壓實膨潤土膨脹力時效性試驗及模型研究

摘要：以壓實膨潤土為研究對象，對靜置不同時間后試樣的豎向膨脹力進(jìn)行了試驗研究和理論分析。首先將4種不同初始含水率的膨潤土粉末壓實到兩種目標(biāo)干密度，然后維持試樣含水率不變，分別靜置0，1，7，15，30d和90d，采用飽和膨脹儀對靜置不同時間的試樣進(jìn)行膨脹力試驗。試驗結(jié)果表明：隨著靜置時間的增長，試樣最大豎向膨脹力不斷減小，且0～7d減小明顯，30d之后趨于穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，建立了考慮靜置時間影響的壓實膨潤土膨脹力時效性經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其中，膨脹力與靜置時間的對數(shù)呈線性關(guān)系。模型參數(shù)討論結(jié)果表明，初始膨脹力σ0隨初始吸力s的增加而線性增大;膨脹力衰減系數(shù)CRσ隨吸力s的增加而線性減小。擬合結(jié)果表明該模型能夠較好地反映壓實膨潤土的膨脹力時效性。

關(guān)鍵詞：壓實膨潤土;膨脹力;靜置時間;時效性;經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

中圖法分類號：P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.032

研究表明，高放廢物深地質(zhì)處置法是最具可行性的核廢料安全處置法[1]。深地質(zhì)處置法的設(shè)計理念是將高放射性核廢料埋藏在距離地表深約500～1000m的穩(wěn)固巖石層中，使之與人類的生活環(huán)境永久隔離[2]。研究結(jié)果顯示：高壓實膨潤土是深地質(zhì)處置法中的理想緩沖/回填材料[3-6]。緩沖/回填材料的設(shè)計功能是：壓實膨潤土接觸地下水之后迅速膨脹，進(jìn)而密封處置庫中的各種縫隙，形成一道密實的人工屏障，達(dá)到阻止或延緩高放廢物輻射擴散的目的。由此可見，高壓實膨潤土的膨脹性能對于處置庫屏障功能的正常發(fā)揮至關(guān)重要。

針對處置庫緩沖/回填材料的膨脹性能，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的試驗和理論研究[6-9]。室內(nèi)試驗研究過程中，通常在試樣壓實結(jié)束后立刻開展膨脹力或膨脹變形試驗。實際工程中，根據(jù)深地質(zhì)處置庫的設(shè)計理念，壓實膨潤土塊體從砌置完成再到吸水膨脹這一過程一般需數(shù)年，在此期間，高壓實膨潤土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)將發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響其宏觀力學(xué)性能[10]。因此，為了更好地反映實際情況，有必要對膨潤土自制樣結(jié)束到遇水膨脹這段時間（靜置時間）內(nèi)的變化規(guī)律即膨脹特性時效性進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，許多學(xué)者（如Day[11]，SubbaRao等[12]和何彬等[13]）都曾對壓實膨脹性黏土的膨脹性能時效性進(jìn)行過試驗研究。結(jié)果表明，試樣膨脹特性隨靜置時間的增長而降低，即時效性明顯。SubbaRao等[12]對印度某膨脹土的膨脹特性時效性進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明，試樣膨脹性能隨靜置時間的增長不斷衰減，且靜置時間的影響與試樣初始條件有關(guān)，指出試樣靜置期間應(yīng)力重分布和顆粒粘結(jié)是膨脹性能衰減的主要原因。

本文首先將4種不同含水率的膨潤土粉末壓實到兩種密實狀態(tài)，然后保持含水率不變，分別靜置0，1，7，15，30d和90d，之后再開展水化膨脹力試驗?；谠囼灲Y(jié)果，建立考慮靜置時間影響的膨脹力時效性經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

1試驗材料與方法

1.1試樣基本特性

通過綜合分析，初步選定內(nèi)蒙古高廟子膨潤土為我國高放廢物深地質(zhì)處置庫的緩沖/回填材料。本次試驗采用的高廟子膨潤土為鈉基膨潤土，總陽離子交換的能力是77.30meq/100g，其中Na+為43.36meq/100g，Ca2+為29.14meq/100g，Mg2+為12.33meq/100g，K+為2.51meq/100g。其他基本性能如下：比重為2.66，pH值為8.68～9.86，液限為276%，塑限為37%。

1.2試樣制備

1.2.1膨潤土粉末吸力平衡

采用氣相法控制膨潤土粉末的吸力，使其達(dá)到4種目標(biāo)含水率。氣相法的基本原理是利用飽和鹽溶液對試樣施加一定吸力，經(jīng)段時間的水汽交換，使試樣中的吸力與飽和鹽溶液的吸力相平衡[14]。為此，首先將膨潤土粉末充分拌勻并分成4等份，然后分別放入盛有K2SO4、ZnSO4·7H2O、NaCl和K2CO3·2H2O溶液的器皿中進(jìn)行吸力控制試驗，根據(jù)Kelvin定律可得鹽溶液飽和蒸汽對應(yīng)的吸力分別為4，14，38MPa和110MPa。吸力平衡過程中，定期稱量粉末質(zhì)量直至基本穩(wěn)定，平衡狀態(tài)下膨潤土粉末對應(yīng)的含水率分別為18.4%，16.2%，13.3%和10.1%。

