膨潤土加砂混合物膨脹特征試驗(yàn)研究

胡 畔，楊 慶

（1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部土木工程學(xué)院巖土工程研究所，大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024）

1 引 言

在高放射性核廢料深處置庫中，膨潤土加砂混合物由于其高膨脹性、低滲透性、吸附性、強(qiáng)離子交換能力、低擴(kuò)散性等優(yōu)點(diǎn)通常被認(rèn)為是理想的核廢物緩沖回填材料[1－2]。膨潤土加砂混合物的力學(xué)性質(zhì)主要是由膨潤土的基本性質(zhì)所決定的，砂的加入使膨潤土加砂混合物產(chǎn)生的膨脹力比相同干密度條件下的純膨潤土產(chǎn)生的膨脹力要小，同時砂可以增強(qiáng)緩沖和回填材料的導(dǎo)熱性能，防止其干裂[3]。另外，膨潤土加砂混合物比純膨潤土具有更高的結(jié)構(gòu)完整性和剛度，并且更加經(jīng)濟(jì)。

Graham 等[4]通過三軸和一維膨脹試驗(yàn)對膨潤土加砂混合物的強(qiáng)度和體積變化進(jìn)行了研究。Hussain等[5]通過壓縮試驗(yàn)對膨潤土加砂混合物的膨脹和壓縮特性進(jìn)行了研究。徐永福等[1]用固結(jié)儀完成了膨潤土及其與砂混合物的一系列膨脹變形試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果得到了蒙脫石孔隙比與上覆壓力的通用表達(dá)式。劉泉聲等[6]初步研究了砂－膨潤土混合物在不同含水率、膨潤土含量和干密度狀態(tài)下的膨脹性能。李培勇等[7]通過有荷膨脹試驗(yàn)，對膨潤土加砂混合物的膨脹特性進(jìn)行了研究，分析了膨脹應(yīng)變與軸向應(yīng)力、膨脹應(yīng)變與吸水量以及軸向應(yīng)力與吸水量之間的關(guān)系。崔紅斌等[8]根據(jù)大量室內(nèi)試驗(yàn)研究了膨潤土摻砂混合料作為緩沖材與填埋材的遇水膨脹力、膨脹變形量等問題。

由于在核廢料貯存期間，貯存庫的圍巖有可能發(fā)生開裂，因而緩沖材料必須具有膨脹性[2]。膨脹力是評價膨潤土加砂混合物膨脹性的重要參數(shù)，同時也是設(shè)計(jì)高放廢物深處置庫的基本參數(shù)。國內(nèi)外對膨潤土及其加砂混合物的膨脹力規(guī)律的研究幾乎都限于一維狀態(tài)，即只考察一個方向的膨脹力，這不能很好地反映處置庫中膨潤土加砂混合物各向異性的狀態(tài)。

本文使用大連理工大學(xué)巖土所自行設(shè)計(jì)并改進(jìn)的新型膨脹儀量測膨潤土加砂混合物吸水膨脹過程中的膨脹力、膨脹應(yīng)變及吸水量。楊慶[9]利用該儀器進(jìn)行了重塑膨脹巖土側(cè)限膨脹試驗(yàn)并對膨脹本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了探討。本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證前人的一些研究成果并對膨潤土加砂混合物吸水膨脹過程中膨脹力隨時間變化規(guī)律、兩向膨脹力之間的關(guān)系以及膨脹應(yīng)變與時間和吸水量的關(guān)系進(jìn)行了初步的研究。

