文摘

研究膨润土的膨胀特性由碱性侵蚀的解决方案,肿胀变形(δ_年代对膨润土进行浸)测试条件的氢氧化钠和KOH解决方案进行。它是发现δ_年代膨润土随的增加碱性溶液的浓度。肿胀变形δ_年代膨润土侵蚀的氢氧化钠溶液超过比相同级别的KOH溶液的浓度。此外,通过XRD测试,表明在碱性膨润土的膨胀性能解决方案主要是归因于肿胀矿物的溶解,即。蒙脱石(Mt)。碱溶液的浓度越高,解散。越强,从而导致更大的衰减肿胀属性。此外,K⁺展品低水化能量,往往适合蒙脱石的硅氧四面体腔,形成更强的K-linkage导致密集晶体层。的e- - - - - -p_e可以使用计算分形关系δ_年代膨润土在碱性溶液侵蚀。的e- - - - - -p_e实验数据的拟合关系描述了铜山矿物的溶解在碱性溶液降低膨胀系数κ然而,它增加了表面分形维数(D_年代)。

1。介绍

地质环境工程是一个重要的概念与人类生活环境和可持续发展。相关研究方面包括污染物迁移、治疗措施,工业废料的重用和综合利用。近年来,许多研究人员都集中在土壤中矿物颗粒的成分和规模和孔隙水,离子浓度和孔隙水的化学成分、微观结构特征、应力历史、和热膨胀性能,尤其是他们的耦合过程1- - - - - -8]。高放射性核废料的处置(HLRW)与可持续发展、能源和核行业,和有关安全的子孙后代的生活环境,吸引了世界各地的广泛关注。到目前为止,深地质处置是最可行的方法处置HLRW。处理存储库是一个复杂的multibarrier系统,包括在密封罐,HLRW缓冲/回填材料,和主机的岩石。因其杰出的缓冲和回填质量(膨润度高、低渗透、和良好的吸附性能,等等),膨润土是人工屏障材料深层地质库(9,10]。在存储库的操作阶段,岩石周围的混凝土衬砌恶化由于地下水的渗透,从而开始释放Na +和K+形成强碱性孔隙水解决方案(pH值13 - 13.5)。此外,Ca2 +和Na +随后在后期形成,这些展品的pH值12 - 12.5,造成不可逆的改变膨润土的性质,进一步威胁到安全使用的存储库(11,12]。因此,研究膨润土的膨胀性能是重要的碱性溶液作用下有效地设计、构建和维护存储库。

蒙脱石(Mt)是主要的肿胀在膨润土矿物主要控制缓冲及回填膨润土的特性。野蛮et al。13)发现,由于水泥退化形成的孔隙溶液往往降低膨润土的膨胀性能。陈等人。14]分析了氢氧化钠溶液和不同浓度的影响在中国GaoMiaoZi (GMZ)膨润土。结果表明,由于解散铜山在碱性溶液中,机翼胶体形成描绘各种各样的裂缝。随着氢氧化钠浓度、铜山含量减少而分裂的程度增加,从而导致减少肿胀属性。费尔南德斯et al。15)发现,当高度碱性溶液渗透到bentonite-based缓冲回填材料,该解决方案将溶解的矿物质中膨润土,最终削弱肿胀变形(δ_年代)以及自动封口的回填材料的属性。此外,香等。16]研究了膨润土在碱性的各种变化的解决方案,他们透露,铜山含量逐渐下降,而比表面积和吸附能力也降低了。扫描电子显微镜(SEM)显微图说明表面分形维数(Ds)增加。桑切斯et al。17]研究了膨润土矿物组成的变化在不同的温度范围和不同浓度水平的碱性溶液与x射线衍射(XRD)的帮助。结果表明,随着浓度和温度的增加,铜山内容,而不是nonswelling矿物质,逐渐减少。在另一项研究中,Kamland et al。18)结合碱性生理盐水和饱和氯化钙(Ca (OH) 2)浸泡的解决方案,他们得出的结论是,怀俄明膨润土的膨胀特性在盐溶液减少由于阳离子交换反应,而在碱性溶液也减少了铜山解体的主要原因。鲍尔et al。19]分析了温度和KOH溶液浓度对铜山的影响内容,他们发现,解散铜山伴随着晶体形状的变化反应生产的沸石,石英和其他矿物质。此外,增加的反应更激烈的浓度和温度。同样,高雪氏症等。20.)发现与碱性溶液浓度的增加,铜山的溶解速率急剧上升60°C特别是高度碱性溶液(pH = 13)。拉米雷斯et al。21]研究了膨润土与高度碱性解决方案在不同的反应温度和观察扩张矿物质的沉淀,即。在铜山,沸石,而镁含量增加,导致肿胀的性能下降。指出,一个温度的进一步提高将加强反应。赫伯特et al。22]分析了mx - 80膨润土的膨胀性能,通过融合不同的解决方案使用透射电子显微镜(TEM),他们发现,铜山和高岭石含量的变化主要是削弱了膨润土的膨胀性能。费尔南德斯et al。23]研究了碱性溶液扩散的影响,发现水镁石表面形成膨润土,解散了铜山矿物质,因此减少肿胀FEBEX膨润土的属性。

