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。     

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。     

混合型缓冲回填材料非饱和水分扩散试验研究

设计了专门的浸水试验装置,测定了膨润土-石英砂混合物在非膨胀条件下吸水引起的水分分布及膨胀应力变化,研究了混合型缓冲回填材料非饱和水力学性质。试验结果表明,干密度约1.70 g/cmP3、掺砂率为30%的GMZ001膨润土-砂混合物的水分扩散系数与含水率的关系呈U型变化,即随着含水率增加,汽态水分扩散系数减小,液态水分扩散系数增大。根据理论推导建立非饱和导水率估算方程。计算发现,混合物的非饱和导水率随含水率的增大而增大。其中,汽态水分非饱和导水率先增大后略有减小,液态水非饱和导水率始终增大。试验发现,试样吸水后干密度趋于均匀化,试样内部不同位置的应力发展与水分迁移过程密切相关：渗入端的应力在入渗初期增长很快,随后减慢;渗出端的应力持续稳定增长;入渗96 h后,两端应力趋于一致。估算出的水分扩散系数及非饱和导水率,可用于评价混合型缓冲回填材料阻隔核素迁移安全性。     

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。     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究

高放废物（HLW）深地质处置中,在膨润土中添加一定比例的石英砂能优化缓冲/回填材料的性能。利用水汽平衡法,对高庙子压实膨润土-砂混合物在不同温度、掺砂率和干密度条件下的土-水特征曲线（SWCCs）进行试验研究,分析温度、掺砂率与干密度对混合物土-水特征曲线的影响。试验结果表明,随着温度升高,混合物的持水能力明显下降;在试验控制吸力范围内,低吸力段掺砂率对土-水特征曲线影响明显,高吸力段掺砂率对混合物土-水特征曲线的影响逐渐降低;干密度对混合物的土-水特征曲线基本没有影响。根据试验数据建立了不同温度和掺砂率条件下膨润土-砂缓冲/回填材料土-水特征曲线的经验公式,可用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线     

缓冲／回填材料与添加剂的选择

缓冲／回填材料是高放废物处置库的重要工程屏障之一。本文着重讨论了处置库多道屏障的意义、国内外的研究概况、添加剂的选择和选择缓冲／回填材料时应注意的问题。     

混合型缓冲材料砌块渗透性及其各向异性研究

缓冲材料砌块具备良好的防渗性能,是保证高放废物处置库封闭性的关键。缓冲材料砌块经单轴加载挤压成型,块体尺寸大,测试与评价其渗透性能的均匀性和各向异性,对缓冲屏障设计具有重要价值。研究制备不同干密度的混合型缓冲材料砌块,定向切割获得砌块内部不同位置、不同方向的小试样,开展刚性壁和柔性壁渗透试验,综合评价了混合型缓冲砌块不同方向的水力传导系数。研究结果表明：砌块干密度越大,砌块的水力传导系数越低。所有砌块的水力传导系数均处于10?10 cm/s数量级,沿砌块z、?、r方向的水力传导系数基本相等,表明砌块渗透性具有良好的均匀性和各向同性,且满足高放缓冲材料防渗要求。两种试验方法获得的渗透结果差异较小,柔性壁渗透条件下砌块产生10%～20%的体积膨胀,导致其水力传导系数略大于刚性壁下的平行试样。引入CT试验,分析了渗透前后砌块的微观特性变化。试验证实,在饱和渗透之后,以CT值显示的砌块密度分布趋于均匀,砌块内部存在的微裂隙愈合消失。     

高放废物深地质处置缓冲/回填材料研究进展

综述了高放废物深地质处置库缓冲／回填材料的作用和性能要求。介绍了缓冲／回填材料在透水性、热性质、膨胀性等方面已取得了的成果和新进展。最后简述了缓冲／回填材料研究的发展趋势。     

