高压实膨润土-砂混合物膨胀性能实验研究

王玉平，王 哲，赵 雨，易发成，朱宝龙，吴亚东

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.宜宾学院国际应用技术学部，四川 宜宾 644000；3.中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026；4.西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川 绵阳 621010；5.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；6.四川轻化工大学计算机科学与工程学院，四川 宜宾 643000)

对于处置高放射性核废料，各国学者提出过很多方案，其中，深层地质处置是普遍认可的处置方案。深层地质处置即将高放废物埋于距地表深几百米至一千米的稳定岩体中，使之永久与人类生存环境隔离，并设置多重工程措施来阻止核素不能向外泄漏与迁移[1]。压实膨润土由于具有良好的吸水膨胀性、极低的渗透性、阳离子交换性、优良的表面吸附能力以及价格便宜稳定等性质，被用作垃圾填埋场的防渗材料和高放废料深地质处置库的缓冲回填材料。在许多国家，膨润土基材料已被视为工程化的屏障材料，用于深层放射性废物的深部地质处置[2]。在纯膨润土中添加一定比例的石英砂，可以在不显著降低吸附性能和防渗性能的前提下，明显地提高缓冲回填材料的可施工性、力学强度、热传导性和长期稳定性[3]，其中石英砂能提高混合物的热传导系数[4]。膨润土与砂混合物的膨胀特性的确定对高放废物处置具有重要的意义，不同干密度和不同掺砂率产生的膨胀力大小不同。许多学者对不同的膨润土开展了大量的膨胀力试验，研究了不同膨润土及其与砂混合物的膨胀特性[5-7]。池泽成等[8]用改进的三向膨胀仪对合肥重塑膨润土进行试验，得到了膨润土三向应力-应变规律；王飞等[9]对新疆某地膨润土进行离子交换和膨胀性研究，得出膨润土膨胀指数的变化与K+、Ca2+和Mg2+与蒙脱石层间阳离子交换有关；XU等[10]、SUN等[11]研究了钠基膨润土的膨胀特性；谈云志等[12]研究了信阳膨润土及红黏土的膨胀特性；刘洪伏等[13]对邯郸强膨胀土和复合改性后的膨胀土进行三向膨胀力试验研究，得到温度大于45 ℃，改性后的土样随着温度升高竖向膨胀力先增加后减小；张颖钧[14]使用平衡加压法原理设计的三向膨缩特性仪研究了裂土的三向膨胀力，得出水平膨胀力与垂直膨胀力之比在0.5左右；王海龙等[15]利用岩土三向膨胀力测量仪，研究川西南地区膨胀岩的膨胀特性。

高放废物处置库关闭运营后，缓冲材料和处置库围岩之间发生热-水-力-化的多场耦合作用，而关于掺砂率和干密度对三向膨胀力的耦合影响研究并不多见。因此，本文采用自主研制的岩土三向膨胀仪实验装置，研究内蒙古高庙子膨润土-砂混合物在不同干密度和掺砂率条件下的膨胀力特征，探讨混合试样在多因素耦合作用下的变化规律并分析其原因，对处置库近场环境下长期稳定性及安全性评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验选用的膨润土为内蒙古高庙子膨润土(以下简称“GMZ膨润土”)，是产自内蒙古兴和县高庙子乡的钠基膨润土，具有较强的吸附能力、阳离子交换能力，主要矿物为蒙脱石、长石和石英等，基本的物理化学性质见表1[16]。石英砂是汉中市九龙矿业提供的天然石英砂，其粒径为0.4～0.7 mm，主要集中在0.5 mm附近，占比为2.68，泡在水中时悬浊液pH值约为6.4，呈弱酸性，其二氧化硅含量高达99.8%。

