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。     

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。     

非饱和膨润土的有效热传导特性模型

膨润土缓冲材料热传导特性的研究,对于高放废物深地质处置系统的安全评价至关重要。基于串、并联原理,通过将土体孔隙划分为与固相基质并联和串联两部分,提出了考虑矿物成分、颗粒亲水性、孔隙率及饱和度等因素的非饱和膨润土有效热传导系数的4种预测形式,建立了基于4种形式线性组合的有效热传导特性预测模型。详细讨论了模型参数的确定方法,并讨论了孔隙率、饱和度和孔隙结构、颗粒亲水性等因素对土体有效热传导特性的影响。基于MX-80膨润土和高庙子膨润土热传导特性试验成果,对模型的预测性能进行了验证。结果表明,由于膨润土颗粒尺寸较小且具有亲水特性,孔隙内的空气与水宜采用并联描述。研究成果对于非饱和膨润土的导热性能以及工程屏障系统的THM耦合数值模拟研究具有一定的参考价值。     

热处理对柯尔碱膨润土微观结构和物化性能的影响

膨润土的热稳定性及其热处理过程中微结构和性能的变化直接影响着膨润土在矿物材料领域的应用,因此研究热处理过程中膨润土成分结构的演化以及表面性质的变化具有重要意义。目前对膨润土的研究多集中在钠化改型、有机化改性以及改型改性后的结构和性能方面,而对膨润土热处理过程中的微观结构和物化性能变化研究有待加强。本文以新疆柯尔碱膨润土为研究对象,在不同温度下进行热处理,利用X射线荧光光谱法分析原土的化学成分,通过同步热分析、X射线衍射、红外光谱以及扫描电镜等技术对热处理产物进行了物相分析和结构表征,并研究了比表面积、吸蓝量及胶质价在升温过程中的变化特征。结果表明:随着热处理温度的升高,柯尔碱膨润土的比表面积逐渐减少,物相组成和结构都发生了很大变化。加热到600℃后,膨润土的吸蓝量和胶质价急剧下降,其主要成分蒙脱石八面体片中的羟基开始脱出,层状结构发生破坏;800℃后蒙脱石相已经消失;1000℃时产生新的矿相——堇青石,粉末颗粒出现熔融现象;1200℃后转变为方石英相,颗粒基本完全熔融,重结晶现象明显。研究认为,600℃时柯尔碱膨润土的膨胀性和分散性基本丧失,矿物物化性能失效。     

温度对颗粒膨润土热传导特性的影响EI北大核心CSCD

颗粒膨润土作为优良的接缝和间隙回填材料,在高放废物深地质处置库中具有较大的应用前景。以颗粒高庙子膨润土为研究对象,采用热探针法测试颗粒膨润土在不同条件下的热传导性能,探讨了温度、干密度和含水率等因素的影响。试验结果表明:相同含水率和干密度下,粉末膨润土压制样的热传导系数大于颗粒膨润土压制样;相同含水率下,随着干密度的增大,粉末压制样和颗粒压制样之间的热传导系数差异渐小。温度越高,含水率越大,干密度越小,颗粒压制样热传导系数的温度效应越显著。相同干密度下,粉末压制样内集聚体间大孔隙的孔径较颗粒压制样的孔径要小,更有利于热量在土中的传递,其热传导系数也就更大;随着干密度的增大,颗粒压制样内集聚体间孔隙减少,削弱了水汽潜热传输的影响,温度效应有所减弱。     

基于细观均匀化的膨润土有效热传导特性研究

基于均匀化方法和椭球夹杂问题基本解给出了非饱和岩土体的有效热传导特性模型。该模型可以考虑夹杂形态、体积分数和空间分布及夹杂间相互作用对有效热传导特性的影响,反映了由于非均匀夹杂引起有效热传导张量的各向异性特性。讨论了夹杂宽高比以及夹杂与基质热传导系数比对有效热传导张量各向异性系数的影响。将岩土体看作固体基质和孔隙夹杂构成的非均匀材料,探讨了岩土体有效热传导系数随孔隙形态、孔隙率和饱和度的变化规律。最后,应用上述模型对高庙子膨润土(GMZ01)有效热传导系数进行预测并与其他模型预测结果进行对比分析。研究表明,本文模型对GMZ01膨润土有效热传导系数具有较好的预测能力,但更准确的预测需根据膨润土的孔隙结构采用多层次均匀化方法。研究成果对于高放核废料深地质处置库缓冲材料的热-水-力耦合特性具有一定参考价值。     

水合物钻井液微观结构热传导分形模型研究

[摘 要] 在水合物勘探开发过程中,钻井液除常规作用外,还必须具有抑制水合物分解与再生成 的作用。钻井液的这些宏观作用由其内部微观结构所决定,而水合物的分解和生成与介质的传热过程 有关。由于钻井液微观结构与多孔介质相似,故其传热过程也相似。利用多孔介质的性质及其传热理 论,系统分析了水合物钻井液微观结构与多孔介质的异同,探讨了水合物在钻井液中的分解特性。接着 阐述了分形理论,对钻井液微观结构的传热分形模型进行了研究。最后得出钻井液中水合物分解的传 热过程,建立了钻井液微观结构的一维热传导分形模型,并得出有效导热系数的分形表达式。     

