非饱和膨润土的基本性能研究

黄雪峰，方 晟，周俊鹏

(后勤工程学院 a.军事土木工程系; b.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室， 重庆 401311)

非饱和膨润土的基本性能研究

黄雪峰a,b，方 晟a,b，周俊鹏a,b

(后勤工程学院 a.军事土木工程系; b.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室， 重庆 401311)

高放废物深地质处置库中热-水-力环境复杂多变，且非饱和膨润土渗水渗气及其土-水特征曲线又受到基质吸力、温度、含水率、干密度、孔隙比等因素的影响，因此研究非饱和膨润土的渗水渗气及其土-水特征曲线具有重要的意义。在总结国内外研究现状和成果的基础上，提出了考虑体积含水率、体积含气率对非饱和膨润土的渗水渗气及其土-水特征曲线影响的思路。

非饱和；渗透系数；土-水特征曲线；体积含水率；体积含气率

自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电以来，世界核电至今已有60多年的发展历史。在当今世界，全球的供电量有10%来自于核能发电。作为新能源的代表，核电在能源保障、环境改善方面都做出了巨大的贡献，但随之也产生了大量的核废料[1]。核废料是一种放射性强、射线危害大、核素半衰期长且发热的特殊废料，因此如何安全、永久地处理核废料已迫在眉睫[2]。深地质处置是一种采用多重工程屏障系统，将核废物埋至距地表深500～1 000 m，是国际上普遍采用的核废物处置方法[3]。缓冲/回填材料是多重工程屏障系统中重要的一环，在应用中应该满足低透水性、良好的膨胀性、稳定性、耐辐射性等要求[4]。国内外大量的试验研究表明，膨润土是良好的缓冲/回填材料[5]。我国则确定内蒙古高庙子膨润土为首选的缓冲/回填材料。

高放废物作为一种特殊废料，在放置过程会产生许多问题，例如在存放过程中高放废物的热量释放会使缓冲/回填材料中的膨润土的温度达到100 ℃乃至更高[6]。在围岩应力、温度的影响下将会导致处置库周围的缓冲/回填材料产生机械应力[7]。由于屏障系统在施工中会采用原位压实法或块体安装法，而这2种方法都会导致膨润土失水，但在施工结束后，膨润土又会因为地下水的复位逐渐吸水膨胀[8]，在此增减湿过程中，膨润土的力学特性会发生改变。综上，在受到温度、力、水3个因素的耦合作用下，膨润土的渗水系数、渗气系数和土-水特征曲线都将发生变化[9-10]。不仅如此，随着时间的推移，钢制废料罐发生锈蚀、水受辐射分解以及生物作用等都将产生有辐射性的有害气体[11]，从而给整个工程屏障系统的稳定性、整体性以及安全性带来不可预估的危害[12]。此时渗透系数满足低渗透性及限制核素迁移的要求，是保证地质处置库长期安全服役的前提[13]。因此对非饱和膨润土的渗透系数及土-水特征曲线的研究具有重大的意义。

1 非饱和膨润土渗水系数的影响因素

国内外众多学者利用瞬时截面法[14]、稳态法[15-16]、空气过压法[17]对非饱和膨润土的渗水系数做了大量的研究，发现基质吸力、孔隙比、干密度、温度、体积含水率等对非饱和膨润土的渗水系数均有影响[18-19]。

叶为民等[20]得出，在侧限状态下，土中吸力存在一个临界值，大小约为68 MPa，当吸力为68 MPa时，非饱和渗透系数最小；当吸力大于68 MPa时，非饱和渗透系数随着吸力的增加而增加；而当吸力小于68 MPa时，非饱和渗透系数随着吸力的增加而减小，存在一个吸力临界应力值。Loiseau等[21]通过在侧限条件下Kunigel黏土和石英砂混合物的非饱和渗透试验，得出了侧限和无侧限条件下膨润土的膨胀形式不同的结论。这导致了无侧限状态下的渗透系数大于侧限状态下的渗透系数，且两者的渗透系数随吸力变化的趋势也不同。

非饱和膨润土的渗水系数也会受到温度的影响，Pusch等[22]发现高压实膨润土在20 ℃和 70 ℃下的渗透性随温度的升高而增大。Wen等[23]发现在25 ℃下，干密度为1.6 g/cm3的高庙子膨润土的饱和渗透系数为1.94×10-13m/s。崔玉军[12]则从气相水迁移的角度出发，发现温度通过对气相的影响来影响膨润土的饱和过程。他还指出水的黏度对于膨润土的渗水也有影响，而水的黏度随温度和吸力的变化而变化，因此当在高吸力下，温度对于水的黏度影响更大，进而更能影响膨润土的渗水率。在任意温度下，非饱和渗水率都略低于水化第一阶段，随着水化的进行，渗透系数逐渐变成常数。

