高壓實(shí)膨潤(rùn)土-砂混合物膨脹性能實(shí)驗(yàn)研究

王玉平，王 哲，趙 雨，易發(fā)成，朱寶龍，吳亞東

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.宜賓學(xué)院國(guó)際應(yīng)用技術(shù)學(xué)部，四川 宜賓 644000；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；4.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；5.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；6.四川輕化工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，四川 宜賓 643000)

對(duì)于處置高放射性核廢料，各國(guó)學(xué)者提出過很多方案，其中，深層地質(zhì)處置是普遍認(rèn)可的處置方案。深層地質(zhì)處置即將高放廢物埋于距地表深幾百米至一千米的穩(wěn)定巖體中，使之永久與人類生存環(huán)境隔離，并設(shè)置多重工程措施來(lái)阻止核素不能向外泄漏與遷移[1]。壓實(shí)膨潤(rùn)土由于具有良好的吸水膨脹性、極低的滲透性、陽(yáng)離子交換性、優(yōu)良的表面吸附能力以及價(jià)格便宜穩(wěn)定等性質(zhì)，被用作垃圾填埋場(chǎng)的防滲材料和高放廢料深地質(zhì)處置庫(kù)的緩沖回填材料。在許多國(guó)家，膨潤(rùn)土基材料已被視為工程化的屏障材料，用于深層放射性廢物的深部地質(zhì)處置[2]。在純膨潤(rùn)土中添加一定比例的石英砂，可以在不顯著降低吸附性能和防滲性能的前提下，明顯地提高緩沖回填材料的可施工性、力學(xué)強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[3]，其中石英砂能提高混合物的熱傳導(dǎo)系數(shù)[4]。膨潤(rùn)土與砂混合物的膨脹特性的確定對(duì)高放廢物處置具有重要的意義，不同干密度和不同摻砂率產(chǎn)生的膨脹力大小不同。許多學(xué)者對(duì)不同的膨潤(rùn)土開展了大量的膨脹力試驗(yàn)，研究了不同膨潤(rùn)土及其與砂混合物的膨脹特性[5-7]。池澤成等[8]用改進(jìn)的三向膨脹儀對(duì)合肥重塑膨潤(rùn)土進(jìn)行試驗(yàn)，得到了膨潤(rùn)土三向應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律；王飛等[9]對(duì)新疆某地膨潤(rùn)土進(jìn)行離子交換和膨脹性研究，得出膨潤(rùn)土膨脹指數(shù)的變化與K+、Ca2+和Mg2+與蒙脫石層間陽(yáng)離子交換有關(guān)；XU等[10]、SUN等[11]研究了鈉基膨潤(rùn)土的膨脹特性；談云志等[12]研究了信陽(yáng)膨潤(rùn)土及紅黏土的膨脹特性；劉洪伏等[13]對(duì)邯鄲強(qiáng)膨脹土和復(fù)合改性后的膨脹土進(jìn)行三向膨脹力試驗(yàn)研究，得到溫度大于45 ℃，改性后的土樣隨著溫度升高豎向膨脹力先增加后減??；張穎鈞[14]使用平衡加壓法原理設(shè)計(jì)的三向膨縮特性儀研究了裂土的三向膨脹力，得出水平膨脹力與垂直膨脹力之比在0.5左右；王海龍等[15]利用巖土三向膨脹力測(cè)量?jī)x，研究川西南地區(qū)膨脹巖的膨脹特性。

