堿熱耦合的膨潤(rùn)土-花崗巖巖屑混合物膨脹特性

秦愛(ài)芳,胡宏亮

(上海大學(xué)土木工程系,上海 200444)

核電行業(yè)的快速發(fā)展帶來(lái)一個(gè)不可忽視的問(wèn)題,即如何安全有效地處置高水平放射性廢物(簡(jiǎn)稱高放廢物).高放廢物中含有大量放射性核素,放射性水平高且衰變周期長(zhǎng).目前,國(guó)際上普遍采用深層地質(zhì)處置庫(kù)的方法來(lái)處理高放廢物,即在深層地下建造一個(gè)由廢物罐、緩沖回填材料和圍巖組成的多屏障系統(tǒng)[1].

在處置庫(kù)的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,核素的衰變熱會(huì)使處置庫(kù)內(nèi)部不斷升溫.在高溫環(huán)境下,處置庫(kù)的主要建筑材料——混凝土?xí)铀倮匣ソ?產(chǎn)生的大量OH-與地下水相互作用后會(huì)形成高堿性孔隙水,進(jìn)而降低緩沖回填材料的屏障性能[2].

陳寶等[3]研究了NaOH溶液對(duì)高廟子(Gaomiaozi,GMZ)膨潤(rùn)土的滲透特性和膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)試樣的膨脹力隨著濃度的增加而降低,滲透系數(shù)隨著濃度的增加而增大.Savage[4]研究發(fā)現(xiàn),混凝土在老化作用下產(chǎn)生的孔隙溶液與膨潤(rùn)土?xí)l(fā)生反應(yīng),從而導(dǎo)致蒙脫石的溶解,降低了膨潤(rùn)土的膨脹性能.Sun等[5]研究了混凝土衰減液對(duì)膨潤(rùn)土礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)試樣膨脹力降低的原因是蒙脫石在混凝土衰減液入滲下會(huì)逐漸溶解,并產(chǎn)生沒(méi)有膨脹能力的次生礦物.Villar等[6]研究了溫度對(duì)FEBEX膨潤(rùn)土的膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)其膨脹變形和膨脹力均隨溫度的升高而降低.Ye等[7]研究了pH值為8、10和12的溶液分別在25、60和80°C反應(yīng)溫度下對(duì)高廟子膨潤(rùn)土的膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)試樣的膨脹力隨pH值的增大而降低,隨溫度的升高而降低.Fern′andez等[8]將0.25 mol/L NaOH溶液通入La Serrata膨潤(rùn)土和水泥組成的系統(tǒng)中,研究在25、60和120°C反應(yīng)溫度下膨潤(rùn)土的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)蒙脫石溶解程度隨著溫度的升高而增大.

為了改善膨潤(rùn)土的熱傳導(dǎo)性能、可施工性和強(qiáng)度特性等性質(zhì),國(guó)內(nèi)外學(xué)者都嘗試采用膨潤(rùn)土-添加劑混合物作為緩沖回填材料,并就不同種類(lèi)和摻量的添加劑對(duì)膨潤(rùn)土屏障性能的影響進(jìn)行研究.劉月妙等[9]研究了GMZ01膨潤(rùn)土及其與石英砂、石墨的混合材料的導(dǎo)熱性能,發(fā)現(xiàn)將石英砂和石墨作為添加劑可以明顯提高緩沖回填材料的導(dǎo)熱性能和熱擴(kuò)散性能.王志儉等[10]對(duì)膨潤(rùn)土-砂混合物的膨脹特性進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)初始含水率對(duì)試樣最終膨脹率沒(méi)有影響,但對(duì)膨脹速率有較大影響.Zhang等[11]研究了NaCl-Na2SO4溶液濃度對(duì)膨潤(rùn)土-砂混合物膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)試樣的最大膨脹應(yīng)變和最大膨脹力均隨溶液濃度的增加而降低,隨摻砂率的增加而降低.Cuisinier等[12]通過(guò)壓汞試驗(yàn)研究堿性溶液侵蝕前后試樣的微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)純膨潤(rùn)土被侵蝕后孔隙率和大孔隙數(shù)均明顯增加,而50%砂和50%膨潤(rùn)土的膨潤(rùn)土-砂混合物被侵蝕后的微觀結(jié)構(gòu)只受到輕微影響.

