混合型缓冲回填材料干缩开裂及水分迁移规律研究

摘要

当前国内外对核废料处理广泛采用的是深层地质填埋处置，这种方法对核废料存储容器和填埋基坑之间的缓冲回填材料性能提出了极高要求。业内使用的主流回填材料是以膨润土为主材，辅以各种添加剂以改良其工程性质。膨润土-砂混合物是最符合我国工程实际特点的一种混合型缓冲回填材料，其最优配比及诸多工程性质尚待研究。本文基于阿基米德原理，创新性的采用薄膜法测定了在恒温恒湿条件下不同掺砂率及不同可溶性盐对膨润土-砂混合物的收缩曲线的影响，并采用经典的MCG-B模型验证了薄膜法测定数据的可靠性；同时根据浆状试样的厚度和掺砂率设计了正交的室内恒温干燥实验，以研究膨润土-砂混合物的水分迁移及干缩开裂规律。试验材料采用GMZ01型钠基膨润土及甘肃省永登县石英砂。　　对收缩特征曲线的研究发现，由于石英砂颗粒的骨架效应，当掺砂率达到30%及以上时，膨润土-砂混合物的收缩性能受到显著抑制；当试样掺砂率为30%时，随着孔隙水中可溶性盐浓度及阳离子化合价的增大，混合物的收缩性能收到抑制。石英砂的掺入会增大混合物的蒸发速率，而可溶性盐则由于额外的渗透吸力在试验处于饱和状态时降低了水分蒸发速率。使用MCG-B模型对收缩曲线拟合结果显示，薄膜法测定数据基本准确可靠，但不适宜测定含有结晶性可溶性盐的土样的收缩特征曲线。　　对开裂现象及水分迁移规律的研究显示增大石英砂掺入率和增大试样厚度都有助于削弱试样表面主裂隙的发育。掺砂率增大会诱发试样表面细小裂隙增加，而增大试样厚度可在掺砂率为20%~30%时获得最小的表面裂隙率。试样厚度和掺砂率对土样持水性能的影响是相反的，在竞争效应中试样厚度起主导作用。引入干燥系数 k 对水分迁移规律进行研究发现试样干燥过程中蒸发速率受进气值和土-空气实际接触面积变化共同影响。根据混合试样土-空气实际接触面积变化情况，水分蒸发过程可分为四个不同的阶段：干燥初始阶段，进气值阶段，形成稳定进气通道阶段，孔隙被空气填充阶段。

目录

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究依据与研究意义

1.3研究内容和目标

1.4论文结构安排

1.5创新点

第二章 研究概述

2.1混合型缓冲回填材料

2.1.1缓冲回填材料的选择与筛选

2.1.2缓冲回填材料的特性研究

2.2土的收缩曲线的研究

2.3土的收缩特征曲线拟合模型

2.3.1收缩特征曲线的常用拟合模型

2.3.2拟合模型的比较

2.4土的干缩开裂的研究进展

2.5本章小结

第三章 试验方法

3.1试验材料及材料基本性质

3.2薄膜法收缩试验

3.2.1样品制备及试样基本物理参数

3.2.2试验设计

3.2.3试验过程

3.3干缩开裂试验

3.3.1试样制备

3.3.2试验过程

3.4本章小结

第四章 膨润土收缩特征曲线影响因素的研究

4.1掺砂率对膨润土干缩行为的影响

4.1.1收缩曲线

4.1.2蒸发曲线

4.1.3讨论

4.2孔隙水化学对膨润土干缩行为的影响

4.2.1可溶性盐的浓度对膨润土干缩行为的影响

4.2.2可溶性盐中阴离子类型对膨润土干缩行为的影响

4.2.3可溶性盐中阳离子类型对膨润土干缩行为的影响

4.2.4讨论

4.3薄膜法测定膨润土收缩特征曲线的拟合与可靠度分析

4.3.1公式模型的选取

4.3.2通过已有数据对拟合模型的对比验证

4.4本章小结

第五章 膨润土干裂及水分迁移规律的研究

5.1蒸发曲线与蒸发速率曲线

5.1.1掺砂率对蒸发曲线的影响

5.1.2试样厚度对蒸发曲线的影响

5.1.3掺砂率与试样厚度对蒸发速率的影响

5.1.4影响水分迁移的因素

5.2影响开裂现象的因素

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