膨润土对遇到潮湿的表面形态在本质上是复杂的,和δ_年代指的过程中吸收水的膨润土的铜山内容。徐et al。24)提出了一个膨胀力和吸附水体积之间的关系/= KpDs-3,是最后的膨润土吸附水量,膨润土中蒙脱石的体积,正如前面提到的,D_年代膨润土的表面分形维数。李等人。25]渗透吸水系数的计算方法进行了探讨和渗透吸水不同类型的解决方案通过引入Debye-Huckel公式。此外,徐et al。26派生的有效应力计算公式,考虑在盐溶液渗透吸水的影响。

目前,研究机械的碱性溶液对膨润土的膨胀特性的影响主要反映在膨润土的性质和矿物含量。然而,数值计算δ_年代膨润土很少报道,需要研究的不足在这个特定的方向。因此,在当前的研究中,氢氧化钠和KOH溶液用作流失解决的衰减机理的分析和研究δ_年代对膨润土的膨润土,拟合计算δ_年代的影响,解释了碱金属阳离子对膨润土的性能。此外,本研究的目的是提供指导建议的有效设计和可靠的施工深地质库。

2。材料和方法

2.1。材料

本文使用的膨润土的基本性质进行了总结表1。根据标准的测试要求,原膨润土被放置在一个烤箱烘干的105°C。之后,一个土壤样品500克重,这样每次90毫升蒸馏水洒在土样在指定的含水量约为18%。然后由封闭样本存储在塑料包装。此外,蒸馏水被用来准备规定浓度的氢氧化钠和KOH解决方案0.3和1.0 mol / l (M),分别。

2.2。膨胀变形试验

饱和土的含水率是重新度量界限样品制备之前为了准确性。切割环被原型机的基础上,加强箍的帮助。然后,大约58.5 g的湿土壤重量每一次,被纳入切断环在批量应用支持板封面之后。之后,杰克是用于静态按板与Ф61.8毫米×cakelike样本H10毫米,密度为1.7±0.5克/厘米³。这个范围的密度已经广泛应用于实验研究压实膨润土(27]。在遵循上述要求,应用静压和维护一段时间(28]。

的操作δ在本研究可以解释在7个主要步骤:(i)三组样本(即做准备。,distilled water, NaOH solution, and KOH solution) (ii) setting the loads at six different levels (i.e., 100, 200, 400, 800, 1200, and 1600 kPa), for a total of 30 number of samples, (iii) permeable stone, filter paper, test sample and permeable stone are sequentially placed layer-wise in the bottom of oedometer cell, (iv) installing a dial indicator, adjusting the dial gauge, and recording the initial reading, and then applying the required load at one time, (v) the soaking solution is injected into the oedometer cell and the sample is immersed, (vi) recording the readings of dial gauge (note that the reading interval is shorter in the early stage and longer in the later stage), and (vii) when the pointer of dial gauge remains unchanged for 24 hours, it is considered that theδ_年代测试完成。

2.3。XRD和SEM测试

XRD测试被用来分析膨润土的矿物成分。在测试之前,膨润土样品后δ_年代测试几次用蒸馏水洗净去除吸附盐。样品在105°C和烘干的粉。此后,已筛使用200 -孔筛,和一小部分被XRD测试。XRD测试进行的现代分析测试中心安徽理工大学,中国,通过使用一个D-8推进由布鲁克公司x射线衍射仪,德国。目标材料是铜,而权力保持在3千瓦。测角仪的扫描范围是3°、80°。