除了石英砂和石墨這兩種添加劑外,在深層地質(zhì)處置庫(kù)預(yù)選場(chǎng)址甘肅北山地下圍巖中,開(kāi)挖巷道時(shí)切割花崗巖產(chǎn)生大量的碎石和粉屑,將這種花崗巖碎屑作為添加劑具有成本低廉、易于獲得、導(dǎo)熱性能優(yōu)良、對(duì)處置庫(kù)水化學(xué)環(huán)境影響小、與圍巖相容性好等優(yōu)點(diǎn),是潛在的添加劑備選材料,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了一些相關(guān)研究.謝敬禮等[13]采用瞬變平面熱源法研究高廟子膨潤(rùn)土及其混合材料的導(dǎo)熱性能,發(fā)現(xiàn)花崗巖碎屑能有效提高膨潤(rùn)土的導(dǎo)熱系數(shù).Villar[14]通過(guò)鹽溶液和去離子水對(duì)70%花崗巖-30%膨潤(rùn)土混合物進(jìn)行滲透試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鹽溶液入滲時(shí)的滲透系數(shù)高于去離子水入滲時(shí)的滲透系數(shù).Mata等[15]研究了鹽溶液濃度對(duì)MX-80鈉基膨潤(rùn)土和花崗巖巖屑混合物水力特性的影響.Chen等[16]研究了添加劑種類(lèi)對(duì)高廟子膨潤(rùn)土混合物膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)添加劑摻量相等時(shí),膨潤(rùn)土-花崗巖巖屑混合物比膨潤(rùn)土-砂混合物具有更優(yōu)異的膨脹性能.

目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于常溫下堿性溶液對(duì)膨潤(rùn)土膨脹特性的影響的研究較多,但就堿性溶液及溫度對(duì)膨潤(rùn)土混合材料膨脹特性的研究很少.我國(guó)擬選用產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣的高廟子膨潤(rùn)土作為核廢料深層地質(zhì)處置的緩沖回填材料.因此,開(kāi)展不同環(huán)境溫度下堿性溶液入滲時(shí)高廟子膨潤(rùn)土-花崗巖巖屑混合物膨脹特性試驗(yàn)研究非常必要.本工作制備了不同花崗巖巖屑摻量的高廟子膨潤(rùn)土混合材料,進(jìn)行了不同濃度堿性溶液與不同溫度耦合時(shí)的膨脹力試驗(yàn),討論了摻巖率、溶液濃度、試驗(yàn)溫度對(duì)膨潤(rùn)土混合材料膨脹特性的影響,為深地質(zhì)處置庫(kù)緩沖回填材料的選擇提供一定的參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土為產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣的高廟子膨潤(rùn)土(簡(jiǎn)稱GMZ膨潤(rùn)土),經(jīng)過(guò)粉碎篩選等步驟制成粒徑小于200目的粉末狀土樣,天然含水率為7.4%,各主要礦物成分含量和物理參數(shù)如表1所示.試驗(yàn)所用花崗巖巖屑為礦廠在花崗巖石材切割時(shí)產(chǎn)生的碎石粉末,試驗(yàn)前已用碎石機(jī)將其中碎石碾碎成細(xì)顆粒,并篩選成粒徑為100目的巖屑顆粒,主要礦物成分是石英、長(zhǎng)石和云母,各礦物成分含量和物理參數(shù)如表2所示.圖1為膨潤(rùn)土和花崗巖巖屑的顆粒級(jí)配曲線.根據(jù)郭永海等[17]的研究,高放廢物處置庫(kù)預(yù)選場(chǎng)址北山的地下水中陽(yáng)離子以Na+為主,考慮到蒙脫石具有較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換性,試驗(yàn)時(shí)以去離子水為溶劑,NaOH為溶質(zhì),以模擬深地質(zhì)處置庫(kù)中可能產(chǎn)生的堿性孔隙水.

