混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置与流程

本发明涉及一种混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置，属于土木工程(岩土)及地质工程技术领域。

背景技术：

高水平放射性废物(简称“高放废物”)是一种放射性强、核素半衰期长、毒性大、发热量大的特殊废物。为了永久、安全地使之与生物圈相隔离，目前国际上比较公认的做法是采用多重屏障体系将其封存在距地表500-1000m的稳定岩层中。作为阻止放射性核素向地下水迁移最重要的工程屏障，缓冲/回填材料应具备维护处置库结构稳定、阻止地下水渗流、阻滞核素迁移以及扩散核辐射热等关键功能。

自上世纪70年代末，瑞典科学家经过对粘土矿物的一系列对比研究，认为膨润土具有高膨胀自愈性、低渗透性和强吸附性，且经过适当的工程设计可实现缓冲/回填材料的工程性能要求。随后，法国、美国、比利时、中国等均选择膨润土作为理想的缓冲/回填材料基材。

实际工程中，处置库建设中还需要使用大量的混凝土及水泥基材料，作为结构物、侧限、回填或工程屏障材料。据统计，在欧洲概念库中，设计混凝土的使用量超过了50万立方米。当围岩地下水向处置库入渗时，混凝土结构将不断衰解并释放大量的k⁺、na⁺、ca²⁺、oh^-等离子，导致孔隙水化学成分变化，形成ph值高达10～13.5的高碱性溶液。这些碱性溶解物扩散到作为缓冲/回填材料的高压实膨润土后，会造成有效矿物成分蒙脱石逐渐溶解，质量随之损失，干密度不断减小，孔隙率不断增大，导致膨润土的膨胀性减小而渗透性增大，并且溶液浓度越高膨胀性下降越明显。由此可见，混凝土衰解后产生的高碱性孔隙水及复杂的化学成分，使蒙脱石不断溶解，对膨润土的高膨胀性、低渗透性和强吸附性均有很大的破坏作用，最终威胁整个处置库系统安全。因此，深入研究混凝土衰解对高压实膨润土长期缓冲性能的影响规律是极其重要的。

针对高压实条件下膨润土与混凝土接触界面特性的研究鲜有报道。

技术实现要素：

技术问题：本发明目的是针对高放废物处置库中混凝土衰解具有长期性这一特点，结合实际工况中地下水的存在，从室内试验分析的角度为缓冲/回填材料提供一种方法简便、操作容易、取样数据多、误差小的高放废物处置库内混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置，用以分析在模拟地下水化学作用下混凝土-高压实膨润土接触界面的作用及膨润土的缓冲性能演化规律及分布特性。本发明所得成果可为处置库工程屏障系统的设计、施工及长期安全性评估提供基础依据，具有重要的工程意义和实践价值。

技术方案：本发明混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法，其步骤如下：

1)首先设定混凝土衰解阶段，按混凝土衰解的早期，后期及晚期三阶段的成分配方配置混凝土不同衰解阶段的混凝土灰浆块体并硬化，而后与压实的膨润土试样充分接触，形成混凝土-高压实膨润土接触界面；

2)使混凝土/膨润土接触界面mock-up装置与水盐转化器及gds压力/体积控制器相连，可以达到控制孔隙水压力及孔隙水体积的目的，用于控制人工配置的处置库模拟地下水溶液压力及流量，并安装有轴向传感器用于孔隙水入渗过程中膨润土轴向膨胀力演变过程的测定；

3)测试采集混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置在运行过程中的孔隙水压力与流量、轴向膨胀力及注液腔室内的孔隙水成分，对采集到的数据进行测试与分析，可得到混凝土-高压实膨润土接触作用过程中，高压实膨润土的渗透性、膨胀力及孔隙水化学成分的长期发展性态参数；

4)混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置运行结束后，取出高压实膨润土土样，对土样从下到上不同位置进行切样处理，用于混凝土-高压实膨润土接触后，膨润土距接触界面不同距离处，膨润土的矿物成分、孔隙结构及含水量的测定与分析，可得到混凝土-高压实膨润土接触作用过程中，高压实膨润土的物性发展及孔隙变化的长期特征。

本发明混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，包括混凝土/膨润土接触界面mock-up装置、注液控制装置及测量装置三部分：

1)所述的混凝土/膨润土接触界面mock-up装置包括底座、溶液腔室、套筒、混凝土样环、膨润土试样环、透水石、密封圈、活塞、下顶盖、上顶盖。为了保持试验过程中密封、保温及抗腐蚀性能，该混凝土/膨润土接触界面mock-up装置采用不锈钢及聚四氟乙烯材料加工而成；其中，底座、溶液腔室、膨润土试样环、活塞、下顶盖、上顶盖采用不锈钢材质，套筒、混凝土样环采用聚四氟乙烯材质。

