鹽溶液及摻砂率對高廟子膨潤土強度的影響

賈 迪,孫德安,張 龍

(上海大學土木工程系,上海200444)

核電具有能量密度大、穩(wěn)定性好、燃料運輸量少、綜合經濟效益好和幾乎不污染環(huán)境等優(yōu)點[1].目前核技術在多個領域被廣泛應用,隨之而產生的高水平放射性核廢料(簡稱高放廢物)也在不斷增加,因此對于高放廢物處置方法的研究至關重要.內蒙古高廟子膨潤土已被首選為我國核廢料處置庫中緩沖/回填材料的基質材料[2],同時已確定甘肅北山地區(qū)為修建高放廢物深層處置庫的首選地區(qū).該地區(qū)的地下水含鹽量較高[3],而已有研究表明地下水的化學成分會嚴重影響膨潤土的工程性質[4],摻砂率以及鹽濃度對膨潤土的有效熱傳導性以及滲透性也有較大的影響[5].因此,有必要對高廟子膨潤土及其摻砂混合物在鹽溶液飽和下的強度特性進行試驗研究.

對于鹽溶液飽和下的膨潤土及其摻砂混合物的強度特性,國內外已有的研究成果比較少.如Di Maio等[6-7]研究了鹽溶液濃度對于Ponza膨潤土強度的影響,結果表明隨著鹽溶液濃度的增加,膨潤土殘余強度的內摩擦角增大;Tiwari等[8]研究了鹽溶液對含有蒙脫石成分的黏土殘余強度的影響,結果表明鹽溶液可以提高土樣的殘余強度;Gueddouda等[9]研究了膨潤土與砂混合物的抗剪強度特性,結果表明在膨潤土含量小于15%的條件下,隨著膨潤土含量的增加,混合物的黏聚力增大,而內摩擦角減小.以上這些研究只是說明了鹽溶液濃度以及摻砂對膨潤土的強度有較大影響,但是缺少從微觀機理上對其原因的分析.目前為止,還沒有學者在不同鹽溶液濃度飽和條件下對GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的強度進行試驗研究.

本工作對不同NaCl濃度下的GMZ07膨潤土及其摻砂混合物進行了直剪試驗,研究摻砂率及NaCl濃度對膨潤土及其摻砂混合物強度特性的影響;在摻砂混合物中引入膨潤土有效干密度概念,并結合掃描電鏡試驗結果,從微觀機理上分析了NaCl濃度對膨潤土及其摻砂混合物強度的影響.

1 試驗材料

本試驗所采用的高廟子膨潤土產自內蒙古興和縣,其主要成分為蒙脫石,伴生礦物為石英、方解石等[10],主要礦物成分以及物理特性參數如表1所示,其中液塑限用聯合測定儀測得.我國已確定在甘肅北山地區(qū)修建高放廢物深層處置庫,該地區(qū)地下水中溶解固體的陽離子主要是Na+,陰離子主要為Cl-[3].本試驗采用NaCl作為鹽溶液的溶質,以模擬該地區(qū)地下水中的鹽溶液.本試驗中混合物所用的砂為福建標準砂,去除了粒徑大于0.5 mm的顆粒.砂比重為2.66,圖1為GMZ07膨潤土的粉末狀及其飽和壓實試樣.

表1 GMZ07膨潤土的主要礦物成分和物理參數Table 1 Main mineralogical composition and physical parameters of GMZ07 bentonite

圖1 GMZ07膨潤土及其飽和試樣Fig.1 GMZ07 bentonite and its saturated specimen

2 試驗

2.1 直剪試驗

GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的初始干密度(ρd0)為1.5 g/cm3.將砂與混合物的干土質量之比定義為摻砂率(Rs).將膨潤土與砂按照Rs為0%,30%,50%的比例混合配制成不同摻砂率試樣.根據北山地區(qū)地下水溶解固體含量范圍[3],配制NaCl溶液摩爾濃度(以下簡稱濃度)分別為0,0.5,1.0 mol/L.利用不同濃度NaCl溶液將GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣進行飽和.對每種NaCl濃度的飽和試樣各施加200,400,800 kPa豎向荷載,固結完成后進行慢剪試驗.

2.1.2 試驗儀器

試驗所使用的直剪儀是美國Geocomp公司生產的氣動加壓直剪儀(見圖2).該儀器豎向荷載和水平荷載最大可達10 kN,水平剪切位移和豎向位移以及水平力和豎向力均可自動記錄.試樣的剪切斷面有兩種:10 cm×10 cm的正方形和直徑為5.0 cm的圓形.本工作采用直徑5.0 cm的剪切斷面進行試驗.

