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高温下钙蒙脱石膨胀特性的分子动力学模拟

杨亚帆 王建州 商翔宇 王涛 孙树瑜

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高温下钙蒙脱石膨胀特性的分子动力学模拟

杨亚帆, 王建州, 商翔宇, 王涛, 孙树瑜

Molecular Dynamics Simulation of the Swelling Properties of Ca-Montmorillonite at High Temperatures

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-24
  • 上网日期:  2021-11-08

高温下钙蒙脱石膨胀特性的分子动力学模拟

  • 1. 中国矿业大学,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
  • 2. State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Ming and Technology, Xuzhou 221000, China
  • 3. 阿卜杜拉国王科技大学
    基金项目: 国家级-基于数字岩心和Peng-Robinson状态方程的孔隙级多相多组分渗流模拟研究(51874262)

摘要: 高温下蒙脱石的膨胀特性在核废料深部封存、二氧化碳封存及页岩气开发等应用中有着重要影响, 但相关机理尚不明确. 本项工作使用分子动力学模拟为技术手段计算5 MPa和298-500 K等条件下, 1.40-4.00 nm 晶面间距(d)的一系列饱和钙蒙脱石的膨胀压力. 我们以模拟所得的数值结果为依据, 基于水化效应、双电层效应和离子关联效应等模型推演膨胀压力随温度与d的变化规律, 并与相应的实验数据进行对比. 模拟结果表明, 当d较小时, 因为高温会弱化水化力的强度, 钙蒙脱石膨胀压力震荡的幅度降低, 同时水化力作用的d的范围减小. 当d较大时, 因为高温强化离子关联效应, 膨胀压力降低, 同时双电层力的作用的d的范围增加. 在较高温度和较大d时, 膨胀压力为收缩力, 阻碍膨胀. 这些膨胀压力的变化规律与前期钠蒙脱石体系的研究类似. 然而, 通过对比两种蒙脱石体系的模拟结果, 我们发现两种体系存在显著的差异——钙蒙脱石比钠蒙脱石更难膨胀到较大的d. 此模拟结果与前人实验观测的结果相符. 我们进一步将此差异归于钙蒙脱石的离子关联效应要远大于钠蒙脱石. 有别于分子模拟中对于离子关联效应的精确描述, 连续化的Poisson-Boltzmann 方程因为忽略了离子关联效应, 从而无法表达出与两种体系模拟结果都相吻合的膨胀压力变化规律.

English Abstract

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