底座通过螺栓与下顶盖相连，并将套筒固定在底座与下顶盖中间；溶液腔室、混凝土样环、膨润土试样环依次由下往上置于套筒中并紧密连接，透水石、活塞由下向上依次置于膨润土试样环中；活塞的底部设有环形水槽以及两个贯穿的排气孔，两个排气孔分别从活塞的底部贯穿至活塞上部的两侧；为了保证底座与溶液腔室，溶液腔室与混凝土样环，混凝土样环与膨润土试样环，以及膨润土试样环与活塞接触界面的密封性，在相应位置均设有环形密封槽，并通过设置密封圈来保证试验仪器的密封性。

活塞的上方设置有上顶盖，上顶盖与下顶盖之间通过螺栓连接。

2)所述的注液控制装置包括gds压力/体积控制器、导管、水盐转换器、注水底座及溶液腔室。其中，导管采用聚四氟乙烯材质。

溶液腔室的底部开设有溶液腔室进水孔和溶液腔室出水孔，底座的侧壁分别开设有贯通的底座进水孔和底座出水孔，底座进水孔与溶液腔室进水孔连通，底座出水孔与溶液腔室出水孔连通；水盐转换器上设置有转换器出水孔和转换器进水孔，底座进水孔通过导管与转换器出水孔相连，转换器进水孔通过导管与gds压力/体积控制器相连；gds压力/体积控制器可实现恒定注水速率或恒定加压速率的外在实验条件。

3)所述的测量装置包括轴向压力传感器、膨胀力数据采集仪及gds压力/体积控制器。混凝土/膨润土接触界面mock-up装置上顶盖底面中部设置有可旋转的不锈钢圆片，通过可旋转的不锈钢圆片将轴向压力传感器用螺钉固定，轴向压力传感器进一步与膨胀力数据采集仪连接，并通过膨胀力数据采集仪读取轴向压力传感器的数据。gds压力/体积控制器可实时量测入渗液的流量及压力，其数据显示在与其相连的计算机上。

有益效果：

本发明混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验方法及装置，用于测定恒体积条件下膨润土在混凝土接触状态下的长期性态，采用不同衰解阶段的混凝土样块体与高压实膨润土相接触，形成混凝土/膨润土接触界面mock-up装置，能够实现模拟地下水入渗条件下，混凝土衰解作用下的膨润土，高压实膨润土长期性态的试验研究，具有以下有益效果：

1)本发明实现了膨润土在恒定加压速率或恒定注水速率条件下的化-水-力学耦合试验。

2)本发明实现了膨润土与混凝土接触条件下在模拟处置库地下水水化作用过程中渗透系数及膨胀力发展的试验研究。

3)本发明实现了混凝土-高压实膨润土接触界面孔隙水渗入和渗出液化学成分的变化监测。

4)本发明实现了在模拟处置库地下水入渗后膨润土与混凝土接触条件下的膨润土长期物性及孔隙性发展研究。

5)本发明的试验装置价格低廉，操作简单，密封效果好，检测方便，在本领域内具有实用性。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图；

图2为本发明图1中混凝土/膨润土接触界面mock-up装置俯视图；

图3a为本发明图1中a-a剖面图；

图3b为本发明图1中b-b剖面图；

图3c为本发明图1中c-c剖面图。

其中：1底座；2溶液腔室；3套筒；4混凝土样环；5膨润土试样环；6为透水石；7为密封圈；8活塞；9下顶盖；10排气孔；11轴向压力传感器；12上顶盖；13gds压力/体积控制器；14导管；15水盐转换器；16膨胀力数据采集仪。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明予以详细说明。

如图1至图3c所示，本发明提供的混凝土-高压实膨润土组合体系性态模拟试验装置，包括混凝土/膨润土接触界面mock-up装置、注液控制装置和测量装置三部分：

1)所述的混凝土/膨润土接触界面mock-up装置包括底座1、溶液腔室2、套筒3、混凝土样环4、膨润土试样环5、透水石6、密封圈7、活塞8、下顶盖9、上顶盖12。其中，底座1、溶液腔室2、膨润土试样环5、活塞8、下顶盖9、上顶盖12采用不锈钢材质，套筒3、混凝土样环4采用聚四氟乙烯材质。