表1 GMZ膨润土的基本物理化学性质Table 1 Basic physical and chemical propertiesof GMZ bentonite

1.2 试样制备

首先，将膨润土和石英砂在105 ℃的烘箱中烘干5 h以上至恒重，待冷却至室温后取出，试样未添加任何添加剂。将冷却至常温的膨润土和石英砂按比例混合均匀，分别配制掺砂率为0%、10%、20%、30%的试样。传统的土与液态水直接混合导致膨润土产生团聚、黏附容器、水分分布不均，通常固体与固体混合较固体与液体混合更易混合均匀[17]，本次实验采用在膨润土-砂混合物中加入固态冰粉的方法(以下简称“冰-土混合法”)，含水率控制在13%，冰-土混合法实验在西南科技大学冻库实验室(-25 ℃)进行，先将配置好的4个不同掺砂率的膨润土-砂混合物和冰块在冻库中冷冻48 h。然后，将冰块粉碎后立即过1 mm的筛，称量所要求的冰粉及混合物后一次性倒入混合容器中，迅速搅拌均匀。混合均匀后装入密封袋，常温下自然解冻72 h。实验结果显示膨润土混合物中团聚体减少，黏附容器壁质量损失少，土样水分分布均匀，有利于制样器压实制样。图1为所用膨润土粉、冰粉以及混合物实物照片。最后，按照设置好的4组掺砂率制备压实4组干密度试样。称取一定量的混合物放入边长为4 cm立方体的试样筒内，采用微机控制电液式压力实验机进行静压。以1 mm/min的控制速率压实至所需的干密度，一旦达到干密度，位移轴就会被锁定放置1 h以上，以防止回弹。然后，以0.2 mm/min的速率卸载样品，一旦卸载，样品立即从模具拆出放入三向膨胀仪进行恒定体积膨胀实验，温度控制在30 ℃。

图1 膨润土粉、冰粉以及混合物实物照片Fig.1 Photos of bentonite powder,ice powder and the mixture

1.3 实验仪器及流程

岩土三向膨胀仪主要由温度控制部件、三套反力架、4 cm×4 cm×4 cm的试样箱、膨胀应力量测传感器等组成(图2)。将试样装入立方体试样箱后，安装三套反力架和百分表，调整螺杆，施加1 kPa预压力使试样与仪器各部分充分接触。拧松试样箱顶部的排气孔螺钉，接通注水罐，往试样箱里面注水，等试样箱内水注满从排气孔溢出时，停止注水，拧紧排气孔螺钉。 在实验过程中，适时拧动调整螺杆调整梁的变形量,通过与膨胀应力量测传感器的仪表读出3个方向的膨胀应力，按时记录数据，当膨胀力读数变化1 h小于0.01 kPa时，膨胀力在30 ℃就达到稳定，此时的膨胀力即为试样的极限膨胀力。

图2 岩土三向膨胀仪Fig.2 Geotechnical 3D swelling apparatus

2 结果与讨论

2.1 膨胀应力时程变化规律

规定平行于压实方向的膨胀力为竖向膨胀力，垂直于压实方向为水平膨胀力，由于为单方向压实，使得两个方向的膨胀力数值不同，试样出现各向异性(图3)。混合物试样为单向压实的重塑试样，且掺砂率和干密度不同，在试样的制备过程中可能导致材料出现各向异性，使得竖向膨胀力与水平向膨胀力数值不同，竖向膨胀力明显大于水平向膨胀力，且两个水平向膨胀力基本相同。以晶格扩张理论分析，当膨胀土砂混合物倒入立方体试样箱中时，认为蒙脱石叠片方向是随机的，而膨胀力各向异性的原因取决于蒙脱石叠片取向的各向异性。体积一定的条件下，干密度大的试样，由于颗粒晶体更多，团粒间孔隙很小，在单向压实时迫使蒙脱石叠片垂直于压实方向排列，定向排列明显，使得竖向膨胀力与水平向膨胀力数值不同，竖向膨胀力明显大于水平向膨胀力。对于干密度较小的混合物试样，团粒间存在较大的孔隙，孔隙的减少主要靠颗粒间的滚动滑移和蒙脱石矿物的膨胀，由于蒙脱石叠片的取向仍然是随机的，没有明显的方向性，表现出的膨胀力各向异性不明显[13]。

