膨润土热传导性能的温度效应

以高庙子（GMZ07）和美国怀俄明州（MX80）钠基膨润土为研究对象,采用热探针法研究温度对压实膨润土试样热传导性能的影响。在保持干密度和含水率不变的情况下,使用KD2 Pro型热特性分析仪测定不同温度（5～90 ℃）试样的热传导系数,并对部分试样进行压汞试验。试验结果表明：GMZ07和MX80膨润土的热传导系数均随着温度的增大而增大,在90 ℃时最高可达5 ℃的1.2～1.5倍,主要原因是温度引起的水汽潜热传输促进了试样内部的热传导;当试样温度高于60 ℃时,温度对热传导系数的影响较低于60 ℃时更显著;含水率不为0时,两种膨润土热传导系数的温度效应均随干密度的增大而减小;干试样的热传导系数几乎不随温度发生变化,这与水汽潜热传输的强化机制有关。热传导系数温度效应的机制可理解为：热传导系数取决于试样内部可供潜热传输的水分和传热通道数。     

膨润土热传导性能时效性试验研究

在不同初始条件下试验研究了静置时间对高庙子钠基膨润土GMZ07和MX80膨润土压实样热传导性能的影响。在保持试样干密度和含水率不变情况下,将不同初始状态试样分别静置1、5、30、60、100 d,随后采用热探针法进行热传导系数测试,并对部分试样进行压汞试验。试验结果表明：GMZ07和MX80膨润土的热传导系数均随静置时间的增长而减小,静置早期热传导系数减小较快,随着静置时间延续,热传导系数逐渐趋于稳定。在相同干密度下,静置时间引起的热传导系数减小量随含水率的增大而增大。结合压实膨润土试样的微观孔隙结构变化,认为膨润土热传导系数随静置时间发生变化的主要原因是：试样静置过程中,蒙脱石发生水化膨胀,部分土中水转变成热传导性能较差的惰性水,导致膨润土的热传导系数减小。     

有机质对黏性土热传导系数的影响与机制

有机质是土中常见组分,对土体热性质有显著影响。为明确有机质对黏性土热传导系数影响与机制,以膨润土为基质,通过添加腐殖质制备不同有机质含量土样。利用热探针法测定其热传导系数λ,分析λ随干密度ρd、含水率w(饱和度Sr)和有机质含量w_u的变化规律;并通过分析膨润土对有机质的吸附特征,探讨了有机质对土热传导系数影响机制。试验结果表明：有机质含量w_u相同时,热传导系数λ随干密度ρd、含水率w、饱和度Sr增大而增大。在土体饱和、ρd相同条件下,λ随w_u增大而减小,但并非单调线性递减关系;可分为急剧下降段、过渡段和平缓下降段3个阶段。过渡段对应的w_u大致范围为7.5%～15.0%。通过傅积平法测试得出膨润土对紧结态有机质饱和吸附量w_u,1大致为8.0%,对紧结态+稳结态有机质的饱和吸附量w_u,2约为14.0%;即有机质赋存形态变化的两个阈值(w_u,1、w_u,2)和λ-w_u关系曲线过渡段对应的w_...     

重塑膨胀岩热传导性能及影响因素试验研究

以南宁第三系膨胀泥岩为研究对象,采用热探针法研究含水率、干密度、温度及体积变形率对重塑膨胀岩试样导热系数的影响。研究表明：重塑膨胀岩的导热系数随着含水率、干密度的增加而升高,当含水率从10.4%上升至21.9%时,其导热系数最高上升了135.7%,当干密度从1.50 g/cm~3增加到2.00 g/cm~3时,其导热系数最高上升了133.9%,主要原因是含水率的增加减少了土中空气的热阻作用,干密度的增加使土颗粒之间的接触更为紧密;在潜热传输的作用下,重塑膨胀岩的导热系数随温度的增长而升高,土颗粒在温度的影响下粒径不断增大并发生聚集,为潜热传输提供了有利的条件,重塑膨胀岩导热系数随温度的增长呈现缓慢增长和迅速增长2个不同的阶段;重塑膨胀岩的导热系数随体积变形率的增加而降低,当变形率从0.5%增加到5%时,膨胀岩的导热系数降幅在5.7%～29.5%之间,这是由于吸水膨胀后膨胀岩试样更为松散,土颗粒之间的接触减少。     