圖1 GMZ膨潤(rùn)土和花崗巖巖屑的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain grading curves of GMZ bentonite and crushed granite

表1 GMZ01膨潤(rùn)土各礦物成分和物理參數(shù)Table 1 Mineralogical composition and physical parameters of GMZ01 bentonite

表2 花崗巖巖屑各礦物成分和物理參數(shù)Table 2 Mineralogical composition and physical parameters of crushed granite

1.2 試驗(yàn)方法

制樣時(shí)首先將花崗巖巖屑放入105°C烘箱烘干至恒重,再按照目標(biāo)含水率7.4%計(jì)算所需的去離子水,采用濕噴法均勻噴灑在顆粒表面,并在噴灑的過(guò)程中攪拌均勻,最后用保鮮膜密封,在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)72 h以上.

按照不同摻巖率(花崗巖巖屑干重與膨潤(rùn)土-花崗巖巖屑混合物干重之比)制備所需的混合材料,用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?密封后靜置備用.取目標(biāo)干密度為1.7 g/cm3,并考慮壓樣損失混合物重量,將稱量好的混合物緩慢均勻地倒入自制壓樣模具中,控制萬(wàn)能壓力機(jī)加載速率為0.2 mm/min,壓制成高度10 mm、底面積30 cm2的圓餅狀試樣.為防止試樣回彈,壓到預(yù)定高度后保持壓力不變30 min.壓制完成后測(cè)得試樣干密度為(1.70±0.01)g/cm3.

試驗(yàn)所用儀器為南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的WG型三聯(lián)高壓固結(jié)儀,杠桿比為1∶24.考慮到由銅、鐵等金屬制成的固結(jié)盒與堿性溶液接觸后會(huì)發(fā)生腐蝕變性,影響溶液中離子含量,為保護(hù)試驗(yàn)儀器和控制試驗(yàn)誤差,本工作采用耐腐蝕材料即聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene,PTEE),按照原金屬固結(jié)盒加工定制等尺寸的新型耐腐蝕固結(jié)儀.該新型耐腐蝕固結(jié)儀仍使用原分級(jí)砝碼加載系統(tǒng).

試驗(yàn)時(shí)將裝有NaOH溶液的試劑瓶放入恒溫水浴鍋中,用蠕動(dòng)泵將溶液通入固結(jié)盒底部,再用另一蠕動(dòng)泵將固結(jié)盒頂部的溶液抽回試劑瓶中,通過(guò)將恒定溫度的溶液與固結(jié)盒中的溶液不間斷循環(huán),提供試驗(yàn)所需溫度.為了避免水分蒸發(fā)而改變?nèi)芤簼舛?在固結(jié)盒和試劑瓶的溶液表面倒入一層硅油液封,并且將連接蠕動(dòng)泵的軟管用鋁箔膠帶包裹,避免循環(huán)過(guò)程的熱量散失而導(dǎo)致軟管中溶液溫度下降.試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Conceptual diagram of test device

膨脹力試驗(yàn)采用等體積法.試驗(yàn)步驟如下:首先將試樣放入固結(jié)盒中,施加一定的預(yù)壓力,使固結(jié)儀、透水石和試樣之間接觸良好,將此時(shí)百分表讀數(shù)作為初始讀數(shù);然后緩慢加入溶液,試樣開(kāi)始吸水膨脹,當(dāng)百分表指針開(kāi)始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),立即增加砝碼,并使指針回到初始讀數(shù);當(dāng)百分表發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),表明膨脹力下降,立即減少砝碼并使指針回到初始讀數(shù),實(shí)時(shí)記錄膨脹力的變化,直到在某一級(jí)荷載下指針保持不變,則認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)束.

由于地下水在入滲時(shí)首先被緩沖層與圍巖交界面材料吸水飽和,因此本工作主要考慮該區(qū)域在處置庫(kù)封閉前后溫度的差異.對(duì)于處置庫(kù)封閉前溫度,根據(jù)北山預(yù)選場(chǎng)址深鉆孔的地溫測(cè)量結(jié)果[18]可知,地溫梯度為0.024°C/m.假定地表溫度為10°C,以處置庫(kù)設(shè)計(jì)深度500 m為例,處置庫(kù)巷道位置圍巖溫度大約為22°C,因此本工作取25°C.對(duì)于處置庫(kù)封閉后溫度,根據(jù)瑞士FEBEX原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)[19]和我國(guó)的大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(China-Mock-Up)研究[20],緩沖層最外側(cè)區(qū)域溫度峰值為40～50°C之間.根據(jù)上述研究,本工作選用25和50°C兩個(gè)溫度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).膨脹力試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示,對(duì)于不同摻巖率試樣,均設(shè)計(jì)3種入滲堿性溶液濃度.對(duì)于純膨潤(rùn)土材料,額外進(jìn)行去離子水飽和膨脹力試驗(yàn)作為比較基準(zhǔn).

