一种考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法及系统

1.本发明涉及岩土工程及土力学领域，尤其是一种考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法及系统。


背景技术：

2.膨润土具有高膨胀力，低渗透性，高吸附性等特征，因此被世界各个国家优先应用于高放射性核废物处置库中作为核素迁移的屏障缓冲材料。膨润土的膨胀特性是由于其具有特殊的土体结构。为了能够尽最大程度发挥膨润土的膨胀特性和密封特性，将一定含水量的膨润土粉末预先压制成一定初始干密度的膨润土压试样。这些压实的膨润土试样可放置在核废物处置罐和地下围岩之间作为屏障材料，当地下水浸入膨润土时，膨润土遇水膨胀，产生膨胀力，阻止地下水的浸入，同时如果核废物处置罐发生泄露，那么膨润土也会阻止核素迁移到外面。膨润土的膨胀力大小与膨润土的压实程度（即干密度）、含水量、矿物成分等多种因素相关。选用的压实膨润土试样的膨胀力如若太大，可能会对周围岩石产生破坏，进一步诱发地下水的渗透；如果试样的膨胀力太小，则起不到屏障缓冲核废物处置罐的作用；因此需要选用一定范围内膨胀力的膨润土作为缓冲材料，但目前对于膨润土膨胀力的预测多基于经验法，适用性低、预测结果不精准且不具统一性；同时，传统的基于土的物理化学方面理论对膨润土膨胀力的预测仅考虑粘土片间的电荷电势对膨润土膨胀力的贡献，并未考虑膨润土中离子水化后其水化能对膨润土膨胀力的贡献，其预测结果与实际偏差很大。当前，考虑膨润土土体结构特征，并充分考虑离子水化后能量对膨润土膨胀力影响的基于孔隙比的膨润土膨胀力预测方法，尚未有解决方案。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，第一方面，本发明提供了一种考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法，包括如下步骤：获取待测膨润土的孔隙比；利用所述孔隙比，获取所述待测膨润土的无量纲电势和离子水化能的补偿无量纲电势；根据所述无量纲电势和所述补偿无量纲电势，构建膨润土膨胀力预测模型；通过所述膨润土膨胀力预测模型预测待测膨润土的膨胀力。本发明通过土的物理化学方面理论结合膨润土层间的电荷电势对膨润土膨胀力的贡献，利用膨润土的孔隙比即可对膨润土膨胀力进行精准预测。本发明为高放射性核废物处置库中选择核素迁移的屏障缓冲材料，提供了可靠性高，精准度高的材料选取方法。
4.可选地，所述获取待测膨润土的孔隙比，包括如下步骤：获取所述待测膨润土的干密度；利用所述干密度，获取待测膨润土的孔隙比，所述孔隙比满足如下公式：，其中，表示待测膨润土的孔隙比，表示待测膨润土的比重，表示待测膨润
土的重度，表示待测膨润土的干密度。
5.可选地，所述利用所述孔隙比，获取所述待测膨润土的无量纲电势和离子水化能的补偿无量纲电势，包括如下步骤：根据所述待测膨润土的物理特性，构建膨胀力双电层模型；利用膨胀力双电层模型，获取所述待测膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系；根据所述无量纲电势与孔隙比的函数关系，获得所述待测膨润土的无量纲电势；根据离子水化后所述待测膨润土的微观结构变化，获取离子水化能的补偿无量纲电势与孔隙比的函数关系；根据所述补偿无量纲电势与孔隙比的函数关系，获取所述离子水化能的补偿无量纲电势。
6.可选地，所述膨胀力双电层模型满足如下公式：，其中，表示膨胀力，表示膨润土孔隙水离子浓度，表示玻尔兹曼常数，，表示无量纲电势。
7.可选地，所述无量纲电势与孔隙比的函数关系满足如下公式：，其中，和表示拟合系数，表示孔隙比，表示双电层系数，表示待测膨润土的比重，表示待测膨润土的重度，s表示待测膨润土颗粒比表面积。
8.可选地，所述补偿无量纲电势与孔隙比的函数关系满足如下公式：，其中，表示补偿无量纲电势，表示孔隙比。
