一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具及砌块制备方法与流程

本发明属于高放废物地质处置缓冲材料大型砌块制备领域，具体涉及一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具及砌块制备方法。

背景技术：

我国的高放废物采用的是深地质处置方式，利用人工屏障(废物罐、缓冲材料、回填材料等)及天然屏障(地下岩体)组成的多重屏障系统阻滞核素迁移。缓冲材料作为废物罐和地质体之间的最后一道人工屏障，起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是地质处置库安全性和稳定性的有效保障。国内外研究表明，以蒙脱石为主要成分的膨润土被认为是高放废物地质处置最适宜的缓冲材料基材。

缓冲材料通常以砌块堆砌的形式包裹在废物罐周围，因此世界各国开展的室内大型模型试验和地下实验室现场原位试验的研究工作，大多采用的是缓冲材料预制砌块。缓冲材料砌块主要采用静力压实的制备方式生产，目前国内压制的膨润土块体都是基于室内规模且手工可操作的中小型样品，其重量最大也不过几公斤而已，尺寸最大也不过十几厘米。考虑到此类压制方案不管是从体量上，还是效率上均不再适用于今后开展1:1的大型室内和地下实验室现场原位试验需求，急需掌握一种米级尺度的缓冲材料大型砌块制备技术和工艺流程。因此建立一种适合机械化、工业化批量生产的缓冲材料大型砌块制备方法具有重要的现实意义和实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具及砌块制备方法，可压制直径为0.4～0.6m，高度为0.2～0.5m，干密度为1.4～1.9g/cm³的工程尺度的缓冲材料大型砌块样品，为开展地下实验室缓冲材料现场原位试验提供原料基础和技术支撑。

本发明采用的技术方案：

一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，包括凸模座、凹模、凸模衬板、底板、卸料架、支撑架、脱模仓，凹模为一个整体圆环形，模具内侧上端口设计成倒角方式且有导向，方便凸模合模，为保障砌块样品在脱模过程的完整性，凹模底部设计成微小的喇叭口形式；凸模座为工字型，其底部连接有凸模衬板，凸模座与凸模衬板构成一个整体凸模；底板位于凹模内的底部，外径尺寸比凹模内径小0.1～0.2mm，且底板顶部设计成与凹模喇叭口对应的锥型斜面结构，方便凹模与其合模；卸料架设计成工字型结构，高度与凹模高度匹配，且凹模可镶嵌在卸料架内，其顶部带有压板，固定后可防止凹模向上移动；卸料架的底部正中央镶嵌有与底板匹配的凹槽，卸料架的左右两侧框架立杆预留支撑架水平移动的圆形孔洞；支撑架设计成工字型结构，且底部带有滚轮，其水平推杆为可拆卸式，支撑架的推杆可在卸料架框架立杆的预留孔洞内水平移动，方便脱模时使用；脱模仓为圆筒形结构，脱模时放置于卸料架的正中央位置，使其处于凹模下方正中央位置，其内径比砌块样品大5～10mm。

所述凹模内径较压制的圆形砌块直径小1～2mm，顶面设置有吊环孔，方便吊装。

所述凸模和凹模合模后，凸模衬板和凹模内壁之间的单边间隙为0.1mm。

所述凸模座上半部的t型外径尺寸要比凹模内径大1cm，防止脱模时凸模座从凹模内腔脱落，损坏砌块样品。

所述凹模的设计高度为砌块样品高度的2倍，再加上1～2cm的导向高度；所述凸模座和凸模衬板的整体高度大于凹模高度5～10cm。

所述脱模仓内置与其匹配的高度可调节的气垫，在脱模时可随着砌块样品的推出而不断下降；所述气垫带有自动溢气阀，在上覆压力作用下会不断溢出内部气体，实现缓慢压缩。

所述所述凸模座、卸料架、支撑架、脱模仓和压板的材质为45#钢，所述凹模、凸模衬板和底板采用4cr13材料。

所述凹模内侧、凸模衬板和底板与砌块样品膨润土接触，淬火硬度为hrc55-60，淬硬层不低于5mm；所述底板和凸模座平面度不大于0.2mm，凹模与底板之间的配合面与凹模内侧壁的垂直度不大于0.2mm。