高放廢物處置庫(kù)關(guān)閉運(yùn)營(yíng)后，緩沖材料和處置庫(kù)圍巖之間發(fā)生熱-水-力-化的多場(chǎng)耦合作用，而關(guān)于摻砂率和干密度對(duì)三向膨脹力的耦合影響研究并不多見。因此，本文采用自主研制的巖土三向膨脹儀實(shí)驗(yàn)裝置，研究?jī)?nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土-砂混合物在不同干密度和摻砂率條件下的膨脹力特征，探討混合試樣在多因素耦合作用下的變化規(guī)律并分析其原因，對(duì)處置庫(kù)近場(chǎng)環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定性及安全性評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用的膨潤(rùn)土為內(nèi)蒙古高廟子膨潤(rùn)土(以下簡(jiǎn)稱“GMZ膨潤(rùn)土”)，是產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣高廟子鄉(xiāng)的鈉基膨潤(rùn)土，具有較強(qiáng)的吸附能力、陽(yáng)離子交換能力，主要礦物為蒙脫石、長(zhǎng)石和石英等，基本的物理化學(xué)性質(zhì)見表1[16]。石英砂是漢中市九龍礦業(yè)提供的天然石英砂，其粒徑為0.4～0.7 mm，主要集中在0.5 mm附近，占比為2.68，泡在水中時(shí)懸濁液pH值約為6.4，呈弱酸性，其二氧化硅含量高達(dá)99.8%。

表1 GMZ膨潤(rùn)土的基本物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical propertiesof GMZ bentonite

1.2 試樣制備

首先，將膨潤(rùn)土和石英砂在105 ℃的烘箱中烘干5 h以上至恒重，待冷卻至室溫后取出，試樣未添加任何添加劑。將冷卻至常溫的膨潤(rùn)土和石英砂按比例混合均勻，分別配制摻砂率為0%、10%、20%、30%的試樣。傳統(tǒng)的土與液態(tài)水直接混合導(dǎo)致膨潤(rùn)土產(chǎn)生團(tuán)聚、黏附容器、水分分布不均，通常固體與固體混合較固體與液體混合更易混合均勻[17]，本次實(shí)驗(yàn)采用在膨潤(rùn)土-砂混合物中加入固態(tài)冰粉的方法(以下簡(jiǎn)稱“冰-土混合法”)，含水率控制在13%，冰-土混合法實(shí)驗(yàn)在西南科技大學(xué)凍庫(kù)實(shí)驗(yàn)室(-25 ℃)進(jìn)行，先將配置好的4個(gè)不同摻砂率的膨潤(rùn)土-砂混合物和冰塊在凍庫(kù)中冷凍48 h。然后，將冰塊粉碎后立即過1 mm的篩，稱量所要求的冰粉及混合物后一次性倒入混合容器中，迅速攪拌均勻?；旌暇鶆蚝笱b入密封袋，常溫下自然解凍72 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示膨潤(rùn)土混合物中團(tuán)聚體減少，黏附容器壁質(zhì)量損失少，土樣水分分布均勻，有利于制樣器壓實(shí)制樣。圖1為所用膨潤(rùn)土粉、冰粉以及混合物實(shí)物照片。最后，按照設(shè)置好的4組摻砂率制備壓實(shí)4組干密度試樣。稱取一定量的混合物放入邊長(zhǎng)為4 cm立方體的試樣筒內(nèi)，采用微機(jī)控制電液式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜壓。以1 mm/min的控制速率壓實(shí)至所需的干密度，一旦達(dá)到干密度，位移軸就會(huì)被鎖定放置1 h以上，以防止回彈。然后，以0.2 mm/min的速率卸載樣品，一旦卸載，樣品立即從模具拆出放入三向膨脹儀進(jìn)行恒定體積膨脹實(shí)驗(yàn)，溫度控制在30 ℃。

圖1 膨潤(rùn)土粉、冰粉以及混合物實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Photos of bentonite powder,ice powder and the mixture

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及流程

巖土三向膨脹儀主要由溫度控制部件、三套反力架、4 cm×4 cm×4 cm的試樣箱、膨脹應(yīng)力量測(cè)傳感器等組成(圖2)。將試樣裝入立方體試樣箱后，安裝三套反力架和百分表，調(diào)整螺桿，施加1 kPa預(yù)壓力使試樣與儀器各部分充分接觸。擰松試樣箱頂部的排氣孔螺釘，接通注水罐，往試樣箱里面注水，等試樣箱內(nèi)水注滿從排氣孔溢出時(shí)，停止注水，擰緊排氣孔螺釘。 在實(shí)驗(yàn)過程中，適時(shí)擰動(dòng)調(diào)整螺桿調(diào)整梁的變形量,通過與膨脹應(yīng)力量測(cè)傳感器的儀表讀出3個(gè)方向的膨脹應(yīng)力，按時(shí)記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)膨脹力讀數(shù)變化1 h小于0.01 kPa時(shí)，膨脹力在30 ℃就達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)的膨脹力即為試樣的極限膨脹力。

