温控高压实膨润土-砂混合物微观结构特征①

叶为民， 申 淼， 王 琼

(1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092;2.教育部城市环境与可持续发展联合研究中心，上海200092)

0 引 言

膨润土-砂混合物作为一种高放废物深地质处置的缓冲材料被广泛应用于许多国家的地下处置库中.而它的很多物理性质都和其微观结构有关，例如持水能力、渗透性能、变形能力等.这都是微观结构改变影响宏观性质的反映.因此对膨润土-砂混合物微观结构的研究不仅可以解释很多宏观的性质，更可以为本构模型及数值模拟提供必要的参数.Sposito and Prost (1982)［1］、Bird(1984)［2］等通过研究干蒙脱石吸水过程发现:在水化开始阶段，晶层间孔隙首先进水，被吸附在晶层间，蒙脱石含水量不断增加，晶层间吸附水分子由1 层增加到4 层，导致蒙脱石因晶层间距增加而膨胀.

国内对于膨润土-砂混合物水化过程中微观结构变化的研究较少. 陈宝等［3］利用环境扫描电镜和压汞试验，研究不同吸力下高庙子高压实膨润土的持水特性及其微观结构特征. 研究结果表明:不同吸力下，膨润土的持水特性与其微观结构密切相关.叶为民［4］利用压汞法(MIP)和电镜扫描法(SEM)，研究了不同吸力下高压实MX80 膨润土在的体积变化特征.因此本文针对高庙子膨润土-石英砂(7:3)混合物，在20、60℃条件下的侧限渗透试验结束后，从土样不同位置处取样开展了压汞试验，分析了其微观结构随温度和吸力的变化规律.

1 材 料

本文选用膨润土-砂混合物，配合比为3:7.膨润土为灰白色的高庙子(GMZ01)膨润土，其化学成分主要为SiO2，Al2O3，H2O;比重为2.66;碱性系数为1.14;pH 值为8.68 ～9.86;液限为276;塑限为37;吸蓝量102mmol/100g;总比表面积570m2/g;阳离子交换能力为77.30mmol/100g;主要交换阳离子为Na+43.36 mmol/100g、Ca2+29.14 mmol/100g，Mg2+12.33 mmol/100g、K+2.51 mmol/100g;主要矿物为蒙脱石75.4% 、石英11.7%、长石4.3%、方英石7.3%.数据表明，高庙子膨润土具有较强的阳离子交换能力、强吸附能力、良好的分散性和水化能力.

试验用砂为安徽凤阳石英砂.化学成份主要包括SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，其中SiO2含量为99.20%，粒径0.075 ～0.1mm，比重2.65 Mg/m3，pH值7.5，莫氏硬度6.7.

2 试验方法

2.1 瞬时截面法

Daniel(1982)［5］提出用瞬时截面法来测定非饱和土的渗透系数. 试验过程中，采用在圆柱形试样一端施加连续水流，另一端通向大气，同时测定试样不同位置上的相对湿度随时间的变化曲线，并结合试样的土水特征曲线求取渗透系数.具体计算步骤参见文献［6］.

图1 20℃不同吸力状态下孔径分布曲线

图2 60℃不同吸力状态下孔径分布曲线

2.2 非饱和渗透试验

将石英砂和GMZ01 膨润土按3:7 比例充分搅拌至均匀状态，并将混合物的初始含水量调整至9%.采用特制的压实模具，使用0.1mm/min 压实速率，分3 层将搅拌均匀的石英砂-膨润土混合物压实至高150mm，直径50mm，干密度1. 9Mg/m3的圆柱体试样，以保证压实试样的均匀性.

本文试验采用叶为民等人(2009)［6］的非饱和渗透仪.将压实至目标感密度的试样从压实模具中取出，并迅速推入非饱和渗透仪中. 将完成安装的试样静置数周，并通过安装在渗透仪侧壁的4 只(均布)和试样顶端1 只、共5 只传感器记录试样中湿度变化，待试样中湿度变化达到稳定、即试样中吸力达到平衡后，从渗透仪底端进水并正式开始非饱和渗透试验.试验过程中，通过压力-体积控制器记录注水体积，5 只传感器记录湿度随时间变化.待靠近进水端的湿度传感器接近饱和时，终止试验.

2.3 微观结构(压汞)试验

压汞(MIP)法作为一种常用的微观结构试验方法被广泛应用于非饱和土的研究当中.MIP 技术是通过对不浸润的液体(汞)加压以使其进入孔隙，来探测多孔固体的微观结构特征. 汞不会浸润被它压入的大多数材料，只有在外力作用下，汞才能压入多孔固体中微小的孔内. 因此，孔径分布可由汞侵入孔中的量与施加的压力的关系得出.20，60℃条件下的渗透试验结束后，分别在距土样底端6，9，12，15cm 和0，6，9，15cm 位置处取样进行压汞试验.试样被取出后迅速放入盛有液氮的铝盒中，试验样品在-196℃的液氮中被迅速冷冻，使孔隙水直接变成不具膨胀性的晶体，之后将盛有土样和液氮的铝盒放入冷冻干燥机.冷冻干燥机在-50℃条件下抽真空干燥.