图3 典型三向膨胀力时程曲线Fig.3 Time-history curve of typical 3D swelling pressure

本次实验以水平向膨胀力(前后左右的平均值)与竖向膨胀力为分析对象。压实膨润土-砂混合物的膨胀力随时间发展过程呈现明显的三阶段特征，即快速膨胀阶段、减速膨胀阶段和缓慢膨胀阶段。快速膨胀阶段：随着水不断的浸入膨润土-砂混合物中，水优先充满颗粒之间的孔隙，混合物的结构不断变化，土体表层的水势梯度较陡，接着充满颗粒聚集体中的孔隙，水分子进入蒙脱石的晶格间使其发生膨胀导致膨胀力快速增加，时间处于350 min左右，基本达到了极限膨胀力的80%；减速膨胀阶段：试样的外层已形成一层饱和带，水势梯度变缓，随着水往试样内部深入，自由水的渗透速度变慢，水分进入晶层外的孔隙，水分进入土体的速度变慢，结合水膜厚度增加，膨胀土吸水率变小，膨胀力增长幅度变小，时间主要集中于350～1 000 min，膨胀力接近极限值；缓慢膨胀阶段：土体结构达到稳定状态，晶层间和晶层外的孔隙逐渐被水分充满，亲水性矿物吸水饱和值很高，膨胀势能逐渐减少，与吸湿能力有关的内部吸力逐渐减小，蒙脱石的水合速率降低。另外，由于样品从顶部开始饱和，因此由蒙脱石在底部形成的水合膜堵塞了孔隙水的传输通道。但从结果来看，渗透性降低，并且膨润土的上部的水合速率降低，所有黏土矿物质充分水合后，膨胀力基本不再变化，膨胀力均在1 200 min内达到稳定。

2.2 三向膨胀力与干密度的关系

为了测定不同干密度膨胀力随时间变化的规律，选取掺砂率为20%的混合物，在4种不同干密度下进行三向膨胀力实验，分别测定竖向膨胀力和水平向膨胀力随时间的变化曲线，结果见图4。

由图4(a)可知，膨润土-砂混合物干密度对竖向膨胀力的影响非常显著，与许多学者的研究结果一致[18-19]。蒙脱石晶格结构是一层铝(镁)氧八面体夹在两层硅氧四面体中，分子式为MX(H2O)4{(Al2-xMgx)[Si4O10](OH)2}，是2∶1型层状硅酸盐矿物结构[20]，高压实的膨润土-砂混合物吸收水分，使蒙脱石水化膨胀，膨润土膨胀的两种主要机制是晶层膨胀和扩散双电层膨胀，当层间没有水分子时，层间间距通常认为是0，蒙脱石晶层之间连接力很弱，膨润土的膨胀势能很大，水分子很容易进入晶层间孔隙，能够产生较大的膨胀力；蒙脱石晶粒遇水后，膨润土膨胀势能降低，晶层表面吸附势能大于晶层之间的吸引能，水分子进入两蒙脱石片层之间的间隔，使层间阳离子与水分子结合在晶层表面上，晶层间间距变大，使体积膨胀到原来数倍的晶层膨胀[21]，晶层膨胀主要是水合作用的结果。

图4 不同干密度试样膨胀力时程曲线Fig.4 Time-history curve of swelling pressure with different dry density

在膨胀力实验开始阶段，同一掺砂率试样在不同干密度条件下的膨胀速率差距不是很大，之后，干密度较高的试样膨胀速率增长很快，而且一直保持高于干密度较低试样的膨胀速率。干密度越大，膨胀率起始阶段曲线越陡，能够吸收的水分更多，膨胀时蒙脱石层间水化作用的水分子越多，水化反应速率越快，膨胀力增长越快；当混合物吸水饱和，水化完全，膨胀力增长渐渐趋于稳定，最终膨胀力随着膨润土干密度的增加而相应增大。当干密度从1.6 g/cm3增加到1.8 g/cm3时，膨润土最终竖向膨胀力由0.8 MPa增大到2.2 MPa；当干密度从1.8 g/cm3继续增加到1.9 g/cm3时，最终竖向膨胀力则由2.2 MPa大幅升高到3.1 MPa。因此，干密度越大，基质吸力就高，试样的膨胀速度越快。

同样，由图4(b)可知，膨润土-砂混合物干密度对水平向膨胀力的影响也很明显，其变化规律与竖向膨胀力类似。快速膨胀阶段，竖向膨胀力的增长速率随着干密度的增加而迅速增大。随着水化过程的继续，经历了晶层间孔隙被水充填，层叠体吸水膨胀并充填集合体内的孔隙和厚层叠体集合体膨胀三个阶段。实验稳定后，混合物达到饱和状态，当干密度从1.6 g/cm3增加到1.9 g/cm3时，膨润土最终水平向膨胀力由0.7 MPa增大到2.7 MPa，最终水平向膨胀力随着干密度的增加而增大。

图5为掺砂率为20%的膨润土-砂混合物膨胀应力随干密度的变化规律曲线。由图5可知，掺砂率相同时，三向膨胀力随干密度的增大而呈指数增大，而且竖向膨胀力始终大于水平向膨胀力，说明掺砂率一定时，提高膨润土混合物的干密度可以提高其膨胀力。