圖2 巖土三向膨脹儀Fig.2 Geotechnical 3D swelling apparatus

2 結(jié)果與討論

2.1 膨脹應(yīng)力時(shí)程變化規(guī)律

規(guī)定平行于壓實(shí)方向的膨脹力為豎向膨脹力，垂直于壓實(shí)方向?yàn)樗脚蛎浟?，由于為單方向壓?shí)，使得兩個(gè)方向的膨脹力數(shù)值不同，試樣出現(xiàn)各向異性(圖3)。混合物試樣為單向壓實(shí)的重塑試樣，且摻砂率和干密度不同，在試樣的制備過程中可能導(dǎo)致材料出現(xiàn)各向異性，使得豎向膨脹力與水平向膨脹力數(shù)值不同，豎向膨脹力明顯大于水平向膨脹力，且兩個(gè)水平向膨脹力基本相同。以晶格擴(kuò)張理論分析，當(dāng)膨脹土砂混合物倒入立方體試樣箱中時(shí)，認(rèn)為蒙脫石疊片方向是隨機(jī)的，而膨脹力各向異性的原因取決于蒙脫石疊片取向的各向異性。體積一定的條件下，干密度大的試樣，由于顆粒晶體更多，團(tuán)粒間孔隙很小，在單向壓實(shí)時(shí)迫使蒙脫石疊片垂直于壓實(shí)方向排列，定向排列明顯，使得豎向膨脹力與水平向膨脹力數(shù)值不同，豎向膨脹力明顯大于水平向膨脹力。對(duì)于干密度較小的混合物試樣，團(tuán)粒間存在較大的孔隙，孔隙的減少主要靠顆粒間的滾動(dòng)滑移和蒙脫石礦物的膨脹，由于蒙脫石疊片的取向仍然是隨機(jī)的，沒有明顯的方向性，表現(xiàn)出的膨脹力各向異性不明顯[13]。

圖3 典型三向膨脹力時(shí)程曲線Fig.3 Time-history curve of typical 3D swelling pressure

本次實(shí)驗(yàn)以水平向膨脹力(前后左右的平均值)與豎向膨脹力為分析對(duì)象。壓實(shí)膨潤(rùn)土-砂混合物的膨脹力隨時(shí)間發(fā)展過程呈現(xiàn)明顯的三階段特征，即快速膨脹階段、減速膨脹階段和緩慢膨脹階段。快速膨脹階段：隨著水不斷的浸入膨潤(rùn)土-砂混合物中，水優(yōu)先充滿顆粒之間的孔隙，混合物的結(jié)構(gòu)不斷變化，土體表層的水勢(shì)梯度較陡，接著充滿顆粒聚集體中的孔隙，水分子進(jìn)入蒙脫石的晶格間使其發(fā)生膨脹導(dǎo)致膨脹力快速增加，時(shí)間處于350 min左右，基本達(dá)到了極限膨脹力的80%；減速膨脹階段：試樣的外層已形成一層飽和帶，水勢(shì)梯度變緩，隨著水往試樣內(nèi)部深入，自由水的滲透速度變慢，水分進(jìn)入晶層外的孔隙，水分進(jìn)入土體的速度變慢，結(jié)合水膜厚度增加，膨脹土吸水率變小，膨脹力增長(zhǎng)幅度變小，時(shí)間主要集中于350～1 000 min，膨脹力接近極限值；緩慢膨脹階段：土體結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，晶層間和晶層外的孔隙逐漸被水分充滿，親水性礦物吸水飽和值很高，膨脹勢(shì)能逐漸減少，與吸濕能力有關(guān)的內(nèi)部吸力逐漸減小，蒙脫石的水合速率降低。另外，由于樣品從頂部開始飽和，因此由蒙脫石在底部形成的水合膜堵塞了孔隙水的傳輸通道。但從結(jié)果來(lái)看，滲透性降低，并且膨潤(rùn)土的上部的水合速率降低，所有黏土礦物質(zhì)充分水合后，膨脹力基本不再變化，膨脹力均在1 200 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。