温度对黄土热参数影响的试验研究

黄土的热参数是黄土冻融灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而温度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度的原状黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在不同温度下开展热参数试验,探讨黄土的热参数随温度的变化规律。研究结果表明:随着温度的降低,试样的导热系数变化曲线大致可分为缓慢增大、迅速增大和基本稳定3个阶段;比热容随温度的降低先增大后减小,最后趋于稳定;热扩散系数则随温度的降低先减小后增大,当温度低于-20℃时保持基本稳定;含水率越大,温度对试样热参数的影响越显著。土体处于未冻结和冻结两种状态下的热参数相差较大。干密度主要通过土体内部矿物质和自由水的含量对热参数产生影响。在黄土冻融灾害成因机制研究和热工计算中,可根据土体温度、含水率和干密度的变化动态选择热参数,而判断土体是否处于冻结状态是确定热参数的关键。     

含水率和干密度对黄土热参数影响的试验研究

黄土的热参数是黄土灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而含水率和干密度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在常温下开展热参数试验,探讨黄土热参数随含水率及干密度的变化规律。研究结果表明:黄土试样含水率一定时,干密度越大,其导热系数、比热容及热扩散系数也越大;黄土试样的导热系数和比热容随含水率的增大基本呈线性规律增大;当含水率较低时,热扩散系数随含水率的增大而增大;当达到一定含水率时,热扩散系数随含水率的增大而减小;继续增大含水率,热扩散系数趋于稳定。含水率对黄土热参数的影响程度大于干密度对其热参数的影响程度。在热工计算中,可根据土体含水率和干密度动态地选择热参数。     

热处理砂岩不同接触角巴西劈裂数值模拟研究

基于颗粒流程序（particle flow code,PFC）,对不同接触角（2a = 6º～30º）条件下25～1 000 ℃砂岩进行巴西劈裂模拟试验,研究其应力分布和破裂模式,并将巴西劈裂与直接拉伸进行对比。研究表明：（1）巴西劈裂中,面接触加载可以降低端部效应,加载过程中首先在圆盘中部产生拉裂纹,随着荷载的升高,拉裂纹汇集、扩展、贯通。（2）平板点接触巴西劈裂测得的抗拉强度小于直接拉伸强度,其抗拉强度计算公式的修正系数k随温度T的升高线性减小,满足k = −3.303×10⁻⁴T+1.468。随着接触角的增大,不同温度处理后巴西圆盘的抗拉强度均呈现出增大的趋势。（3）在2a≥18º时,巴西圆盘可以保证中心起裂;2a = 18º～24º时,圆盘在不同温度下破裂模式稳定;在接触角过大（2a = 30º）时,圆盘在较低温度（≤600 ℃）下会形成倾斜裂纹。（4）结合修正系数和破裂模式分析,推荐接触角为18º～24º时,修正系数在0.802 6～ 0.856 0之间,可以保证所有温度试样中心起裂且破裂模式稳定。     

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。     

黄土导热系数和比热容的实验研究

首先探讨了黄土导热系数和比热容的测试方法,组装形成黄土土样试验装置。然后取扰动黄土配制不同密度、不同含水量试样进行试验,测得黄土导热系数和比热容。实验结果揭示出,在含水量一定的情况下,导热系数和比热容随密度增大而增大;在密度相同的情况下,导热系数和比热容亦随含水量的增大而增大。进一步分析得到根据土体含水量、密度确定导热系数和比热容的关系式。相对于随密度的变化,黄土导热系数和比热容随含水量的变化尤为显著,含水量变化可以引起热参数较大的变化。     