9.可选地，所述利用膨胀力双电层模型，获取所述待测膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系，包括如下步骤：设定多个膨胀力值；通过所述膨胀力双电层模型，获取所述膨胀力值对应的无量纲电势和膨润土层间距；获取膨润土层间距与孔隙比的函数关系；利用所述膨润土层间距与孔隙比的函数关系，获取所述膨胀力值对应的孔隙比；利用多组膨胀力值对应的无量纲电势与孔隙比，拟合出待测膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系。
10.可选地，所述无量纲电势与孔隙比的函数关系包括：德国bavaria膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系，满足如下公式：，其中，表示德国bavaria膨润土的无量纲电势，表示德国bavaria膨润土的孔
隙比，表示双电层系数，表示德国bavaria膨润土的比重，表示德国bavaria膨润土的重度，表示德国bavaria膨润土颗粒比表面积；西班牙s-2膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系，满足如下公式：，其中，表示西班牙s-2膨润土的无量纲电势，表示西班牙s-2膨润土的孔隙比，表示双电层系数，表示西班牙s-2膨润土的比重，表示西班牙s-2膨润土的重度，表示西班牙s-2膨润土颗粒比表面积。
11.可选地，所述膨润土膨胀力预测模型，满足如下公式：，其中，表示膨胀力，表示膨润土孔隙水离子浓度，表示玻尔兹曼常数，，表示自然常数，表示无量纲电势，表示所述补偿无量纲电势。
12.第二方面，本发明还提供了一种考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测系统，包括输入设备、处理器、存储器和输出设备，所述输入设备、所述处理器、所述存储器和所述输出设备相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行本发明第一方面所述的考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法。本系统结构紧凑，适用性强，极大程度地提高了运行效率，通过考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法，快速且精准地实现了模拟膨润土膨胀力预测。
附图说明
13.图1为本发明考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法流程图；图2为本发明获取的德国bavaria膨润土的实验测试值、未考虑水化能的预测值和考虑水化能的预测值对比图；图3为本发明获取的西班牙s-2膨润土的实验测试值、未考虑水化能的预测值和考虑水化能的预测值对比图；图4为本发明考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测系统结构图。
具体实施方式
14.下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。
15.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
16.请参阅图1，在一个实施例中，本发明提供了一种考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法，包括如下步骤：s1、获取待测膨润土的孔隙比。
17.孔隙比是膨润土土体孔隙体积与土固体体积之比，孔隙比越大，说明孔隙越多，土越不密实。在实际工程中一般用膨润土的干密度（或者孔隙比）和膨胀力的关系来表征膨润土的膨胀力走势，而膨润土的干密度和孔隙比可通过膨润土比重进行相互转换。
18.在一个可选的实施例中，步骤s1所述的获取待测膨润土的孔隙比，包括如下步骤：获取所述待测膨润土的干密度；利用所述干密度，获取待测膨润土的孔隙比，所述孔隙比满足如下公式：，其中，表示待测膨润土的孔隙比，表示待测膨润土的干密度，表示待测膨润土的比重，表示待测膨润土的重度，详细地，所述待测膨润土的重度表示待测膨润土的密度与重力加速度的乘积。
19.s2、利用所述孔隙比，获取所述待测膨润土的无量纲电势和离子水化能的补偿无量纲电势。