贵州盘县地区膨润土矿产出地质特征及其物化性能的研究

膨润土矿在本省尚为缺门矿种。通过对省内钻井泥浆粘土矿的踏勘取样,经X射线衍射、红外光谱和差热等分析、测试手段及物化性能的测定,参照矿产工业要求,首次在贵州盘县地区被前人称为“绿豆岩”的岩层中,圈出了数个膨润土矿体;对矿石及矿石中小于2μm的粘粒矿物进行了物化性能及矿石、矿物的属性研究,确定区内膨润土矿为钙基和酸性钙基膨润土,其矿石中主要矿物——蒙脱石为钙质蒙脱石的属性;该膨润土矿不宜作钻井泥浆原料,但可为油脂脱色剂之用。该地区的膨润土矿有一定的工业价值和开发利用前景。     

有机膨润土的制备及测试

以吉林省九台天然钙基膨润土和改性的钠基膨润土为原料 ,用丙烯酰胺和溴代十六烷基三甲基胺进行有机覆盖 ,对制得的有机膨润土进行了X射线衍射 (XRD)分析 ,并结合差热热重 (DTA—TG)分析。结果表明 ,该方法不仅可以制备有机长链季铵盐有机膨润土和小分子有机膨润土 ;而且作为直接原料的天然钙基膨润土也可以制得较好的有机膨润土。     

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。     

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。     

碱−热环境下MX80膨润土导热性能试验研究

以美国怀俄明州钠基（MX80）膨润土为研究对象,采用热探针法测定碱−热环境下MX80膨润土的导热系数,探讨了温度、碱液强度和干密度对试样导热系数λ的影响规律,并选择部分试样进行了X射线衍射（X-ray diffraction,简称XRD）和扫描电镜（scanning electron microscope,简称SEM）试验,揭示了碱−热环境下MX80膨润土导热性能演变的微观机制。试验结果表明：MX80膨润土的导热系数λ随碱液含量和干密度的递增而增大;在不同碱液含量条件下,膨润土的导热系数均随温度升高而增大,且碱液含量越高,导热系数的温度效应越显著;干密度较小时,膨润土导热系数λ随温度升高而增大的影响越明显,主要原因是温度促进了试样内部的水汽潜热传输;同一温度和干密度条件下,热传导系数λ随着碱液pH值的升高而降低6,且pH值越高,则λ降幅越明显,主要原因是强碱溶液腐蚀了膨润土的蒙脱石成分,减少了试样内石英含量,增大了膨润土试样的孔隙率,进而降低了膨润土导热系数,这与测试试样的XRD和SEM结果相吻合。     

锌离子污染对膨润土一维压缩特性影响试验研究

为研究锌离子对膨润土重塑土压缩特性的影响,对人工制备的受不同浓度Zn2+污染的高含水率膨润土开展一维压缩、自由膨胀率、物理化学性质和扫描电镜试验。试验结果表明,在竖向压力低于某临界值（200 kPa）时,相同压力下随着Zn2+浓度增大,膨润土的孔隙比和压缩指数均降低,但当Zn2+浓度高于某临界值（0.02 mol/L）时,继续增加污染浓度膨润土的孔隙比基本保持不变,压缩指数略有降低。当竖向压力超过该临界值（200 kPa）后,膨润土的孔隙比基本不受孔隙液物理化学性质影响,仅由竖向压力决定。此外,随着孔隙液Zn2+浓度增大,膨润土的孔隙液pH值和土样比表面积减小,颗粒直径增大,膨润土中蜂窝状结构遭到破坏,黏土矿物片逐渐团聚成大直径颗粒,小孔隙消失,生成一些大的团粒间孔隙。     

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。     

青藏高原含砂砾石土壤导热率实验研究

土壤导热率是土壤的基本物理参数之一,也是陆面模式的重要输入量,对研究土壤热传输、水热耦合运移有重要意义。青藏高原由于独特的地理环境备受学者关注,但目前常用的土壤水、热属性参数化方案仅仅考虑了沙土、粉土和黏土,就砂砾石重要性的认识还不足,很少有模式模拟砾石对青藏高原多年冻土和高寒草地的影响。采用便携式热导仪（KD2 Pro,DECAGON,美国）测量了青藏高原玛多和北麓河两地典型土壤在冻结和未冻结状态下不同水分条件时的土壤导热率,分析了砂砾石含量对土壤孔隙度的影响及冻结和未冻结状态下,不同水分条件下砂砾石含量对土壤导热率的影响。结果表明：当含水量高于某一阈值时,含水土壤冻结状态下的导热率高于未冻结状态下的导热率;土壤含水量对土壤导热率影响显著,导热率随着含水量的增加而增大,在含水量较小时变化更明显;砂砾石含量比重多的土壤孔隙度较小,且砂砾石含量越大的土壤在冻结状态下导热率高。以上结果表明,砂砾石对土壤导热率有显著影响,在将来的模式模拟研究中必须考虑砂砾石对土壤热属性的影响,进而提高土壤水热过程模拟的精度。