底座1通过螺栓与下顶盖9相连，并将套筒3固定在底座1与下顶盖9中间；溶液腔室2、混凝土样环4、膨润土试样环5依次由下往上置于套筒3中并紧密连接，透水石6、活塞8由下向上依次置于膨润土试样环5中；活塞8的底部设有环形水槽以及两个贯穿的排气孔10，两个排气孔1分别从活塞8的底部贯穿至活塞8上部的两侧；为了保证底座1与溶液腔室2，溶液腔室2与混凝土样环4，混凝土样环4与膨润土试样环5，以及膨润土试样环5与活塞8接触界面的密封性，在相应位置均设有环形密封槽，并通过设置密封圈7来保证试验仪器的密封性。

活塞8的上方设置有上顶盖12，上顶盖12与下顶盖9之间通过螺栓连接。

2)所述的注液控制装置包括gds压力/体积控制器13、导管14、水盐转换器15、注水底座1及溶液腔室2。其中，导管14采用聚四氟乙烯材质。

溶液腔室2的底部开设有溶液腔室进水孔和溶液腔室出水孔，底座1的侧壁分别开设有贯通的底座进水孔和底座出水孔，底座进水孔与溶液腔室进水孔连通，底座出水孔与溶液腔室出水孔连通；水盐转换器15上设置有转换器出水孔和转换器进水孔，底座进水孔通过导管14与转换器出水孔相连，转换器进水孔通过导管14与gds压力/体积控制器13相连；gds压力/体积控制器13可实现恒定注水速率或恒定加压速率的外在实验条件。

3)所述的测量装置包括轴向压力传感器11、膨胀力数据采集仪16及gds压力/体积控制器13。混凝土/膨润土接触界面mock-up装置上顶盖12底面中部设置有可旋转的不锈钢圆片，通过可旋转的不锈钢圆片将轴向压力传感器11用螺钉固定，轴向压力传感器11进一步与膨胀力数据采集仪16连接，并通过膨胀力数据采集仪16读取轴向压力传感器11的数据。gds压力/体积控制器13可实时量测入渗液的流量及压力，其数据显示在与其相连的计算机上。

本发明的实施过程如下：

1)混凝土块体准备：混凝土样置于内径60mm、高15mm的聚四氟乙烯的混凝土样环4中。为了保证混凝土块体的强度与渗透性，在混凝土块体制备过程中，将混凝土样环4置于滤纸之上，取普通硅酸盐水泥：水：细石英砂按照一定的配比(参照混凝土不同阶段衰解的成分配方)，于混凝土样环4内充分搅拌并硬化28天，确保混凝土块体的洁净与强度。

2)试样准备：根据试样预设干密度和含水率，计算压制成直径为50mm，高度为250mm的试样所需散土质量；将粉末状土倒入不锈钢膨润土试样环(5)中，随后缓慢导入压样杆，并利用控制压力机按照0.1mm/min的位移速率将土样均匀压实，试样压实完成时，静置1小时以保证试样内土体的结构调整均匀，而后以0.5mm/min的位移速率卸载。

3)仪器安装：将混凝土/膨润土接触界面mock-up装置的各部分密封槽内密封圈7安装就位，按照图1所示，将不锈钢溶液腔室2置于底座1上，并使底座进水孔与溶液腔室进水孔连通，底座出水孔与溶液腔室出水孔连通，然后将装有硬化混凝土样的聚四氟乙烯混凝土环4、装有压实膨润土试样的不锈钢膨润土试样环5、透水石6与活塞8依次序组装好，而后将聚四氟乙烯套筒3、下顶盖9与螺栓安装就位；然后将轴向压力传感器11与上顶盖12固定就位，并与膨胀力数据采集仪16相连接；将gds压力/体积控制器13用聚四氟乙烯导管14与水盐转换器15连接，同时将水盐转换器15与底座进水孔相连接；并将gds压力/体积控制器13同计算机联机，根据试验设计设置采集时间间隔和数据保存长度。

4)开始试验：设定gds压力/体积控制器13的恒定压力为1mpa；随着地下水模拟液的不断渗入，经过混凝土样块体，膨润土吸水膨胀，由此导致轴向压力感器11数据随之变化。保持gds压力/体积控制器13的注水压力不变，使试验中混凝土/膨润土试样在模拟处置库地下水作用下充分接触反应，每隔1个月时间，以试剂瓶于底座1出水阀门处取不锈钢液体腔室2内的溶液，留待孔隙水渗出溶液化学成分分析；混凝土/膨润土试样充分接触反应后，注液试验停止，取出膨润土试样，并进行切样处理留待物性及孔隙性参数分析。

上述对实施例的描述是为便于对该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以轻松对这些实施例做出适当调整，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。