膨潤土－砂混合物堿熱耦合老化后的膨脹性能

吳恒川 劉俊新 葛方東

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽 621000）

核能因?yàn)槟芰棵芏却?、利用效率高、污染排放集中等突出?yōu)點(diǎn)而被作為一種極具潛力和發(fā)展前景的新型清潔能源，在世界能源中所占比例也逐年提高。我國發(fā)展核能的空間廣闊，但核能利用過程中產(chǎn)生的高放射性核廢料，由于其含有毒性極大、半衰期很長的放射性核素，對(duì)其安全處置至今仍是一個(gè)世界性難題，也是制約核能高效、快速、安全發(fā)展的瓶頸。對(duì)于高放核廢物的最終處置，曾經(jīng)提出“太空處置”、“深海溝處置”、“冰蓋處置”、“巖石熔融處置”等方案。經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，普遍接受的可行性方案是深地質(zhì)處置，即把高放核廢物埋在距離地表深約500～1 000 m的地質(zhì)體中，使之與人類的生存環(huán)境永久隔離［1］。膨潤土因其優(yōu)良的高膨脹性和低滲透性常被認(rèn)為是處置庫人工屏障的理想緩沖和回填材料［2－3］。

深地質(zhì)處置庫投入使用后，膨潤土在工作過程中一方面由于處置庫中混凝土材料的衰退分解和地下水綜合作用會(huì)受到高堿性溶液的長期滲透侵蝕，另一方面由于在處置過程中高放射核廢釋放的衰變熱和地?zé)崽荻鹊挠绊憰?huì)使膨潤土周圍處于高溫狀態(tài)。堿熱雙重耦合環(huán)境下膨潤土的礦物成分會(huì)發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而對(duì)膨潤土的膨脹性能產(chǎn)生顯著影響，而在純膨潤土中摻加部分石英砂可以在不明顯影響回填緩沖材料膨脹特性、吸附性能、防滲性能的基礎(chǔ)上提升緩沖回填材料的導(dǎo)熱性與可施工性。因此，研究堿熱耦合作用老化后膨潤土－砂混合物的膨脹性能對(duì)于處置庫長期安全運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性預(yù)測(cè)具有重要意義。

Laura［4］將兩種不同濃度的NaOH溶液處理的膨潤土分別放于不同溫度環(huán)境下持續(xù)反應(yīng)18個(gè)月，通過礦物分析表明，隨著濃堿溶液濃度與環(huán)境溫度的升高，膨潤土中蒙脫石含量顯著減少。David等［5］應(yīng)用PRECIP軟件對(duì)兩種不同溫度下堿溶液與膨潤土反應(yīng)后蒙脫石的溶解和次生礦物的形成進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明堿溶液會(huì)造成膨潤土中蒙脫石的溶解并生成非膨脹性次生礦物。高子瑞［6］利用單軸固結(jié)儀對(duì)不同上覆荷載、不同濃度NaCl溶液作用下的膨潤土膨脹變形特性進(jìn)行了研究，結(jié)合有效壓力的概念和計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了用唯一一條曲線來描述膨潤土的膨脹變形行為隨著鹽溶液濃度變化的規(guī)律。陳永貴［7］采用高壓實(shí)的高廟子膨潤土分別開展了不同鹽梯度和不同循環(huán)路徑下的恒體積膨脹力試驗(yàn)，結(jié)果表明在鹽梯度循環(huán)作用下，隨著鹽溶液濃度和循環(huán)次數(shù)的增加，膨潤土膨脹力顯著降低。談云志［8］利用馬弗爐把膨潤土置于105℃恒溫環(huán)境下加熱處理，90 d后發(fā)現(xiàn)其晶面間距縮合，出現(xiàn)了硅質(zhì)氧化物膠結(jié)，導(dǎo)致顆（團(tuán)）粒聚集，且縮合行為不可逆。陳航［9］通過向膨潤土摻入石英砂，發(fā)現(xiàn)干密度相同時(shí)，隨摻砂率的增大試樣導(dǎo)熱系數(shù)增大。