所述凸模衬板中间略微凸起，凸模座底部设有与之匹配的凹陷，使之方便对齐平整。

一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具的缓冲材料圆形砌块制备方法，具体实施步骤如下：

步骤1、模具组装

首先把所有部件清理干净，将支撑架的可拆卸式水平推杆穿过卸料架的框架立杆的预留圆形孔洞中，完成支撑架和卸料架的嵌套；将卸料架连同支撑架水平放置于可承重地面上；将垫块放置于卸料架底部中央处的凹槽内；将凹模沿着卸料架中空部位缓慢下放直至底部，使其嵌套在垫块的外侧；将压板放置于卸料架和凹模的顶部，压紧凹模防止其向上移动；将凸模座和凸模衬板紧固连接；将凡士林或润滑油均匀涂抹在凹模的内侧和垫块上，防止砌块在高压作用下粘连凹模的内侧和垫块；

步骤2、原料准备

压制之前，按照土工试验方法标准测定原料桶内不同位置处的含水率，取样点应具有代表性且不应少于3处，取各测值的平均值作为膨润土原料的当前含水率；根据预压样品的干密度、尺寸和含水量，计算并称量相应质量的膨润土原料；将原料分层均匀填入模具内，每填入5～10cm，均采用中空圆棒捣实，再用平板刮平表面，最后将模具内壁粘黏的浮土清理干净，以方便合模；

步骤3、压制准备

吊起凸模座，观察凸模座是否水平，如不水平，需要找平后再进行合模；将凸模座的底部对准凹模中心位置，缓慢下落，下落速度设置为0.2～0.5mm/s，在出现原料扬起时，降低下落速度；在凸模座下落卡顿时，调整天车使其微微向上吊起，至自动或手动找平后再缓慢下落直至底部与原料完成接触，完成合模；启动压力机，将压力机上横梁向上移动，保证压力机上横梁和压力机载物台之间空间可完全容纳模具整体高度；将压力机载物台移出压力机下方，利用天车吊起卸料架，将圆形模具整体吊装至压力机载物台的正中央；将压力机载物台移动至压力机下方，使模具、压力机上横梁和压力机载物台的中心点在同一条垂直线上；将压力机载物台向上移动，使之脱离轨道束缚；再将压力机上横梁向下移动，使其与凸模座的顶面距离3～5mm；

步骤4、机械压制

在预压紧阶段，将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向上移动压力机载物台，设定目标值为压力50～100kn；在恒定速率加载阶段，将压力机设置成位移控制模式，以5～10mm/min的速率向上移动压力机载物台，设定目标值为预压样品高度；在持荷阶段，将压力机设置成保持位移值不变，持荷20～30min；在卸荷阶段，将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向下移动压力机载物台，设置目标值为试验力为0；试验力至零后，将压制数据保存到电脑上，将压力机载物台以最快速率下降至最底部，然后移出压力机载物台；

步骤5、样品脱模

制备完成后，移除压板；将凹模吊起，移出垫块，将气垫充气后置于脱模仓内，将脱模仓放置于卸料架的正中央位置，使其处于凹模下方正中央位置；将支撑架推送至凹模下方，使其处于凹模壁厚的中心位置，再调整天车缓慢下放凹模，直至其落在支撑架上方；重新调整压力机上横梁的高度，使其空间可容纳整个模具；将压力机载物台移至压力机下方后，再向上移动，使之脱离轨道束缚；将压力机上横梁向下移动，使其与凸模座顶面距离1-2cm；将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向上移动压力机载物台，设定目标值为砌块样品高度值和垫块高度值之和；在脱模过程中，砌块样品在凹模内缓慢向下移动至脱模仓内，在重力作用下，气垫自动溢气，直至砌块样品完全脱离凹模；脱模完成后，将压力机载物台以最快速率下降至最底部，然后移出压力机载物台；采用天车依次将凸模座和凹模吊出后妥善放置，利用天车将卸料架吊装至开阔区域，将脱模仓吊出，清理砌块顶部浮土后采用真空吸盘将砌块样品放置在水平板上；

