高庙子膨润土与砂混合物的土-水特征曲线

孟德林，孙德安，刘月妙

（1.上海大学 土木工程系，上海 200072；2.核工业北京地质研究院，北京 100029）

1 引 言

随着核技术在国防、工业、农业、医学等各个领域地广泛运用，随之而产生的高水平放射性核废物（高放废物）也在不断地增加。因此，放射性核废物的处置问题也日趋严峻。目前，深地质处置是国际上普遍接受的高放废物处置方法，即采用多重工程屏障系统将高放废物埋在距地表深约500～1000 m的地质体中，使核废物与人类的生存环境隔绝，以免对人类的生存环境造成污染。膨润土具有极高的膨胀性、极低的渗透性和优良的核素吸附等性能，因此，被视为多重工程屏障系统中最合适的缓冲/回填材料。但纯膨润土存在热传导性能较低和塑性过高两个主要缺陷，相反，在膨润土中加入一定量的石英砂之后，就可以增强缓冲/回填材料的导热性能和力学强度，而其中膨润土与石英砂的配合比以及混合物的孔隙比是对混合物的水力性质影响最大的因素。在国内，通过对全国膨润土矿床调查和筛选，已确定内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床为我国缓冲/回填材料的基质材料首选供应基地[1]。

国内外已有很多学者对膨润土及其与砂混合物进行了多方面研究，Lloret等[2]以西班牙产的FEBEX膨润土为试验材料研究了膨润土的热水力特性。崔红斌等[3]研究了日本产的Kunigel-V1膨润土和及其与砂混合物在不同应力状态下的膨胀特性，并给出了膨胀变形和膨胀力预测方法[4]。徐永福等[5]以Kunigel-V1膨润土为材料研究了膨润土与砂混合物的膨胀特性。叶为民等[6]以高庙子膨润土为试验材料研究高压实膨润土试样在限制变形下的非饱和渗透特性以及在限制变形和自由变形条件下的土-水特征曲线[7]。秦冰等[8]等研究了高庙子膨润土的胀缩变形特性。孙德安等[9]研究高庙子和 Kunigel-V1膨润土的土-水特性。国内的大部分学者主要研究膨润土及其基本物理化学特性、压缩性、膨胀特性、渗透特性，但对高庙子膨润土以及其与砂混合物的持水特性研究还较少。本文拟研究不同混合配合比和孔隙比条件下高庙子膨润土与砂混合物的土-水特性。

在缓冲/回填材料的水力特性中，一个重要参数就是吸力，吸力的变化直接影响着缓冲/回填材料的渗透系数、抗剪强度和变形特性。实验室测量或控制吸力的方法主要有滤纸法、热电偶干湿计法、张力计法、热传导传感器法以及气相法[7]和压力板法等。其中滤纸法与其他试验方法相比，是一种简单、快捷、方便的吸力量测方法。本文主要对高庙子膨润土（GMZ001）与石英砂的混合物分别用滤纸法测吸力和用压力板法控制吸力，以此来研究非饱和高庙子膨润土与砂混合物的土-水特性，即分析重力含水率、吸力、孔隙比以及饱和度之间的关系和配合比对土-水特征曲线的影响，从而得出这些参数之间的相互关系。另外还对日本产的Kunigel-V1膨润土和丰浦砂的混合物用滤纸法进行了测吸力试验，以此来对比两种膨润土与砂混合物的土-水特征曲线。

2 试验概况

2.1 试验材料及仪器

试验中所采用的膨润土为我国内蒙古产的高庙子膨润土（GMZ001）和日本产的Kunigel-V1膨润土，采用的石英砂为福建标准砂和日本丰浦砂。为进行两种混合物的土-水特征曲线相比较，在本试验中，对福建标准砂进行筛选，把粒径大于 0.5 mm和粒径小于0.074 mm的颗粒全部去除，使其与日本丰浦砂的颗粒级配曲线基本接近（见图1）。高庙子膨润土和 Kunigel-V1膨润土的物理指标详见表1。图2表示了用比重计法测得的两种膨润土的颗粒级配曲线。由图可知，Kunigel-V1比高庙子更细一些。为了避免试验用水与土样发生离子交换，试验用水采用去离子水。

图1 两种砂的颗粒级配曲线Fig.1 Grading curves of the two sands

表1 两种膨润土的基本物理化学性质Table 1 Physicochemical properties of tested bentonites

图2 两种膨润土的颗粒级配曲线Fig.2 Grading curves of Gaomiaozi and Kunigel-V1 bentonites

本文试验中所采用的滤纸为Whatman No.42号滤纸。滤纸的率定曲线方程采用Leong等给出的双线性率定曲线方程[10]，当吸力非常大时，滤纸测得的吸力都是总吸力，因此，当吸力大于 1500 kPa时，本试验都用总吸力的公式对数据进行处理。Leong等给出的双线性率定曲线方程被Power等证实为与ASTM D5298-03给出的率定曲线方程平均误差最小的一组率定曲线方程[11]，此率定曲线方程如下：