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。     

地热井固井材料导热性能影响因素

固井材料导热性能是影响地热井取热效果的因素之一。为提升地热井固井材料导热系数,采用正交试验,借助层次分析-指标重复性相关（AHP-CRITIC）混合加权法和极差分析,进行固井材料导热性能研究。结果表明：添加天然鳞片石墨、铁粉和石英砂均可提高固井材料导热系数,其中石墨对导热系数的提升作用最为显著,铁粉次之,石英砂最小;石墨掺量和水固比分别是影响固井材料综合性能的主次要因素;随着石墨掺量递增,其导热系数递增、48 h抗压强度和流动度均递减;得出高导热固井材料的优选配合比为：水固比值0.44,石墨、铁粉和石英砂掺量分别占水泥质量的7.5%、3%、2%,其导热系数可达1.87 W/（m·K）,较常规固井材料提高约70%。研究成果可为地热能高效开发利用提供参考。     

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。     

冰-土混合法调配膨润土缓冲回填材料含水率研究

高放废物缓冲回填工程屏障材料膨润土塑性高,可调性差,加水制样过程中土“团聚化”及含水率分布不均匀现象明显,影响缓冲回填压实砌块质量。与传统直接喷水法对比,试验探索一种加水工艺,即采用粉状冰与膨润土粉混合调配膨润土含水率,试验含水率在5%～30%之间,分析了膨润土与水混合物的混合效率、黏附质量损失率、实际含水率与理论含水率差值、团聚体含水率与粒径关系、混合物中团聚体分布及含量等指标综合评价加水工艺优劣,提出微波辅助解冻法以提高冰-土混合法制备土样的解冻效率。结果显示,与喷水法相比,冰-土混合法混合效率高,膨润土黏附容器少,实际含水率更集中于目标含水率,团聚体数量明显减少,水分分布更均匀;配套的微波辅助解冻法能有效提高冰-土混合法解冻效率,且不影响团聚体数量及试样含水率。研究成果可供我国高放废物缓冲回填材料高效生产及其他高黏性土含水率均匀调配参考。     

酒精湿化法调配压实膨润土缓冲回填材料含水率研究

压实膨润土砌块在我国高放射性废物处置中发挥着缓冲回填工程屏障的作用。然而,膨润土材料塑性极强,水分极易拌和不均,易导致压实砌块干缩开裂,显著降低了砌块质量。提出一种采用酒精代替纯水来湿化膨润土的新方法,以提高压实膨润土质量。对比喷水法,酒精湿化法中酒精浓度设计在5%～35%间。通过分析膨润土与酒精混合物的混合效率、黏附质量损失率、混合物中团聚体的含量、压实样干缩前后强度、干缩裂纹规律、干燥效率、膨胀性等指标综合评价酒精湿化压实膨润土样的适用性。试验结果表明：在相同含液率情况下,随酒精浓度增大,所得膨润土样的混合效率明显提高,黏附质量损失率及团聚体含量明显降低;压实样内团聚体与干缩裂纹及试样质量间具有较好对应关系。此外,酒精湿化法所得压实样在压实方向密度分布更均匀,干缩裂纹数量及宽度明显变小,风干试样剪切强度及膨胀性均与加纯水试样较为接近,压实样均匀性与完整性明显提高。新方法及相关成果可供我国高放废物缓冲回填砌块制备参考。     

填料对地热井固井材料导热性能的影响

在地热井固井水泥中加入导热填料能够明显改善水泥石导热性能,提升地热井取热效果。在总结导热路径理论和紧密堆积理论的基础上,通过试验研究不同填料种类、粒径及掺量对固井水泥导热性能的影响。试验结果表明：较其他种类填料,石墨对水泥石导热性能提升效果最好;石墨粒径越大对应水泥石导热系数越高。不同粒径的石墨混合,较单一粒径石墨对水泥石导热性能的提升效果更好,其最优混合配比为：石墨粒径为150 μm与100 μm,质量比为2：1。随着石墨掺量增加,固井材料的导热系数逐渐增大,但流动度和48 h抗压强度逐渐降低。参照固井相关规范,提出固井材料中石墨掺量应控制在9%左右为宜。研究成果为地热井高导热固井材料的制备提供借鉴。移动阅读     