圖2 HUS-25 sixty Shear直剪儀Fig.2 HUS-25 sixty Shear direct shear apparatus

2.1.3 試驗步驟

按照預配制NaCl溶液的濃度計算所需蒸餾水和NaCl顆粒的質量,將NaCl顆粒與蒸餾水攪拌均勻,配制成濃度分別為0,0.5,1.0 mol/L的NaCl溶液.

根據初始干密度和試樣體積以及摻砂率推算出所需土料的質量.稱取一定質量的GMZ07膨潤土和烘干標準砂混合攪拌均勻,利用千斤頂壓實,得到初始干密度為1.5 g/cm3的GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣.將試樣裝入固結儀中,并把配制好的不同濃度NaCl溶液加入固結儀中進行固結飽和.待試樣飽和后,用千斤頂將試樣取出,稱取質量及量測試樣體積,裝入直剪儀的剪切盒進行剪切試驗.控制剪切速率為0.01 mm/min,最大剪切位移為5 mm.在直剪試驗結果中,當剪應力與位移關系曲線出現峰值時,定義峰值應力為抗剪強度;當沒有峰值強度時,根據土工試驗方法標準[11],定義當剪切位移達到4 mm時對應的剪切應力為抗剪強度.

2.2 掃描電鏡試驗

制樣方法與供直剪試驗用試樣的制樣方法相同.先將壓實后的GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣用3種濃度NaCl溶液飽和,再將試樣切成小塊后冷凍干燥.然后利用高精度掃描電鏡對不同濃度NaCl的飽和試樣進行測試,得到不同濃度NaCl飽和試樣的微觀結構.

3 試驗結果與分析

3.1 直剪試驗

直剪試驗所用的試樣為人工制備,在整個試驗過程中嚴格控制試樣狀態(tài).為了驗證試驗的精確性,進行了重復試驗.圖3為純水飽和下純膨潤土試樣的平行試驗結果.由圖3可知,兩次直剪試驗結果非常接近,因此在其他試驗中不再進行重復試驗.

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圖 3 重復試驗結果(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.3 Results of repeated tests(ρd0=1.5 g/cm3)

3.1.1 純水飽和下摻砂混合物的強度

圖4為在純水飽和狀態(tài)下不同摻砂率混合物的剪應力與位移關系.由圖可知,純膨潤土出現了應變軟化現象,而摻砂混合物只有應變硬化現象;純膨潤土的抗剪應力大于摻砂混合物的抗剪應力,并且摻砂率越高,抗剪應力越小.當剪切位移達到5 mm時,純膨潤土強度與摻砂混合物強度幾乎相等.

對于混合物試樣來說,不單是膨潤土之間的作用產生強度,也有可能是砂顆粒之間的接觸產生強度.為了判斷混合物中粗顆粒是否接觸,引入砂骨架孔隙比es的概念[12],其定義為混合土中砂以外成分的體積Vother與砂顆粒體積Vsand之比:

本試驗所用試樣的砂骨架孔隙比如表2所示.試驗所用砂的最大孔隙比emax=0.96,由表2中在純水條件下的數據可知,試樣的砂骨架孔隙比均大于砂的最大孔隙比.由此可以說明本試驗的3種摻砂率混合物中都沒有砂顆粒之間的全面接觸.圖5為混合物試樣中砂與膨潤土顆粒的分布情況,可見砂顆粒懸浮在膨潤土之間,混合物試樣剪切強度絕大部分由膨潤土承擔.

圖4 純水飽和下不同摻砂率混合物的剪應力與位移關系Fig.4 Shear stress-displacement relation of mixtures with different mixing ratios saturated by pure water

表2 摻砂混合物中的砂骨架孔隙比Table 2 Sand skeleton void ratio in the mixture

圖5 摻砂混合物中砂與膨潤土顆粒的分布Fig.5 Distribution of bentonite and sand in the mixture

試樣的干密度也會對試樣強度產生影響,由圖5可知,混合物試樣的強度主要是由膨潤土承擔.純膨潤土試樣的干密度為1.5 g/cm3,而在摻砂混合物試樣中,膨潤土的干密度可用膨潤土有效干密度ρb的概念[13]進行計算:

式中,Vb為膨潤土體積,Va為孔隙體積,Mb為膨潤土干土質量,Rs為摻砂率,ρd為干密度,Gss為砂比重.

表3是純水飽和狀態(tài)下3種摻砂率試樣在剪切前的膨潤土有效干密度ρb的數值.由表中數據可知,純膨潤土的有效干密度要大于摻砂混合物.同時,摻砂率為30%的混合物中膨潤土有效干密度大于摻砂率為50%的混合物,因此純膨潤土試樣的強度要大于摻砂混合物試樣的強度,摻砂率為30%的混合物強度要大于摻砂率為50%的混合物強度.結合表3和圖4還可以得出,有效干密度ρb大于1.5 g/cm3的試樣出現了應變軟化現象,而ρb小于1.5 g/cm3的試樣只出現了應變硬化現象.

