一种基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置及方法

本发明属于土木工程，尤其涉及一种基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置及方法。

背景技术：

1、核能快速发展将不可避免地产生大量高放射性废物(简称“高放废物”)，如何将其安全处置已成为制约核能可持续发展的关键。目前，国际上普遍认为深地质处置是最为可行且可靠的处置方案，即：将高放废物置于地表以下约250至1000米的矿洞或隧道中，借助围岩天然屏障、工程屏障、金属罐构成的多重屏障系统，实现高放废物与生物圈的有效隔离。其中，压实膨润土因其高膨胀、低渗透、强核素吸附等优质性能，被视为首选工程屏障材料。

2、处置库实际建造过程中，膨润土粉末往往被预先压制为1/6或1/2扇形砌块，随后将其拼接堆砌于围岩天然屏障和金属罐之间，形成工程屏障。然而，砌块拼接堆砌形成工程屏障的过程将不可避免地会在膨润土砌块与砌块之间形成大量施工接缝/界面。当地下水入渗时，尽管这些施工接缝/界面会由于膨润土的水化膨胀行为而被自发封闭/愈合，但在极长的时间尺度内，初始施工接缝/界面区域仍将作为优势渗流通道和力学薄弱处存在，从而影响工程屏障缓冲功能的有效发挥。倘若能够制备圆环状膨润土砌块，并在实际施工时替代扇形砌块，将有效避免砌块施工接缝对工程屏障缓冲性能的不利影响。遗憾的是，目前针对圆环状膨润土砌块试样的制备方法尚未见报道。此外，与膨润土相关的水力劈裂研究、砌块-金属罐间环向接缝自封闭行为研究等，也都面临着制备圆环状膨润土砌块的需求。基于上述，研发一种可用于制备圆环状膨润土砌块的试验装置具备极强的实际意义。

3、现有的土体压实技术，如强夯振捣、旋压加载、气泵作用等，在应用于膨润土砌块制备时候都存在一定的缺陷，主要体现在：

4、1)膨润土砌块目标干密度较高，呈高压实状，常规压实技术难以达到需求压力；

5、2)压制精度不高，试样尺寸误差较大，且沿压实方向多呈非均质分布。处置库以万年运营为目标，对于施工质量的要求极高。

6、因此确保压实砌块准确性、完整性、均匀性也是一项重要的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，包括压样控制组件、推样控制组件和液压万能试验机，压样控制组件通过液压万能试验机进行试样的压制、通过推样控制组件完成试样的取出；

2、压样控制组件包括底座，底座中部设有通孔；位于通孔上方放置有中心柱；中心柱外周放置有套筒；位于底座上表面，套筒和中心柱之间形成有环状的压样腔室，压样腔室用于放置膨润土粉末；压样环活动的插设于压样腔室内；

3、液压万能试验机架设于压样控制组件上方，用于驱动压样环于压样腔室内向下位移。

4、进一步地，底座上表面同轴设有两层台阶层，位于顶部的第一台阶层的内径大于位于底部的第二台阶层的内径，第二台阶层的内径大于通孔的直径，两层台阶层的中部与通孔连通。

5、进一步地，中心柱的直径与第二台阶层的内径相同，并活动嵌设于第二台阶层内；

6、套筒的外径与第一台阶层的内径相同，套筒一端嵌入第一台阶层内；

7、压样环的环宽与环状的压样腔室的环宽相同，当压制膨润土砌块时，该膨润土砌块的高度与压样环的高度之和大于压样腔室的深度。

8、进一步地，推样控制组件包括柱状的推样柱和环状的推样环，推样柱的直径小于通孔的直径；推样环的环宽小于压样腔室的环宽推样环的外径小于压样腔室的外径，推样环的内径大于压样腔室的内径，推样环的高度大于膨润土砌块的高度。

9、进一步地，通过改变套筒的内径和中心柱的直径，从而制备不同内外径尺寸的圆环状膨润土砌块。

10、进一步地，压样环、套筒、中心柱、底座、推样柱和推样环皆由316l不锈钢制成。

11、进一步地，液压完成试验机为ddl-200型数控万能压力机，包括压力控制运行模式和位移控制运行模式。

12、一种基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块的制备方法，采用基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置完成制备，其特征在于，包括如下步骤：

13、s1：将中心柱嵌入底座的第二台阶层内，将套筒一端嵌入底座的第一台阶内，形成压样腔室；

14、s2：将预先吸力平衡完成的膨润土粉末倒入压样腔室内，并将压样环插入压样腔室；

15、s3：采用液压万能试验机驱动压样环向压样腔室内的膨润土粉末位移，完成圆环状膨润土砌块的压制；

16、s4：通过液压万能试验机和推样控制组件将圆环状膨润土砌块从压样控制组件中取出，完成圆环状膨润土砌块的制备。

17、进一步地，s3中，圆环状膨润土砌块的压制具体为：基于多步式位移控制法，计算目标压制位移，将目标位移均分多份，依次采用液压万能试验机以0.5mm/min的下降速率进行压制；每当达到单份目标位移，都静置1h使膨润土颗粒空间排列充分调整，避免样品回弹及沿压实方向的不均匀分布。