2 儀器簡介與試驗(yàn)材料及步驟

2.1 儀器組成

試驗(yàn)所用的側(cè)限膨脹儀實(shí)體照片見圖 1，有關(guān)儀器的結(jié)構(gòu)圖見文獻(xiàn)[9]。

圖1 側(cè)限膨脹試驗(yàn)儀Fig.1 Confined swelling test apparatus

試驗(yàn)設(shè)備由盛樣系統(tǒng)、吸水量測系統(tǒng)、軸壓以及軸向應(yīng)變量測系統(tǒng)和側(cè)壓量測系統(tǒng)組成。盛樣系統(tǒng)包括底座、試樣環(huán)、O型橡膠圈、頂蓋以及螺桿、透水石等。試樣環(huán)與頂蓋、底座通過3根螺桿連在一起，O型橡膠圈主要是為了起到密封水的作用。吸水量測系統(tǒng)是由鐵支架、滴定管、進(jìn)水管和量筒等組成，可以由滴定管的讀數(shù)獲得試樣的吸水量。軸壓以及軸向應(yīng)變量測系統(tǒng)由傳感器、軸向百分表和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀組成，目的是量測試樣的軸向壓力和軸向應(yīng)變。側(cè)壓量測系統(tǒng)由傳力桿、BPR-2型壓力傳感器、YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀組成。為了保證精確讀數(shù)，傳力桿的兩端應(yīng)分別與試樣環(huán)的內(nèi)壁和傳感器緊密貼合。在試驗(yàn)開始前要預(yù)先標(biāo)定好電阻應(yīng)變儀讀數(shù)與軸向壓力及側(cè)向壓力之間的關(guān)系。

2.2 試驗(yàn)材料及試樣制備

本試驗(yàn)所采用的膨潤土產(chǎn)于遼寧省黑山縣，為鈣基膨潤土，主要由蒙脫石和方英石組成。試驗(yàn)所采用的砂為福建標(biāo)準(zhǔn)砂。膨潤土和標(biāo)準(zhǔn)砂的主要物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)列于表1、2。膨潤土和標(biāo)準(zhǔn)砂均在105 ℃下烘干24～48 h后稱取并加蒸餾水制樣。

為了研究干密度和膨潤土含量對膨脹力以及膨脹應(yīng)變的影響，共制作兩組試樣。第1組4個，保持配合比為50 : 50，膨潤土加砂混合物的干密度分別控制在1.15、1.30、1.52、1.64 g/cm3，用于膨脹力試驗(yàn)。第2組5個，保持干密度為1.52 g/cm3，膨潤土與砂的配合比分別控制為50 : 50、40 : 60、30 :70、20 : 80、10 : 90，用于膨脹應(yīng)變試驗(yàn)。

表1 膨潤土的基本物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of bentonite

表2 福建標(biāo)準(zhǔn)砂的基本物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of Fujian standard sand

2.3 試驗(yàn)步驟

（1）在側(cè)限膨脹儀底座中放好不銹鋼墊片、透水石和濾紙，裝好試樣環(huán)并放上O型橡膠圈。

（2）把模具環(huán)刀卡在試樣環(huán)頂部，均勻用力把環(huán)刀中的試件推入到試樣環(huán)中，防止推入過程中沖擊試件。然后在試樣上部放上濾紙、上透水石和傳壓鋼片，放上頂蓋并擰緊3根螺桿。

（3）安裝傳力桿、軸向壓力傳感器以及側(cè)向壓力傳感器，使儀器各部分接觸良好。接好兩臺電阻應(yīng)變儀，預(yù)熱30 min并調(diào)零，準(zhǔn)備進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)。

（4）把進(jìn)水管連在滴定管上，打開下排氣管和滴定管閥門，用量筒向滴定管內(nèi)注水。通過進(jìn)水以排出進(jìn)水管及下透水石中的空氣。當(dāng)水從下排氣管溢出時，立刻關(guān)閉下排氣管，并記錄此時的滴定管讀數(shù)和時間。

（5）按照一定時間間隔，測記滴定管讀數(shù)和應(yīng)變儀讀數(shù)，直至試樣膨脹穩(wěn)定。

（6）卸下軸向壓力傳感器，換上軸向百分表，按照同樣的方法對第2組試樣進(jìn)行膨脹應(yīng)變試驗(yàn)，并按照一定的時間間隔記錄百分表讀數(shù)和滴定管讀數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 膨脹力隨時間變化規(guī)律