图5 膨润土-砂混合物膨胀应力随干密度的变化规律曲线Fig.5 Change law curve of bentonite-sand mixturesswelling pressure with dry density

2.3 三向膨胀力与掺砂率和膨润土体积比的关系

图6为干密度从1.6 g/cm3增加到1.9 g/cm3时的膨润土-砂混合物膨胀应力随掺砂率的变化曲线。由图6可知，掺砂率的大小会直接影响混合物的膨胀特性，掺砂率越小，单位体积的蒙脱石含量越高，混合物所吸收的水分就越多，膨胀速率越快，土体的膨胀特性越强，表现出更大的膨胀力；混合物的膨胀应力随掺砂率的增加呈指数递减，并且竖直方向膨胀应力始终大于水平向膨胀应力。膨润土膨胀力主要是因为其中蒙脱石矿物的吸水膨胀引起的，在吸水过程中，蒙脱石通过层间阳离子水化形成水合阳离子，从而引起内部膨胀，单位体积蒙脱石吸水量是一个常数，与试样的干密度和掺砂率无关。试样在恒定的立方体试样筒吸水，在微观结构层面蒙脱石吸水膨胀，但在宏观结构层面试样的总体变形受周围荷载的影响，且吸水饱和时最终膨胀量由试样中单位体积蒙脱石的含量决定。对于掺砂率为30%的混合物，在砂骨架形成之前，砂颗粒被蒙脱石包围，外力由蒙脱石承担。随着吸水和膨胀应力的增大，砂骨架形成，竖向应力最终由砂骨架和蒙脱石共同承担，掺砂率越大，混合物的膨胀性越弱，越容易形成砂骨架。同时，石英砂吸水能力很小，也不具备膨胀性，随着掺砂率增加，颗粒级配不断改变，混合物中蒙脱石含量减少，砂骨架的变形量变小，压缩变形随着掺砂率的增大而减小。

从图6中还可以发现，混合物膨胀力存在各向异性，即竖向膨胀力与水平向膨胀力并不一致。当掺砂率为20%～30%时，竖向膨胀力略大于水平向膨胀力，但是当掺砂率小于20%后，竖向膨胀力与水平向膨胀力的差距进一步增大，竖向膨胀力明显大于水平向膨胀力。说明随着掺砂率的减小，竖向膨胀力占混合物膨胀力的比例越来越大。这可能与混合物在吸水膨胀过程中的水化反应速率存在各向异性及内部水分迁移和扩散路径存在各向异性有关。干密度较小(1.6 g/cm3)的膨润土加砂混合物，其竖向膨胀力与水平向膨胀力随掺砂率的发展趋势基本一致，并且最终膨胀力的峰值也基本相等；对于较大干密度(1.9 g/cm3)的混合物，其水平向膨胀力远小于竖向膨胀力。对于干密度为1.7 g/cm3的样品，随着砂含量从0%增加到30%，最大竖直方向膨胀应力从4.62 MPa降低到1.23 MPa，最大水平方向膨胀应力从4.18 MPa降低到1.08 MPa。这说明，膨润土中添加石英砂可以有效抑制膨润土-砂混合物的极限膨胀力，膨润土膨胀力大小与掺砂率有关，在相同干密度条件下，掺砂率越小膨胀力越大，这与汪龙等[22]的研究结果相符。CUI等[23]的研究也证实，对不同掺砂率条件下GMZ膨润土-砂混合物进行了膨胀实验，随着掺砂率增大，试样最大膨胀力呈指数递减趋势。从处置库安全运行角度看，通过添加适当比例的石英砂来抑制缓冲/回填材料因吸水而产生的最大膨胀力对结构产生的破坏是很有利的。

图6 三向膨胀力与掺砂率关系曲线Fig.6 Relationship curve between sand content and 3D swelling pressure

在膨润土-砂混合物中，只有膨润土中的蒙脱石矿物具有吸水膨胀的特性，并且在膨润土中绝大多数矿物为蒙脱石(含75.4%)。因此，引入一个参数，膨润土在膨润土-砂混合物中的体积比α计算见式(1)。

α=Vb/(Vb+Vs)

(1)