20.在一个可选的实施例中，步骤s2所述的利用所述孔隙比，获取所述待测膨润土的无量纲电势和离子水化能的补偿无量纲电势，包括如下步骤：根据所述待测膨润土的物理特性，构建膨胀力双电层模型；利用膨胀力双电层模型，获取所述待测膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系；根据所述无量纲电势与孔隙比的函数关系，获得所述待测膨润土的无量纲电势；根据离子水化后所述待测膨润土的微观结构变化，获取离子水化能的补偿无量纲电势与孔隙比的函数关系；根据所述补偿无量纲电势与孔隙比的函数关系，获取所述离子水化能的补偿无量纲电势。
21.在一个可选的实施例中，所述膨胀力双电层模型满足如下公式：，其中，表示膨胀力，表示膨润土孔隙水离子浓度，表示玻尔兹曼常数，t表示温度，单位为开尔文，室温25℃下，其中的单位是开尔文，表示无量纲电势。对于不同类型的膨润土，其无量纲电势的大小也不同。所述膨胀力双电层模型中并未考
虑膨润土中离子水化后其水化能对膨润土膨胀力的贡献，同时针对不同类型的膨润土，需利用膨胀力双电层模型，代入对应的参数进行运算，进而获得对应的无量纲电势与孔隙比的函数关系。
22.在一个可选的实施例中，所述利用膨胀力双电层模型，获取所述待测膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系，包括如下步骤：设定多个膨胀力值；通过所述膨胀力双电层模型，获取所述膨胀力值对应的无量纲电势和膨润土层间距；获取膨润土层间距与孔隙比的函数关系；利用所述膨润土层间距与孔隙比的函数关系，获取所述膨胀力值对应的孔隙比；利用多组膨胀力值对应的无量纲电势与孔隙比，拟合出待测膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系。
23.在本实施例中，通过所述膨胀力双电层模型，获取所述膨胀力值对应的无量纲电势和膨润土层间距可通过olpehen在《thermodynamics of interlayer adsorption of water in clays》一文中提出的结合膨润土特性获得如下等式： ，利用该式可求出y值，此时y=z，即获得z值，在上式中y表示距离膨润土层x位置处的无量纲电势，此时x=0，z即表示x=0时y的值，是膨润土层间的距离函数，k表示双电层系数，b表示离子交换能量，s表示待测膨润土颗粒比表面积，表示真空介电常数，表示相对介电常数，表示膨润土孔隙水离子浓度，表示玻尔兹曼常数，，表示流体介电常数；再通过z值结合利用所述膨胀力双电层模型代入设定的膨胀力值所获取的u值，根据olpehen文章中一式结合膨润土的双层介电函数等式，即可获得设定的膨胀力值对应的膨润土层间距，其中双层介电函数等式中表示单元电荷量，表示膨润土中离子化合价平均数。在本实施例中，膨润土层间距与孔隙比的函数关系满足如下公式：，其中，表示孔隙比，表示待测膨润土的比重，表示待测膨润土的重度，s表示待测膨润土颗粒比表面积。实际工程中，通过对膨润土基本物理性质测试即可获得待测膨润土的比重、重度、颗粒比表面积等基本参数。
24.在本实施例中，所述无量纲电势与孔隙比的函数关系满足如下公式：
，其中，和表示拟合系数，表示孔隙比，表示双电层系数，表示待测膨润土的比重，表示待测膨润土的重度，s表示待测膨润土颗粒比表面积。不同类型的膨润土的拟合系数和不同。所述无量纲电势与孔隙比的函数关系结合膨润土层间距与孔隙比的函数关系，可获得无量纲电势和膨润土层间距的经验表达式，所述经验表达式满足如下公式：，其中，表示膨润土层间距。通过设定多个膨胀力值，并利用膨胀力双电层模型获取对应的量纲电势和膨润土层间距，利用曲线拟合软件，选定拟合类型，通过输入无量纲电势和膨润土层间距具体的值，即可获得对应的拟合曲线以及拟合系数。此时拟合曲线上预测的膨胀力和实际测量获得的膨胀力在低干密度（干密度小于1.5g/cm3）时误差较小，但是在高干密度（大于1.5g/cm3）误差大。