重塑土的單向壓實(shí)試樣在制樣過程中會造成試樣的各向異性，通過吸水膨脹過程中產(chǎn)生的膨脹力表現(xiàn)出來，即豎向膨脹力與水平向膨脹力可能不同。試驗(yàn)得到的膨潤土加砂混合物典型的膨脹力隨時間變化曲線如圖2所示。在試驗(yàn)初期膨脹力隨時間增長較快，中后期增長趨于平緩。本試驗(yàn)中的電阻應(yīng)變儀采用干電池供電，由于干電池容量的限制，應(yīng)變儀不能長期連續(xù)觀測（一組電池的持續(xù)供電時間約為60 h），為了延長電池的使用時間，在讀數(shù)時間間隔較長（如夜間）的情況下關(guān)閉電阻應(yīng)變儀，下一次讀數(shù)前對應(yīng)變儀預(yù)熱30 min。圖2中豎向膨脹力曲線出現(xiàn)的波動即沒預(yù)熱到30 min讀數(shù)所致。而水平向膨脹力本身相對數(shù)值較小，所以這一影響不是很明顯。

圖2 典型的膨脹力隨時間變化曲線Fig.2 Typical evolution curves of swelling pressure with time

3.2 豎向與水平向膨脹力之間的關(guān)系

對于不同干密度的膨潤土加砂混合物，其豎向膨脹力隨時間變化的情況如圖3所示。當(dāng)干密度較大（大于 1.52 g/cm3）時，在試驗(yàn)的初始階段豎向膨脹力增長比較快，在中間一段時間膨脹力的增長幾乎停滯，在時程曲線中出現(xiàn)兩個“平臺”，這與Pusch[10]提出的對于高干密度試樣存在的時程曲線相似。對于干密度較小的混合物，在200 min以后，膨脹力達(dá)到峰值并幾乎保持不變，沒有觀察到類似較大干密度試樣的峰值平臺。

圖3 豎向膨脹力隨時間變化過程曲線Fig.3 Evolution curves of vertical swelling pressure with time

不同干密度的膨潤土加砂混合物，其水平向膨脹力隨時間變化曲線如圖4所示。對于初始干密度為1.15 g/cm3的膨潤土加砂混合物，其水平向與豎向膨脹力隨時間發(fā)展趨勢基本一致，并且最終膨脹力的峰值也基本相等；其他干密度的膨潤土加砂混合物，其水平向膨脹力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向膨脹力。高干密度試樣中水分的遷移較低干密度試樣困難得多，所以在膨脹的初始階段出現(xiàn)了隨著干密度的增大而增長速度變緩的現(xiàn)象。干密度為1.64 g/cm3時，雖然水分的遷移滲透非常緩慢，但相對低干密度試樣較少的水分運(yùn)移就會導(dǎo)致宏觀上水平向膨脹力的增長，所以出現(xiàn)了圖4初始階段的情形。

圖4 水平向膨脹力隨時間變化過程曲線Fig.4 Evolution curves of horizontal swelling pressure with time

水平向與豎向膨脹力之比與干密度之間的關(guān)系如圖5所示。隨著試樣初始干密度的增大，水平向與豎向膨脹力之比逐漸減小，即試樣的各向異性更加顯著。對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得水平向與豎向膨脹力之比與干密度近似呈線性關(guān)系，有如下擬合公式：

式中：Phv為水平向與豎向膨脹力之比；ρd為膨潤土加砂混合物的干密度。

對于單向壓實(shí)的重塑試樣，豎向與水平向膨脹力一般不同，即試樣會出現(xiàn)各向異性。對于干密度較小的試樣，顆粒之間存在較大的孔隙，孔隙的填充主要是靠顆粒之間的滑移和膨脹性礦物蒙脫石的吸水膨脹。在制樣過程中，膨潤土顆粒受到的作用力沒有明顯的方向性，所以吸水膨脹過程中不會表現(xiàn)出各向異性，豎向與水平向膨脹力基本相同。對于干密度較大的試樣，由于單向壓實(shí)制樣，膨潤土加砂混合物的顆粒將受到很大的豎向作用力，由于顆粒之間的孔隙很小，膨潤土中大部分蒙脫石晶胞將會垂直于壓實(shí)方向排列，吸水膨脹過程中表現(xiàn)出很大的豎向作用力。因此，豎向膨脹力將大于水平向膨脹力?；旌衔锔擅芏仍酱?，蒙脫石晶胞的定向排列越顯著，所以水平向與豎向膨脹力之比也就越小，試樣呈現(xiàn)出明顯的各向異性性質(zhì)。