18、进一步地，s4中，从压样控制组件中取出圆环状膨润土砌块具体包括如下步骤：

19、s41：压样结束后倒置压样控制组件，将推样柱插入底座通孔内，借助液压万能试验机以1mm/min的下降速率将中心柱从压制完成的圆环状膨润土砌块中推出，从而减少推样过程对砌块均匀性的扰动；

20、s42：拆卸底座，将推样环置于套筒顶部，借助液压万能试验机以1mm/min的下降速率将压制完成的圆环状膨润土砌块从套筒中推出，得到圆环状膨润土砌块。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

22、1、有效制备圆环状膨润土砌块：本发明提出的试验装置及基于多步式位移控制的制样方法能够满足制备高质量圆环状膨润土砌块的需求，在将样品压制精度控制在1％的同时，确保了砌块的完整性与沿压实方向的均匀性。所压制的圆环状膨润土砌块能够有效替代扇形膨润土砌块，减少拼接过程中形成施工接缝对工程屏障缓冲性能的不利影响。

23、2、灵活调整砌块尺寸：通过改变套筒内径和中心柱直径，能够制备不同尺寸的圆环状膨润土砌块。当内径尺寸较小时，相当于制备中心开孔试样，适用于压实膨润土水力劈裂试验研究或其他需要中心开孔的情况。

24、3、自封闭/愈合试验研究：依据本发明所制备的圆环状膨润土砌块可用于开展膨润土-金属罐间环向接缝的自封闭/愈合试验研究，以评估压实膨润土的密封效果，并为设计和优化环向接缝提供理论依据。

25、4、本发明的技术方案在圆环状膨润土砌块制备及试验研究方面具有重要意义。不仅能够提供一种有效替代扇形砌块的方法，避免了由于施工接缝/界面导致的不利影响，同时也为压实膨润土水力劈裂特性、膨润土-金属罐间环向接缝的自封闭/愈合特性研究提供了实质性支持。这些有益效果将促进高放废物深地质处置领域中工程屏障设计及施工的方案优化。

技术特征：

1.一种基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，包括压样控制组件、推样控制组件和液压万能试验机(1)，所述压样控制组件通过液压万能试验机进行试样(5)的压制、通过推样控制组件完成试样的取出；

2.根据权利要求1所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，所述底座上表面同轴设有两层台阶层，位于顶部的第一台阶层(9)的内径大于位于底部的第二台阶层(10)的内径，所述第二台阶层的内径大于所述通孔的直径，两层所述台阶层的中部与所述通孔连通。

3.根据权利要求2所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，所述中心柱的直径与所述第二台阶层的内径相同，并活动嵌设于所述第二台阶层内；

4.根据权利要求2所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，所述推样控制组件包括柱状的推样柱(7)和环状的推样环(8)，所述推样柱的直径小于所述通孔的直径；所述推样环的环宽小于所述压样腔室的环宽、推样环的外径小于压样腔室的外径，推样环的内径大于压样腔室的内径；所述推样环的高度大于所述膨润土砌块的高度。

5.根据权利要求2所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，通过改变所述套筒的内径和所述中心柱的直径，从而制备不同内外径尺寸的圆环状膨润土切块。

6.据权利要求2所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，所述压样环、套筒、中心柱、底座、推样柱和推样环皆由316l不锈钢制成。

7.据权利要求1所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置，其特征在于，所述液压完成试验机为ddl-200型数控万能压力机，包括压力控制运行模式和位移控制运行模式。

8.一种基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块的制备方法，采用如权利要求1-7任意一项所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置完成制备，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块的制备方法，其特征在于，所述s3中，所述圆环状膨润土砌块的压制具体为：基于多步式位移控制法，计算目标压制位移，将目标位移均分多份，依次采用液压万能试验机以0.5mm/min的下降速率进行压制；每当达到单份目标位移，都静置1h使膨润土颗粒空间排列充分调整，避免样品回弹及沿压实方向的不均匀分布。

10.根据权利要求8所述的基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块的制备方法，其特征在于，所述s4中，从压样控制组件中取出圆环状膨润土砌块具体包括如下步骤：

技术总结
本发明提供一种基于多步式位移控制的圆环状膨润土砌块制备装置及方法，该装置包括液压万能试验机、压样环、套筒、中心柱、底座，推样柱、推样环。利用万能试验机采用多步式位移控制法，将目标位移均分为多份并依次压制。每当达到单份目标位移时，维持恒定压力使膨润土颗粒空间排列充分调整。压样结束后装配推样柱、推样环，借助万能试验机将砌块从套筒、中心柱间匀速推出，减少推样过程对砌块均匀性的扰动。本发明提供了一种有效制备圆环状膨润土砌块的试验装置及方法，在将样品压制精度控制在1％时，确保了砌块的完整性与均匀性。压制的圆环状膨润土砌块能够有效替代扇形膨润土砌块，减少拼接过程中形成施工接缝对工程屏障缓冲性能的不利影响。

技术研发人员：陈永贵,李昆鹏,叶为民,王琼
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27