米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具及砌块制备方法技术

本发明专利技术属于高放废物地质处置缓冲材料砌块制备技术领域，具体涉及一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具及砌块制备方法。本发明专利技术中，凹模座为半圆形，两个凹模座构成圆形凹模；凹模内衬构成圆形内衬布置在凹模座的内壁上；压板放置于定位挡的上面紧固；凹模放置在底板上，通过定位挡限位；底板在正中间位置设置有芯柱凹槽，底部平台下表面设有限位台阶，限位台阶与芯柱凹槽配合对芯柱进行限位；芯柱内衬包裹在芯柱外壁；凸模衬板固定安装在凸模座上，构成凸模；凸模、凹模和芯柱及芯柱内衬合模。本发明专利技术可压制外径为1.2～1.6m，内径为0.5～0.6m，高度为0.2～0.5m，干密度为1.4～1.8g/cm

【技术实现步骤摘要】
米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具及砌块制备方法
本专利技术属于高放废物地质处置缓冲材料砌块制备
，具体涉及一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具及砌块制备方法。
技术介绍
我国的高放废物采用的是深地质处置方式，利用人工屏障(废物罐、缓冲材料、回填材料等)及天然屏障(地下岩体)组成的多重屏障系统阻滞核素迁移。缓冲材料作为废物罐和地质体之间的最后一道人工屏障，起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是地质处置库安全性和稳定性的有效保障。国内外研究表明，以蒙脱石为主要成分的膨润土被认为是高放废物地质处置最适宜的缓冲材料基材。缓冲材料通常以砌块堆砌的形式包裹在废物罐周围，因此世界各国开展的室内大型模型试验和地下实验室现场原位试验的研究工作，大多采用的是缓冲材料预制砌块。缓冲材料砌块主要采用静力压实的制备方式生产，考虑到砌块在高压实作用力下将产生膨胀回弹现象，因此压制模具的设计加工是保证砌块工程性能的关键所在。同时，考虑到高压实缓冲材料砌块的体积和重量越来越大，其压实模具的操作也非人力可以实现，因此必须设计加工出适合机械操作的大型压制模具，为今后开展1:1的大型室内和现场模型试验奠定基础。因此研发出结构简单实用、组装和拆卸操作方便、适合工业化批量生产的压实模具具有重要的现实意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具及制备方法，可压制外径为1.2～1.6m，内径为0.5～0.6m，高度为0.2～0.5m，干密度为1.4～1.8g/cm3的工程尺度的缓冲材料大型砌块样品，为开展地下实验室缓冲材料现场原位试验提供原料基础和技术支撑，适用于机械化操作和工业化批量制备高压实膨润土砌块。本专利技术采用的技术方案：一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，包括底板、凹模内衬、凹模座、凸模座、定位挡、压板、芯柱、芯柱内衬、凸模衬板、芯柱凹槽，凹模座为半圆形，两个凹模座构成圆形凹模；凹模内衬为120°的扇形，3个凹模内衬构成圆形内衬布置在凹模座的内壁上；底板的顶面加工有与定位挡匹配的凹槽，定位挡安装在凹槽内；凹槽内加工有螺栓孔，压板放置于定位挡的上面，通过螺栓将其紧固；凹模放置在底板上，通过定位挡限位；底板在正中间位置设置有芯柱凹槽，芯柱为倒圆锥形，底部平台下表面设有限位台阶，限位台阶与芯柱凹槽配合对芯柱进行限位；芯柱内衬为120°的扇形，3个芯柱内衬包裹在芯柱外壁，3个芯柱内衬围成一个圆柱形整体；凸模衬板固定安装在凸模座上，构成凸模；凸模、凹模和芯柱及芯柱内衬合模后，凸模衬板与凹模内衬的间隙和凸模衬板与芯柱内衬的间隙均为0.1mm。所述凹模组合形成的圆形直径较压制的环形砌块外径小1～2mm。所述3个芯柱内衬组合后的直径较压制成的环形砌块内径大1～2mm。所述凹模座和凹模内衬的设计高度为拟压制砌块高度的2倍，再加上1～2cm的导向高度；所述芯柱内衬的高度与凹模高度一致；所述凸模座和凸模衬板的整体设计高度要大于凹模高度5～10cm。