步骤6、样品测量及包装

对砌块的顶面和四周部位均拍照记录，采用游标卡尺或直尺分别测量并记录圆形砌块不同直径方向上的4个长度值r1、r2、r3和r4；再采用高度尺或直尺分别测量并记录圆形砌块不同位置处的8个高度值h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7和h8；将保鲜膜和塑料布预先铺设在专用托盘上，放置在相应适宜的天平上，进行清零操作；再采用真空吸盘装置将砌块吸起，放置在专用托盘的中央位置，称量并记录其质量；质量测试完毕后，将托盘连同砌块样品整体搬运至指定位置，再用保鲜膜和塑料布完全密封包裹在砌块四周和顶面，外面再用胶带将其缠绕包严，使之与外界空气隔绝；最后对所有部件进行彻底清理，并涂抹防锈剂，方便后续组装使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，其凹模采用整体式结构方式，适用于机械化操作和工业化批量生产，组装更加简单快捷，可有效提高制备生产效率。

(2)本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，各部件具有强度大、硬度高的特点，无凹模螺栓连接的强度限制，适用于制备更高密度的膨润土大型砌块。

(3)本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，设置了卸料架和支撑架，压制和脱模过程一体化，节省了拆卸时间。

(4)本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，设置了脱模仓和高度可调节的气垫，以防止砌块倾倒和跌落，可有效保护样品推出时的完整性和安全性。

(5)本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，设置了压板装置，可防止模具在高压作用下向上移动，有效保障砌块压制成型效果。

(6)本发明提供的一种基于整体式模具的缓冲材料圆形砌块制备方法，包括模具组装、原料准备、压制准备、机械压制、模具拆卸和样品测量及包装的全流程，内容全面、流程完整，适用于机械化操作和工业化批量生产制备大型高压实膨润土砌块。

(7)本发明提供的一种基于整体式模具的缓冲材料圆形砌块制备方法，其制备出的砌块样品完整、均匀，无破损现象，其平面度和外形轮廓尺寸参数符合地下实验室现场原位试验的需求。

(8)本发明提供的一种基于整体式模具的缓冲材料圆形砌块制备方法，压制过程和脱模过程一体化，节省了模具组装和拆卸时间，有效提高了制备生产效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，样品制备截面示意图；

图2为本发明提供的一种基于整体式模具的缓冲材料圆形砌块制备方法中的压制截面图；

图3为本发明提供的一种缓冲材料大型圆形砌块整体式压制模具，样品脱模截面示意图；

图4为本发明提供的一种基于整体式模具的缓冲材料圆形砌块制备方法中的脱模截面图；

图5为本发明提供的一种基于整体式模具的缓冲材料圆形砌块制备方法压制的圆形砌块尺寸测量示意图。

图中：1-凸模座、2-凸模座吊耳、3-吊环孔、4-螺栓、5-吊环孔、6-螺栓、7-凹模、8-压板、9-卸料架、10-支撑架、11-凸模衬板、12-底板、13-砌块样品、14-脱模仓、15-气垫、16-压力机上横梁、17-压力机载物台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具及砌块制备方法作进一步详细说明。

如图1和图3所示，本发明提供的一种缓冲材料圆形砌块整体式压制模具，包括凸模座1、凹模7、凸模衬板11、底板12、卸料架9、支撑架10、脱模仓14。

该模具组装后可用于制备直径为0.6m且高度可调整的缓冲材料圆形砌块，与扇形砌块可以组合成一个直径1.2m的圆形缓冲结构。

所述凹模7为一个整体圆环形，内径较压制的圆形砌块直径小1～2mm；顶面设置有4个吊环孔5，方便吊装；模具内侧上端口设计成倒角方式且有导向，方便凸模合模；为保障砌块样品13在脱模过程的完整性，凹模7底部设计成微小的喇叭口形式。

为方便合模和脱模，所述凸模座1为工字型，以防止出现卡模现象，其底部通过螺栓6连接有凸模衬板11，顶部安装有凸模座吊耳2，凸模座1、凸模衬板11、凸模座吊耳2构成一个整体凸模。凸模和凹模7合模后，凸模衬板11和凹模7的内壁之间的单边间隙为0.1mm。凸模座1上半部的t型外径尺寸要比凹模7内径大1cm，防止脱模时凸模座1从凹模7内腔脱落，损坏砌块样品13。

