本發(fā)明涉及土工試驗(yàn)領(lǐng)域，特別是一種以較大干密度為目標(biāo)的壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣及制備方法。

背景技術(shù)：

目前國(guó)際上大多認(rèn)為采用多重障壁概念的深層地質(zhì)處置是解決高放射性廢料問題最為可行的方法。依據(jù)核能先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，深層地質(zhì)處置主要依賴緩沖材料作為最后一道人工屏障。緩沖層應(yīng)具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度和良好的延展性，以發(fā)揮其支撐高放射廢物容器及固化體、均化圍巖壓力、封閉圍巖裂隙、防止高放射廢物固化體和廢物容器的機(jī)械破壞等作用。

我國(guó)已基本選定膨潤(rùn)土作為緩沖材料的原料，膨潤(rùn)土是一種富含蒙脫石等粘土礦物的非金屬礦產(chǎn)，具有較強(qiáng)的吸濕性和膨脹性，可吸附8～15倍于自身體積水量，體積膨脹可達(dá)數(shù)倍至30倍；然而，未經(jīng)處理的膨潤(rùn)土其性能難以滿足高放射廢物處置庫的性能要求，必須經(jīng)過壓實(shí)成型后才能作為緩沖材料使用。

為了研究不同壓實(shí)度試樣的膨脹力等試驗(yàn)，均需要制備不同干密度的壓實(shí)試樣。傳統(tǒng)的制樣方法主要通過如下兩個(gè)方案提高壓實(shí)度：

1、控制試樣的初始濕度處于最優(yōu)含水量狀態(tài)。

2、增大壓實(shí)設(shè)備的壓實(shí)功。

顯然，該方案不適合膨潤(rùn)土制樣，原因如下：

1、膨潤(rùn)土加水至最優(yōu)含水率會(huì)迅速發(fā)生膨脹，很難通過機(jī)械力壓實(shí)恢復(fù)到初始密實(shí)狀態(tài)，而且水分很難在短時(shí)間內(nèi)和膨潤(rùn)土混合均勻。

2、膨潤(rùn)土干燥狀態(tài)下十分蓬松，顆粒極細(xì)且級(jí)配不良，通過機(jī)械力提高密實(shí)度的幅度有限。特別是需要得高壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣時(shí)，僅通過以上措施更難以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣及制備方法，能夠延遲水與膨潤(rùn)土的作用時(shí)間，在優(yōu)選的方案中，能夠調(diào)控膨潤(rùn)土開始膨脹的時(shí)間點(diǎn)，調(diào)整膨潤(rùn)土微粒級(jí)配。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣，將膨潤(rùn)土用包膜分散液進(jìn)行包膜，然后根據(jù)最優(yōu)含水率按照預(yù)定干密度將包膜后的膨潤(rùn)土用壓力設(shè)備進(jìn)行壓實(shí)，將壓實(shí)后的膨潤(rùn)土干燥后得到壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣。

優(yōu)選的方案中，所述的包膜分散液組分為乙醇溶解乙基纖維素，其中乙醇按重量百分比含量為20%~40%。

優(yōu)選的方案中，通過調(diào)節(jié)乙醇含量控制包膜厚度。

優(yōu)選的方案中，膨潤(rùn)土與包膜分散液的配比為按重量份計(jì)的80:10~80:30。

優(yōu)選的方案中，膨潤(rùn)土和包膜分散液需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為30~50℃。

優(yōu)選的方案中，采用流化床進(jìn)行膨潤(rùn)土的包膜，通過調(diào)節(jié)流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制包膜膨潤(rùn)土的粒徑。

優(yōu)選的方案中，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定包膜膨潤(rùn)土的最優(yōu)含水率。