表3 在純水飽和下剪切試驗中的試樣密度Table 3 Specimen densities in shear test in pure water

3.1.2 鹽溶液對膨潤土及其摻砂混合物強度的影響

圖7 不同摻砂率試樣的剪應力與位移關系(ρd0=1.5 g/cm3,NaCl=1.0 mol/L)Fig.7 Shear stress-displacement relation of mixtures with different mixing ratios(ρd0=1.5 g/cm3,NaCl=1.0 mol/L)

圖6和7分別為在NaCl濃度為0.5以及1.0 mol/L的鹽溶液條件下,GMZ07膨潤土及其>摻砂混合物試樣的剪應力與位移關系.由圖可知,在鹽溶液飽和條件下,純膨潤土試樣的剪應力與位移關系呈應變軟化,而摻砂混合物的剪應力與位移關系呈應變硬化,后者與純水飽和條件下的試驗結果相同,同樣可利用砂骨架孔隙比以及膨潤土有效干密度的概念解釋這一現象.砂骨架孔隙比數值如表2所示,而膨潤土有效干密度數值如表3所示.由圖6和7可看出,當豎向壓力較小時,摻砂混合物的剪應力與位移關系曲線在純膨潤土的剪應力與位移關系曲線的下方.但是,隨著豎向壓力的增大,摻砂混合物的剪應力與位移關系曲線移至純膨潤土的剪應力與位移關系曲線的上方(見圖6(c)).當豎向壓力不是很大(如400 kPa)時,不管溶液濃度大小和摻砂率多少,剪切位移5 mm時混合物的剪切阻力均大于純膨潤土的剪切阻力(見圖6(b)和圖7(b)).而當豎向壓力為800 kPa時,不管溶液濃度大小和摻砂率多少,混合物的強度均大于純膨潤土的強度,這與3.1.1節(jié)提到的純水飽和條件下的試驗結果相反.

圖8為3種不同濃度鹽溶液飽和下摻砂率ρd0=1.5 g/cm3膨潤土的抗剪強度與豎向荷載之間的關系(強度線).表4為3種混合物試樣在不同NaCl濃度下的強度指標.由圖8(a)可知,在純水飽和狀態(tài)下,純膨潤土試樣的強度大于摻砂混合物試樣的強度,3種摻砂率試樣的內摩擦角(?)相差不大,而純膨潤土試樣的黏聚力(c)明顯大于摻砂混合物試樣,這說明3種混合物試樣強度的不同主要體現在黏聚力上.由圖8(b)和(c)可知,NaCl濃度顯著影響了3種摻砂率混合物試樣之間的強度關系.首先,鹽溶液飽和下摻砂率50%混合物試樣的剪切強度大于摻砂率30%的混合物試樣;其次,鹽溶液飽和下混合物試樣的內摩擦角變大,并且摻砂率50%的混合物試樣比摻砂率30%的混合物試樣受到NaCl濃度的影響更加明顯,具體強度指標的數值如表4所示;再次,與純水飽和情況相反,豎向壓力為800 kPa和NaCl溶液濃度為1.0 mol/L時的混合物試樣強度大于純膨潤土試樣(見圖8(c)).

圖8 3種濃度鹽溶液下不同摻砂率飽和試樣的強度Fig.8 Strength of saturated specimens with different sand ratios under three salt concentrations

圖9 為在不同濃度鹽溶液飽和下3種摻砂率試樣的強度.由圖9(a)可知,隨著NaCl濃度的增加,純膨潤土試樣的強度明顯增大,同時內摩擦角變大,而黏聚力(c)幾乎沒變化,這與Di Maio等[7]的結論一致.由圖9(b)和(c)可知,在相同豎向荷載條件下,摻砂混合物試樣的剪切強度隨NaCl濃度的增加而增大,并且內摩擦角隨NaCl濃度的增加而增大;相對于純膨潤土試樣,摻砂混合物的內摩擦角受NaCl濃度的影響更加明顯.剪切強度指標如表4所示.

表4 強度指標Table 4 Strength parameters

圖9 3種摻砂率下不同濃度鹽溶液飽和試樣的強度(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.9 Strength of saturated specimens with different salt concentrations under three sand ratios(ρd0=1.5 g/cm3)

上述結果表明,NaCl濃度對飽和GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的強度有明顯影響.相對于純水,鹽溶液飽和提高了GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的剪切強度,并且試樣的內摩擦角增大.隨著NaCl濃度的增加,GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的剪切強度以及內摩擦角隨之增大.由表2可知,隨著NaCl濃度的增加,砂骨架孔隙比逐漸減小,其最小值已經接近砂的最大孔隙比,故在剪切過程中,部分砂顆粒之間會有接觸,強度有所增大.但是混合物試樣中砂骨架還未形成,因此摻砂混合物試樣的強度還是由膨潤土起主要作用.下面通過微觀試驗結果,分析膨潤土及其摻砂混合物強度的產生機理.