本文以高廟子鈉基膨潤土為主料，通過模擬堿－熱耦合老化過程獲得老化時(shí)長不同的膨潤土，對(duì)膨潤土和初始狀態(tài)為最優(yōu)干密度和最優(yōu)摻砂率的混合土進(jìn)行試驗(yàn)，研究在長時(shí)間尺度下堿－熱耦合作用對(duì)膨潤土－砂混合物膨脹性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鈉基膨潤土取自內(nèi)蒙古高廟子鄉(xiāng)，其主要黏土礦物為蒙脫石。石英砂輔料產(chǎn)自四川省成都市，砂粒粒徑在0.5～0.1 mm之間［10］。試驗(yàn)材料基本物理參數(shù)見表1。

表1 高廟子膨潤土基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of GMZ bentonite

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)所用膨潤土分別放入密封容器中用1 mol／L的NaOH溶液浸泡，因?yàn)樘幹脦炖碚摐囟瓤梢赃_(dá)到90℃，所以將密封容器放入設(shè)定為90℃的高溫烘箱中進(jìn)行2～12個(gè)月的堿熱耦合反應(yīng)，模擬膨潤土在地質(zhì)庫中的運(yùn)行情況。

老化后的膨潤土取出后先進(jìn)行粉碎再過200目篩，為了減少膨潤土的團(tuán)粒聚集現(xiàn)象，假定初始含水率對(duì)膨潤土－砂混合物的最大膨脹力沒有重大影響［13］，通過氣相飽和法來穩(wěn)定膨潤土的含水率。將石英砂與膨潤土－砂混合物的干質(zhì)量之比作為摻砂率（Rs），根據(jù)朱麗萍對(duì)于加權(quán)平均型與幾何平均型綜合評(píng)判模型下的混合物綜合性能表現(xiàn)研究［11］，將最優(yōu)摻砂率設(shè)置為30%，最優(yōu)干密度設(shè)置為1.7 g／cm3。在自制的模具套筒中壓制高30 mm、直徑50 mm的6組試樣，試樣的制作過程嚴(yán)格按照土工試驗(yàn)規(guī)程，試樣初始條件見表2。

表2 試樣初始條件統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of initial conditions of samples

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 自由膨脹率試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用自由膨脹率測(cè)定儀測(cè)定自由膨脹率。堿熱耦合老化不同時(shí)長后的松散干燥的試樣在純水中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原體積之比即為自由膨脹率。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》的操作步驟，自懸液澄清后每隔2 h測(cè)讀1次土面高度（估讀至0.1 mL），當(dāng)6 h內(nèi)2次讀數(shù)差值不超過0.2 mL時(shí)，認(rèn)為膨潤土自由膨脹基本完成。經(jīng)上述步驟試驗(yàn)可以得到該膨潤土土樣的自由膨脹率。

1.3.2 膨脹力試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用自主研制的雙向膨脹力檢測(cè)儀（如圖1所示）測(cè)定膨脹力。將高30 mm、直徑50 mm的試樣裝入金屬膨脹筒，通過旋轉(zhuǎn)壓頭對(duì)試樣施加1.5 MPa的預(yù)壓力并預(yù)壓24 h以減少試樣回彈對(duì)膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響。打開膨脹筒進(jìn)水閥門通入蒸餾水排出筒底空氣，然后利用氮?dú)馄繉?duì)膨脹筒內(nèi)試樣加壓2.0 MPa。通過自動(dòng)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)繪制膨脹力－時(shí)間雙向曲線。由于在膨潤土中添加了石英砂，增加了試樣中的毛細(xì)通道，顯著提高了毛細(xì)飽和的進(jìn)度，從而縮短了膨脹完成的時(shí)間，所以當(dāng)觀測(cè)到雙向膨脹力－時(shí)間雙向曲線穩(wěn)定后則認(rèn)為膨脹基本完成，整個(gè)過程約48～72 h。

圖1 雙向膨脹力儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of bidirectional expansion force tester

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同老化時(shí)長的膨潤土－砂混合物的雙向膨脹力－時(shí)間曲線如圖2所示。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試樣膨脹力在48 h之后基本穩(wěn)定，而隨著老化時(shí)間的延長，膨潤土－砂混合物雙向膨脹力呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且試樣軸向方向膨脹力大于徑向方向膨脹力（圖3）。試驗(yàn)結(jié)果與陳永貴［12］關(guān)于膨潤土膨脹力尺寸效應(yīng)的研究一致。

