石英砂掺量对混合型缓冲回填材料抗剪强度的控制机理研究

摘要

高放废物是一种放射性强、毒性大、核素半衰期长并且发热的特殊废物，高放废物的安全处置难度极大，目前普遍认可的处置方案是深地质处置法。埋藏高放废物的地下工程称为地质处置库，处置库一般采用“多重屏障体系”的概念模型进行设计。多重屏障体系中，缓冲回填材料是阻隔放射性核素向地下水环境迁移的最主要包封设施。　　 关于缓冲回填材料的选择，我国已开展了二十多年的相关研究工作。研究发现，高庙子膨润土是理想的缓冲回填材料，这是因为其优越的吸附性能、膨胀性能、膨胀自愈性能以及极低的渗透性。为了进一步提高膨润土缓冲回填材料的热传导性能和可施工性，向膨润土中添加一定比例的石英砂形成膨润土-砂混合型缓冲回填材料，可以在不显著降低膨润土优越性能的前提下明显提高其热传导性能和可施工性。在国内，开发膨润土-砂混合型缓冲回填材料，是兰州大学的创新研究方向，也是世界高放废物地质处置领域的主流方向。　　 混合型缓冲回填材料研究的根本目标，是确定最优掺砂率，使膨润土-砂混合物的的化学吸附性能、力学性能、防渗性能、膨胀自愈性能等尽最大可能地同时得到满足。本研究的具体目标是从抗剪强度角度出发，研究膨润土-砂混合物的抗剪强度与掺砂率的关系，为掺砂率优化奠定力学基础。　　 本文选用内蒙古高庙子膨润土(GMZ001膨润土)为主料，按照重量0％-50％的比率添加石英砂，压实成干密度和含水率相同的平行试样，进行固结快剪试验。试验结果表明，在0％-50％的掺砂率范围内，随着掺砂率的增大，压实膨润土-砂混合物试样剪切应变特性由应变软化型向应变硬化型过渡，粘聚力及内摩擦角逐渐减小，即抗剪强度降低。提出粘土与砂颗粒之间的充填结构模型，通过统计类比分析，对控制膨润土-砂混合物抗剪强度的界限掺砂率进行了估计。引入有效粘土密度和有效含水率的概念，描述石英砂颗粒之间的粘土基质的物理状态。利用孔隙充填模型和粘土基质物理状态的概念，合理阐释了石英砂掺量对混合型缓冲材料抗剪强度的控制机理。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2问题的提出

1.3研究目标和内容

1.4论文结构安排

第二章文献综述

2.1高放废物地质处置研究现状

2.2高放废物地质处置场选址及场址评价

2.2.1高放废物地质处置场选址

2.2.2高放废物地质处置场评价方法

2.3我国高放废物地质处置场选址工作进展

2.3.1选址工作进展

2.3.2甘肃北山预选区区域地质研究

2.3.3甘肃北山预选区评价研究

2.4高放废物地质处置的工程屏障

2.4.1玻璃固化体

2.4.2外包装材料

2.4.3缓冲回填材料

2.5高放废物缓冲回填材料研究进展

2.5.1缓冲回填材料的组成

2.5.2缓冲回填材料的性状研究

2.6小结

第三章混合型缓冲回填材料工程性能研究

3.1混合型缓冲回填材料

3.2混合型缓冲回填材料化学特性

3.2.1膨润土与地下水相互作用

3.2.2吸附与扩散

3.3混合型缓冲回填材料渗透特性

3.4混合型缓冲回填材料膨胀特性

3.5混合型缓冲回填材料抗剪强度特性

3.5.1混合土概念

3.5.2土的抗剪强度特性

3.5.3土的抗剪强度影响因素

3.5.4混合土抗剪强度特性

3.6小结

第四章混合型缓冲回填材料抗剪强度试验研究

4.1试验设计

4.2试验材料

4.3试样制备

4.4剪切试验步骤

4.5试验结果及分析

4.5.1膨润土-砂混合物的剪应力-剪应变曲线

4.5.2掺砂率对膨润土-砂混合物抗剪强度的影响

4.5.3高庙子膨润土-砂混合物抗剪强度随掺砂率变化的实质

4.6小结

第五章混合型缓冲回填材料配比性能优化研究

5.1混合型缓冲回填材料配比优化设计原则与方法

5.2高庙子膨润土-砂混合缓冲回填材料配比优化研究

5.3小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

在读期间完成的科研成果

致谢