟合。并利用瞬时剖面法处理了入渗过程中水分和水势传感器的监测数据,得到两组试样的非饱和渗透系数,并拟合得到非饱和渗透系数与体积含水率之间的指数函数关系式。同时,采用van Genuchten和Fredlund等渗透系数模型分别对两组试样的非饱和渗透系数进行预测,通过对比模型预测结果和瞬时剖面法实测值,发现van Genuchten渗透系数模型预测结果更接近实测值。     

Investigation of the hydro-mechanical behaviour of GMZ bentonite pellet mixtures

Bentonite pellet mixtures are considered as one of the candidate sealing materials for deep geological disposals of radioactive waste. One of the particularities of this material is the initial heterogeneous distribution of pellets and porosity within the mixture, leading to complex hydro-mechanical behaviour. In this paper, the hydro-mechanical properties of GMZ bentonite pellet mixtures were investigated in the laboratory by carrying out water retention tests on pellet mixtures under constant-volume condition and single pellets under free swelling condition, as well as a infiltration test on a column specimen of pellet mixture. In the infiltration test, the relative humidity and radial swelling pressure were monitored at five heights, the axial swelling pressure was also recorded. The instantaneous profile method was applied to determine the unsaturated hydraulic conductivities. Results show that, in high suction range (>?10 MPa) the water retention curve of pellet mixture under constant-volume condition was comparable to that of a single pellet under free swelling condition, while in low suction range (<?10 MPa) the latter exhibits a much higher water retention capacity. Due to clogging of large pores, the unsaturated hydraulic conductivity decreases as suction decreases to around 25 MPa. However, with further suction decrease, the hydraulic conductivity increases continuously until the value at saturated state, as in the case of most unsaturated soils. The radial swelling pressure at different heights develops with local sudden increase and decrease, which was attributed to local rearrangement of pellets upon wetting. By contrast, as the axial swelling pressure was measured on the global surface of the specimen, it develops in a more regular fashion.

     

An unsaturated hydraulic conductivity model for compacted GMZ01 bentonite with consideration of temperature

As one of the most important properties of compacted bentonite used as buffer/backfill materials, hydraulic conductivity is influenced by various factors including temperature, microstructure and suction (or degree of saturation), etc. Based on the readily available results of both temperature-controlled water-retention tests and unsaturated infiltration tests under confined (constant volume) conditions, influences of temperature and microstructure variations on unsaturated hydraulic conductivity of the compacted Gaomiaozi (GMZ01) bentonite were analyzed. Then, a revised unsaturated hydraulic conductivity model considering temperature effects and microstructure changes was developed. With this proposed model, prediction and comparison were made on the unsaturated hydraulic conductivity of the compacted GMZ01 bentonite at 20 °C. Results show that water-retention capacity of compacted GMZ01 bentonite decreases as temperature increases and the degree of the temperature influence depends on suction. Under confined conditions, influence of hydration on microstructure of compacted GMZ01 bentonite depends on pore size. The proposed model can well describe the variations of unsaturated hydraulic conductivity with suction at different temperatures. However, further improvement of the proposed model is needed to account for the phenomenon of inter-aggregate pores clogging that occurred at the initial stage of hydration of compacted GMZ01 bentonite under confined conditions.     

土壤热参数及其影响因素测试分析

热性质是岩土体基本的物理性质之一,用以评价热量在其中的保持、传导和分布状况,以导热系数、比热容和热扩散系数最为常见,这些参数也是地热能管理与开发、工程冷冻开挖、寒区工程设计与施工的重要参数。已有研究表明,土壤热参数与土质、来源、含水率、密度等因素有关。通过广东湛江某工地粉质黏土和黏土的热参数测试结果分析发现：随含水率的增大,粉质黏土导热系数和热扩散系数的变化趋势是先增加至最大值,然后减小,而比热容基本呈线性增大。干密度对粉质黏土导热系数的影响与含水率大小有关,当含水率不超过20.0%时,其随干密度的增加而增大,而当含水率超过27.5%后,其随干密度的增加有减小趋势;当含水率在24.5%（液限）左右时,基本没有规律可循。干密度对粉质黏土热扩散系数影响规律不明显。黏土的导热系数和比热容都随含水率和干密度的增加而增大;热扩散系数随含水率的升高整体表现为非线性增加至稳定,在低含水率下干密度的影响不明显,在较高含水率下随干密度的增加热扩散系数先增大后减小。较大颗粒的存在导致粉质黏土的导热性较黏土复杂。     

非饱和成都黏土瞬时剖面法渗透性试验研究

非饱和渗透系数是土体渗流分析的基础,成都黏土作为一种典型的非饱和膨胀土,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,在受侧限的浸水过程中,土颗粒的膨胀致使孔隙体积减小,渗透性降低,使得直接对其进行非饱和渗透试验十分困难。根据瞬时剖面法的原理,利用EC-5土壤水分传感器测含水率、MPS-2电介质水势传感器直接同步测量同一位置的基质吸力,通过水平渗透试验研究了非饱和成都黏土在侧限条件下的渗透性。含水率和基质吸力的同步测量,保证了其测试条件的一致性,避免了采用其他土水特征曲线的影响。试验表明,试样的非饱和渗透系数为（1.33×10-11~3.14×10-9）m·s-1,非饱和渗透系数与基质吸力并非单调线性关系。基质吸力较高时,受膨胀土颗粒吸水膨胀的影响,渗透系数未出现明显变化,基质吸力降低到一定程度后,渗透系数快速增大。试验结束时土体已接近饱和,土中气体排出较慢,过水断面增加缓慢,促使渗透系数仍然持续增大。采用VG模型拟合k-s曲线,拟合参数α=0.048 kPa-1,n=1.79,m=0.48,试验结果可以用于成都黏土地区的渗流分析。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

Coupled thermo-hydro-mechanical modelling of bentonite buffer material

Mechanistic model development and numerical analyses were carried out on coupled thermo-hydraulic-mechanical processes in bentonite-based buffer material for the geological disposal of high-level radioactive waste with small-scale laboratory experiments and a full-scale test. The mechanism of water movement in compacted bentonite was identified by applying theoretical equations to the experimental results. The application clearly explained the observed results of the temperature dependence of the hydraulic conductivity in the saturated state and the water diffusivity in the unsaturated state for the compacted bentonite and the dry density dependence of the diffusivity. The full-scale coupled test, BIG-BEN, was conducted at PNC (Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corporation) Tokai Works. The results of the numerical analyses for the full-scale test which are based on the present knowledge of coupled processes and our small-scale experiments were in good agreement with the measured results except for mechanical phenomena. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.