優(yōu)選的方案中，所述壓力設(shè)備為壓力機(jī)，在環(huán)刀中將包膜膨潤(rùn)土用5~10T壓力機(jī)壓實(shí)。

一種用于上述的壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣的制備方法，包括以下步驟：

一、將膨潤(rùn)土干燥后放入流化床物料槽內(nèi)；

二、配制包膜分散液倒入流化床噴液系統(tǒng)中的粘合劑制備罐中；

三、進(jìn)行預(yù)熱；

四、流化床在不同風(fēng)量下風(fēng)送膨潤(rùn)土，將包膜分散液霧化噴出，對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行包膜；

五、重復(fù)步驟四，得到不同粒徑的包膜膨潤(rùn)土；

六、將不同粒徑的包膜膨潤(rùn)土混合，取部分混合后的包膜膨潤(rùn)土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定其最優(yōu)含水率；

七、將包膜膨潤(rùn)土混合至最優(yōu)含水率，按照所需密度稱重裝入環(huán)刀模具中，將環(huán)刀模具放入壓力設(shè)備中進(jìn)行壓實(shí)；

八、將壓實(shí)后的環(huán)刀樣烘干；

通過以上步驟，得到壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣。

優(yōu)選的方案中，步驟四中，將流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min、1500r/min和1600r/min，時(shí)間控制在1~1.5h。

本發(fā)明提供的一種壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣及制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1、能夠?qū)崿F(xiàn)較高干密度的膨潤(rùn)土的室內(nèi)制樣工藝。

2、能夠延時(shí)水與膨潤(rùn)土的作用時(shí)間，從而明顯推遲膨潤(rùn)土膨脹時(shí)間，并可通過包膜厚度調(diào)控膨潤(rùn)土膨脹時(shí)間。

3、能夠通過控制包膜粒徑，增大膨潤(rùn)土的不均勻系數(shù)。

4、材料環(huán)保，便于操作。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明中典型膨脹率隨時(shí)間變化曲線。

圖2為本發(fā)明的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

一種壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣，將膨潤(rùn)土用包膜分散液進(jìn)行包膜，然后根據(jù)最優(yōu)含水率按照預(yù)定干密度將包膜后的膨潤(rùn)土用壓力設(shè)備進(jìn)行壓實(shí)，將壓實(shí)后的膨潤(rùn)土干燥后得到壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣。如圖2中，采用包膜后的膨潤(rùn)土能夠延遲水與膨潤(rùn)土作用時(shí)間，控制膨潤(rùn)土試樣在試驗(yàn)正式開始前膨脹。

優(yōu)選的方案中，所述的包膜分散液組分為乙醇溶解乙基纖維素，其中乙醇按重量百分比含量為20%~40%。優(yōu)選的，本例中乙醇的體積濃度為75%以上，進(jìn)一步優(yōu)選的乙醇為無水乙醇。優(yōu)選的方案中，通過調(diào)節(jié)乙醇含量控制包膜厚度。當(dāng)乙醇含量較高，則包膜厚度較薄。從而控制膨潤(rùn)土開始膨脹的時(shí)間點(diǎn)。

優(yōu)選的方案中，膨潤(rùn)土與包膜分散液的配比為按重量份計(jì)的80:10~80:30。優(yōu)選為膨潤(rùn)土與包膜分散液的配比為按重量份計(jì)的80:20。

優(yōu)選的方案中，膨潤(rùn)土和包膜分散液需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為30~50℃。優(yōu)選為40℃，對(duì)膨潤(rùn)土和包膜分散液需進(jìn)行預(yù)熱能夠提高物料的流動(dòng)性。

優(yōu)選的方案中，采用流化床進(jìn)行膨潤(rùn)土的包膜，采用流化床將膨潤(rùn)土用乙基纖維素分散液進(jìn)行包膜造粒。流化床制粒也稱一步制粒法，是將常規(guī)濕法制粒的混合、制粒、干燥3個(gè)步驟在密閉容器內(nèi)一次完成的方法。物料在潔凈的熱氣流（負(fù)壓）作用下懸浮形成流化狀態(tài)，其表面與熱空氣完全接觸，受熱均勻，達(dá)到了最佳的熱交換狀態(tài)，從而有著極高的效率。通過調(diào)節(jié)流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制包膜膨潤(rùn)土的粒徑。從而制備不同粒徑的包膜微粒，調(diào)整膨潤(rùn)土微粒級(jí)配。

