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膨润土颗粒材料的工程性能研究

马国梁  
【摘要】:膨润土颗粒材料是一种优良的缓冲回填材料,它由高密度的膨润土颗粒与膨润土粉末组成。膨润土颗粒材料可以填充砌块与围岩之间的接缝,也可以回填运输通道等。它具有易于压实、较好的膨胀性能、防渗性能以及可以填充不规则孔隙等优点。由于硐室空间的限制,膨润土颗粒材料较难压实,部分膨润土颗粒材料将会以堆积状态存在于硐室中。作为工程屏障的组成部分,堆积膨润土颗粒材料的工程性能将会对高放废物处置库的工程屏障造成一定影响。为了评价处置库的整体性能,有必要对堆积状态下的膨润土颗粒材料的工程性能进行研究。为探讨级配对堆积膨润土颗粒材料的膨胀性能、渗透性能和压缩变形性能的影响,本文选取了四种膨润土颗粒材料,并以膨润土粉末材料作为对比,开展了自由膨胀率试验、膨胀率试验、渗透试验以及压缩试验。五种材料的分别为K5F材料(0%颗粒率,5-2 mm粒组的颗粒与粉末组成)、K2F材料(70%颗粒率,2-1 mm粒组的颗粒与粉末组成)、KAF材料(粒径小于5 mm的颗粒,按富勒级配组成)、K材料(5-0.5mm粒径范围内的颗粒组成)以及F材料(膨润土粉末)。试验结果表明:在天然含水状态下,四种膨润土颗粒材料的堆积干密度比膨润土粉末的堆积干密度大。其中K5F材料和KAF材料的堆积密度较大且相近。膨润土颗粒材料的自由膨胀率与堆积密度呈正比,但是相同质量的膨润土颗粒材料膨胀后的体积与颗粒率呈负相关关系。级配主要通过堆积密度来影响膨润土颗粒材料的无荷载最终膨胀率。膨润土颗粒材料的堆积密度越大,最终膨胀率越大。但是,膨润土颗粒材料的初始结构对最终膨胀率也具有一定影响,K5F的堆积密度比膨润土粉末压实样的干密度小0.003 g/cm~3时,K5F的最终膨胀率比膨润土粉末压实样的最终膨胀率大2.9%。四种堆积膨润土颗粒材料饱和后的渗透系数在10~-99 cm/s的数量级。干密度不再是控制膨润土颗粒材料渗透性能的主要影响因素。当含水量小于13%时,在相同压力作用下,膨润土颗粒材料压缩后的干密度比膨润土粉末压缩后的干密度大,并且堆积膨润土颗粒材料的压缩系数比膨润土粉末材料堆积后的压缩系数小,抗压性能高。其中K5F材料和KAF材料的堆积密度较大,并且压缩后具有较大的干密度。当含水量大于13%时,在低压力作用下,膨润土颗粒材料压缩后的干密度甚至比膨润土粉末压缩后的干密度低;在高压力作用下,膨润土颗粒材料压缩后的干密度与膨润土粉末压缩后的干密度差异较小,曲线表现出收敛的趋势。


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