圖2 膨脹力－時(shí)間曲線與老化時(shí)長的關(guān)系Fig.2 Relationship between expansion time effect and aging time

圖3 最大膨脹力與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum expansion force and aging time

不同老化時(shí)長的膨潤土自由膨脹率－老化時(shí)間曲線如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，膨潤土的自由膨脹率隨著老化時(shí)間延長明顯降低。

圖4 自由膨脹率與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between free expansion rate and aging time

2.2 堿熱耦合對(duì)膨潤土－砂混合物膨脹性能的影響

膨潤土的膨脹由3個(gè)階段組成：一是晶層間孔隙被水填充，單元層之間可交換陽離子發(fā)生水化反應(yīng)，這一階段是由于蒙脫石單元層之間可交換陽離子水化作用引起的，稱為晶體膨脹；二是層疊體吸水膨脹并充填集合體內(nèi)；三是層疊體厚度膨脹分裂變薄，致使集合體膨脹。第二、第三階段是由于層疊體雙電層擴(kuò)散膨脹引起，稱為雙電層膨脹［14］。

堿熱耦合老化對(duì)晶體膨脹的影響是造成膨潤土中主要膨脹礦物蒙脫石的溶蝕［15］，即蒙脫石與堿性溶液反應(yīng)生成膨脹性較小的或非膨脹性的次生礦物，如鈉長石等，且隨著溫度的升高和老化時(shí)長的增加，反應(yīng)將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。礦物成分分析結(jié)果如圖5所示。膨潤土隨著老化時(shí)間的增加，蒙脫石含量減少，鈉長石含量增加，降低了單元層與層疊體的膨脹性，從而造成膨脹性能衰減。堿熱耦合老化對(duì)雙電層膨脹的影響是降低了滲透勢(shì)能，即相鄰兩個(gè)平行晶層之間擴(kuò)散雙電層的厚度受到兩個(gè)晶層中間平面處離子濃度的影響［16］，根據(jù)公式［17］：

圖5 膨潤土礦物含量的變化曲線Fig.5 Variation curve of mineral content in bentonite

h＝nsδsem－（ns－1）dm

式中：h為擴(kuò)散雙電層的厚度；ns為層疊體中晶層數(shù)量；δs為晶層厚度；em為蒙脫石孔隙比；dm晶層間距。堿熱耦合環(huán)境下，膨潤土擴(kuò)散雙電層的厚度減少，在恒體積不變的情況下，膨脹土－砂混合物的膨脹力和自由膨脹率顯著下降。

3.3 老化時(shí)長對(duì)膨潤土－砂混合物膨脹性能的影響

試驗(yàn)得到試樣最大膨脹力與老化時(shí)間回歸關(guān)系式：

膨潤土自由膨脹率與老化時(shí)間回歸關(guān)系式：

隨著堿熱耦合老化作用時(shí)間的延長，膨潤土－砂混合物最大膨脹力與膨潤土自由膨脹率均明顯降低。堿溶液的入滲作用會(huì)使試樣混合物顆粒間流通管道的總體尺寸增大，從而導(dǎo)致試樣中溶液流通量增大，滲透性變大［18］，加快膨潤土的主要有效成分蒙脫石與堿溶液的溶解反應(yīng)，最終降低了膨潤土的膨脹性能。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)堿熱耦合老化后膨潤土－砂混合物的膨脹性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：（1）堿熱耦合老化作用會(huì)造成膨潤土中主要膨脹礦物蒙脫石的溶蝕，使其轉(zhuǎn)化成膨脹性較小的或非膨脹性的礦物，并減小其擴(kuò)散雙電層的厚度，降低膨潤土－砂混合物的膨脹性能；（2）隨著老化時(shí)間的延長，膨潤土的主要有效成分蒙脫石與堿溶液的溶解反應(yīng)不斷增加，膨潤土－砂混合物的膨脹力和膨潤土的自由膨脹率都明顯降低。