所述凹模7的设计高度为砌块样品13高度的2倍，再加上1～2cm的导向高度；所述凸模座1和凸模衬板11的整体设计高度要大于凹模7高度5～10cm。

所述底板12位于凹模7内的底部，外径尺寸比凹模7内径小0.1～0.2mm，且底板12顶部设计成与凹模7喇叭口对应的锥型斜面结构，方便凹模7与其合模。

所述卸料架9设计成工字型结构，高度与凹模7高度匹配，且凹模7可镶嵌在卸料架9内，其顶部带有压板8和螺栓4，固定后可防止凹模7向上移动。卸料架9的底部正中央镶嵌有与底板12匹配的凹槽，卸料架9的左右两侧框架立杆预留支撑架水平移动的圆形孔洞。

所述支撑架10设计成工字型结构，且底部带有滚轮，其水平推杆为可拆卸式，支撑架10的推杆可在卸料架9框架立杆的预留孔洞内水平移动，方便脱模时使用。

所述脱模仓14为圆筒形结构，其内径比砌块样品13大5～10mm，且内置与其匹配的高度可调节的气垫15，在脱模时放置在卸料架9的正中央位置，使其处于凹模7的正下方中央位置，可随着砌块样品13的推出而不断下降。

所述气垫15带有自动溢气阀，在上覆压力作用下会不断溢出内部气体，可实现缓慢压缩。

所述凸模座1、卸料架9、支撑架10、脱模仓14和压板8的材质为45#钢，所述凹模7、凸模衬板11和底板12采用4cr13材料，所述螺栓采用高强度螺栓。

所有与膨润土接触的凹模7内侧、凸模衬板11和底板12淬火硬度为hrc55-60，淬硬层不低于5mm。

所述底板12和凸模座1平面度不大于0.2mm，凹模7与底板12之间的配合面与凹模7内侧壁的垂直度不大于0.2mm。

所述凸模座1采用整体式结构，在四周设置4个吊耳2方便吊装；所述凸模衬板11设计成中间略微凸起型，凸模座1底部设计成与之匹配的凹陷型，使之方便对齐平整，凸模衬板11加工有8个与螺栓6匹配的螺栓孔；所述凸模衬板11位于凸模座1底部，为防止砌块有压痕，采用8个螺栓6从上面反把。

所述卸料架9的顶面加工有4个螺栓孔，采用螺栓4和压板8将凹模7固定，防止凹模7向上移动，同时还加工有吊环孔3以方便整体吊装。

本发明提供的一种基于整体式模具的缓冲材料圆形砌块制备方法，主要包括模具组装、原料准备、压制准备、机械压制、样品脱模、样品测量及包装的全流程，具体实施步骤如下：

1、模具组装

(1)首先把所有部件清理干净，将支撑架10的可拆卸式水平推杆穿过在卸料架9的框架立杆的预留圆形孔洞中，完成支撑架10和卸料架9的嵌套；将吊环与卸料架9顶部连接后，天车车钩置于卸料架9的中心位置处，采用天车将卸料架9连同支撑架10水平放置于可承重地面上；

(2)将垫块12放置于卸料架9底部中央处的凹槽内；

(3)将吊环与凹模7连接，天车车钩置于凹模7的中心位置处，采用天车将凹模7沿着卸料架9中空部位缓慢下放直至底部，使其嵌套在垫块12的外侧；

(4)将四个压板8放置于卸料架9和凹模7的顶部，再利用螺栓4将其紧固，压紧凹模7防止其向上移动；

(5)将凸模座1和凸模衬板11通过螺栓6紧固连接；

(6)将凡士林或润滑油均匀涂抹在凹模7的内侧和垫块12上，防止砌块在高压作用下粘连凹模7的内侧和垫块12，至此模具组装步骤基本完成。

2、原料准备

(1)压制之前，按照土工试验方法标准测定原料桶内不同位置处的含水率，取样点应具有代表性且不应少于3处，取各测值的平均值作为膨润土原料的当前含水率；

(2)根据预压样品的干密度、尺寸和含水量，计算并称量相应质量的膨润土原料；

(3)将原料分层均匀填入模具内，每填入5～10cm，均采用中空圆棒捣实，再用平板刮平表面，最后将模具内壁粘黏的浮土清理干净，以方便合模。

3、压制准备

(1)采用天车吊起凸模座吊耳2，观察凸模座1是否水平，如不水平，需要找平后再进行合模；

(2)将凸模座1的底部对准凹模7中心位置，缓慢下落，下落速度设置为0.2～0.5mm/s，在出现原料扬起时，降低下落速度；在凸模座1下落卡顿时，调整天车使其微微向上吊起，至自动或手动找平后再缓慢下落直至底部与原料完成接触，完成合模；