表3 膨脹力試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Parameters of tests of swelling pressure

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 膨脹特性與時(shí)間的關(guān)系

圖3為不同摻巖率的試樣膨脹力時(shí)程曲線.

由圖3(a)和圖3(b)可以看出,當(dāng)去離子水入滲時(shí),純膨潤(rùn)土試樣的膨脹力迅速增大到第一個(gè)峰值,然后小幅回落,隨后再次增大到最大值并趨于穩(wěn)定.而當(dāng)堿性溶液入滲時(shí),試樣膨脹力不斷增大到最大值后均出現(xiàn)下降趨勢(shì),其中0.1 mol/L NaOH溶液入滲時(shí),時(shí)程曲線出現(xiàn)下降后回升再下降的現(xiàn)象,呈雙峰結(jié)構(gòu)特征;而當(dāng)0.5和1.0 mol/L NaOH溶液入滲時(shí),膨脹力由最大值不斷下降至穩(wěn)定值,時(shí)程曲線呈單峰結(jié)構(gòu)特征.

圖3 膨脹力時(shí)程曲線Fig.3 Evolution curves of swelling force

對(duì)于膨脹力時(shí)程曲線的雙峰結(jié)構(gòu)特征,可從純膨潤(rùn)土膨脹力形成機(jī)理來(lái)解釋,圖4為純膨潤(rùn)土膨脹過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)變化[21-23],由圖可知,膨潤(rùn)土初始階段含有層間孔隙、集合體內(nèi)孔隙和集合體間孔隙.整個(gè)膨脹過(guò)程可根據(jù)膨潤(rùn)土孔隙的水化順序分為晶層膨脹和雙電層膨脹,晶層間可交換陽(yáng)離子水化發(fā)生晶層膨脹,對(duì)應(yīng)蒙脫石單元層間孔隙吸水(第一階段);然后發(fā)生雙電層膨脹,晶層表面的負(fù)電荷使水分子定向排列形成雙電層(diffusion double-layer,DDL),此過(guò)程會(huì)使層疊體分裂成多個(gè)層單元,層單元在填充集合體間的孔隙時(shí)會(huì)使土體體積變小,導(dǎo)致膨脹性能略微下降(第二階段);隨著雙電層繼續(xù)膨脹,對(duì)應(yīng)集合體內(nèi)孔隙和集合體間孔隙不斷吸水,土體膨脹性能繼續(xù)提升(第三階段).由此分析可得,膨脹力時(shí)程曲線出現(xiàn)下降后回升現(xiàn)象主要是受雙電層膨脹影響.對(duì)于堿性溶液入滲試樣,雙電層的形成與溶液中的陽(yáng)離子濃度有關(guān),隨著入滲溶液濃度的增加,雙電層厚度減小,從而降低了黏土顆粒之間的排斥力,使得宏觀上雙電層引起的膨脹力增長(zhǎng)速率下降.Tripathy等[24]研究發(fā)現(xiàn),膨潤(rùn)土的雙電層厚度與入滲溶液濃度的平方根成反比.另外,高濃度堿性溶液會(huì)與蒙脫石發(fā)生反應(yīng),減少了膨脹性黏土礦物的含量,礦物變化導(dǎo)致膨脹力下降.綜合溶液濃度對(duì)雙電層膨脹的抑制和對(duì)膨潤(rùn)土成分的影響,故膨脹力曲線在高濃度溶液入滲時(shí)下降后未出現(xiàn)回升.