3.1.3 不同NaCl濃度條件下的掃描電鏡試驗

圖10為純水飽和條件下摻砂率50%混合物試樣的精度為100μm的掃描電鏡圖.由圖可知,膨潤土顆粒黏附在砂顆粒表面,砂顆粒懸浮在膨潤土顆粒之間,這驗證了圖5中的砂顆粒與膨潤土顆粒在混合物中的分布情況,也再一次說明本試驗中的混合物試樣強度是由膨潤土起主要作用.

圖10精度100μm下壓實摻砂混合物試樣的掃描電鏡圖(Rs=50%,ρd0=1.5 g/cm3)Fig.10 Scanning electron microscopy of compacted sand-mixture at precision of 100μm(Rs=50%,ρd0=1.5 g/cm3)

圖11 為5μm精度條件下不同濃度鹽溶液飽和的純膨潤土壓實試樣的掃描電鏡圖.如圖11(a)所示,在純水條件下,飽和GMZ07膨潤土中的蒙脫石顆粒表面光滑.而如圖11(b),(c)所示,在鹽溶液飽和下GMZ07膨潤土中的蒙脫石顆粒表面呈現細?；?并隨著NaCl濃度的增加,顆粒表面的細?；潭雀用黠@,比表面積增大,導致蒙脫石顆粒之間的作用力增強.該微觀試驗結果可能與鹽溶液對蒙脫石顆粒的以下兩個影響因素有關:一是由于NaCl離子的作用,增大了蒙脫石顆粒間以及顆粒內層疊體間的滲透吸力;二是由于NaCl離子的作用,導致蒙脫石顆粒表面以及顆粒內層疊體的雙電層厚度變薄,也會造成蒙脫石顆粒表面形狀發(fā)生變化.以上因素可以解釋NaCl濃度對膨潤土的強度產生影響的原因.

圖11 精度5μm下壓實GMZ07膨潤土試樣的掃描電鏡圖(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.11 Scanning electron microscopy of compacted GMZ07 bentonite(ρd0=1.5 g/cm3)

NaCl濃度使不同摻砂率混合物產生強度差異的原因可以結合以下3個方面進行解釋.首先,摻砂混合物中的砂顆粒親水性較低,鹽溶液中的大部分溶液被膨潤土顆粒所吸收,在一定濃度的鹽溶液飽和條件下,摻砂率不同的混合物中單位質量膨潤土所含NaCl質量不同,摻砂率越高,其單位質量膨潤土所含NaCl質量越高;其次,本試驗中的摻砂混合物試樣的強度是由膨潤土起主要作用;再次,在鹽溶液飽和狀態(tài)下,NaCl濃度越大,膨潤土試樣強度越大.因此,可以解釋在鹽溶液飽和條件下,隨著摻砂率的增加,試樣的內摩擦角增大,當NaCl濃度越高時,這種現象越明顯.

4 結論

本工作對GMZ07膨潤土及其不同摻砂率混合物的飽和試樣進行直剪試驗及掃描電鏡測試,研究試樣用不同濃度鹽溶液飽和時的強度特性,分析和總結試驗結果可得到以下結論.

(1)在純水狀態(tài)下,GMZ07膨潤土試樣的強度高于摻砂混合物試樣的強度,在純膨潤土試樣剪切試驗結果中呈現應變軟化現象,而摻砂混合物試樣中呈現應變硬化現象.主要原因是試樣中的膨潤土有效干密度不同,摻砂混合物試樣中膨潤土有效干密度低于純膨潤土試樣.

(2)NaCl濃度對飽和GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的強度特性有明顯影響.隨著NaCl濃度的升高,GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的抗剪強度會明顯增大,且內摩擦角增大.相對于純膨潤土,NaCl濃度對摻砂混合物試樣的強度影響更加明顯.

(3)NaCl會導致蒙脫石顆粒表面以及顆粒內層疊體的雙電層厚度變薄,同時NaCl離子會增大顆粒間的滲透吸力,導致蒙脫石顆粒表面呈現細粒化.隨著NaCl濃度的升高,這種顆粒表面細?；某潭雀用黠@,比表面積增大,顆粒間的相互作用增強,導致GMZ07膨潤土試樣的強度和內摩擦角增大.

(4)在不同摻砂率混合物中,摻砂率越高其單位質量膨潤土中所含NaCl的質量越高;又因為摻砂率30%和50%兩種混合物試樣的強度是由膨潤土起主要作用,同時NaCl濃度越高,膨潤土試樣強度越大.因此,在一定濃度的鹽溶液飽和條件下,不同摻砂率混合物試樣的摻砂率越高,其強度及內摩擦角越大.