所述凹模座、凸模座、定位挡、压板和芯柱的材质为45#钢，所述凹模内衬、凸模衬板、芯柱内衬和底板采用4Cr13材料。所述凹模内衬、凸模衬板、芯柱内衬和底板与压制的环形砌块膨润土接触，淬火硬度为HRC55-60，淬硬层不低于5mm。所述底板和凸模平面度不大于0.2mm，凹模与底板之间的配合面与凹模内侧壁的垂直度不大于0.2mm。所述凹模内衬顶部均设置吊环孔，便于吊装；凹模座内侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构，凹模内衬外侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构与凹模座斜面结构配合以方便吊装和拆卸。所述芯柱外侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构，芯柱内衬的内侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构与芯柱斜面结构配合。一种米级尺度缓冲材料环形砌块制备方法，包括如下步骤：步骤1、模具组装首先把所有部件清理干净，将底板水平放置于可承重地面上；将定位挡放置于底板的凹槽内；将三个凹模内衬按圆形形状在底板的中央位置组合成一个圆形；将2个凹模座沿着定位挡和凹模内衬缓慢下放至底板上，使之嵌套在凹模内衬组成的圆形外侧，再利用螺栓将整个凹模紧固成型；将压板放置于定位挡的上面紧固，压紧凹模座防止其向上移动；将吊环与芯柱连接，将芯柱对齐底板中央的芯柱凹槽内缓慢下放；将吊环与3个芯柱内衬连接，分别吊装至芯柱的四周，采用圆形箍套将其锁紧在芯柱周围；将凸模衬板固定安装在凸模座上，构成凸模；将凡士林或润滑油均匀涂抹在凹模内衬、芯柱内衬和底板上以及芯柱内衬的接缝位置，防止砌块在高压作用下粘连底板；步骤2、原料准备压制之前，按照土工试验方法标准测定原料桶内不同位置处的含水率，取样点应具有代表性且不应少于3处，取各测值的平均值作为膨润土原料的当前含水率；根据预压样品的干密度、尺寸和含水量，计算并称量相应质量的膨润土原料；将原料分层均匀填入模具内，每填入5～10cm，均采用中空圆棒捣实，再用平板刮平表面，最后将模具内壁粘黏的浮土清理干净，以方便合模；步骤3、压制准备观察凸模是否水平，如不水平，需要找平后再进行合模；将凸模的底部对准凹模内衬和芯柱内衬之间的空间，缓慢下落，下落速度设置为0.2～0.5mm/s，在出现原料扬起时，降低下落速度；在凸模下落卡顿时，调整天车使其微微向上吊起，至自动或手动找平后再缓慢下落直至底部与原料完成接触，完成合模；启动压力机，将压力机上横梁向上移动，保证压力机上横梁和压力机载物台之间空间可完全容纳模具整体高度；将压力机载物台移出压力机下方，将环形模具整体吊装至压力机载物台的正中央；将压力机载物台移动至压力机下方，使模具、压力机上横梁和压力机载物台的中心点在同一条垂直线上；将压力机载物台向上移动，使之脱离轨道束缚；再将压力机上横梁向下移动，使其与凸模的顶面距离3～5mm；步骤4、机械压制在预压紧阶段，将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向上移动压力机载物台，设定目标值为压力100～200kN；此步的主要目的是将凸模顶面与压力机上横梁对齐找平，保证砌块样品顶面平整度；在恒定速率加载阶段，将压力机设置成位移控制模式，以5～10mm/min的速率向上移动压力机载物台，设定目标值为预压样品高度；在持荷阶段，将压力机设置成保持位移值不变，持荷20～30min；在卸荷阶段，将压力机设置成位移控制模式，以1～2mm/min的速率向下移动压力机载物台，设置目标值为试验力为0；试验力至零后，将压制数据保存到电脑上，将压力机载物台以最快速率下降至最底部，然后移出压力机载物台；步骤5、模具拆卸制备完成后，将环形模具吊装至开阔区域，将芯柱缓慢提升，妥善放置；将芯柱内衬缓慢提升后妥善放置；移除压板；将整个凹模座吊出后妥善放置；将凸模吊出后妥善放置；将吊耳与所有凹模内衬连接后，分别吊装3个凹模内衬；在吊装凹模内衬时，要借用工具使其偏向外侧起升，防止起吊时凹模内衬侧偏，碰撞砌块样品，所有凹模内衬吊装完成后，至此砌块样品就留在底板中央；...