優(yōu)選的方案中，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定包膜膨潤(rùn)土的最優(yōu)含水率。擊實(shí)試驗(yàn)是用錘擊實(shí)土樣以了解土的壓實(shí)特性的一種方法。是用不同的擊實(shí)功，即（錘重×落距×錘擊次數(shù)）分別錘擊不同含水量的土樣，并測(cè)定相應(yīng)的干容重，從而求得最大干容重、最優(yōu)含水量，為填土工程的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

優(yōu)選的方案中，所述壓力設(shè)備為壓力機(jī)，在環(huán)刀中將包膜膨潤(rùn)土用5~10T壓力機(jī)壓實(shí)。

一種用于上述的壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣的制備方法，包括以下步驟：

一、將膨潤(rùn)土干燥后放入流化床物料槽內(nèi)；

二、配制包膜分散液倒入流化床噴液系統(tǒng)中的粘合劑制備罐中；

三、進(jìn)行預(yù)熱；

四、流化床在不同風(fēng)量下風(fēng)送膨潤(rùn)土，將包膜分散液霧化噴出，對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行包膜；優(yōu)選的方案中，將流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1000r/min、1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min、1500r/min和1600r/min，時(shí)間控制在1.5h。

五、重復(fù)步驟四，得到不同粒徑的包膜膨潤(rùn)土；

六、將不同粒徑的包膜膨潤(rùn)土混合，取部分混合后的包膜膨潤(rùn)土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定其最優(yōu)含水率；

七、將包膜膨潤(rùn)土混合至最優(yōu)含水率，按照所需密度稱重裝入環(huán)刀模具中，將環(huán)刀模具放入壓力設(shè)備中進(jìn)行壓實(shí)；

八、將壓實(shí)后的環(huán)刀樣烘干；

通過以上步驟，得到壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣。本例中得到的包膜膨潤(rùn)土環(huán)刀樣的干密度為1.8～2.2。

實(shí)施例2：

1、取適量膨潤(rùn)土在托盤中以1cm厚度攤開，放置在105℃烘箱內(nèi)干燥12h，干燥完成后取160g膨潤(rùn)土放置于流化床物料槽內(nèi)。

2、取32g乙基纖維素加入反應(yīng)器皿中，緩慢加入8g乙醇溶液。用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁玫揭一w維素分散液，將乙基纖維素分散液倒入流化床噴液系統(tǒng)中的粘合劑制備罐中。

3、對(duì)流化床進(jìn)行空機(jī)預(yù)熱，空機(jī)預(yù)熱的主要目的有兩個(gè)：流化床開機(jī)初始的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量一般都不穩(wěn)定，通過空機(jī)預(yù)熱讓設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后可以保證該參數(shù)趨于穩(wěn)定，避免參數(shù)不穩(wěn)定對(duì)后面物料預(yù)熱造成不利影響；二是通過機(jī)器預(yù)熱，可以減少物料預(yù)熱時(shí)間，提高效率。

4、對(duì)物料進(jìn)行預(yù)熱：由于膨潤(rùn)土顆粒細(xì)小、靜電較大，故應(yīng)在保證物料流化狀態(tài)下采用較低的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量，同時(shí)盡可能提高流化床的抖動(dòng)頻率，物料預(yù)熱溫度為40℃。

5、開啟流化床噴液開關(guān)，使乙基纖維素分散液在一定的霧化壓力下噴出。流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000r/min，時(shí)間控制在1h，噴液結(jié)束后，對(duì)物料進(jìn)行干燥，干燥溫度設(shè)定為80℃。干燥完成后靜置冷卻至40℃后取出包膜膨潤(rùn)土，裝入封口袋中編號(hào)為B1。