圖4 膨潤(rùn)土水化過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)[21-23]Fig.4 Microstructures of bentonite during swelling process[21-23]

為了研究不同濃度的堿性溶液對(duì)膨潤(rùn)土各礦物含量的影響,在25°C試驗(yàn)溫度下將純膨潤(rùn)土在堿性溶液飽和膨脹力試驗(yàn)完成后放在105°C烘箱靜置24 h,再進(jìn)行X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)礦物分析試驗(yàn),檢測(cè)試樣均進(jìn)行平行試驗(yàn),礦物成分分析結(jié)果如表4所示,其中膨脹性礦物成分為蒙脫石.由表4可知,方英石的含量隨著濃度的增加明顯減少,這是由于方英石的化學(xué)成分SiO2會(huì)與NaOH發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)式如式(1)所示.蒙脫石含量隨濃度增加而減少,而長(zhǎng)石類(lèi)礦物含量增加,這是因?yàn)槊擅撌?Al2Si4O10(OH)2)與NaOH會(huì)反應(yīng)生成長(zhǎng)石(Na2AlSi3O8),反應(yīng)式如式(2)和(3)所示.由此可以推測(cè)堿性溶液會(huì)使蒙脫石部分溶解,生成無(wú)膨脹能力的次生礦物,破壞了蒙脫石的T-O-T有效結(jié)構(gòu),從而降低了試樣的膨脹性,且堿性溶液濃度越高,蒙脫石溶蝕程度越大.

表4 不同堿性溶液飽和后高廟子膨潤(rùn)土的礦物成分Table 4 Mineralogical composition of GMZ bentonite saturated by different alkaline solutions%

比較圖3中0.1 mol/L NaOH溶液飽和時(shí)的不同摻巖率試樣,只有純膨潤(rùn)土的膨脹力時(shí)程曲線出現(xiàn)了雙峰結(jié)構(gòu),其他摻巖混合物均是單峰結(jié)構(gòu),這主要是由摻巖混合物的骨架組成與純膨潤(rùn)土的差異導(dǎo)致的.分析圖1可知,本工作使用的膨潤(rùn)土和花崗巖巖屑中值粒徑分別在0.01和0.14 mm左右,相差一個(gè)數(shù)量級(jí),故可將膨潤(rùn)土和巖屑看成細(xì)顆粒和粗顆粒.當(dāng)摻巖率較低時(shí),混合物的整體骨架主要由細(xì)顆粒組成,此時(shí)豎向壓力由細(xì)顆粒互相連接傳遞,骨架穩(wěn)定性由細(xì)顆粒決定;而對(duì)于摻巖率較高的混合物,隨著膨潤(rùn)土不斷吸水飽和,混合物中孔隙被填滿,粗顆粒與粗顆粒之間由大量細(xì)顆粒聚合體形成傳力路徑,雖然粗顆粒的數(shù)量遠(yuǎn)少于細(xì)顆粒,但巖屑顆粒壓縮性低,且由于顆粒粒徑較大,在空間中錯(cuò)動(dòng)翻轉(zhuǎn)所克服的阻力較大,故在膨潤(rùn)土中摻花崗巖巖屑可提高混合物骨架穩(wěn)定性.由此分析可得,對(duì)于摻巖混合物,當(dāng)膨潤(rùn)土雙電層膨脹時(shí),雖然層疊體水化并重組排列會(huì)引起膨潤(rùn)土集合體受力發(fā)生改變,但巖屑顆?？沙袚?dān)膨潤(rùn)土轉(zhuǎn)移的壓力,減少混合物骨架塌縮變形,進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)特征.

2.2 膨脹特性與堿性溶液濃度的關(guān)系

綜合圖3來(lái)看,堿性溶液飽和試樣膨脹力時(shí)程曲線均出現(xiàn)膨脹力衰減現(xiàn)象,因此可將曲線分為3個(gè)階段,分別為膨脹力增長(zhǎng)階段、衰減階段和穩(wěn)定階段.對(duì)于膨脹力增長(zhǎng)階段,在25°C時(shí),膨脹力隨時(shí)間增大的速度與溶液濃度有關(guān),濃度越高,增大速度越慢;在50°C時(shí),膨脹力隨時(shí)間增大的速度明顯加快,但溶液濃度對(duì)增大速度幾乎沒(méi)有影響.對(duì)于膨脹力衰減階段,在25°C時(shí),溶液濃度越高,膨脹力越先出現(xiàn)衰減,并且衰減速度越快,衰減量也越多;在50°C時(shí),膨脹力衰減趨勢(shì)更明顯,衰減速度也較快.