基质吸力为

总吸力为

式中：ψ为吸力，单位为kPa；wf为滤纸的含水率百分数。

试验所使用的仪器包括：密封容器、高精度天平和恒温室以及烘箱。所用的密封容器是密封性非常好的LockLock盒（见图3），所用的高精度天平精度为0.0001 g，恒温室的温度能保持在20 ℃±1 ℃。

图3 密封容器Fig.3 Sealing container

2.2 试验步骤

本文采用吸湿过程的滤纸率定曲线，即用烘干后的滤纸进行率定试验而得到的率定曲线。在做滤纸法试验之前先将滤纸进行烘干，并与有一定含水率的土样密封，达到水气平衡状态，因此，可量测到土样脱湿过程的土-水特征曲线。试验过程的具体步骤如下：

（1）调土：首先根据预先确定的初始重力含水率、总质量以及膨润土与砂的配合比推算出所需膨润土、砂和水的质量，然后将称好的膨润土、砂和水在容器中充分均匀混合，放置48 h以上，让颗粒与水均匀，取少许土样测其重力含水率。

（2）制样：采用了两种制样方法，一种是击实方法制样，根据预定的干密度和质量推算出土样所需要击实后的高度，然后按高度要求对土样进行击实；另一种是散状样，即（1）中配好的土样。

（3）装样：对击实样，首先将3张烘干后的滤纸直接紧贴在土样的底端面，通常中间一张滤纸用于量测土样的基质吸力，而外面两张滤纸主要用于保护中间那张滤纸，使之不直接接触土样和弄脏。然后将叠加的3张滤纸和试样，放入密封容器（即LockLock盒，见图3）中，然后在土样的顶面依次放入1层纱网和1张滤纸，这张滤纸是用于量测土样的总吸力，示意图如图4所示。而对于散状样，滤纸的位置和前面所述相同，只是将一定重力含水率的散状土均匀地铺在底部3层滤纸之上。

（4）试验过程：将装好试样的密封容器放入恒温室里，放置14 d左右[10]。当平衡期间终了时，用镊子将所需要量测的滤纸从 LockLock盒中取出，迅速放入电子天平中，测量滤纸的湿重量。为了避免滤纸与周围大气接触而发生水分变化，滤纸必须要在很短的时间内转移到电子天平隔离箱中。然后将滤纸放入铝盒中在105 ℃烘箱里烘干，测其干质量，根据滤纸的干质量与湿质量计算得出平衡时滤纸的重力含水率，用式（1）～（4）所示的双线性率定曲线方程求出基质吸力和总吸力。同时，量测试样的重量和尺寸，将其在105 ℃烘箱里烘干，测其干质量，得到含水率和饱和度。因此，试验结果中的孔隙比均为试验时实际测量的孔隙比，而非制样时的孔隙比。

3 试验结果及分析

在本研究进行的滤纸法试验中，高庙子膨润土与砂的干重量配合比分别为 3:7、7:3、10:0，在配合比3:7的试验中，对孔隙比分别为0.93、0.70以及散状土3组试样进行试验，在配合比为7:3的试验中，对孔隙比分别为0.94、1.10以及散状土3组试样进行试验，在配合比为10:0的试验中，只对孔隙比为1.11进行了1组试验。Kunigel-V1膨润土与丰浦砂的配合比3:7混合物在孔隙比为0.70条件下进行了1组试验，用于与高庙子膨润土与砂混合物的土-水特征曲线进行比较。另外，用压力板法对配合比为3:7，初始击实孔隙比分别为0.72和0.91的高庙子膨润土与砂混合物也进行了吸力控制的压力板试验，试验时控制的吸力路径为 200→500→900→1400 kPa。

图5、6为高庙子膨润土与福建砂配合比分别为3:7、7:3的混合物在不同孔隙比条件下的土-水特征曲线，图示中eav为击实样的平均孔隙比，即同1组试样孔隙比的平均值。由图5(a)和图6(a)可以看出，当土-水特征曲线用饱和度（Sr）和吸力（s）的关系表示时，土-水特征曲线随着孔隙比减小而向右上方移动，即当土样的吸力一定时，土样的饱和度随着孔隙比减小而增大。从图 6(a)可以得出，当吸力小于10 MPa时，这种现象较明显，这与Romero等以高岭石和伊利石为主的黏土测得土-水特征曲线试验结果一致[12]。