含盐土导热系数的试验研究

室内试验表明, 含盐土的导热系数与其含盐成分(盐类)及含量有很大的关系. 同类土在含水量和干容重相同时, 在同一正温条件下粘土和砂土的导热系数是随氯化钠盐含量的增加而增大, 随硫酸钠盐含量的增加而减小; 在同一负温条件下, 无论何种土和含何种盐其导热系数均随含盐量的增加而减小, 含盐砂土和含硫酸钠盐土减小幅度显著. 硫酸钠盐土在含盐量相同时, 导热系数在负温区随温度升高而减小, 在正温区随温度升高而增大; 硫酸钠盐土在含盐量和温度相同时, 其导热系数随含水量的增加而增大.     

Study on the Themal Conductivity of Compacted Buffer/Backfill Materials

The thermal property is one of the key properties for the design of the high-level radioactive waste (HLW) repository. In this study, the thermal properties transient automatic tester (HPP-F) is uesd to study the thermal conductivity of multiphase composite buffer/backfill material including the type B-Z and B-Z-P (Here B、Z、P represents bentonite、zeolite and pyrite respectively,the same as in the following.) in different dry density and moisture conditions. The results show that for the same moisture content (dry density), thermal conductivity of specimens increases as the dry density (moisture content) increases. As a result, the type B-Z-P which is highly compacted of 1.8 g/cm3 in dry density and 17.65% in moisture content performs well, it meets the requirements of the IAEA and is easy to be compacted ,so it can be recommend as a alternative material of high level radioactive waste disposal repository buffer/backfilling materials.     

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。     

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。     

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。     

溶液和温度作用下膨润土防水毯的渗透性能

以颗粒状和粉末状膨润土防水毯(GCLs)为对象,运用GDS (global digital systems)全自动渗透仪开展渗透试验,研究CaCl_2溶液作用下GCLs渗透性能的温度效应,初步探讨其机理。试验表明:当水化液为0.05mol/L的CaCl_2溶液时,两种GCLs渗透系数随温度升高呈现增大趋势;当水化液为去离子水时,颗粒状GCL渗透系数随温度升高而减小,粉末状GCL渗透系数随温度升高而增大。去离子水情况下,膨润土吸附结合水量随温度升高而减小;CaCl_2溶液作用下,吸附结合水量较去离子水情况大幅降低。当CaCl_2溶液浓度一定时,膨润土膨胀指数随温度升高而略有增大;当温度一定时,膨润土膨胀指数随CaCl_2溶液浓度升高而显著减小。以去离子水进行试验时:颗粒状和粉末状GCLs渗透系数随温度的变化主要影响因素为凝胶态蒙脱石数量,其次为流体黏滞系数和吸附结合水量;颗粒状GCLs膨润土孔隙结构越不均匀,凝胶态蒙脱石数量的影响就越显著,导致渗透系数随温度升高而减小、固有渗透率随温度升高显著降低。以CaCl_2溶液进行试验时,两种GCLs渗透系数随温度变化的主要受流体黏滞系数和吸附结合水量的影响,而受凝胶态蒙脱石数量的影响较小。孔隙溶液性质、温度和膨润土类型均对GCLs的防渗性能具有重要影响。     

砂土混合材料导热性能的试验研究

基于平板探针原理,研究了砂和膨润土及其与水泥混合材料的导热性能,对其中各种物质组成情况、时间以及不同温度对导热性能的影响进行了详细分析,得到了导热系数随各种影响因素而变化的曲线。试验结果表明：膨润土单独与水的混合材料导热性能比较差,应与水泥、砂混合。混合材料的导热系数随水灰比（w/c）的减小而增加;加入大颗粒的骨料对于提高导热系数是有效的,即在混合材料中增加含砂量可以使导热系数往往呈增长趋势。     

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。