為了更加直觀地分析溶液濃度和摻巖率以及溫度對(duì)摻巖混合物膨脹特性的影響,本工作對(duì)膨脹力時(shí)程曲線中幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì).

(1)膨脹力衰減起始時(shí)刻TⅠ:對(duì)于單峰結(jié)構(gòu)時(shí)程曲線,為峰值開(kāi)始下降時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻;對(duì)于雙峰結(jié)構(gòu)時(shí)程曲線,為第二個(gè)峰值開(kāi)始下降時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,單位h.

(2)最大膨脹力Pmax:試樣膨脹力在增大過(guò)程中所能達(dá)到的最大值,對(duì)應(yīng)時(shí)程曲線最高點(diǎn),單位MPa.

(3)穩(wěn)定膨脹力Pfinal:試樣膨脹力經(jīng)過(guò)衰減后達(dá)到的穩(wěn)定值,對(duì)應(yīng)時(shí)程曲線最終不變值,單位MPa.

(4)膨脹力衰減率φ:表示膨脹力的衰減程度,定義為

將上述4種關(guān)鍵數(shù)據(jù)與溶液濃度的關(guān)系整理如圖5所示.

在圖5(a)中,膨脹力衰減起始時(shí)刻隨濃度的增加而降低,表明濃度越高,膨脹力越早出現(xiàn)衰減;在50°C時(shí),衰減起始時(shí)刻均明顯提前,可知溫度升高能使試樣更早出現(xiàn)膨脹力衰減.對(duì)于試樣BG-Ⅱ和BG-Ⅲ,在50°C時(shí),衰減起始時(shí)刻位于1.5～2.5 h之間,溶液濃度對(duì)衰減起始時(shí)刻影響不明顯.

由圖5(b)可知,相同試樣在0.1 mol/L NaOH溶液入滲時(shí)Pmax均最大,Pmax隨溶液濃度增加而降低.比較同濃度堿性溶液在兩種溫度下的試樣Pmax,發(fā)現(xiàn)Pmax在50°C時(shí)均較小.對(duì)于試樣BG-Ⅱ和BG-Ⅲ,溶液濃度對(duì)Pmax的影響與溫度有關(guān),在50°C,3種濃度溶液入滲后試樣Pmax隨濃度增加而降低的程度明顯小于25°C,這是由于膨潤(rùn)土雙電層的影響.雙電層理論是指土顆粒表面的負(fù)電荷會(huì)吸附溶液中的陽(yáng)離子,在陽(yáng)離子外形成結(jié)合水膜.當(dāng)溫度升高時(shí),結(jié)合水分子的自由運(yùn)動(dòng)加快,會(huì)有一部分結(jié)合水逃離雙電層的束縛轉(zhuǎn)變成自由水,結(jié)合水的含量會(huì)隨溫度升高而降低[25].因此,當(dāng)溫度較高時(shí),試樣雙電層膨脹程度下降較大,但層間陽(yáng)離子水化能力是一定的,故在50°時(shí),3種濃度溶液入滲后試樣Pmax主要由晶層膨脹決定,表現(xiàn)為差值明顯變小.

圖5 膨脹特性與溶液濃度的關(guān)系Fig.5 Relationships between swelling characteristic and concentration of solution

