壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊單軸壓縮力學(xué)性能研究

高玉峰，劉月妙，馬利科，謝敬禮，曹勝飛，佟強(qiáng)，羅鵬程

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核集團(tuán)高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊單軸壓縮力學(xué)性能研究

高玉峰，劉月妙，馬利科，謝敬禮，曹勝飛，佟強(qiáng)，羅鵬程

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核集團(tuán)高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

膨潤(rùn)土是高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)中不可缺少的工程屏障材料，是確保處置庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定的保障。為了研究膨潤(rùn)土壓實(shí)砌塊力學(xué)性能變化規(guī)律，對(duì)壓實(shí)砌塊不同部位采用不同加載速率進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:壓實(shí)膨潤(rùn)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)干密度的增大而呈指數(shù)增大，干密度為1.75 g·cm-3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)8.01 MPa；試樣上部應(yīng)變變化量明顯小于下部；體積應(yīng)變隨應(yīng)力增大而先增大后減小，中、下部變化更為明顯；壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊彈性參數(shù)變化保持同步；試樣下部彈性模量最小，泊松比最大。

高放廢物地質(zhì)處置；高廟子膨潤(rùn)土；力學(xué)性能；單軸壓縮；壓實(shí)砌塊

隨著我國(guó)核能事業(yè)的飛速發(fā)展，高放廢物的處理和處置，已成為公眾關(guān)心的一個(gè)重大安全和環(huán)保問(wèn)題。安全處置高放廢物是核能可持續(xù)發(fā)展的重要保障［1-2］。經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，目前普遍接受的可行方案是深部地質(zhì)處置，即把高放廢物埋在距離地表深約500～1 000 m的地質(zhì)體中，使之永久與人類的生存環(huán)境隔離。埋藏高放廢物的地下工程即稱為“高放廢物處置庫(kù)”［3］。處置庫(kù)中的膨潤(rùn)土壓實(shí)緩沖材料砌塊必定受到廢物罐重力和地應(yīng)力等影響，發(fā)生壓縮、拉伸變形破壞等力學(xué)作用。因此，為確保高放廢物地質(zhì)處置長(zhǎng)期穩(wěn)定性，研究處置庫(kù)中膨潤(rùn)土壓實(shí)砌塊力學(xué)性能顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)膨潤(rùn)土力學(xué)性能做了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)膨潤(rùn)土力學(xué)特性與含水率、壓實(shí)干密度、壓實(shí)壓力及蒙脫石含量等因素密切關(guān)系。隨試樣含水率增大，試樣的變形模量減小，峰值強(qiáng)度降低，泊松比增大［4］，特定壓實(shí)密度的膨潤(rùn)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而減?。?-6］。對(duì)不同含水率條件下壓實(shí)成型性研究，發(fā)現(xiàn)15%為最佳含水率［7］。對(duì)內(nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土的壓實(shí)特性研究，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土樣品的壓實(shí)密度與壓制壓力和蒙脫石含量有關(guān)，壓實(shí)密度隨壓實(shí)壓力的增大而增大，隨蒙脫石含量升高而減小［8］。扇形和立方體壓實(shí)土塊壓實(shí)壓力隨著壓實(shí)干密度增加而呈現(xiàn)指數(shù)增加；壓實(shí)干密度相近情況下，扇形壓實(shí)塊體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度稍大［9］。但均未研究壓實(shí)塊體不同部位的應(yīng)力應(yīng)變變化。

另外，壓實(shí)膨潤(rùn)土強(qiáng)度較大，高于部分軟巖的強(qiáng)度，軟巖試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量及泊松比隨著應(yīng)變速率的增加均有增加的趨勢(shì)［10］；與巖石特征應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨應(yīng)變率的增大而增大，特征應(yīng)力基本不隨應(yīng)變率的變化而變化［11］。對(duì)巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)試樣不同位置的徑向變形數(shù)值是不等的［12］。

以我國(guó)內(nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土礦床［13］膨潤(rùn)土為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定試樣局部應(yīng)力應(yīng)變，研究壓實(shí)膨潤(rùn)土圓柱形砌塊不同部位以及不同加載速率下的力學(xué)性能變化規(guī)律，從而確保制備的壓實(shí)砌塊滿足處置庫(kù)工程需求。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)樣品是我國(guó)內(nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土礦床地下天然鈉基膨潤(rùn)土（GMZ07Na-膨潤(rùn)土），天然樣品自然風(fēng)干，粉碎到200目，在加工過(guò)程中，去掉了部分不易粉碎的雜質(zhì)礦物。樣品為淺灰白色，化學(xué)成分以SiO2、Al2O3和H2O為主。X衍射譜圖分析表明，主要礦物為蒙脫石（70.80%）、石英（12.4%）、長(zhǎng)石（10.6%）、方英石（6.2%）。樣品的陽(yáng)離子交換容量為72.86 mmol/100 g，可交換性陽(yáng)離子以Na＋為主，可達(dá)33.71 mmol/100 g，其次為Ca2＋和Mg2＋，分別為23.66和11.17 mmol/100g，還有少量的K＋。

