高压实膨润土-砂混合型缓冲材料的渗透性能研究

缓冲材料作为高放废物深地质处置中的最后一道人工屏障,它的水力学屏障作用直接影响到化学屏障作用的有效发挥及处置库的长期稳定性及安全性。采用自主研制的高压实黏土渗透实验装置,探讨了不同干密度和掺砂率条件下的膨润土-石英砂混合型缓冲饱和侧限渗透性能。实验研究结果表明,随着掺砂率的增加,膨润土-石英砂混合型缓冲材料的渗透系数先减小再增大,当掺砂率为10%时,缓冲材料的渗透系数最小,其最佳掺砂率为10%;缓冲材料的渗透系数随着试样干密度增加而减小,干密度控制在1.6~1.8 g/cm~3时,能够更好地满足高放废物深地质处置库对缓冲材料的渗透特性的要求。     

盐溶液及掺砂率对高庙子膨润土强度的影响

高庙子膨润土已被选为我国高放核废物处置库基质材料,研究其力学性能对处置库工程的设计有着重要意义.处置库预选区甘肃北山地区的地下水中盐溶解固体含量较高,需要研究盐溶液作用下缓冲/回填材料的工程性质.研究了高庙子钠基膨润土(GMZ07)及其掺砂率分别为0%, 30%和50%的混合物在不同NaCl浓度下的强度特性,并进行扫描电镜测试.试验结果表明,在纯水饱和条件下,掺砂膨润土试样的应力应变曲线呈现明显的应变硬化,但其峰值强度低于纯膨润土的峰值强度.随着NaCl浓度的升高,盐溶液饱和的掺砂混合物和纯膨润土的剪切强度均明显增大,内摩擦角变大,但黏聚力变化不大.当NaCl浓度升高和坚向荷载增大时,掺砂混合物的强度增加量明显高于纯膨润土,并在NaCl浓度和压力较高的情况下,掺砂混合物的强度大于纯膨润土的强度.最后,在掺砂混合物试样中引入膨润土有效干密度的概念,并结合微观结构的分析,解释了不同NaCl浓度下掺砂混合物的剪切机理.     

膨润土及掺砂混合物膨胀变形试验研究

膨润土作为高放废物深层地质处置的缓冲/回填材料,非常有必要研究其物理力学性能。本文利用固结仪对钙基膨润土及其掺砂混合物进行了一系列膨胀变形的试验研究,分析了膨胀变形特性与初始干密度和含水率之间的关系。试验结果表明:膨润土及掺砂混合物的膨胀应变主要取决于膨润土及掺砂混合物的最初干密度和膨润土含量,随着初始干密度的增加而增加,随初始含水率的增加膨胀变形逐渐减小。     

铁尾矿砂-膨润土混合材料导热性能

回填材料的导热系数是影响地源热泵系统性能的关键参数。在土壤中掺入石英砂、石墨、铁尾矿砂等导热性能较好的物质可以有效的提高回填材料的导热性能。选用铁尾矿砂与钠基膨润土组成混合材料,制备不同掺砂率、不同干密度以及不同含水率的试样。使用TC3000E瞬态热线法导热系数仪测定试样导热系数,分析其与掺砂率、干密度、含水率、饱和度等参数的关系,并探讨铁尾矿砂-膨润土混合材料导热系数预测模型。研究表明,混合材料的导热系数随掺砂率、干密度和含水率增大而增大。不同孔隙率下,导热系数与饱和度存在线性关系,并且孔隙率与各组拟合方程的斜率呈线性关系。基于Maxwell方程对悬浮物体积分数进行修正,构建铁尾矿砂-膨润土导热系数预测模型,能够较好的预测混合材料的导热系数。     

宽级配砾质土三轴试验研究

对某宽级配砾质土分别进行了中型和大型三轴固结排水剪试验,研究了不同试样干密度、不同掺砾量下宽级配砾质土的强度、应力应变特性及邓肯-张模型参数,并对中三轴与大三轴2种不同尺寸试验结果进行了分析和对比.结果表明:宽级配砾质土的偏应力峰值强度、抗剪强度及其剪胀性随着掺砾量和试样干密度的变化呈现一定的变化规律;随着掺砾量或试样干密度的增大,中三轴和大三轴试验邓肯-张模型参数的K均随之增大,但n随之减小;在相同掺砾量下,初始弹性模量和体积变形模量均随着试样干密度的增大而增大.     