式中：α为膨润土的体积比；Vb为膨润土矿物的体积；Vs为石英砂的体积。

图7为不同膨润土体积比的最大膨胀力，膨胀力随膨润土体积比的增长呈非线性，干密度一定的试样，膨胀力随试样中膨润土体积比的增加而增大；当膨润土体积比一定时候，干密度较大的试样所对应的膨胀力也较大。随着膨润土的体积比α增加(掺砂量减少)，混合物试样膨胀变形的各向异性显著增大，表现为竖向膨胀力与水平膨胀力的差值明显增大，其原因在于石英砂作为惰性材料在吸水条件下，几乎不发生体积变化，石英砂颗粒填充于膨润土基质的空隙中，使得α值较小的混合物的膨胀变形更均匀。混合物的膨胀势和膨胀空间将主要由膨润土体积比决定。由图7可知，膨润土体积比与干密度同时影响膨胀力，当试样的干密度和膨润土体积比均不同时，试样的膨胀力大小就不容易判断。如膨润土体积比为100%、干密度为1.6 g/cm3的试样其膨胀力为2.64 MPa。该膨胀力大于膨润土体积比为80%、干密度为1.7 g/cm3的试样的膨胀力，小于膨润土体积比为80%、干密度为1.9 g/cm3的试样的膨胀力，而与膨润土体积比为80%、干密度为1.8 g/cm3的试样的膨胀力大小接近。在给定含水量和干密度的情况下，膨胀力可能由膨润土的体积比唯一决定。

图7 三向膨胀力与膨润土体积比关系曲线Fig.7 Relationship curve between volume ratio and 3D swelling pressure

2.4 竖向膨胀力与水平向膨胀力之间的关系

由图8可知，水平膨胀力与竖向膨胀力之比随干密度的增大逐渐减小，两者之间的比值都处于0.9左右，说明试样的膨胀存在各向异性，且随着试样干密度的增大愈加显著；比值随掺砂率变化而变化，说明掺砂率对试样的各向异性也有影响。 对于干密度小于1.7 g/cm3、不同掺砂率的混合料水平向膨胀力与竖向膨胀力之比变化较大。从整体趋势上看，掺砂率一定，水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值随干密度增大而显著减小，当干密度为1.9 g/cm3时，比值变化很小。干密度为1.6 g/cm3的纯膨润土，竖向膨胀力略大于水平向膨胀力，但是当干密度大于1.8 g/cm3之后，竖向膨胀和水平向膨胀差距增大，竖向膨胀力显著大于水平向膨胀力。干密度为1.6 g/cm3的纯膨润土，竖向膨胀力仅为水平向膨胀力的1.05倍，但干密度为1.9 g/cm3、掺砂率为30%的混合物，竖向膨胀力则为水平向膨胀力的1.17倍。说明随着干密度的增大，竖向膨胀力在整个膨胀力中所占的比例越大，这可能与样品的制备和混合物在吸水膨胀过程中水分在试样中的迁移扩散存在各向异性有关。

图8 水平向膨胀力与竖向膨胀力之比和干密度关系曲线Fig.8 Relationship curve between ratio of horizontal andvertical swelling pressure as a function of dry density

3 结 论

1) 实验在西南科技大学冻库中以冰-土混合法进行，其混合效率比普通喷水混合法高，且能更准确地调配膨润土的含水率，更接近于目标含水率。使膨润土-砂混合物中团聚体减少，黏附容器壁质量损失少，压实后土样断面水分分布均匀，有利于制样器压样，提高压实膨润土均匀性，可为我国缓冲回填材料高效生产提供参考。

2) 膨润土-砂混合物的膨胀应力随时间的变化过程为三个阶段，快速膨胀阶段主要处于350 min之前，基本达到了极限膨胀力的80%；减速膨胀阶段主要集中于350～1 000 min，膨胀力接近极限值；缓慢膨胀阶段为1 000～1 200 min。

3) 膨润土-砂混合物的膨胀应力存在各向异性，水平向膨胀力与竖向膨胀力的比值约为0.9。膨胀应力与掺砂率、干密度密切相关；当干密度从1.6 g/cm3增加到1.9 g/cm3时，膨润土最终水平向膨胀力由0.7 MPa增大到2.7 MPa。对于干密度为1.7 g/cm3的样品，随着砂含量从0%增加到30%，最大竖直方向膨胀应力从4.62 MPa降低到1.23 MPa，最大水平方向膨胀应力从4.18 MPa降低到1.08 MPa，干密度为1.6 g/cm3的纯膨润土，竖向膨胀力仅为水平向膨胀力的1.05倍，但干密度为1.9 g/cm3掺砂率为30%的混合物，竖向膨胀力则为水平向膨胀力的1.17倍。