表1 高廟子膨潤(rùn)土壓縮性能Table1Uniaxial compressibility of GMZ bentonite

圖1 壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣Fig.1The sample of compacted bentonite

試驗(yàn)采用圓柱形試樣，試樣壓制情況見(jiàn)表1，壓制密度為1.40、1.60和1.75 g·cm-3，其尺寸規(guī)格為D＝50 mm，h＝100 mm（圖1）。試樣制備時(shí)，按預(yù)定的壓制干密度，用天平稱量一定質(zhì)量的初始含水率為9.7%的膨潤(rùn)土，放入壓制模具內(nèi)單向壓制，并規(guī)定試樣壓制時(shí)模具壓頭接觸端為試樣上部，另一端為試樣下部，軸向位置分別為h＝10 cm及h＝0 cm。同時(shí)，試驗(yàn)采用兩種不同的加載方式，分別為0.2 mm/min應(yīng)變加載和1.2 kN/min的應(yīng)力加載。

試驗(yàn)樣品上應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖2。其中，由上到下，同軸三對(duì)式監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在軸向7、5和3 cm處，同軸四對(duì)式監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在軸向8、6、4和2 cm處。

圖2 應(yīng)變片分布示意圖Fig.2Sketch of Strain gages pasted

1.2 試驗(yàn)操作

將試樣從密封袋中取出，重新測(cè)量直徑、高度和重量，并做好記錄。試驗(yàn)機(jī)的上、下兩端分別安裝并調(diào)平壓盤后，將試樣放到試驗(yàn)臺(tái)上。開(kāi)啟壓力機(jī)后，利用計(jì)算機(jī)控制使上壓板勻速向下移動(dòng)，在試樣上表面約2 mm的位置處停止。點(diǎn)擊開(kāi)始試驗(yàn)后，上壓板先以5 mm/min的速度下移，當(dāng)上壓板與試樣頂面接觸并開(kāi)始受力時(shí)，下移速度調(diào)為設(shè)定試驗(yàn)速度0.2 mm/min，并開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)記錄的數(shù)據(jù)出現(xiàn)峰值時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行3%軸向應(yīng)變后停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變

圖3為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度變化關(guān)系曲線。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)干密度為1.40 g·cm-3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.60 MPa，當(dāng)干密度為1.60 g/cm3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.13 MPa，當(dāng)干密度為1.75g·cm-3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)8.01 MPa；劉月妙等［7］采用應(yīng)變片和應(yīng)變計(jì)法得出壓實(shí)膨潤(rùn)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度變化數(shù)值偏?。▓D3），這可能是含水率等差異所致。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同應(yīng)變速率的試樣，隨壓實(shí)干密度增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)增大。其擬合方程見(jiàn)公式（1）。

圖3 壓實(shí)膨潤(rùn)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度關(guān)系曲線Fig.3Relationship between uniaxial strength and dry density of compacted bentonite

式中:σc—試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；ρ—試件干密度，g·cm-3。

另外，任廣元等［9］對(duì)扇形體砌塊研究發(fā)現(xiàn)，含水率為7.2%的扇形體的壓實(shí)壓力與壓實(shí)干密度也存在指數(shù)關(guān)系。

由此，筆者可以進(jìn)一步研究滿足處置庫(kù)需求的干密度和砌塊制備工藝。

圖4是表征試樣不同位置應(yīng)力應(yīng)變變化關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣應(yīng)變與軸向位置有關(guān)。由圖4可見(jiàn)，隨應(yīng)力增大，軸向及橫向應(yīng)變呈明顯的線性變化，其中，橫向應(yīng)變量由上到下呈逐漸增大，而軸向應(yīng)變表現(xiàn)為下部最大，中部次之，上部最??；軸向應(yīng)變變化更為明顯，可達(dá)橫向應(yīng)變的2～4倍，且隨應(yīng)力增大其趨勢(shì)更為明顯；整體表現(xiàn)為，同一試樣，上部的軸向及橫向應(yīng)變明顯小于下部。

根據(jù)軸向應(yīng)變?chǔ)舎以及橫向應(yīng)變?chǔ)興計(jì)算出體積應(yīng)變?chǔ)舦，計(jì)算公式為:εv＝εh＋2εd。

體積應(yīng)變隨應(yīng)力增大先增大后減小，兩端增大階段明顯，中、下部減小階段明顯，中、下部體積應(yīng)變峰值較上部更為明顯（圖4）。

圖4 應(yīng)變片不同分布部位膨潤(rùn)土應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.4The stress-strain curves of compacted bentonite with different parts of strain gages pasted

2.2 彈性模量

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)膨潤(rùn)土彈性模量與軸向分布和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在一定關(guān)系。從彈性模量分布圖（圖5）可以看出，同一試樣，上部彈性模量明顯大于下部，且上部較下部增加約50%，而中部差異較?。粔簩?shí)膨潤(rùn)土圓柱形砌塊下部彈性模量最小，說(shuō)明在一定的應(yīng)力作用下，砌塊遠(yuǎn)離壓實(shí)端的彈性變形會(huì)最大，最容易發(fā)生破壞，需要格外注意。