比較圖5(b)和(c)可知,Pfinal隨濃度的增加而降低,從數(shù)據(jù)點(diǎn)連線的斜率來(lái)看,相比于Pmax,Pfinal隨濃度增加而降低的趨勢(shì)更明顯,這是由于膨脹力的衰減程度與溶液濃度有關(guān).圖5(d)為各試樣膨脹力衰減率,由圖可知,堿性溶液濃度越高,φ越大.這可以由表4中純膨潤(rùn)土XRD分析結(jié)果來(lái)解釋,堿性溶液濃度越高,蒙脫石含量會(huì)越低,所以混合物中膨潤(rùn)土被溶蝕程度越大,導(dǎo)致φ越大.另外,相同試樣在50°C時(shí)的膨脹力衰減率均大于25°C時(shí)的膨脹力衰減率,說(shuō)明混合物的膨脹力衰減程度不僅與溶液濃度有關(guān),而且與溫度有明顯關(guān)系.這是因?yàn)槊擅撌粔A性溶液腐蝕的程度與溫度有關(guān),溫度越高,微觀上蒙脫石含量下降越多,導(dǎo)致宏觀上膨脹力下降越多.很多學(xué)者都研究了堿性溶液對(duì)蒙脫石的腐蝕程度與溫度的關(guān)系.Fern′andez等[26]研究表明,在堿性環(huán)境下,膨潤(rùn)土中的蒙脫石含量會(huì)隨著溫度的升高而明顯降低.Ye等[7]也發(fā)現(xiàn)GMZ膨潤(rùn)土在pH=10和12的堿性溶液入滲時(shí),蒙脫石含量會(huì)隨溫度的升高而顯著降低.比較圖5(d)中相同試樣在不同入滲堿性溶液濃度下的3條膨脹力衰減率連線,發(fā)現(xiàn)在25和50°C時(shí)兩條連線之間基本呈平行關(guān)系,說(shuō)明在兩種溫度下,溶液濃度對(duì)膨脹力衰減率的作用基本不受溫度影響.S′anchez等[27]研究了FEBEX膨潤(rùn)土在25和75°C下0.1、0.25和0.5 mol/L NaOH入滲時(shí)試樣中蒙脫石含量隨時(shí)間的變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度較高時(shí),蒙脫石含量下降更多,但在同一濃度下兩種溫度的試樣蒙脫石含量差值相近,并且該差值與堿性溶液濃度沒(méi)有明顯的直接關(guān)系.圖5(d)中的連線平行是因?yàn)閾綆r混合物中膨脹力下降,這是由于蒙脫石被堿性溶液溶解,但溫度升高引起蒙脫石溶解增加的程度與溶液濃度無(wú)明顯關(guān)系,故對(duì)于相同摻巖率試樣,溫度變化引起的膨脹率、衰減率增長(zhǎng)在3種濃度下基本相同.

2.3 膨脹特性與摻巖率的關(guān)系

圖6為試樣膨脹特性與摻巖率的關(guān)系.由圖6(a)可知,在25°C時(shí),摻巖率越大,膨脹力衰減起始時(shí)刻越晚.根據(jù)前文的分析,膨脹力衰減起始時(shí)刻可看成第一階段和第二階段的分界點(diǎn),衰減起始時(shí)刻與膨脹力增長(zhǎng)完成時(shí)間有關(guān).由圖3可知,在25°C時(shí),第一階段膨脹力增長(zhǎng)速度隨摻巖率增加而降低,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是:巖屑顆粒粒徑較大,會(huì)阻礙溶液在混合物中擴(kuò)散,摻巖率越高的試樣,溶液在孔隙中的滲流路徑越長(zhǎng),溶液擴(kuò)散越慢,導(dǎo)致膨脹力增長(zhǎng)速度越慢,試樣越晚出現(xiàn)膨脹力衰減.在50°C時(shí),摻巖率越高,則膨脹力衰減起始時(shí)刻越早.原因一方面是由于當(dāng)溫度升高時(shí),蒙脫石層間水分子黏滯系數(shù)下降,溶液在孔隙中的滲流速度將加快,從圖3也可看出,在50°C時(shí),膨脹力增長(zhǎng)速度均明顯加快,摻巖率對(duì)膨脹力增長(zhǎng)速度基本無(wú)影響;另一方面由于花崗巖巖屑親水性較低,混合物飽和時(shí)大部分溶液被膨潤(rùn)土顆粒所吸收,在混合物總干重不變的情況下,隨著摻巖率的增加,單位體積內(nèi)膨潤(rùn)土含量下降,故膨脹力增長(zhǎng)完成所需時(shí)間也縮短.