6、重復(fù)上述操作，流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min、1500r/min、1600r/min，分別編號(hào)為B2、B3、B4、B5、B6、B7。

7、取等量B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7包膜膨潤(rùn)土混合，以增大其不均勻系數(shù)，取部分混合包膜膨潤(rùn)土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定其最優(yōu)含水率。

8、將混合包膜膨潤(rùn)土邊攪拌邊加水至最優(yōu)含水率。按照所需干密度稱重裝入環(huán)刀模具中，人工進(jìn)行初步壓實(shí)。

9、將環(huán)刀模具放置于10T壓力機(jī)中，勻速緩慢加壓使混合物料壓實(shí)。

10、將壓實(shí)后的包膜膨潤(rùn)土環(huán)刀樣立即放置105℃烘箱中，12h后取出置于封口袋中作為成品備用。本例中得到的包膜膨潤(rùn)土環(huán)刀樣的干密度為1.8g/cm³。

實(shí)施例3：

1、取適量膨潤(rùn)土在托盤中以1cm厚度攤開，放置在105℃烘箱內(nèi)干燥12h，干燥完成后取160g膨潤(rùn)土放置于流化床物料槽內(nèi)。

2、取24g乙基纖維素加入反應(yīng)器皿中，緩慢加入16g乙醇溶液。并用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，得到乙基纖維素分散液，將乙基纖維素分散液倒入流化床噴液系統(tǒng)中的粘合劑制備罐中。

3、對(duì)流化床進(jìn)行空機(jī)預(yù)熱，空機(jī)預(yù)熱的主要目的有兩個(gè)：一是流化床開機(jī)初始的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量一般都不穩(wěn)定，通過空機(jī)預(yù)熱讓設(shè)備運(yùn)行一定時(shí)間后可以保證該參數(shù)趨于穩(wěn)定，避免參數(shù)不穩(wěn)定對(duì)后面物料預(yù)熱造成不利影響；二是通過機(jī)器預(yù)熱，可以大大減少物料預(yù)熱時(shí)間，提高效率。

4、對(duì)物料進(jìn)行預(yù)熱：由于膨潤(rùn)土顆粒細(xì)小、靜電較大，故應(yīng)在保證物料流化狀態(tài)下采用較低的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量，同時(shí)盡可能提高流化床的抖動(dòng)頻率，物料預(yù)熱溫度為40℃。

5、開啟流化床噴液開關(guān)，使乙基纖維素分散液在一定的霧化壓力下噴出。流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000r/min，時(shí)間控制在1.5h，噴液結(jié)束后，對(duì)物料進(jìn)行干燥，干燥溫度設(shè)定為80℃。干燥完成后靜置冷卻至40℃后取出包膜膨潤(rùn)土，裝入封口袋中編號(hào)為B1。

6、重復(fù)上述操作，流化床風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1100r/min、1200r/min、1300r/min、1400r/min、1500r/min、1600r/min，分別編號(hào)為B2、B3、B4、B5、B6、B7。

7、取等量B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7包膜膨潤(rùn)土混合，以增大其不均勻系數(shù)，取部分混合包膜膨潤(rùn)土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定其最優(yōu)含水率。

8、將混合包膜膨潤(rùn)土邊攪拌邊加水至最優(yōu)含水率。按照所需干密度稱重裝入環(huán)刀模具中，人工進(jìn)行初步壓實(shí)。

9、將環(huán)刀模具放置于10T壓力機(jī)中，勻速緩慢加壓使混合物料壓實(shí)。

10、將壓實(shí)后的環(huán)刀樣立即放置105℃烘箱中，12h后取出置于封口袋中作為成品備用。本例中得到的包膜膨潤(rùn)土環(huán)刀樣的干密度為2.2g/cm³。

上述的實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對(duì)于本發(fā)明的限制，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征在不沖突的情況下，可以相互任意組合。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護(hù)范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進(jìn)，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。