本文是一篇建筑工程管理论文，论文围绕着热化学效应对膨润土膨胀特性的影响采用试验研究与理论分析相结合的方法，从微观-宏观角度，揭示了NaC l溶液浓度、温度变化对膨润土膨胀特性的影响机理，分析了热化学作用对膨润土膨胀特性及其膨胀机理的影响。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
核工业的发展，高放核废料持续增长，如何合理高效的处置这些污染物是现代环境保护的热点研究话题。防止废物对人和生物圈造成二次污染是现代科学技术面临的主要挑战。高放射性废物半衰期长，放射性水平高，一旦释放到生物圈中会对地球上动植物造成不可估量的危害，因此需要对高放废物的迁移进行安全评价与技术研究[1]。根据我国发展规划，核电站的建设以及核技术的使用将在未来社会的生产使用过程中发挥巨大作用，因此产生的高放废物预计将逐年累加[2]。高放射性废物的处置需要密闭性强、隔离性强的缓冲回填材料进行深层掩埋才能达到与生物圈隔离的效果[3]。
膨润土工程特性研究是目前国际社会岩土工程领域的热点问题，尤其是在核废料深部地质封存工程中，膨润土以其低渗透、高膨胀、高吸附等特性而被选作缓冲材料的基材[3,4]。除此之外，膨润土具有易开采和加工、造价低、分布广泛等优势，因此成为世界各国首选的缓冲回填材料。目前我国高放废物处置库的重点选区已初步确定在甘肃北山[5]，我国处置库缓冲回填基础材料确定为内蒙古高庙子膨润土矿床[6]。
深层地质处置库中，近场条件复杂，（高）温、地壳应力、化学、扩散核辐射热和地下渗透作用，地下水、废物罐、缓冲回填材料、处置库围岩相互作用[3]。膨润土作为缓冲回填材料的重要组成部分，从围岩中吸水，在这一过程中吸湿或受热会导致膨润土发生体积膨胀，这种膨胀特性对工程结构的稳定性产生重要影响，甚至导致缓冲隔离层失效。母岩中水的渗入，膨润土逐渐水合产生膨胀力，几乎恒定的体积条件下，足够大的膨胀力能够帮助粘土提高密封效率[7]。因此研究膨胀力的发展是作为工程屏障设计中重要的一环。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 膨润土膨胀力测试方法
膨胀力可以用不同的方法测量，但不同的试验方法产生不同的膨胀力值。需要强调的是，理想的做法是将膨胀力看作是在有限体积条件下湿润膨润土时测量的压力[10]。恒体积法、恒载法和膨胀对比试验（PS试验）被提出用来测量膨胀力[11]。
恒体积法测膨胀力是基于应变控制技术[12]，包括零膨胀试验和直接法。这两种方法的主要区别在于，后者直接使用压力传感器来测量膨胀力，如图1 - 1中所示的S型称重传感器。2000年左右国际上普遍采用零膨胀法测量膨胀力，通过施加垂直应力来防止试样膨胀[13]。在试验过程中，保证最佳的膨胀读数和恒定的体积条件是比较困难的，而且土压力对试验期间的负载增量非常敏感，特别是在零膨胀试验[11]中。此外，在试样恢复到初始体积时，由于试样与固结仪环之间的摩擦，膨胀力将被高估。尽管如此，用零膨胀法测量的值仅为膨胀再加载试验测量的值的三分之一，其原因是膨胀再加载试验中的土壤颗粒得到了充分的水化，特别是在低负荷条件下，而恒体积法中的土壤颗粒膨胀受到限制，水化作用不够充分[14]。直接法的误差很大来自于装置包括传感器的刚度，相应的膨胀力误差可达到最大1-2MPa[15]。
恒载法包括膨胀固结试验和双固结试验。膨胀固结法为自由膨胀24 小时后压缩24小时，直到其回到初始状态的孔隙率或高度，这是恒载法的典型方法[11]。膨胀力与自由膨胀法的取值相同，为使样品恢复到初始高度的压力。膨胀固结法与膨胀再加载法的区别在于，后者逐步对试样进行压缩，每一步之间间隔24 h，保证了试样的充分膨胀但也增加了摩擦等相关误差。
第2章 热化学效应对膨润土膨胀力的影响
2.2 试验仪器
试验分为三大系统：数据采集系统、恒温系统、恒体积膨胀力试验系统。根据试验要求自行搭配设计完成，如图2 - 1、图2 - 2。
数据采集系统由传感器①、数采仪②及配套数据记录软件和电脑③构成。传感器采用苏州力测科技有限公司生产的微型柱式压力传感器，型号LZC-101，三只量程0-500 KG，两只量程0-100 KG精度均为0.05 %，使用温度范围-20-80 ℃。数据采集仪通过DAQ970A数据采集系统采集数据，Keysight BenchVue软件收集信号值。数据采集为电压信号，试验分析过程将其转化为力值。
2.3 传感器的校准
土体试样所受到的膨胀力通过高精度压力传感器测量，其连接数据采集仪采集数据，得到电压值，将电压值转换为力值，单位为N。使用砝码对传感器进行小量程范围的校准，以便之后对采集数据的处理。