部分学者在膨润土中添加砂/黏土来解决膨润土热导性差、塑性高等问题。Xu等[24]研究发现砂-膨润土/黏土混合物存在最佳掺量(Copt)，并建立了以膨润土/黏土含量变化为参数的方程用来计算渗透系数。陈永贵等[25]在膨润土-石英砂混合物试验中发现最优比，当膨润土含量超过最优比时，混合物的渗透性基本不变；他们还发现膨润土-石英砂混合物在最优含水量下的渗透系数最低，当干密度越大，膨润土-石英砂混合物渗水系数也就越低。Wen[24]和Ye[21]也认为干密度越大，非饱和膨润土的渗透系数越小。

曹胜飞[26]则通过常规变水头渗透试验，发现当水头高度越高、时间间隔越长时，渗透速度和渗透系数的比值也越大。Klaus等[27]发现膨润土中渗水规律符合Fick定律，通过数学公式优化，得到一个以蒸汽扩散为孔隙水主要传输方式的平衡方程，用来描述土体的两相流。牛文杰等[7]利用MIP试验和SEM试验，得到膨润土的非饱和渗透系数在1.0×10-14m/s左右，发现孔隙比、体积应变随着吸力的减小而增大。牛文杰等[28]提出了膨润土作为一种纳米材料，在水化过程中孔隙分布将会产生变化；结合Kozeny-Carman的多孔半经验公式，提出了考虑微结构的非饱和膨润土渗水系数的公式，建立了相对渗透系数的模型。何俊等[29]依据Poiseuille定律，利用SEM电镜试验对土工合成黏土衬垫的饱和渗透系数进行了研究，得到了在孔隙比变化条件下的饱和膨润土渗透系数计算方法。

上述对于非饱和膨润土渗水系数的研究主要集中在吸力、干密度、温度以及微观分析上，从体积含水率来对非饱和膨润土的渗透系数研究较少。而体积含水率作为非饱和膨润土渗透系数的重要参数，对非饱和膨润土的渗透系数的影响较大，但其微观结构的研究和本构模型的建立相对缺乏，因此有必要从体积含水率的角度来对渗水系数的变化进行分析。

2 非饱和膨润土渗气系数的影响因素

非饱和土是由固-液-气三相介质组成，其力学特性比由固-液两相组成的饱和土要复杂得多。非饱和膨润土中的水气的存在形式多样，有水连通-气封闭、气连通-水封闭和双开敞3种形式。在热-水-力共同作用下，非饱和膨润土的水气场变化复杂，且还受到基质吸力、孔隙比、干密度等众多因素的影响。Ye等[30]将气体迁移工程屏障系统分为4个阶段，通过考虑土体应力状态、多相性、固有渗透率，在基于VG模型下，重新定义了气体相对渗透率，建立了多相性气体迁移模型，克服了两相流模型的缺点，拟合程度较高。刘龙波等[31]通过测量非饱和膨润土两侧压差及其对应的气体流量得出了非饱和膨润土的渗气系数，在扫描电子显微镜中发现非饱和膨润土孔隙较大，颗粒团聚明显，得出了渗气系数与孔隙比为指数关系。Gallé等[32]发现了高饱和度、不同干密度条件下膨润土的渗气规律。汪龙等[33]认为干密度、含水率、掺砂率与渗气系数呈指数关系，并建立了相应的本构模型。秦冰等[34]则发现气体滑脱因子b和Klinkenberg渗气系数k∞成唯一线性关系，渗气系数与干密度、含水率无关，Klinkenberg效应在渗气系数低于10～14 m2时较为明显；围压的增大会使试样中的微裂隙闭合，因此渗气系数随着围压的增大而减小；建立了考虑Klinkenberg效应的压实高庙子膨润土渗气系数数学模型。Arnedo等[35]利用水力学耦合模型，通过有限元耦合的THM代码模拟了基质材料的接触面和裂缝，得到了以孔隙比为基础变量的不同变形和气体通量条件下的3D模型，模型与试验结果切合度极高；发现了渗气系数随着体积含气率的升高而降低。Bouazza等[36]用自行研制的气体渗透装置来测试合成粘土衬垫的渗气特性，发现体积含气率的升高会使渗气系数降低，而且GCL在水化之前的固化过程对渗气系数也有影响。Shan等[37]在BM试样与CL试样的对比试验中发现，土工织物和纤维含量越高，渗透系数越低，BM试样的渗气性低于CL试样。

不同的矿物成分的吸水能力不同，这就导致了渗气系数的改变。Mohammed等[38]发现高岭土矿物的渗气系数小于蒙脱石矿物，而其吸水能力大于蒙脱石矿物；土体含水量的增加会使土中吸力下降，导致颗粒间接触力降低，颗粒间距扩大，毛细管压力上升，渗气系数下降。

目前，对于非饱和膨润土渗水系数的研究较多，因为其理论成熟，试验操作方面也比渗气系数的测量简单许多。而在非饱和膨润土渗气系数的测量中，试验耗时长，不可控因素多，加上非饱和膨润土本身渗气性差，而且气体相比于水流而言，当压力较大时，气体流通速度快，这对于气体的通气控制与渗气量的测量方面都是一个巨大的挑战。加上我国对于非饱和膨润土渗气的理论研究较晚，对其相关仪器的研发也落后，在国内仅有为数不多的科研院所和大学有条件进行非饱和膨润土的渗气试验。所以目前我国在渗气规律的研究方面处于世界落后水平。但也说明非饱和膨润土渗气系数的理论研究存在巨大的研究潜力，而且从体积含气率方面对非饱和膨润土渗气系数的研究更是屈指可数，所以考虑以体积含气率为参量对非饱和膨润土渗气系数进行研究是十分有意义的。