SEM测试被用来分析和确定膨润土矿物的微观形态学的整体效果。SEM分析也执行使用一种纳米SEM 430场发射扫描电子显微镜产生的范。

3所示。测试结果

图1显示了膨润土的膨胀率100 kPa的压力。的变化趋势可以看出,膨润土样品浸泡在不同浓度的解决方案都是相同的,因此描绘三个主要阶段:第一逐渐增加,然后其次是相对急剧增加,最后达到一个稳定状态29日,30.]。从数据可以看出1(一)和1(b)的肿胀率最高的蒸馏水,因为它接近61%。因此,可以推断,膨润土的膨胀性能大大降低碱性的作用后的解决方案。此外,值得注意的是,随着碱浓度的增加,膨润土的膨胀率也会降低。在1.0米,上述三个阶段的膨润土膨胀倍数随时间,但并不显著。这是因为铜山在膨润土矿物溶解在碱性环境。因此,随着溶液浓度的增加,反应加剧,这减少了膨胀性能。

图2说明了蒸馏水的影响,0.3 M氢氧化钠,KOH溶液对膨润土的膨胀特性受到100 kPa的上覆压力。可以看出,膨胀率的三个解决方案随着蒸馏水>氢氧化钠> KOH,肿胀率最高纪录是61%,43.6%,和39.7%,分别。在碱性溶液δ_年代膨润土的经历更大大降低比膨润土浸泡在蒸馏水中。在KOH溶液中,K的水合能力⁺是低的,它可以很容易地适应内腔的硅氧四面体网格,产生强烈的K^{- - - - - -}联系。因此,晶体层接触变得更加密集和膨胀变形观测是最低(31日,32]。

图3显示之间的关系最大δ_年代膨润土和上覆压应力。可以看出,在相同的干密度、最大δ_年代膨润土随负荷增加而减小。上覆压力等于100 kPa时,最大的膨胀率,分别蒸馏水(61%),0.3 M氢氧化钠溶液(43.6%),1.0 M氢氧化钠溶液(26.6%)、KOH溶液(39.7%),0.3米和1.0米KOH溶液(22.1%)。相反,当上覆压力是1600 kPa,最大膨胀率是蒸馏水(10.4%),0.3 M氢氧化钠溶液(8.7%),1.0 M氢氧化钠溶液(4.4%)、KOH溶液(7.6%),0.3米和1.0米KOH溶液(2.1%),分别为。这两个病例观察到证人减少近82.95%,80.05%,83.46%,80.86%,和90.50%,分别。

图4显示了膨润土的XRD衍射模式。图4(一)显示了膨润土在蒸馏水中浸泡的衍射图样,铜山523 CPS的衍射峰强度。数据4 (b)- - - - - -4 (e)显示膨润土侵蚀的衍射图样由氢氧化钠和KOH的解决方案。此外,铜山的高峰值对应于408年,302年,354年和215 CPS样品沉浸在0.3 M氢氧化钠,1.0 M氢氧化钠,0.3 KOH,分别KOH和1.0米。它可以发现,碱性溶液的侵蚀下,铜山的衍射峰强度逐渐降低,而浓度增加的现象是更重要的。因此,它是表示,解散铜山矿是主要的反应过程结果的显著减少δ_年代。

图5是一个原理图的扫描电镜上执行各种膨润土样品。样例(a)浸泡在蒸馏水展品紧凑粒子结构完整性,见证不分裂的现象。此外,水化的翼状胶体是由铜山,膨润土颗粒表面存在14]。为样本(b) - (e)在碱性溶液中,膨润土颗粒逐渐分裂成小块和翼状胶体逐渐溶解浓度增加。1.0 mol / L的氢氧化钠和KOH解决方案,有翼的胶体被发现完全消失,而粒子破碎的程度也高。比较两组样本(b)和(d),可以看出,膨润土KOH溶液侵蚀的相对较大的粒子和更少的裂缝,这是由于较强的结合铜山晶体层的作用下K⁺。

4所示。e-p_e膨润土在碱性溶液的关系

的δ_年代膨润土随有效应力的增加体育。基于分形理论,Debye-Huckel (d - h)公式可以得到渗透吸水系数渗透吸水的决心。然后,使用渗透吸水的价值,与有效应力的理论计算方法δ_年代可以获得。e-pe拟合曲线进行了分析,进一步探讨在膨润土碱性溶液的侵蚀机理。