圖5 水平向膨脹力與豎向膨脹力之比與干密度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the ratio of horizontal and vertical swelling pressure and dry density

3.3 不同膨潤土含量的膨脹應(yīng)變變化情況

不同膨潤土含量的膨潤土加砂混合物的膨脹應(yīng)變隨時間變化過程曲線如圖6所示。由圖可以看出，膨脹應(yīng)變與時間呈雙曲關(guān)系，并且隨著膨潤土含量的增加而增大。膨脹應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線可以用下面的雙曲線公式進(jìn)行擬合[11]。

式中：t為從供水開始所經(jīng)歷的時間；ε為在時間t時的膨脹應(yīng)變；a和b是擬合常數(shù)。對于膨潤土含量為 30%，40%，50%的膨潤土加砂混合物，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果很好。

圖6 膨脹應(yīng)變隨時間變化過程曲線Fig.6 Evolution curves of swelling strain with time

最大膨脹應(yīng)變εmax可以通過膨脹應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線的漸近線獲得。

式中：εmax為最大膨脹應(yīng)變。

圖7 最大膨脹應(yīng)變與膨潤土含量之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between the maximum swelling strain and bentonite content

在相同干密度條件下（ρd=1.52 g/cm3），膨潤土加砂混合物的最大膨脹應(yīng)變與膨潤土含量的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，膨潤土加砂混合物的最大膨脹應(yīng)變與膨潤土含量成指數(shù)關(guān)系，擬合公式為

式中：α為膨潤土加砂混合物的膨潤土含量。

3.4 膨脹應(yīng)變與吸水量的關(guān)系

膨潤土加砂混合物的膨脹變形主要是由膨潤土中膨脹性黏土礦物蒙脫石的吸水膨脹引起的。對于不同膨潤土含量的膨潤土加砂混合物，其膨脹應(yīng)變與吸水量的關(guān)系曲線如圖8所示。隨著吸水量的增加，其膨脹應(yīng)變也不斷增長，并且二者近似呈S型曲線關(guān)系，用波爾茲曼方程（5）擬合的效果很好。這與此前有關(guān)學(xué)者[7]提出的膨脹應(yīng)變與吸水量的線性關(guān)系有出入，還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖8 膨脹應(yīng)變與吸水量之間的關(guān)系曲線Fig.8 Relationships between swelling strain and water absorption

由圖8可以看出S型曲線的3個階段：緩慢增長階段、急劇增長階段和基本穩(wěn)定階段。膨潤土含量較低時，隨著吸水量的增加，膨脹應(yīng)變增長非常緩慢，并且最終趨于常值；膨潤土含量較高時，較少的吸水量就能產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)變，最終膨脹應(yīng)變的增長也漸趨穩(wěn)定。

4 討 論

4.1 膨潤土加砂混合物膨脹機(jī)制的討論

膨潤土加砂混合物主要由蒙脫石、石英、方解石組成，而蒙脫石是主要的膨脹黏土礦物。砂石顆粒形成骨架，膨潤土填充在砂骨架的孔隙中，而孔隙主要由空氣和自由水占據(jù)。蒙脫石顆粒隨著水吸入夾層而體積增大并填充混合物中的孔隙。膨脹黏土顆粒的膨脹主要是由黏土表面水化引起的膨脹和滲透性膨脹組成，黏土表面的水化膨脹主要是由黏土礦物晶層表面吸附水分子，增大晶層間距引起的膨脹；而滲透性膨脹是由于水的滲透作用使水分子進(jìn)入黏土礦物晶層間引起的，這時的膨脹主要靠雙電層斥力的作用。因?yàn)榕驖櫷良由盎旌衔锏目傮w積是受限制的，所以這一過程并不增加其總體積。完全填充滿孔隙以后，混合物中的膨脹黏土顆粒體積不再變化，由膨脹黏土顆粒引起的膨脹壓力可以作為膨潤土加砂混合物的膨脹力來量測。