1.2.2試樣制備

首先根據(jù)試樣的目標(biāo)干密度和初始含水率，計算所需膨潤土粉末的質(zhì)量。用電子天平稱取相應(yīng)質(zhì)量粉末，緩慢倒入壓樣模具中，采用壓力機將粉末均勻壓實至直徑50mm、高度10mm的圓餅狀試樣。壓實過程中的加載速率為0.1mm/min，以盡量保證壓實試樣的均均性。試驗參數(shù)見表1。

為了使試樣靜置過程中處于K0側(cè)限狀態(tài)，試樣直接壓到直徑50mm、高30mm的不銹鋼試樣環(huán)中。壓實結(jié)束后，取出裝有試樣的試樣環(huán)，立即放置于密封塑料盒中，然后再將塑料盒置于與試樣吸力相同的器皿中，試樣放置在帶有孔洞的陶瓷板上，不與飽和鹽溶液直接接觸，通過飽和鹽溶液的相對濕度來控制試樣的吸力（含水率）[14]，保持含水率不變靜置一定時間。靜置結(jié)束后，將試樣連同試樣環(huán)一并裝入飽和膨脹儀中進(jìn)行水化膨脹力試驗，試驗方案見表1。

1.2.3試驗儀器與試驗步驟

飽和膨脹儀如圖1所示，包括底座、試樣環(huán)、透水石、密封圈、不銹鋼活塞、頂蓋和力傳感器。

試驗步驟如下：①試樣安裝，將試樣連同試樣環(huán)一并安裝到飽和膨脹儀中，試樣頂端和底端依次放置濾紙和透水石;②通水排氣，試樣安裝完畢之后，將實驗用蒸餾水通過膨脹儀底座上的進(jìn)水口注入試樣內(nèi)，待上端出水口有連續(xù)、無氣泡水流排出時，關(guān)閉出水口;③記錄數(shù)據(jù)，采用無紙記錄儀實時記錄試驗過程中膨脹力的變化，待膨脹力連續(xù)8h內(nèi)變化小于0.01MPa時，即認(rèn)為水化膨脹穩(wěn)定，結(jié)束試驗并測定試樣含水率，發(fā)現(xiàn)飽和度大于100%，說明試驗結(jié)束時試樣已充分飽和。

2試驗結(jié)果分析

2.1水化膨脹力的發(fā)展形式

圖2為試樣K0-SP2（初始干密度1.69g/cm3、含水率13.3%）分別靜置0，1，7，15，30d和90d后的水化膨脹曲線。由圖2可知，不同靜置時間條件下，試樣膨脹力隨水化時間的發(fā)展形式基本一致：通水后膨脹力迅速增加，達(dá)到第一個峰值之后膨脹力稍有下降，之后再次增加，最后逐漸趨于穩(wěn)定。Villar和Loret通過試驗發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象[6]，并將之稱為雙峰結(jié)構(gòu)，這主要是由于膨潤土在水化膨脹過程中固體顆粒骨架發(fā)生了坍塌，土中應(yīng)力重分布，膨脹力出現(xiàn)一定的回落。從圖2中還可以看出，試樣最大膨脹力（膨脹力穩(wěn)定值）隨靜置時間增長依次減小。

2.2靜置時間對最大膨脹力的影響

圖3為不同初始條件下試樣最大膨脹力與靜置時間的關(guān)系。

（1）最大膨脹力隨靜置時間的增長而減小。初始含水率為10.1%時，靜置0d時膨脹力為5.28MPa;靜置90d后膨脹力減小到3.15MPa。

（2）靜置前期（0～7d），最大膨脹力下降較明顯，靜置后期（30d之后）膨脹力下降逐漸趨于穩(wěn)定。初始含水率10.1%時，靜置0～1d試樣膨脹力下降率為0.58MPa/d;靜置1～7d膨脹力減小速率為0.123MPa/d;靜置30d以后膨脹力衰減基本穩(wěn)定，此時膨脹力減小速率僅為0.003MPa/d。

3模型分析

3.1模型提出

試樣膨脹力隨靜置時間的衰減宏觀上表現(xiàn)為巖土材料的松弛。為此，類比Lacerda和Houston提出的松弛模型[15]，高廟子膨潤土的膨脹力時效性模型表達(dá)如下：