由图5(b)和图6(b)可以得出，当土-水特征曲线用重力含水率和吸力关系表示时，试样孔隙比对非饱和膨润土的土-水特征曲线影响不大。这个特性具有重要的实际意义，当工程中需要对缓冲/回填材料的以吸力与重力含水率表示的土-水特征曲线进行研究时，就可以取孔隙比较大的土样进行试验研究，从而可得孔隙比较小土样的土-水特征曲线。实际工程中缓冲/回填材料的孔隙比一般较小。但需要指出，在低吸力范围内，特别接近饱和时，孔隙比对用吸力与重力含水率表示的土-水特征曲线是有影响的。由于低吸力试样接近饱和，无法击实试样，用本文方法无法量测吸力。

图5 配合比3 : 7的土-水特征曲线Fig.5 SWCCs of 3 : 7 mixture

图6 配合比7 : 3的土-水特征曲线Fig.6 SWCCs of 7 : 3 mixture

文献[7]的纯高庙子膨润土试验结果表明，当吸力值小于1 MPa时，限制变形条件下试样含水率不随吸力减小而增大，这是由于此时试样已接近饱和。而本文中混合物的含水率随吸力减小而增大，试样还未饱和（见图5(a)和图6(a)）。另外，图5(b)和图6(b)中还表示有散土的试验结果，用重力含水率与吸力关系表示土-水特性时，与有孔隙比的击实样试验结果比较接近。

图7表示在相同孔隙比条件下不同配合比混合物的土-水特征曲线。由图可知，在孔隙比接近条件下混合物的土-水特征曲线随着膨润土比例增加而向右上方移动，即膨润土与砂混合物的进气值随着膨润土比例的增加而增大。

图8表示配合比为3:7的高庙子膨润土与砂混合物用不同吸力控制或量测方法下得到的土-水特征曲线，其中一组是用滤纸法对平均孔隙比为0.70的试样进行吸力测量试验；另外一组是用压力板法对一个初始孔隙比为0.72的试样施加吸力，测得土-水特征曲线，吸力控制路径为 200→500→900→1400 kPa。从图中可以看出，两种不同吸力控制或量测方法下的土-水特征曲线比较接近。通常，压力板法测得的土-水特征曲线精度较高，可以作为标准。因此，本试验采用的滤纸法测土样吸力的精度是有保证的。

图7 相同孔隙比下不同配合比的土-水特征曲线Fig.7 SWCCs at different mixing ratios and the same void ratio

图8 不同方法量测的土-水特征曲线 (B:S=3:7)Fig.8 SWCCs by using different measured or controlled methods of suction (B:S=3:7)

图9 不同膨润土两种混合物的土-水特征曲线比较 (B:S=3:7)Fig.9 Comparison of SWCCs of two mixtures with different bentonites (B:S=3:7)

图9表示在试样的平均孔隙比均为0.70和同一配合比3:7条件下两种膨润土与砂混合物的土-水特征曲线，图中表示的是Kunigel-V1膨润土与丰浦砂混合物的平均孔隙比，则表示高庙子膨润土与福建砂混合物的平均孔隙比。

从图9中可以看出，当两种混合物的膨润土与砂配合比和孔隙比相同时，无论用重力含水率还是饱和度表示土样的水分，其土-水特征曲线比较接近。因此，当讨论土样的土-水特性时，两种膨润土与砂混合物的研究成果可以相互借鉴和参考。

4 结 论

（1）在同一配合比下，当混合物的土-水特征曲线用饱和度和吸力的关系表示时，土-水特征曲线随着孔隙比的减小而向右上方移动，即当土样的吸力一定时，土样的饱和度随着孔隙比减小而增大。当吸力小于10 MPa时，这种现象较为显著；当土-水特征曲线用重力含水率和吸力关系表示时，在一定吸力以上范围内试样孔隙比对混合物的土-水特征曲线影响不大。

（2）在相同孔隙比下混合物的土-水特征曲线随着膨润土比例的增加而向右上方移动，即膨润土与砂混合物的进气值随着膨润土比例的增加而增大。

（3）在吸力在200～1400 kPa范围内，用压力板法测得的混合物土-水特征曲线与滤纸法测得的相近，确认了滤纸法吸力量测的精度。

（4）在同一配合比和相同孔隙比条件下，高庙子膨润土与福建砂混合物的土-水特征曲线与Kunigel-V1膨润土与丰浦砂混合物的土-水特征曲线比较接近。因此，两种混合物的土-水特性研究成果可以相互借鉴与参考。

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