圖6 膨脹特性與摻巖率的關(guān)系Fig.6 Relationships between swelling characteristic and granite mixing rate

由圖6(b)和(c)可知,Pmax和Pfinal均隨摻巖率的增加而降低,但降低的程度隨摻巖率的增加而減小,說(shuō)明在膨潤(rùn)土中摻加適量巖屑,可有效抑制混合物的膨脹力,隨著摻巖率的增加,這種抑制作用有所減弱.并且可以發(fā)現(xiàn),在50°C時(shí),相同試樣Pmax和Pfinal均比25°C時(shí)小,這與圖5(b)和(c)中溫度對(duì)Pmax和Pfinal的影響規(guī)律一致.在50°C時(shí),Pmax和Pfinal隨摻巖率的增加而降低的程度均更明顯.這主要可從兩方面來(lái)解釋,一方面是由于花崗巖巖屑的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于膨潤(rùn)土,所以在膨脹力增長(zhǎng)階段,當(dāng)50°C的溶液入滲時(shí),摻巖率較高的試樣導(dǎo)熱性能越強(qiáng),內(nèi)部溫度上升越快,而溫度越高蒙脫石層間水分子黏滯系數(shù)越低,蒙脫石吸水性降低導(dǎo)致最大膨脹力隨摻巖率增加而明顯降低;另一方面,根據(jù)前文的分析,內(nèi)部溫度越高時(shí)蒙脫石溶蝕程度越大,導(dǎo)致試樣膨脹特性下降,綜合兩方面原因,當(dāng)溫度較高時(shí),摻巖率對(duì)Pmax和Pfinal的影響更明顯.

不同摻巖率下各試樣膨脹力衰減率如圖6(d)所示.從圖中可以看出,在同一溫度和入滲溶液濃度情況下,低摻巖率(＜6%)下,φ隨摻巖率增加而減小;高摻巖率(＞6%)下,摻巖率對(duì)φ基本沒(méi)有影響,這可以通過(guò)巖屑顆粒對(duì)骨架穩(wěn)定性的影響以及花崗巖材料的耐堿性進(jìn)行解釋.對(duì)于摻巖混合物試樣,當(dāng)堿性溶液入滲時(shí),膨潤(rùn)土顆粒吸水飽和形成膨潤(rùn)土集合體,該膨潤(rùn)土集合體與巖屑顆粒共同形成混合物骨架結(jié)構(gòu).巖屑材料具有耐堿性,其主要礦物石英、長(zhǎng)石和云母均不與堿性溶液發(fā)生反應(yīng),雖然部分膨潤(rùn)土?xí)粔A性溶液溶蝕導(dǎo)致膨潤(rùn)土集合體出現(xiàn)少量空隙,但巖屑顆粒仍然與大部分膨潤(rùn)土集合體接觸,兩種材料相互傳力提高了骨架的整體穩(wěn)定性,所以在膨潤(rùn)土中摻入花崗巖巖屑能有效降低試樣因堿性溶液入滲導(dǎo)致的膨脹力衰減.而在高摻巖率(＞6%)下,巖屑顆粒對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高有限,隨著摻巖率的增加,φ變化較小.

3 結(jié)論

(1)當(dāng)0.1 mol/L NaOH溶液和去離子水入滲時(shí),純膨潤(rùn)土膨脹力時(shí)程曲線出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)特征,而隨著入滲溶液濃度增加和摻入花崗巖巖屑,膨脹力時(shí)程曲線均變?yōu)閱畏褰Y(jié)構(gòu).當(dāng)堿性溶液入滲時(shí),膨脹力時(shí)程曲線可分為3個(gè)階段:增長(zhǎng)階段、下降階段、穩(wěn)定階段.

(2)試樣最大膨脹力和穩(wěn)定膨脹力均隨溶液濃度的增加而減小,并且膨脹力衰減率隨濃度的增加而增大.結(jié)合礦物分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)堿性溶液會(huì)使膨潤(rùn)土中的礦物含量發(fā)生變化,蒙脫石含量隨濃度增加而下降.

(3)試樣的最大膨脹力和穩(wěn)定膨脹力隨摻巖率的增加而降低,膨脹力衰減率隨摻巖率的增加而降低.在膨潤(rùn)土中摻入花崗巖巖屑可以提高骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,巖屑與膨潤(rùn)土共同承擔(dān)豎向應(yīng)力,當(dāng)堿性溶液入滲時(shí),摻入巖屑材料可減弱試樣膨脹力衰減的程度.

(4)當(dāng)摻巖率相同、入滲溶液濃度相同時(shí),與試驗(yàn)溫度為25°C的試樣相比,試驗(yàn)溫度為50°C的試樣膨脹力增長(zhǎng)速率明顯加快,最大膨脹力和穩(wěn)定膨脹力均減小.膨脹力衰減率隨溫度的升高而增大.