2.2 三向膨脹力與干密度的關(guān)系

為了測(cè)定不同干密度膨脹力隨時(shí)間變化的規(guī)律，選取摻砂率為20%的混合物，在4種不同干密度下進(jìn)行三向膨脹力實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定豎向膨脹力和水平向膨脹力隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可知，膨潤(rùn)土-砂混合物干密度對(duì)豎向膨脹力的影響非常顯著，與許多學(xué)者的研究結(jié)果一致[18-19]。蒙脫石晶格結(jié)構(gòu)是一層鋁(鎂)氧八面體夾在兩層硅氧四面體中，分子式為MX(H2O)4{(Al2-xMgx)[Si4O10](OH)2}，是2∶1型層狀硅酸鹽礦物結(jié)構(gòu)[20]，高壓實(shí)的膨潤(rùn)土-砂混合物吸收水分，使蒙脫石水化膨脹，膨潤(rùn)土膨脹的兩種主要機(jī)制是晶層膨脹和擴(kuò)散雙電層膨脹，當(dāng)層間沒有水分子時(shí)，層間間距通常認(rèn)為是0，蒙脫石晶層之間連接力很弱，膨潤(rùn)土的膨脹勢(shì)能很大，水分子很容易進(jìn)入晶層間孔隙，能夠產(chǎn)生較大的膨脹力；蒙脫石晶粒遇水后，膨潤(rùn)土膨脹勢(shì)能降低，晶層表面吸附勢(shì)能大于晶層之間的吸引能，水分子進(jìn)入兩蒙脫石片層之間的間隔，使層間陽(yáng)離子與水分子結(jié)合在晶層表面上，晶層間間距變大，使體積膨脹到原來(lái)數(shù)倍的晶層膨脹[21]，晶層膨脹主要是水合作用的結(jié)果。

圖4 不同干密度試樣膨脹力時(shí)程曲線Fig.4 Time-history curve of swelling pressure with different dry density

在膨脹力實(shí)驗(yàn)開始階段，同一摻砂率試樣在不同干密度條件下的膨脹速率差距不是很大，之后，干密度較高的試樣膨脹速率增長(zhǎng)很快，而且一直保持高于干密度較低試樣的膨脹速率。干密度越大，膨脹率起始階段曲線越陡，能夠吸收的水分更多，膨脹時(shí)蒙脫石層間水化作用的水分子越多，水化反應(yīng)速率越快，膨脹力增長(zhǎng)越快；當(dāng)混合物吸水飽和，水化完全，膨脹力增長(zhǎng)漸漸趨于穩(wěn)定，最終膨脹力隨著膨潤(rùn)土干密度的增加而相應(yīng)增大。當(dāng)干密度從1.6 g/cm3增加到1.8 g/cm3時(shí)，膨潤(rùn)土最終豎向膨脹力由0.8 MPa增大到2.2 MPa；當(dāng)干密度從1.8 g/cm3繼續(xù)增加到1.9 g/cm3時(shí)，最終豎向膨脹力則由2.2 MPa大幅升高到3.1 MPa。因此，干密度越大，基質(zhì)吸力就高，試樣的膨脹速度越快。