4.2 較大密度膨潤土加砂混合物豎向膨脹力-時間關(guān)系曲線特征的討論

較大干密度試樣的豎向膨脹力-時間關(guān)系曲線會出現(xiàn)兩個“平臺”，現(xiàn)對該特征進(jìn)行說明：在膨脹力隨時間增長的過程中，主要有兩方面的作用阻止和延緩其增長。首先，在試樣的總體積變化受到限制的條件下，試樣表層接觸水后，膨潤土中的蒙脫石顆粒吸收水分開始水化并迅速向混合物顆粒之間的孔隙進(jìn)行膨脹，逐漸減小顆粒之間的孔隙。最終會使混合物表層土體附近的滲透系數(shù)很低，減慢水分向試樣中間部分的進(jìn)一步滲透。其次，試樣中間部分膨潤土中的蒙脫石顆粒首先要吸水膨脹以填充試樣內(nèi)部的孔隙，孔隙填充滿以后才能產(chǎn)生宏觀的膨脹力。對于高干密度試樣曲線的第一個“平臺”主要是前者作用的結(jié)果，這時的膨脹力主要是表層膨脹黏土顆粒引起的膨脹力，而且試樣中的水分向內(nèi)部運(yùn)移要比低干密度試樣困難，所以膨脹力有一段時間幾乎保持常值不變。而高干密度試樣內(nèi)部的蒙脫石顆粒需要較長的時間克服低滲透性吸收水分，試樣內(nèi)部的孔隙逐步被水化后膨脹的蒙脫石顆粒填充。這一段時間膨脹力的變化很小，因此，在豎向膨脹力-時間關(guān)系曲線中出現(xiàn)又一個“平臺”的現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

（1）膨潤土加砂混合物的膨脹力以及膨脹應(yīng)變主要取決于混合物的初始干密度和膨潤土含量。在相同的膨潤土含量條件下，干密度為1.64 g/cm3的混合物的水平向膨脹力是干密度為1.15 g/cm3的混合物的水平向膨脹力的6.8倍，而豎向膨脹力是其18.5倍。在相同的混合物初始干密度條件下，膨潤土含量為50%的混合物的膨脹應(yīng)變是膨潤土含量為10%的混合物的膨脹應(yīng)變的5倍。所以初始干密度和膨潤土含量是膨潤土加砂混合物膨脹特性的重要影響因素。

（2）干密度較?。?.15 g/cm3）的膨潤土加砂混合物，其水平向與豎向膨脹力隨時間的發(fā)展趨勢基本一致，并且最終膨脹力的峰值也基本相等；對于較大干密度的混合物，其水平向膨脹力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向膨脹力。試樣的水平向與豎向膨脹力之比隨著試樣干密度的增大而減小，并且與干密度近似呈線性關(guān)系。隨著干密度的增大，試樣的各向異性越來越顯著。

（3）膨潤土加砂混合物中的膨潤土含量越高，膨脹應(yīng)變增長越快，最終達(dá)到的峰值膨脹應(yīng)變也越大。不同膨潤土含量的膨潤土加砂混合物的膨脹應(yīng)變與時間呈雙曲線關(guān)系，并且其最大膨脹應(yīng)變與膨潤土含量成指數(shù)關(guān)系。

（4）隨著吸水量的增加，不同膨潤土含量的膨潤土加砂混合物的膨脹應(yīng)變不斷增長，并且隨吸水量近似呈S型曲線關(guān)系。這與此前有關(guān)學(xué)者提出的膨脹應(yīng)變與吸水量的線性關(guān)系有出入，估計(jì)是混合物中膨潤土的性質(zhì)以及制樣方法的不同造成的，今后將對這一方面做進(jìn)一步的研究。

（5）本文的研究工作是對一維膨脹研究的補(bǔ)充，能反映出高放廢物處置庫中膨潤土加砂混合物各向異性的狀態(tài)，為緩沖回填材料的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

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