地源热泵换热孔灌浆材料导热性能实验研究

地下换热器是地源热泵系统的技术关键,地下换热器换热能力的大小直接影响地源热泵系统的效能,而换热孔灌浆材料导热性能的优良决定着换热器的换热效果。本文在线源理论和热阻网络分析法的基础上建立了钻孔内部换热的传热模型,并在该模型的基础上,研制了一套实验装置,模拟现场条件进行灌浆材料导热性能的实验研究。实验结果表明:水泥基灌浆材料较膨润土基灌浆材料具有更高的热传导系数,且热传导系数都具有随石英砂含量增大而增大的趋势;对水泥基灌浆材料,热传导系数随砂灰比和水灰比的变化而变化。     

我国高放废物处置库缓冲／回填材料压实膨胀特性研究

本文研究了我国高放废物地质处置库缓冲／回填材料－内蒙古高庙子膨润土的压实、膨胀力和膨胀变形特性。实验结果表明，膨润土样品的压实密度与压制压力和蒙脱石含量有关，膨胀力与样品压实密度和蒙脱石含量有关，样品在荷载作用下膨胀变形明显减小。     

多孔矿物介质对有机相变材料导热性能的影响

通过对制备的基于膨胀多孔石墨和硅藻土两种多孔矿物介质与硬脂酸丁酯有机相变材料的相变蓄热复合材料,采用调制差示扫描量热方法(MDSC)测试复合材料的导热系数,并借助层状复合材料热传导模型分析多孔矿物介质内部结构特征对复合材料的导热性能的影响,其结果表明,采用膨胀多孔石墨制备的相变蓄热复合材料具有明显的层状结构,其压制方向的导热系数更接近层状复合材料热传导模型c轴方向导热系数预测结果;采用硅藻土制备的相变蓄热复合材料的导热系数符合层状复合材料热传导模型的a-b平面方向导热系数预测结果,说明该复合材料内部结构具有非常好的连通性。多孔矿物介质对相变材料导热系数的增强效果不仅受多孔矿物介质导热系数的影响,还会受到复合材料内部结构特征的明显影响,在热传导方向上形成连通性结构有利于增强效果,而形成与热传导方向垂直的层状结构则不利于导热系数的增强,即使多孔矿物介质具有很高的导热系数。     

高放废物地质处置库预选缓冲材料压缩性能研究

缓冲材料是高放废物深地质处置多重屏障系统中非常重要的一道人工屏障，内蒙古高庙子钠基膨润土被确定为我国高放废物深地质处置缓冲材料的首选基料。通过研究该钠基膨润土（GMZ01）在不同含水量条件下的压实成型性、不同压实干密度和不同含水量压实样品的无侧限压缩性能，认为：含水量为15％的高庙子天然钠基膨润土压实成型性最好，压实干密度越大，无侧限抗压强度越大；在无侧限压缩实验时，含水量为15％的高密度压实膨润土样品比含水量为10％和20％的样品的抗压强度大，变形小。     

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。     

混合型缓冲砌块导热性能及其均匀性研究

混合型缓冲砌块作为高放废物地质处置库的缓冲屏障具有良好的导热性能。将高庙子(GMZ)膨润土和标准石英砂混合,依据正交试验原则,控制掺砂率Rs=30%,设置含水率变化为7.0%、11.0%、15.0%,干密度变化为1.60、1.70、1.80g/cm³,采用半自动化液压机压制成大型缓冲砌块。对砌块进行切割分解,开展热传导试验,建立含水率和干密度与导热性能的关系,了解导热性能的空间分布特征。试验结果表明,随着含水率和干密度的增大,混合型缓冲砌块导热系数显著增大,大致呈线性关系,且平均值均大于国际原子能机构国际原子能机构(IAEA)推荐的导热系数下限值0.8 W/m·K,满足推荐要求;热扩散系数先略微减小再增大,总体也呈增大趋势。对混合型缓冲砌块导热系数的空间分布及均匀性分析发现,砌块四周边缘部位的导热系数比中间部位的波动略大,但总体差异性及非均匀性不明显。采用t检验法对混合型缓冲砌块导热系数均匀性进行检验,发现砌块满足均匀性检验条件,试样均匀。用Johansen模型从物理指标可以预测混合型缓冲砌块的导热系数,偏差在±10%以内。