同樣，由圖4(b)可知，膨潤(rùn)土-砂混合物干密度對(duì)水平向膨脹力的影響也很明顯，其變化規(guī)律與豎向膨脹力類似?？焖倥蛎涬A段，豎向膨脹力的增長(zhǎng)速率隨著干密度的增加而迅速增大。隨著水化過程的繼續(xù)，經(jīng)歷了晶層間孔隙被水充填，層疊體吸水膨脹并充填集合體內(nèi)的孔隙和厚層疊體集合體膨脹三個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后，混合物達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)干密度從1.6 g/cm3增加到1.9 g/cm3時(shí)，膨潤(rùn)土最終水平向膨脹力由0.7 MPa增大到2.7 MPa，最終水平向膨脹力隨著干密度的增加而增大。

圖5為摻砂率為20%的膨潤(rùn)土-砂混合物膨脹應(yīng)力隨干密度的變化規(guī)律曲線。由圖5可知，摻砂率相同時(shí)，三向膨脹力隨干密度的增大而呈指數(shù)增大，而且豎向膨脹力始終大于水平向膨脹力，說(shuō)明摻砂率一定時(shí)，提高膨潤(rùn)土混合物的干密度可以提高其膨脹力。

圖5 膨潤(rùn)土-砂混合物膨脹應(yīng)力隨干密度的變化規(guī)律曲線Fig.5 Change law curve of bentonite-sand mixturesswelling pressure with dry density

2.3 三向膨脹力與摻砂率和膨潤(rùn)土體積比的關(guān)系

圖6為干密度從1.6 g/cm3增加到1.9 g/cm3時(shí)的膨潤(rùn)土-砂混合物膨脹應(yīng)力隨摻砂率的變化曲線。由圖6可知，摻砂率的大小會(huì)直接影響混合物的膨脹特性，摻砂率越小，單位體積的蒙脫石含量越高，混合物所吸收的水分就越多，膨脹速率越快，土體的膨脹特性越強(qiáng)，表現(xiàn)出更大的膨脹力；混合物的膨脹應(yīng)力隨摻砂率的增加呈指數(shù)遞減，并且豎直方向膨脹應(yīng)力始終大于水平向膨脹應(yīng)力。膨潤(rùn)土膨脹力主要是因?yàn)槠渲忻擅撌V物的吸水膨脹引起的，在吸水過程中，蒙脫石通過層間陽(yáng)離子水化形成水合陽(yáng)離子，從而引起內(nèi)部膨脹，單位體積蒙脫石吸水量是一個(gè)常數(shù)，與試樣的干密度和摻砂率無(wú)關(guān)。試樣在恒定的立方體試樣筒吸水，在微觀結(jié)構(gòu)層面蒙脫石吸水膨脹，但在宏觀結(jié)構(gòu)層面試樣的總體變形受周圍荷載的影響，且吸水飽和時(shí)最終膨脹量由試樣中單位體積蒙脫石的含量決定。對(duì)于摻砂率為30%的混合物，在砂骨架形成之前，砂顆粒被蒙脫石包圍，外力由蒙脫石承擔(dān)。隨著吸水和膨脹應(yīng)力的增大，砂骨架形成，豎向應(yīng)力最終由砂骨架和蒙脫石共同承擔(dān)，摻砂率越大，混合物的膨脹性越弱，越容易形成砂骨架。同時(shí)，石英砂吸水能力很小，也不具備膨脹性，隨著摻砂率增加，顆粒級(jí)配不斷改變，混合物中蒙脫石含量減少，砂骨架的變形量變小，壓縮變形隨著摻砂率的增大而減小。

從圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，混合物膨脹力存在各向異性，即豎向膨脹力與水平向膨脹力并不一致。當(dāng)摻砂率為20%～30%時(shí)，豎向膨脹力略大于水平向膨脹力，但是當(dāng)摻砂率小于20%后，豎向膨脹力與水平向膨脹力的差距進(jìn)一步增大，豎向膨脹力明顯大于水平向膨脹力。說(shuō)明隨著摻砂率的減小，豎向膨脹力占混合物膨脹力的比例越來(lái)越大。這可能與混合物在吸水膨脹過程中的水化反應(yīng)速率存在各向異性及內(nèi)部水分遷移和擴(kuò)散路徑存在各向異性有關(guān)。干密度較小(1.6 g/cm3)的膨潤(rùn)土加砂混合物，其豎向膨脹力與水平向膨脹力隨摻砂率的發(fā)展趨勢(shì)基本一致，并且最終膨脹力的峰值也基本相等；對(duì)于較大干密度(1.9 g/cm3)的混合物，其水平向膨脹力遠(yuǎn)小于豎向膨脹力。對(duì)于干密度為1.7 g/cm3的樣品，隨著砂含量從0%增加到30%，最大豎直方向膨脹應(yīng)力從4.62 MPa降低到1.23 MPa，最大水平方向膨脹應(yīng)力從4.18 MPa降低到1.08 MPa。這說(shuō)明，膨潤(rùn)土中添加石英砂可以有效抑制膨潤(rùn)土-砂混合物的極限膨脹力，膨潤(rùn)土膨脹力大小與摻砂率有關(guān)，在相同干密度條件下，摻砂率越小膨脹力越大，這與汪龍等[22]的研究結(jié)果相符。CUI等[23]的研究也證實(shí)，對(duì)不同摻砂率條件下GMZ膨潤(rùn)土-砂混合物進(jìn)行了膨脹實(shí)驗(yàn)，隨著摻砂率增大，試樣最大膨脹力呈指數(shù)遞減趨勢(shì)。從處置庫(kù)安全運(yùn)行角度看，通過添加適當(dāng)比例的石英砂來(lái)抑制緩沖/回填材料因吸水而產(chǎn)生的最大膨脹力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞是很有利的。

圖6 三向膨脹力與摻砂率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between sand content and 3D swelling pressure

在膨潤(rùn)土-砂混合物中，只有膨潤(rùn)土中的蒙脫石礦物具有吸水膨脹的特性，并且在膨潤(rùn)土中絕大多數(shù)礦物為蒙脫石(含75.4%)。因此，引入一個(gè)參數(shù)，膨潤(rùn)土在膨潤(rùn)土-砂混合物中的體積比α計(jì)算見式(1)。

α=Vb/(Vb+Vs)

(1)

式中：α為膨潤(rùn)土的體積比；Vb為膨潤(rùn)土礦物的體積；Vs為石英砂的體積。

圖7為不同膨潤(rùn)土體積比的最大膨脹力，膨脹力隨膨潤(rùn)土體積比的增長(zhǎng)呈非線性，干密度一定的試樣，膨脹力隨試樣中膨潤(rùn)土體積比的增加而增大；當(dāng)膨潤(rùn)土體積比一定時(shí)候，干密度較大的試樣所對(duì)應(yīng)的膨脹力也較大。隨著膨潤(rùn)土的體積比α增加(摻砂量減少)，混合物試樣膨脹變形的各向異性顯著增大，表現(xiàn)為豎向膨脹力與水平膨脹力的差值明顯增大，其原因在于石英砂作為惰性材料在吸水條件下，幾乎不發(fā)生體積變化，石英砂顆粒填充于膨潤(rùn)土基質(zhì)的空隙中，使得α值較小的混合物的膨脹變形更均勻?；旌衔锏呐蛎泟?shì)和膨脹空間將主要由膨潤(rùn)土體積比決定。由圖7可知，膨潤(rùn)土體積比與干密度同時(shí)影響膨脹力，當(dāng)試樣的干密度和膨潤(rùn)土體積比均不同時(shí)，試樣的膨脹力大小就不容易判斷。如膨潤(rùn)土體積比為100%、干密度為1.6 g/cm3的試樣其膨脹力為2.64 MPa。該膨脹力大于膨潤(rùn)土體積比為80%、干密度為1.7 g/cm3的試樣的膨脹力，小于膨潤(rùn)土體積比為80%、干密度為1.9 g/cm3的試樣的膨脹力，而與膨潤(rùn)土體積比為80%、干密度為1.8 g/cm3的試樣的膨脹力大小接近。在給定含水量和干密度的情況下，膨脹力可能由膨潤(rùn)土的體積比唯一決定。