压实高庙子膨润土抗拉强度各向异性

高放射性核废料深地质处置库中的缓冲层由膨润土块堆砌构成, 而块体由膨润土粉末压制而成, 其强度可能存在各向异性. 采用直接拉伸试验方法, 测得压实高庙子膨润土在不同条件下的抗拉强度, 探讨了干密度和含水率对抗拉强度各向异性的影响, 并进行了机理分析. 试验结果表明: 随着含水率的增加, 抗拉强度先增大后减小, 存在一个峰值; 抗拉强度随着干密度的增加而增大; 当拉力方向与制样压实力方向垂直时, 试样的抗拉强度大于拉力方向与压实力平行时的抗拉强度, 并且在同一含水率下, 抗拉强度各向异性的程度随干密度的增加而增大. 原因在于压实过程中蒙脱石层叠体排列趋于一个方向, 导致各向异性显著. 研究成果可为我国核废料处置库膨润土块体在运输和吊装过程中的抗拉强度特性提供参考数据.     

碱热耦合的膨润土-花岗岩岩屑混合物膨胀特性

在高放废物处置库的运营过程中, 核废料的衰变热和混凝土老化产生的碱性孔隙水均会对缓冲回填材料的工作性能产生影响. 为了研究碱热耦合对缓冲回填材料膨胀特性的影响, 采用高庙子 (Gaomiaozi, GMZ) 膨润土和花岗岩岩屑混合材料, 选用 NaOH 溶液模拟碱性孔隙水, 利用水浴锅提供恒温溶液, 并将溶液在自主研制的耐腐蚀固结仪中不断循环, 分别开展 25 和 50 ${^\circ}$C 两种温度以及 0.1、0.5 和 1.0 mol/L 3 种碱性溶液浓度下的膨胀力试验, 获得了各试样的膨胀力时程曲线. 试验结果表明: 当温度相同时, 试样的最大膨胀力和稳定膨胀力均随碱性溶液浓度的增加而降低; 当同一浓度碱性溶液入渗时, 试样的最大膨胀力和稳定膨胀力均随掺岩率的增大而降低; 相同掺岩率及入渗碱性溶液浓度的试样的最大膨胀力和稳定膨胀力均随温度的升高而降低. 碱性溶液对膨胀力的衰减程度随溶液浓度的增加而增大, 随温度的升高而增大. 对于膨润土-花岗岩岩屑混合物, 在相同入渗溶液浓度和相同反应温度下, 膨胀力衰减率随掺岩率的增大而降低.     

核废料处置库近场的热-水-力耦合分析

为研究高放射性核废料地质处置的热-水-力耦合过程，以FEBEX原位试验为计算模型，利用有限元软件code-bright进行数值模拟分析，得到热-水-力耦合作用下处置库关闭后近场膨润土和岩石内温度、饱和度、吸力、应力及位移的变化规律，其结果可为核废料处置库的规划、设计以及缓冲／回填材料的选取提供参考．     

重塑黄土的强度影响因素研究及基于核磁共振的微观解释

黄土的抗剪强度特性影响着黄土地区边坡和路基等的稳定性,抗剪强度特性与土体的含水率和干密度密切相关。通过制备不同含水率和干密度的重塑黄土试样,通过室内直剪试验和核磁共振测试对重塑黄土的抗剪强度特性进行研究。研究结果表明,在低含水率的情况下,重塑黄土应力应变曲线有峰值点存在,呈现应变软化特性;在高含水率的情况下,应力应变曲线没有明显峰值,呈现应变硬化特性。随着土样含水率变大,黏聚力显著下降,内摩擦角变化规律不明显;随着土样干密度变大,其黏聚力增大。随后采用核磁共振测试技术对上述不同含水率和干密度状态的环刀样开展了含水量分布的测试,测试结果进一步从微观层面上解释了重塑黄土抗剪强度参数变化的规律。     

铜尾矿砂改良红黏土导热性能试验研究

回填土导热性能是直埋电缆载流量的重要影响因素之一。为探究各因素对改良红黏土导热性能的影响规律,制备不同掺砂率、干密度、含水率的试样,在恒温密闭的条件下,采用瞬态热线法测试试样导热系数,分析掺砂率、干密度、含水率对改良土导热系数影响规律。研究结果表明：铜尾矿砂对红黏土导热系数具有较好的改良作用,改良土的导热系数随着掺砂率、含水率均呈现线性增长。改良土导热系数随着干密度的增大,其增长趋势具有阶段性,当改良土的干密度大于1.65 g˙cm-3^时,导热系数的增长速率明显减小。铜尾矿砂对改良土导热系数的影响在于其中大量石英改善了固体骨架之间的传热效率。含水率和干密度对改良土导热系数的影响,主要在于其使改良土的三相传热方式发生了改变。基于测试结果,构建预测改良土导热的新模型,其能够较好预测改良土导热系数。     

高放废物处置库非饱和多场耦合数值模拟与参数分析

为对高放废物处置库进行安全评估,建立了岩土材料饱和非饱和的渗流温度应力(THM)多场耦合数值模型,对处置库(处置容器、缓冲材料和围岩)进行非饱和THM多场耦合数值模拟。基于COMSOL Multiphysics软件平台,以北山花岗岩高放废物处置库和内蒙古高庙子膨润土为研究对象,对高放废物处置库进行长达500a的数值模拟,对比分析耦合与非耦合的模拟结果,并对渗透率、导热系数和地下水深度等参数进行敏感性分析。结果表明:耦合模拟的温度比非耦合模拟的温度低13℃;地下潜水面由0m上升到1000m的时候,缓冲材料完全饱和的时间由703a下降到了28a;围岩的固有渗透率下降5个数量级时,缓冲材料的饱和时间由28a上升到了250a;各个物理场相互耦合,共同影响处置库的长期稳定性。     