公式

式中，σ為靜置時間td后試樣的最大膨脹力，MPa;σ0為無靜置條件下試樣的最大膨脹力，MPa;CRσ為膨脹力衰減系數(shù);to為靜置時間初始值，d;這里取to=0.1d;σ0和σ0CRσ分別為σ-log（l/tg）曲線的截距和斜率（絕對值），因此，通過對σ-log（t/t0）曲線進(jìn)行線性擬合，即可求得σo和CRσ。

3.2模型擬合

采用，上述半對數(shù)模型對高廟子膨潤土膨脹力隨靜置時間的衰減進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果見圖4和圖5，模型參數(shù)見表2。

圖4是干密度為1.69g/cm3的試樣膨脹力時效性模型擬合結(jié)果。從圖4中可以看出，半對數(shù)模型能很好地模擬試樣膨脹力隨靜置時間的衰減。膨脹力衰減系數(shù)CRσ隨初始含水率的增加而增大，當(dāng)w從10.1%增加到18.4%時，CRσ.從0.1442增加到0.1720，說明含水率越高，試樣膨脹力隨靜置時間的衰減越明顯，即時效性越強。

圖5為干密度1.38g/cm3試樣膨脹力隨靜置時間衰減的擬合結(jié)果?？傮w而言，膨脹力隨靜置時間的變化規(guī)律與圖4基本一致，即膨脹力衰減系數(shù)隨初始含水率的增加而增大。

3.3模型參數(shù)討論

本節(jié)旨在通過討論膨脹力時效性模型參數(shù)與吸力的關(guān)系，建立考慮吸力影響的膨脹力時效性模型。根據(jù)表2，試樣初始含水率分別對應(yīng)不同的總吸力s，為此，根據(jù)表2可建立σ0-s和CRσ-s的關(guān)系。圖6和圖7分別為不同干密度條件下初始膨脹力σ0隨初始吸力s變化的關(guān)系曲線。從圖6和圖7可以看出，不同干密度條件下試樣初始膨脹力σ0隨初始吸力s的增加線性增大，二者之間的關(guān)系如下：

σ0=c+ds（2）

式中，c和d為模型參數(shù)，分別為σ0-s曲線的截距和斜率。c和d的具體值見表3。

圖8為不同干密度條件下試樣膨脹力衰減系數(shù)CRσ，隨吸力s的變化關(guān)系。圖8表明，不同干密度條件下膨脹力衰減系數(shù)均隨吸力增大而降低，說明吸力增大，試樣靜置期間膨脹力時效性減弱。通過對CRσ-s曲線進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)，線性函數(shù)能很好的描述二者之間的關(guān)系，即

公式

式中，e和f為模型參數(shù)，分別為CRσ-（s/p。）曲線的截距和斜率。e和f的具體值見表3。

將式（3）代入式（1）可得

公式

式（4）即為考慮吸力影響的高廟子膨潤土膨脹力時效性模型。

4結(jié)論

針對高廟子膨潤土靜置不同時間后的飽和膨脹力進(jìn)行了試驗研究?；谠囼灲Y(jié)果，建立了考慮靜置時間影響的高廟子膨潤土膨脹力時效性模型，并討論了模型參數(shù)與吸力的關(guān)系，主要結(jié)論如下。

（1）隨著靜置時間的增長，試樣最大膨脹力逐漸減小，且0～7d減小明顯，30d之后趨于穩(wěn)定。

（2）建立了考慮靜置時間影響的膨脹力時效性模型，其中，膨脹力與靜置時間的對數(shù)呈線性關(guān)系。

（3）模型參數(shù)討論結(jié)果表明，初始膨脹力σo隨初始吸力s的增加線性增大;膨脹力衰減系數(shù)CRσ隨吸力的增加線性減小。

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引用本文：賴小玲.壓實膨潤土膨脹力時效性試驗及模型研究[J].人民長江，2019，50（3）：182-186.

Experiment and empirical model for ageing effects of swelling pressure of compacted bentonite

LAI Xiaoling

（1.Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：Taking compacted bentonite as the research object，the vertical swelling pressure of samples at different resting timewas investigated by both experiment and theory.Firstly，bentonite powders with four different water contents were compacted tosamples of two dry densities.Then，the compacted samples were rested for different periods（0，1，7，15，30 and 90 days）.Afterwards，the samples were subjected to swelling pressure tests by using the swelling apparatus.Test results show that the maximum vertical swelling pressure of compacted bentonite decreases with the resting time The swelling pressure decreases fast at theresting time of 0-7 days and then turns to be stable after 30 days resting.Based on test results，an empirical model consideringaging effects of the swelling pressure of compacted bentonite is established.In the model，the swelling pressure decreases linearlywith the logarithm of resting time.Discussion on the model parameters indicates that the initial swelling pressure increases linearly with initial suction whereas the decay index of swelling pressure decreases linearly with the increase of suction.Fitting resultsshow that the established model can reflect well ageing effects of the swelling pressure of bentonite.

Key words：compacted bentonite;swelling pressure;resting time;ageing effects;empirical mode