溫志堅(jiān)等［5］研究發(fā)現(xiàn)含水率為8%和13%的壓實(shí)膨潤(rùn)土整個(gè)樣品彈性模量隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大而增大。而本試驗(yàn)范圍內(nèi)，局部彈性模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯的線性關(guān)系，還需要后續(xù)系統(tǒng)工作來(lái)解決；不同分布部位的彈性模量隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化而保持較好的同時(shí)性（圖6），說(shuō)明壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊受力均勻。

圖5 壓實(shí)膨潤(rùn)土彈性模量分布圖Fig.5The diagram of elastic modulus of compacted bentonite in different parts

圖6 不同部位彈性模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.6Relationship between elastic modulus and unconfined compressive strength in different parts

圖7 應(yīng)變加載下不同部位泊松比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.7Relationship between passion ratio and unconfined compressive strength in different parts under strain loading

2.3 泊松比

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)膨潤(rùn)土泊松比與軸向位置、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及加載方式等相關(guān)。

應(yīng)變加載時(shí)，泊松比隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大略有增大，當(dāng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.2 MPa時(shí)，泊松比最大，說(shuō)明此時(shí)橫向變形比軸向變形增長(zhǎng)更為明顯（圖7）；應(yīng)力加載時(shí)，泊松比隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大變化不明顯，軸向8cm處泊松比明顯最小，表現(xiàn)出上部泊松比明顯小于中下部（圖8）。整體來(lái)看，在一定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度范圍內(nèi)，采用兩種加載方式，泊松比無(wú)明顯線性變化，而只表現(xiàn)出上部泊松比明顯小于中下部。

綜上所述，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，筆者可以得到:不同加載速率下，壓實(shí)膨潤(rùn)土力學(xué)特性在軸向分布存在明顯規(guī)律性:下部的軸向及橫向應(yīng)變明顯大于上部，體積應(yīng)變變化最明顯，彈性模量最小，泊松比最大，說(shuō)明在一定的應(yīng)力作用下，試樣下部的彈性變形會(huì)最大，最容易發(fā)生破壞。另外，從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干密度呈指數(shù)變化關(guān)系，可以初步得出壓實(shí)砌塊的干密度等物理量需滿足處置庫(kù)需求的范圍及部分力學(xué)參數(shù)的范圍。下一步還需要結(jié)合實(shí)際處置庫(kù)工程，進(jìn)一步驗(yàn)證這些力學(xué)性能的變化規(guī)律，從而確保砌塊受力變形破壞規(guī)律滿足實(shí)際處置庫(kù)工程需求。

圖8 應(yīng)力加載下不同部位泊松比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.8Relationship between passion ratio and unconfined compressive strength in different parts under stress loading

3 結(jié)論

針對(duì)壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊力學(xué)性能在軸向分布存在的規(guī)律性，進(jìn)行了不同加載速率下單軸壓縮試驗(yàn)，獲得了壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊不同部位的力學(xué)參數(shù)，分析了壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊的力學(xué)特性規(guī)律，獲得如下主要結(jié)論。

壓實(shí)高廟子鈉基膨潤(rùn)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)干密度有關(guān)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)干密度的增大而呈指數(shù)增大。干密度為1.60 g·cm-3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.13 MPa，干密度為1.75 g·cm-3時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)8.01 MPa。

壓實(shí)膨潤(rùn)土應(yīng)變與軸向位置有關(guān)。試樣應(yīng)變上部明顯小于下部，體積應(yīng)變隨應(yīng)力增大先增大后減小，中、下部變化較上部更為明顯。

壓實(shí)膨潤(rùn)土砌塊彈性參數(shù)變化保持同步。彈性參數(shù)與軸向分布、壓實(shí)干密度及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在一定關(guān)系。彈性模量隨無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大而增大；試樣下部彈性模量最小，泊松比最大。

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Mechanical property of highly compacted bentonite blocks under uniaxial compression

GAO Yufeng，LIU Yuemiao，MA Like，XIE Jingli，CAO Shengfei，TONG Qiang，LUO Pengcheng
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level Radioactive Waste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Bentonite is an indispensable engineering barrier material to guarantee the long-term stability for deep geological repository of high level radioactive waste.In order to study the mechanical properties of compacted bentonite blocks，uniaxial compression experiments were carried out on different parts of compacted bentonite blocks under different loading rates.Results shew that the unconfined compressive strength of compacted bentonite index increased with the increase of the dry density.When the dry density was 1.75 g·cm-3，the unconfined compressive strength would be 8.0 MPa.The strain variation of lower part increased obviously than the upper part.The volumetric strain increased firstly and then decreased with the increase of stress.The change of the volumetric strain of lower part was more obvious.The elastic parameters of compacted bentonite blocks were synchronous. The elastic modulus of the lower part was the smallest but the poisson’s ratio was the largest.

high-levelradioactive waste（HLW）disposal；GMZ bentonite；mechanical property；uniaxial compression；compacted blocks.

TL942

A

1672-0636（2016）01-0050-05

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．01．009

2015-12-14；

2015-12-25

高玉峰（1989—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事高放廢物地質(zhì)處置研究。E-mail:hdyygaoyf@163.com