(3)启动压力机，将压力机上横梁16向上移动，保证压力机上横梁16和压力机载物台17之间空间可完全容纳模具整体高度；

(4)将压力机载物台17移出压力机下方，利用天车吊起卸料架9，将圆形模具整体吊装至压力机载物台17的正中央；

(5)将压力机载物台17移动至压力机下方，使模具、压力机上横梁16和压力机载物台17的中心点在同一条垂直线上；

(6)将压力机载物台17向上移动，使之脱离轨道束缚；再将压力机上横梁16向下移动，使其与凸模座1的顶面距离3～5mm。

4、机械压制

(1)在预压紧阶段，将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向上移动压力机载物台17，设定目标值为压力50～100kn；此步的主要目的是将凸模座1顶面与压力机上横梁16对齐找平，保证砌块样品顶面平整度；

(2)在恒定速率加载阶段，将压力机设置成位移控制模式，以5～10mm/min的速率向上移动压力机载物台17，设定目标值为预压样品高度；

(3)在持荷阶段，将压力机设置成保持位移值不变，持荷20～30min；

(4)在卸荷阶段，将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向下移动压力机载物台17，设置目标值为试验力为0；

(5)试验力至零后，将压制数据保存到电脑上，将压力机载物台17以最快速率下降至最底部，然后移出压力机载物台17。

5、样品脱模

(1)制备完成后，松动螺栓4，移除压板8；

(2)采用天车将凹模7吊起，移出垫块12，将气垫15充气后置于脱模仓14内，放置于卸料架9的正中央位置，使其处于凹模7下方的正中央位置；

(3)将支撑架10推送至凹模7下方，使其处于凹模7壁厚的中心位置，再调整天车缓慢下放凹模7，直至其落在支撑架10上方；

(3)重新调整压力机上横梁16的高度，使其空间可容纳整个模具；

(4)将压力机载物台17移送至压力机下方后，再向上移动，使之脱离轨道束缚；之后将压力机上横梁16向下移动，使其与凸模座1顶面距离1-2cm；

(5)将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向上移动压力机载物台17，设定目标值为砌块样品13高度值和垫块12高度值之和；

(6)在脱模过程中，砌块样品13在凹模7内缓慢向下移动至脱模仓14内，在重力作用下，气垫15自动溢气，直至砌块样品13完全脱离凹模7；

(7)脱模完成后，将压力机载物台17以最快速率下降至最底部，然后移出压力机载物台17；

(8)采用天车依次将凸模座1和凹模7吊出后妥善放置，利用天车将卸料架9吊装至开阔区域，将脱模仓14吊出，清理砌块顶部浮土后采用真空吸盘将砌块样品13放置在水平板上。

6、样品测量及包装

(1)对砌块的顶面和四周部位均拍照记录，采用游标卡尺或直尺分别测量并记录圆形砌块不同直径方向上的4个长度值r1(ae)、r2(bf)、r3(cg)和r4(dh)；再采用高度尺或直尺分别测量并记录圆形砌块不同位置处的8个高度值h1(a)、h2(b)、h3(c)、h4(d)、h5(e)、h6(f)、h7(g)和h8(h)；

(2)将保鲜膜和塑料布预先铺设在专用托盘上，放置在相应适宜的天平上，进行清零操作；再采用真空吸盘装置将砌块吸起，放置在专用托盘的中央位置，称量并记录其质量；

(3)质量测试完毕后，将托盘连同砌块样品整体搬运至指定位置，再用保鲜膜和塑料布完全密封包裹在砌块四周和顶面，外面再用胶带将其缠绕包严，使之与外界空气隔绝；

(4)最后对所有部件进行彻底清理，并涂抹防锈剂，方便后续组装使用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。