图3 20℃条件下各型孔随吸力的变化关系

图4 60℃条件下各型孔随吸力的变化关系

3 试验结果与讨论

20℃侧限渗透试验结束后，在距土样底端6，9，12，15cm 位置处的吸力分别为6.39，22.06，32.69，41.8MPa.图1 为20℃不同吸力状态下的孔径分布曲线.可以看出膨润土-砂混合物的微观结构表现出明显的双峰结构，其中集合体间的大孔隙主要集中在500nm 孔径左右，集合体内孔隙主要集中在20nm 孔径左右，分界点在100 -200nm 之间.

同时根据不同吸力下曲线的变化可以看出，随着吸力的降低集合体间孔隙量有减小的趋势，而集合体内孔隙量变化有限，使得样品的平均孔径逐渐减小.虽然本次试验发现混合物的微观结构呈现双峰结构，但国外很多学者研究发现混合物微观结构可能出现三峰的情况，即在大孔隙孔径范围内有两个峰值.通过进一步的观察发现其中较大的峰值应该是砂颗粒间的孔隙.本次试验之所以没有出现这种现象主要是由于选用的砂粒径较小(0.075 ～0.1mm)，掺砂量(30%)有限加之拌合较为均匀，使砂颗粒被膨润土完全包裹，砂颗粒间直接接触较少出现.

60℃渗透试验结束后，分别在0，6，9，15cm 位置处取样，对应的吸力为0，4. 68，19. 31，32.97MPa.

如图2 所示，60℃时的微观结构也表现出明显的双峰结构特征. 其中集合体内孔隙峰值出现在20nm 附近，大孔隙峰值出现在550nm 附近，分界点仍在100 ～200nm 范围内. 与20℃结果对比发现，60℃时水化引起的大孔隙减少更为明显，在吸力为0MPa 时大孔隙完全消失.

针对样品中实际的孔隙类型，即晶层间孔隙、集合体内孔隙、集合体间孔隙，选取3nm 和150nm作为孔隙类型的分界点. 按此得出20℃各型孔随吸力的变化关系，如图3 所示.

图3 表明，随着吸力的降低集合体间的大孔隙数量显著减少，无法量测的孔隙量明显增加，而集合体内孔隙量略有减少. 其主要机理是:吸力较高时水首先进入集合体内孔隙，导致集合体表面层叠体剥落形成粘土薄片填充大孔隙，形成诸多层间孔隙.而此时水化形成的膨胀力还不足以使小孔隙变形，所以集合体内孔隙量变化不明显.

60℃时各型孔随吸力的变化趋势和20℃相同.为了分析温度对微观结构的影响，本文对两种温度条件下各型孔随吸力的变化关系进行了线性拟合，并标出了相应的斜率以便定量分析，如图3和图4 所示. 可以看出直径大于150nm 孔隙对应的斜率随着温度升高由0.0013 变为0.0019，直径小于3nm 孔隙对应的斜率由-0.0017 变为-0.0023，7nm 到150nm 范围内孔隙斜率没有变化. 这说明温度升高加速了土样中微结构的变化.这主要是由于温度对钠基膨润土水力性能的影响主要体现在强化了膨润土水化过程中的双电层作用.而双电层作用正是膨润土吸水膨胀的原因，这就导致了层叠体水化剥离现象加剧，进而引起直径大于150nm 和小于3nm 的孔隙量在水化过程中随温度升高变化加剧.而3 ～150nm 的集合体内孔隙量的明显变化仅出现在吸力很低的状态而且变化总量有限，这就使温度对其的影响在较大吸力范围内不显著.

4 结 论

两种温度下不同吸力的孔径分布曲线都呈现出明显的双峰结构，大孔隙和集合体内孔隙的孔径分界值在100 ～200nm 左右.水化使得集合体间的大孔隙数量显著减少，无法量测的孔隙量明显增加，而集合体内孔隙量略有减少. 温度升高加速了土样中微结构的变化.这主要是由于温度对钠基膨润土水力性能的影响主要体现在强化了膨润土水化过程中的双电层作用.而双电层作用正是膨润土吸水膨胀的原因，这就导致了层叠体水化剥离现象加剧.

［1］ Sposito G，Prost R..Structure of Water Adsorbed on Smectites，Chem Rev USA 1982，Vol. 82:552 –573.

［2］ Bird P..Hydration Phase Diagrams and Friction of Montmorillonite under Laboratory and Geologic Conditions with Implications for Shale Compaction［J］. Slope Stability and Strength of Fault Gauge，Tectonophysics，1984(107):235 –260.

［3］ Chen Bao，Qian Lixin，Ye Weimin. Soil - water Characteristic Curve of Gaomiaozibentonite［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(4):788 -793.

［4］ 叶为民，黄雨，崔玉军，等.自由膨胀条件下高压密膨胀黏土微观结构随吸力变化特征［J］. 岩石力学与工程学报，2005，24(24):4570 -4575.

［5］ Daniel，D.E.Measurement of Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils with Thermocouple Psychrometers. Soil Science Society of America Journal，1982，20 (6):1125 –1129.

［6］ 叶为民，钱丽鑫，等.侧限状态下高压实高庙子膨润土非饱和渗透性的试验研究［J］.岩土工程学报，2009(31):105 -108.