圖7 三向膨脹力與膨潤(rùn)土體積比關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between volume ratio and 3D swelling pressure

2.4 豎向膨脹力與水平向膨脹力之間的關(guān)系

由圖8可知，水平膨脹力與豎向膨脹力之比隨干密度的增大逐漸減小，兩者之間的比值都處于0.9左右，說(shuō)明試樣的膨脹存在各向異性，且隨著試樣干密度的增大愈加顯著；比值隨摻砂率變化而變化，說(shuō)明摻砂率對(duì)試樣的各向異性也有影響。 對(duì)于干密度小于1.7 g/cm3、不同摻砂率的混合料水平向膨脹力與豎向膨脹力之比變化較大。從整體趨勢(shì)上看，摻砂率一定，水平向膨脹力與豎向膨脹力的比值隨干密度增大而顯著減小，當(dāng)干密度為1.9 g/cm3時(shí)，比值變化很小。干密度為1.6 g/cm3的純膨潤(rùn)土，豎向膨脹力略大于水平向膨脹力，但是當(dāng)干密度大于1.8 g/cm3之后，豎向膨脹和水平向膨脹差距增大，豎向膨脹力顯著大于水平向膨脹力。干密度為1.6 g/cm3的純膨潤(rùn)土，豎向膨脹力僅為水平向膨脹力的1.05倍，但干密度為1.9 g/cm3、摻砂率為30%的混合物，豎向膨脹力則為水平向膨脹力的1.17倍。說(shuō)明隨著干密度的增大，豎向膨脹力在整個(gè)膨脹力中所占的比例越大，這可能與樣品的制備和混合物在吸水膨脹過程中水分在試樣中的遷移擴(kuò)散存在各向異性有關(guān)。

圖8 水平向膨脹力與豎向膨脹力之比和干密度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve between ratio of horizontal andvertical swelling pressure as a function of dry density

3 結(jié) 論

1) 實(shí)驗(yàn)在西南科技大學(xué)凍庫(kù)中以冰-土混合法進(jìn)行，其混合效率比普通噴水混合法高，且能更準(zhǔn)確地調(diào)配膨潤(rùn)土的含水率，更接近于目標(biāo)含水率。使膨潤(rùn)土-砂混合物中團(tuán)聚體減少，黏附容器壁質(zhì)量損失少，壓實(shí)后土樣斷面水分分布均勻，有利于制樣器壓樣，提高壓實(shí)膨潤(rùn)土均勻性，可為我國(guó)緩沖回填材料高效生產(chǎn)提供參考。

2) 膨潤(rùn)土-砂混合物的膨脹應(yīng)力隨時(shí)間的變化過程為三個(gè)階段，快速膨脹階段主要處于350 min之前，基本達(dá)到了極限膨脹力的80%；減速膨脹階段主要集中于350～1 000 min，膨脹力接近極限值；緩慢膨脹階段為1 000～1 200 min。

3) 膨潤(rùn)土-砂混合物的膨脹應(yīng)力存在各向異性，水平向膨脹力與豎向膨脹力的比值約為0.9。膨脹應(yīng)力與摻砂率、干密度密切相關(guān)；當(dāng)干密度從1.6 g/cm3增加到1.9 g/cm3時(shí)，膨潤(rùn)土最終水平向膨脹力由0.7 MPa增大到2.7 MPa。對(duì)于干密度為1.7 g/cm3的樣品，隨著砂含量從0%增加到30%，最大豎直方向膨脹應(yīng)力從4.62 MPa降低到1.23 MPa，最大水平方向膨脹應(yīng)力從4.18 MPa降低到1.08 MPa，干密度為1.6 g/cm3的純膨潤(rùn)土，豎向膨脹力僅為水平向膨脹力的1.05倍，但干密度為1.9 g/cm3摻砂率為30%的混合物，豎向膨脹力則為水平向膨脹力的1.17倍。