为保证试验准确性，每次试验前均使用电热箱干燥法测量出实验室环境中试验土的实际含水量。严格依据土工试验规程，根据目标干密度1.2 g/cm³、初始含水率，以及环刀体积，计算出制样所需土的标准用量。制备成直径39.1mm，厚度10 mm，干密度1.2 g/cm3的环刀样品。环刀上做好样品编号标记并提前称重记录。称取略大于计算所需质量的土样大约0.2-0.3 g，将称量好的样品放入带环刀的压样器中，随之将压样器放入压片机，压样5分钟后取出。将压好的样品进行修土处理，保证土样体积与环刀体积一致，称重并计算干密度，若干密度与目标干密度偏差较大则重新制样。10-0表示10 ℃对应NaC l溶液浓度为0 M，以此类推，70-2表示70 ℃且对应NaC l溶液浓度为2 M。
将恒温冷浴槽提前设置好试验所需温度，并将装有所配置好的NaCl溶液的耐高温玻璃瓶提前放入冷浴槽，进行温控进而达到试验目标温度。恒体积膨胀力试验仪器整体布局如图2 - 1。提前准备好清洗干净并干燥完成的透水石、滤纸。将制作好的样品放入固结盒中，将数据采集仪设置好参数并开始采数，确保导管连接并固定好固结盒位置，然后将上部螺杆拧紧，保证传感器与土样紧密连接后，通入一定温度和浓度的溶液，膨润土吸水膨胀产生向上的力，此时传感器将采集到的数据传到电脑端，实时监测膨胀力所产生的电压变化。经多次测试，试验周期合理调整为132小时，当试验呈现不明显下降或者持续稳定阶段则视为试验结束，具体标准为24小时内膨胀力变化小于1 kPa。试验结束时将最终数据导出，其次将标记好的土样用吸水纸除去浮水并称重，计算其饱和度，判断土样饱和情况，此过程用时较短忽略土样因暴露在空气中而产生的水分损失。称量好后，将土样用保鲜膜包裹起来，随即准备进行X射线衍射试验。
第3章 热化学效应对膨润土膨胀变形的影响 ..................... 36
3.1 引言 .................................. 36
3.2 试验材料与方法 ............................. 36
第4章 热化学效应对膨润土晶层间距的影响 ...................... 41
4.1引言 ................................ 41
4.2试验原理 ............................... 42
第5章 热化学效应对膨润土水分分布状态的影响 ................... 51
5.1 引言 ........................................ 51
5.2 试验原理 .................................. 51
第5章 热化学效应对膨润土水分分布状态的影响
5.3 试验材料与方法
试验材料与上述试验物理化学性质详见表2 - 2。含水率12.63 %的Na基膨润土，NaCl纯度99.8%，浓度分别为0、0.1、0.2、0.5、2 mol/L的NaC l溶液。核磁环刀尺寸为45 mm×20 mm。试验之前先将试样放入真空饱和缸中抽真空4小时，之后加入不同浓度的溶液继续抽真空1小时，全过程采用恒体积法，放入指定温度和浓度的溶液环境中浸泡5天，使试样充分饱和，最终通过称重法验证样品达到饱和状态。核磁共振仪器是中国科学院武汉岩土力学研究所联合苏州纽迈公司研制的，型号为 PQ-001。仪器主要组成部分包括试样管、射频系统、永磁体、和数据采集分析系统。永磁体磁场强度是0.52 T，且温度一直维持在32 ℃，精度±0.01 ℃，保证了主磁场的均匀性与稳定性。试样管有效测试区域为60 mm×60 mm。试样饱和后用保鲜膜严格密封包装，然后装入聚四氟乙烯盒中再放入核磁共振仪，使其与环境隔离。由软件控制核磁共振信号强度的测量，采用CPMG序列获取2T时间分布曲线。
第6章 结论与展望
6.1 结论
论文围绕着热化学效应对膨润土膨胀特性的影响采用试验研究与理论分析相结合的方法，从微观-宏观角度，揭示了NaC l溶液浓度、温度变化对膨润土膨胀特性的影响机理，分析了热化学作用对膨润土膨胀特性及其膨胀机理的影响，具体结论如下：
（1）膨润土膨胀力试验中NaCl溶液浓度的增大使得膨胀力降低。浓度在小范围内的升高（达到0.5 M）足以迅速使膨胀特性受到破坏。高浓度样品膨胀力达到膨胀力峰值较快且直接下降速度也相对较快，低浓度环境膨润土出现二次膨胀的现象。当NaC l浓度不超过0.5 M时，10 ℃ - 50 ℃对膨胀力起抑制作用，50 ℃ -70 ℃起促进作用，当孔隙溶液浓度较高时，随着温度升高会直接降低膨润土的膨胀力。当少量盐溶液渗入土体时，膨润土的膨胀性能可以通过加热到70 ℃左右来维持。
（2）膨润土膨胀变形试验中自由膨胀率随着浸泡盐溶液浓度的升高而降低。自由膨胀率总体呈现出随着温度的升高而增大，是由于孔隙结构的分散，高温状态下布朗膨胀效应更剧烈，且当温度达到50 ℃以上时，自由膨胀率逐渐趋于一致。不同