【技术保护点】
1.一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：包括底板、凹模内衬、凹模座、凸模座、定位挡、压板、芯柱、芯柱内衬、凸模衬板、芯柱凹槽，凹模座为半圆形，两个凹模座构成圆形凹模；凹模内衬为120°的扇形，3个凹模内衬构成圆形内衬布置在凹模座的内壁上；底板的顶面加工有与定位挡匹配的凹槽，定位挡安装在凹槽内；凹槽内加工有螺栓孔，压板放置于定位挡的上面，通过螺栓将其紧固；凹模放置在底板上，通过定位挡限位；底板在正中间位置设置有芯柱凹槽，芯柱为倒圆锥形，底部平台下表面设有限位台阶，限位台阶与芯柱凹槽配合对芯柱进行限位；芯柱内衬为120°的扇形，3个芯柱内衬包裹在芯柱外壁，3个芯柱内衬围成一个圆柱形整体；凸模衬板固定安装在凸模座上，构成凸模；凸模、凹模和芯柱及芯柱内衬合模后，凸模衬板与凹模内衬的间隙和凸模衬板与芯柱内衬的间隙均为0.1mm。/n

【技术特征摘要】
1.一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：包括底板、凹模内衬、凹模座、凸模座、定位挡、压板、芯柱、芯柱内衬、凸模衬板、芯柱凹槽，凹模座为半圆形，两个凹模座构成圆形凹模；凹模内衬为120°的扇形，3个凹模内衬构成圆形内衬布置在凹模座的内壁上；底板的顶面加工有与定位挡匹配的凹槽，定位挡安装在凹槽内；凹槽内加工有螺栓孔，压板放置于定位挡的上面，通过螺栓将其紧固；凹模放置在底板上，通过定位挡限位；底板在正中间位置设置有芯柱凹槽，芯柱为倒圆锥形，底部平台下表面设有限位台阶，限位台阶与芯柱凹槽配合对芯柱进行限位；芯柱内衬为120°的扇形，3个芯柱内衬包裹在芯柱外壁，3个芯柱内衬围成一个圆柱形整体；凸模衬板固定安装在凸模座上，构成凸模；凸模、凹模和芯柱及芯柱内衬合模后，凸模衬板与凹模内衬的间隙和凸模衬板与芯柱内衬的间隙均为0.1mm。


2.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述凹模组合形成的圆形直径较压制的环形砌块外径小1～2mm。


3.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述3个芯柱内衬组合后的直径较压制成的环形砌块内径大1～2mm。


4.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述凹模座和凹模内衬的设计高度为拟压制砌块高度的2倍，再加上1～2cm的导向高度；所述芯柱内衬的高度与凹模高度一致；所述凸模座和凸模衬板的整体设计高度要大于凹模高度5～10cm。


5.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述凹模座、凸模座、定位挡、压板和芯柱的材质为45#钢，所述凹模内衬、凸模衬板、芯柱内衬和底板采用4Cr13材料。


6.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述凹模内衬、凸模衬板、芯柱内衬和底板与压制的环形砌块膨润土接触，淬火硬度为HRC55-60，淬硬层不低于5mm。


7.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述底板和凸模平面度不大于0.2mm，凹模与底板之间的配合面与凹模内侧壁的垂直度不大于0.2mm。


8.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述凹模内衬顶部均设置吊环孔，便于吊装；凹模座内侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构，凹模内衬外侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构与凹模座斜面结构配合以方便吊装和拆卸。


9.根据权利要求1所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具，其特征在于：所述芯柱外侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构，芯柱内衬的内侧采用倾斜角为8.7°的斜面结构与芯柱斜面结构配合。


10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种米级尺度缓冲材料环形砌块压制模具的砌块制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、模具组装
首先把所有部件清理干净，将底板水平放置于可承重地面上；将定位挡放置于底板的凹槽内；将三个凹模内衬按圆形形状在底板的中央位置组合成一个圆形；将2个凹模座沿着定位挡和凹模内衬缓慢下放至底板上，使之嵌套在凹模内衬组成的圆形外侧，再利用螺栓将整个凹模紧固成型；将压板放置于定位挡的上面紧固，压紧凹模座防止其向上移动；将吊环与芯柱连接，将芯柱对齐底板中央的芯柱凹槽内缓慢下放；将吊环与3个芯柱内衬连接，分别吊装至芯柱的四周，采用圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘月妙，曹胜飞，高玉峰，马利科，李冬伟，
申请(专利权)人：核工业北京地质研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11