精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样的方法

摘要

本发明提供一种精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样的方法，包括以下步骤：制备雪花冰晶；根据所需要配制的含水率，取相应的雪花冰晶与膨润土混合均匀；配制出不同含冰率的含冰膨润土；根据试验所需干密度，取适量含冰膨润土；或者将含冰膨润土置于高于5℃的室温中让其融化，得到含水膨润土，再根据试验所需干密度，取适量含水膨润土；通过压力设备压实成所需形状的试样，通过以上步骤实现精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样。通过利用人造雪花冰晶代替蒸馏水配制预定含水率和干密度的压实试样，能得到均匀湿化膨润土。并且能够根据试验要求配置不同含水量和干密度的膨润土压实试样，满足更多湿化路径条件下的力学性能测试。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程土工试验技术领域，具体是一种精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样的方法。

背景技术

深层地质处置核废料是目前国际上比较公认的可行方法。其中，缓冲层是最后一道人工屏障。作为缓冲层的回填材料应具有足够的力学强度和良好的延展性，发挥其支撑高放废物容器、均化围岩压力、封闭围岩裂隙、防止高放废物固化体和废物容器的机械破坏等作用。

膨润土是一种富含蒙脱石的黏土，具有较强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积水量，体积膨胀可达数倍至30倍，因此膨润土作为缓冲层回填的首选材料。当然，必须经过压实到一定密实程度后才能作为缓冲材料使用，否则起不到屏障的功效。

为研究膨润土的物理力学性能，需要制备不同初始含水量和干密度的压实试样。直接把水混入膨润土存在两个方面问题：

1、低含水量状态下，水与膨润土难以混合均匀，膨润土颗粒极细，水混合后极易被局部吸收，形成“疙瘩”状；

2、高含水量状态下，膨润土中蒙脱石矿物充分吸收水分，晶格间距胀开，膨润土体积发生大幅膨胀。以上两种情况致使难以制作出理想的试验试样。现有技术中尚无较好的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样的方法，能够得到均匀湿化膨润土，能够根据试验要求配置不同含水量和干密度的膨润土压实试样，能够满足更多湿化路径条件下的力学性能测试。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样的方法，包括以下步骤：

一、制备雪花冰晶；

二、根据所需要配制的含水率，取相应的雪花冰晶与膨润土混合均匀；

三、配制出不同含冰率的含冰膨润土；

四、根据试验所需干密度，取适量含冰膨润土；

或者将含冰膨润土置于高于5℃的室温中让其融化，得到含水膨润土，再根据试验所需干密度，取适量含水膨润土；

五、通过压力设备压实成所需形状的试样，通过以上步骤实现精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样。

优选的方案中，步骤一中，雪花冰晶粒径大小0.01mm~0.1mm。

优选的方案中，在步入式恒温恒湿室中，用造雪机制备雪花冰晶，造雪机先将蒸馏水制成雪花冰粒，后利用内置的碎冰机将雪花冰粒粉碎成雪花冰晶，制造出雪花冰晶要求粒径均匀，粒径大小控制在0.01mm~0.1mm。

优选的方案中，步入式恒温恒湿室的温度为0-5℃，湿度为95%。

优选的方案中，步入式恒温恒湿室的保温层厚度为100mm以上。

优选的方案中，步骤二中，采用搅拌机混合雪花冰晶与膨润土。

优选的方案中，搅拌棒采用螺纹式或钢笼式搅拌棒。

优选的方案中，搅拌时间不超过10分钟。

优选的方案中，所述的压力设备为万能试验压力机，最大负荷为10T。

优选的方案中，制备前，膨润土进行干燥脱湿处理。

本发明提供一种精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样的方法，通过利用人造雪花冰晶代替蒸馏水配制预定含水率和干密度的压实试样，在搅拌机的作用下，能实现膨润土颗粒与雪花颗粒的均匀混合，且雪花颗粒小、比表面积较大，融化后能得到均匀湿化膨润土。并且能够根据试验要求配置不同含水量和干密度的膨润土压实试样，能够满足更多湿化路径条件下的力学性能测试。另外，通过控制温度实现湿化时间，能满足更多湿化路径条件下的力学性能测试。本发明的方法满足试验室较大干密度、一定含水率膨润土的制样需求；通过控制人造雪花冰晶的粒径、恒温恒湿室温度，实现膨润土膨胀时间节点、膨胀速率的可控性；有效避免膨润土遇水易成团的特性，使膨润土的膨胀潜势发挥到极致；材料环保，便于操作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图1为本发明的干法制样流程。

图2为本发明的湿法制样流程。

图3为本发明中膨润土-雪花干法和膨润土-水混合法的击实曲线对比图。

图4为本发明中膨润土-雪华干法和膨润土-水混合法膨胀力对比图。

图5为本发明中2m水头高度下膨润土-雪花干法和膨润土-水混合法渗透系数对比图。

具体实施方式

如图1~2中，一种精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样的方法，包括以下步骤：

一、制备雪花冰晶；

二、根据所需要配制的含水率，取相应的雪花冰晶与膨润土混合均匀；

三、配制出不同含冰率的含冰膨润土；

四、根据试验所需干密度，取适量含冰膨润土；

或者将含冰膨润土置于高于5℃的室温中让其融化，得到含水膨润土，再根据试验所需干密度，取适量含水膨润土；

五、通过压力设备压实成所需形状的试样，通过以上步骤实现精确配置预定含水量和干密度的膨润土压实试样。

实施例1

干法制样：

1、如图1中，取适量膨润土在托盘中以1cm厚度摊开，放置在105℃烘箱内干燥8h，干燥完成后在室温中冷却20分钟，取m₁克放置于搅拌桶内；烘干为优选的步骤，可省略。