根据分形理论,徐et al。26推导出之间的关系δ_年代膨润土和修改有效应力形式的体育以下方程: 在哪里e_米是太的孔隙比,太的吸水量,在膨润土、Mt的体积。K太的膨胀系数,p_e修改后的有效应力,e样品的总孔隙比,可以计算的δ_年代,α是太的质量分数,κ膨胀系数。基于分形理论,p_e可以从计算上覆压力和渗透压力,和给出的计算公式如下26]: 在哪里σ上覆压力和吗π碱性溶液的渗透吸水。

它可以看到从(4),pe与渗透吸水。李等人。25派生的渗透吸水系数和渗透吸在不同解决方案的计算方法基于d - h公式的形式 在哪里是溶质的离子数分解(氢氧化钠或KOH, ),R广义气体常数(8.314 J / mol /k),T绝对温度,c是溶质的摩尔浓度,是渗透吸水系数。的计算公式包含单价离子在溶液中电解质的方程如下(33]: 在哪里 是对应的化学价阴离子和阳离子,分别 对应的数量-阳离子化学公式,米是摩尔数,经验系数,为强电解质的公式吗以下方程的形式: 在哪里 可以通过查找代码。f可以通过以下公式计算: 我是离子强度,b是一个经验参数等于1.2,一个是d - h系数,可以计算由以下方程: 在哪里阿伏伽德罗常数(6.023×10²³/摩尔),溶剂密度(0.998克/厘米吗³),e电子的电荷(1.60×10⁻¹⁹C),k波尔兹曼常数(1.381×10⁻²³J / K) 是相对介电常数(78.36)和真空介电常数(8.8542×10吗⁻¹²分别为F / m)。计算结果如表所示2。

图6描绘了一个拟合曲线之间的关系p_e膨润土和孔隙比e基于实验数据,绘制。它是发现δ_年代膨润土在一个相同的解决方案是按照统一的e -p_e关系,随着溶液浓度的增加,曲线降低。根据拟合曲线方程D_年代和膨胀系数κ膨润土的各种解决方案,如表所示3。同样重要的是,要提到D_年代膨润土表面在碱性溶液侵蚀后大于一个观察在蒸馏水中浸泡,和碱性溶液浓度的增加而增大。结合SEM测试,主要原因是膨润土颗粒碱性溶液的作用下分解,从而产生更小的碎片。此外,片状铜山极其不规则的表面和腐蚀跟踪扩展导致一个粗略的膨润土表面和增加D_年代值(14]。

此外,它可以发现,膨胀系数κ膨润土在蒸馏水中是最高的,而它随碱浓度的增加而减小。在相同浓度的碱溶液,κ膨润土侵蚀的氢氧化钠溶液大于KOH的解决方案。一方面,膨润土的主要矿物铜山肿胀是溶解在碱性溶液和溶解速度增加随着碱浓度的增加,而另一方面,K⁺可以输入K-linkage铜山的空腔结构形式和晶体层更紧密结合,抨击的膨胀性能。

5。结论

肿胀变形(δ_年代膨润土在碱性溶液)测试,结合XRD, SEM测试,进行了分析,并得出以下主要结论。(1)的δ_年代膨润土展览的形式特征曲线三个不同的阶段。与碱性溶液的浓度的增加δ_年代膨润土逐渐减少,而肿胀的溶解矿物铜山是主要反应过程。K⁺水合能力较低,容易融入Mt的硅氧四面体腔,产生较强的K-linkage,导致密集晶体层,从而导致较小的吗δ_年代膨润土的KOH溶液与氢氧化钠溶液。(2)的δ_年代碱性膨润土侵蚀的解决方案可以通过一个统一的计算e- - - - - -p_e分形关系。在双对数座标轴,浓度越高,越低δ_年代曲线。随着碱性溶液的浓度增加,铜山的溶解率也增加,因此降低膨胀系数κ。同时,铜山溶解时,粘土颗粒瓦解和表面变得粗糙,逐渐增加了表面分形维数(D_年代膨润土。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关出版的手稿。

作者的贡献

国盛湘促成了概念化和方法论。音译)你们促成了概念化。贡献者调查包括Zhijie胡,Lei通用电气,Yinkang周。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号41702311和41702311),中国博士后科学基金会(没有。2019 m660096),重点实验室的基础软土壤和Geoenvironmental工程(没有。2020 p03)。