热源对核废料处置库近场性状的影响

采用高放射性核废料处置库模型进行试验, 以核废料处置库近场的膨润土及岩石为研究对象, 建立轴对称模型. 选用适当的控制方程, 运用有限元软件Code-Bright对核废料处置库关闭后处置库近场的温度场、渗流场、应力场进行热-水-力(thermo-hydro-mechanical, THM)耦合的数值模拟. 通过比较不同初始热源, 得到了处置库关闭后近场膨润土及岩石内温度、液体饱和度、吸力及应力的变化规律. 结果表明, 初始热源较小时膨润土和岩石的性质更为稳定.     

高压实膨润土膨胀力预测研究

作为高放射性核废物深地质处置库缓冲回填材料,高压实膨润土的膨胀力是其缓冲性能的关键指标.在详细阐述膨润土水化膨胀过程的基础上,系统总结了膨胀力的预测机理、理论模型及试验验证的最新研究成果.国内外学者主要基于扩散双电子层理论,建立了膨润土膨胀力的预测模型;通过室内试验,研究了初始干密度、初始含水率等因素对膨润土最终膨胀力的影响规律.理论模型与试验结果对比分析表明,现有模型对蒙脱石含量较高、初始干密度较大的膨润土拟合性较差.实际上,高压实膨润土的膨胀过程包括晶层膨胀和扩散层膨胀,而现有理论模型仅适用于膨润土扩散双电层膨胀阶段,无法涵盖膨润土晶层膨胀阶段.同时,现有理论模型仅适用于预测膨润土的最终膨胀力,难以反映出处置库长期运营期间环境变化所导致的膨胀力演化过程.     

缓冲材料参数对核废料处置库近场影响的二维有限元分析

以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验作为数值计算模型,利用有限元软件Code-Bright,通过改变膨润土初始渗透系数、初始吸力和初始进气值,得到热-水-力(thermo-hydro-mechanical,THM)耦合作用下处置库关闭后缓冲层饱和度和吸力的变化规律,以及以上3个因素对这些性状影响的敏感程度,研究结果可为核废料处置库缓冲材料的选取提供参考.     

铀尾矿砂基质吸力对铀尾矿坝力学性能影响试验探究

通过对某铀尾矿库坝体材料现场取样和室内土工试验,进行应变直剪试验,得到铀尾矿砂不同含水率下最大剪应力的实验数据。结果表明:随着含水率的增大,非饱和铀尾矿砂的基质吸力在逐渐减小,黏聚力与内摩擦角随含水率的增大呈先增大后变小的变化规律。根据基质吸力对铀尾矿库坝体剪应力的变化规律,随着基质吸力的逐渐减小,剪应力先增大后减小。     

地下深部硐室的温度应力场

在考虑了花岗岩弹性模量和泊松比随温度变化的基础上,利用有限元软件ANSYS对核废料处置库在不同温度下的温度应力场进行研究.通过分析发现,根据常温时花岗岩弹性模量和泊松比计算得到的热应力与根据不同温度下花岗岩弹性模量和泊松比计算得到的结果相比较,随着温度的升高,两者差别从20%增加到60%.     

平面裂隙中膨润土挤出过程的数值模拟

膨润土因其膨胀性、低渗透性等特性常被用作高放核废料处置库的缓冲和回填材料。与地下水接触时,膨润土会发生膨胀,挤入周围岩体的裂隙中。如果进入裂隙中的膨润土的质量超过一定程度的话,会使得缓冲层中的膨润土密度下降,可能会导致处置库性能的降低甚至丧失。为了系统地了解这一过程,建立了膨润土在平面裂隙中的挤出模型,研究了地下水中电解质的浓度和缓冲层内膨润土的干密度的影响。计算结果表明膨润土的挤出距离和时间的平方根成正比关系,比例系数随着电解质浓度的减小而增加,随着膨润土干密度增加而增大。     

发展城市地源和废热热泵的探讨

热泵是一种使热量从低温介质流向高温介质，以对建筑物进行供暖和供冷的装置。被公认是一种高效、节能、环保技术，近年来得到迅猛发展，以往的热泵多以地表水作为低温介质，近来开发的以土壤层和地下水为低温介质的地源热泵和以循环冷却水、废热等为介质的废热热泵更具有广阔的发展前景，我国有十分丰富的低温热源，工矿企业有大量的废热，在城市开发利用地源热泵和废热热泵，对于改善城市环境、节药能源具有重要意义。