2、开启步入式恒温恒湿室开关，设置温度为0℃，湿度为95%；

优选的，向造雪机的储水设备中添加适量蒸馏水，开启造雪机开关，设置雪花冰晶的颗粒为0.03mm，先待造雪机预热5分钟，以清除机器内上次操作中残留的不同规格的雪花冰晶，制造出的雪花冰晶颗粒用保温箱储存并迅速移至恒温恒湿室中；根据所需配置的含水率，取m₂克雪花颗粒放置于搅拌桶中。也可以采用其他方式制备雪花冰晶，例如以喷雾冷却法，配合成核装置，制备雪花冰晶。或者喷雾后在设备表面形成冰片，再以破碎装置将冰片破碎成所需粒径尺寸的雪花冰晶。本例中的造雪机能够成产0.01～0.1mm的雪花冰晶。

3、试验人员穿棉袄进入恒温恒湿室中，使用搅拌棒对干燥膨润土和雪花冰晶进行初步搅拌，然后开启搅拌机开关，按下“慢速”按钮，采用钢笼式搅拌棒对混合物进行搅拌。搅拌过程中要戴口罩，以防极细膨润土颗粒物溅出进入呼吸道，搅拌时间为10分钟，切忌长时间搅拌，防止搅拌机发热使雪花冰晶融化。

本例中的搅拌机为小型机械控制式搅拌机，容量为5L，额定功率为1KW，根据不同需要含有两种规格的搅拌棒，即螺纹式和钢笼式。设有3档调节速度，且发热量小，可充分拌匀膨润土和雪花颗粒。

恒温恒湿室的尺寸为1m×2m×2.5m，保温厚度为100mm，其温度范围为-20℃-85℃，湿度范围为30%-98%。试验箱体与控制器、制冷机组分体安装，箱体为库板拼块式，现场安装，水冷冷却塔安装于室外。

4、根据试验所需干密度，取适量膨润土-雪花冰晶混合物称重装入环刀模具中，人工进行初步压实，环刀直径为6.28cm，高度为2cm。

5、将环刀模具放置于10T压力机中，加载速度为30mm/min。匀速缓慢加压使混合物料压实成型，压实成型后的膨润土试样用保鲜膜包裹好放在0℃冰箱中备用。

本例中的压力机为万能试验压力机，拥有强大的数控显示系统，其功率为1.5KW，最大负荷为10T，试验速度可在0.001～1000mm/min范围内任意调节。

参见图3~5，通过对比膨润土-雪干法和膨润土-水混合法的击实曲线、膨胀力曲线以及渗透曲线，膨润土-雪干法在压实中的具有优越性。

干法制样用于模拟初始状态是干燥状态的膨润土。

实施例2：

湿法制样：

1、在实施例1的设备基础上，如图2中，取适量膨润土在托盘中以1cm厚度摊开，放置在105℃烘箱内干燥8h，干燥完成后在室温中冷却20分钟，取n₁克放置于搅拌桶内；烘干为优选的步骤，可省略。

开启步入式恒温恒湿室开关，设置温度为0℃，湿度为95%；

2、向造雪机的储水设备中添加适量蒸馏水，开启造雪机开关，优选的，设置雪花颗粒为0.03mm，先待造雪机预热5分钟，以清除机器内上次操作中残留的不同规格的雪花冰晶，制造出的雪花冰晶用保温箱储存并迅速移置恒温恒湿室中；根据所需要配制的含水率，称量n₂克的雪花冰晶放置于搅拌桶中。

3、试验人员穿棉袄进入恒温恒湿室中，使用搅拌棒对干燥膨润土和人造雪花进行初步搅拌，然后开启搅拌机开关，按下“慢速”按钮，采用钢笼式搅拌棒对混合物进行搅拌，搅拌过程中要戴口罩，以防极细膨润土颗粒物溅出进入呼吸道，搅拌时间为10分钟，切忌长时间搅拌，防止搅拌机发热使雪花冰晶颗粒融化。以上的具体制备方法与实施例1中相同。

4、将搅拌后的膨润土-雪花冰晶混合物放置室温中使其充分融化，得到一定初始含水率的膨润土；

根据试验所需干密度，取适量一定初始含水率的膨润土装入环刀模具中，人工进行初步压实，环刀直径为6.28cm，高度为2cm；

将环刀模具放置于10T压力机中，加载速度为30mm/min。匀速缓慢加压使混合物料压实成型，压实成型后的膨润土试样用保鲜膜包裹好放在25℃恒温恒湿箱中备用。

实施例1中的干法制样时，混合土样在压力机压实前，雪花冰晶呈并未融化的冰晶状，即制样过程均在0℃的环境下进行；而湿法制样时，混合土样在压力机压实前，雪花冰晶已在室温中融化成水，即制样前半程在0℃的恒温恒湿室中进行，后半程在室温环境中进行，湿法制样用于模拟初始有一定的湿度的膨润土。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。