25.在一个可选的实施例中，通过上一个实施例所述的用膨胀力双电层模型，获取所述待测膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系的步骤，获取了以下无量纲电势与孔隙比的函数关系，包括：德国bavaria膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系，满足如下公式：，其中，表示德国bavaria膨润土的无量纲电势，表示德国bavaria膨润土的孔隙比，表示双电层系数，表示德国bavaria膨润土的比重，表示德国bavaria膨润土的重度，表示德国bavaria膨润土颗粒比表面积；西班牙s-2膨润土的无量纲电势与孔隙比的函数关系，满足如下公式：，其中，表示西班牙s-2膨润土的无量纲电势，表示西班牙s-2膨润土的孔隙比，表示双电层系数，表示西班牙s-2膨润土的比重，表示西班牙s-2膨润土的重度，表示西班牙s-2膨润土颗粒比表面积。在本实施例中，获取了德国bavaria膨润土和西班牙s-2膨润土对应的无量纲电势，为后续膨润土膨胀力预测模型预测德国bavaria膨润土和西班牙s-2膨润土的膨胀力奠定了基础。
26.在一个可选的实施例中，膨润土中离子遇水水化时候，会在离子周围形成水膜，使得膨润土层间的间距增大，同时离子水化后有能量释放，进而影响了膨润土的微观结构，当
膨润土的膨胀力考虑离子水化能时，所述补偿无量纲电势与孔隙比的函数关系满足如下公式：，其中，表示补偿无量纲电势，表示孔隙比。
27.s3、根据所述无量纲电势和所述补偿无量纲电势，构建膨润土膨胀力预测模型。
28.在一个可选的实施例中，所述膨润土膨胀力预测模型，满足如下公式：，其中，表示膨胀力，表示膨润土孔隙水离子浓度，表示玻尔兹曼常数，，表示自然常数，本实施例中取值，表示无量纲电势，表示所述补偿无量纲电势。该膨润土膨胀力预测模型考虑到膨润土中离子水化后其水化能的水力耦合场对膨润土膨胀力的贡献，进而利用该贡献对无量纲电势进行补偿，从而削减传统膨润土膨胀力预测误差，使得预测值与测量值具有更好的一致性。
29.s4、通过所述膨润土膨胀力预测模型预测待测膨润土的膨胀力。
30.在一个可选的实施例中，请参见图2和图3，通过步骤s1至s4分别获得了德国bavaria膨润土膨胀力预测值和西班牙s-2膨润土膨胀力预测值，其中，德国bavaria膨润土的无量纲电势为，西班牙s-2膨润土的无量纲电势与为 ，可分别简化为，德国bavaria膨润土的无量纲电势为 ，西班牙s-2膨润土的无量纲电势与为 ，其中，表示德国bavaria膨润土层间距，表示西班牙s-2膨润土层间距。图2为德国bavaria膨润土的实验测试值、未考虑水化能的预测值和考虑水化能的预测值，其中考虑水化能的预测值是通过本发明的方法获取的。图3为西班牙s-2膨润土的实验测试值、未考虑水化能的预测值和考虑水化能的预测值，其中考虑水化能的预测值是通过本发明的方法获取的。通过图2和图3看出，由于本发明中预测膨润土时考虑了离子水化能，使得预测值与实验测试值的一致程度相较于为考虑离子水化能的预测值的一致程度高，即本发明的膨润土膨胀力预测模型对低干密度和高干密度的膨润土的膨胀力都有良好的预测性能。
31.本发明通过土的物理化学方面理论结合膨润土层间的电荷电势对膨润土膨胀力的贡献，利用膨润土的孔隙比即可对膨润土膨胀力进行精准预测。同时本发明为高放射性核废物处置库中选择核素迁移的屏障缓冲材料，提供了可靠性高，精准度高的材料选取方
法。
32.请参见图4，本发明还提供了一种考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测系统，包括输入设备、处理器、存储器和输出设备，所述输入设备、所述处理器、所述存储器和所述输出设备相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行本发明第一方面所述的考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法。本系统结构紧凑，适用性强，极大程度地提高了运行效率，通过考虑离子水化能的膨润土膨胀力预测方法，快速且精准地实现了模拟膨润土膨胀力预测。
33.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。