3 非饱和膨润土土-水特性曲线影响因素

土的含水率和吸力组成了土-水特征曲线，土-水特征曲线是一个反映土的渗透系数、持水能力和强度的曲线，它在非饱和土的水力与力学特性的研究中具有十分重要的影响。非饱和膨润土土-水特性曲线可由压力板、张力计、非饱和土三轴仪、汽相法、渗析法等方法进行测量。总结国内外研究成果发现，基质吸力、温度、孔隙比、含水率、干密度对非饱和土土-水特征曲线均有影响。

秦冰等[39]研究发现，干密度对持水曲线的影响取决于吸力的大小。高吸力下土中水主要为吸附水，吸附能力较强且很难受到压实作用的影响，所以在高吸力下干密度对持水曲线无影响；但在低吸力下毛细作用占据主导，干密度的变化会引起土颗粒或团粒之间孔隙的结构变化，从而对持水曲线产生影响。Jacinto等[40]在对MX-80膨润土持水能力进行研究后也认为干密度对持水能力的影响取决于吸力的大小。孙德安等[41]认为Kunigel-V1膨润土与高庙子膨润土土-水特征曲线相近，吸力值的变化会影响孔隙比的变化进而影响土-水特征曲线。

温度对于持水曲线具有重要的影响，Villar等[42]发现随着温度的升高，蒙脱石的吸附能力下降，层间水和毛细水相互转化加快，膨润土的在侧限和无侧限状态下的持水能力降低。陆飏等[34]采用高精度温湿度传感器，发现了膨润土在升降温中存在3个阶段。这是因为层间水与毛细水发生互相转换，也是因为吸力的滞后性导致了此现象的出现。

不少理论研究中发现孔隙比对非饱和膨润土持水曲线的影响比温度的影响还要大。Stange等[43]以初始孔隙比为参数构建了4种土-水特征曲线拟合模型，此方法试验量小，且参数取值可为经验值。Salager等[44]以Fredlund-Xing模型为基础通过5种不同的土-水特征曲线试验，建立了相应的本构模型。孙文静等[45]则发现初始孔隙比的减少会使土-水特征曲线向右移动。

不少学者也在纯膨润土中掺加其他物质来对膨润土进行改良。汪龙等[46]利用水汽平衡法对膨润土-砂混合物进行分析，发现掺砂率在高低吸力段时对土-水特征曲线的影响不同，高吸力段内影响小，低吸力段内影响大；膨润土-砂混合物的土-水特征曲线几乎不受干密度的影响；其还通过微观扫描电镜试验，发现了砂砾间距随掺砂率的增加而减少，密实度随之降低；建立了用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合物的土-水特征曲线。Tang等[47]发现温度越高，膨润土-砂混合物的持水能力越低。张虎元等[48]采用压力板法和水汽平衡法进行研究，利用扫描电镜发现在侧限饱和中膨润土的收缩干裂现象不明显，而自由饱和下普遍发生此现象。Chen等[49]对MIP试验和侧限试验进行数据对比，发现两者数据拟合度很高，可以互相使用。

4 展望

基于上述认识，非饱和膨润土的渗水、渗气系数和土-水特征曲线受到基质吸力、温度、含水率、干密度、孔隙比、掺砂率等受到众多因素的影响，但仍存在研究空白。

1)非饱和膨润土的渗水系数随温度的升高而升高，随干密度的增加而减小，随土中吸力的增加先减小后增大，存在下极值点，膨润土与其混合物的掺量存在最优比；以温度、干密度、吸力为主要因素对渗水系数的研究较多，但以体积含水率作为主要因素来对渗水系数进行研究的较少，同时也缺乏相应的微观分析及本构模型的建立；因此可从体积含水率为主要研究方向，结合微观分析对非饱和膨润土的渗水系数进行研究。

2)非饱和膨润土的土-水特征曲线随着温度的升高，膨润土的持水能力下降，在高吸力段内，干密度对持水曲线的影响较小，在低吸力段内受干密度的影响较大；总的来说，非饱和膨润土的土-水特征曲线研究较多，成果较为丰富，但从体积含水率这方面对其进行研究的内容较少，尤其缺乏微观试验上的分析，因此可进一步加强在此方面的研究。

3)非饱和膨润土的渗气系数测量复杂，难度较大，测试仪器精度要求高，导致非饱和膨润土渗气系数的研究较少，而从体积含气率出发对非饱和膨润土的渗气系数进行研究的文章更是屈指可数。因此可结合微观分析，从体积含气率这个方面来对非饱和膨润土的渗气系数进行研究，并建立相应的本构模型。这也是非饱和膨润土基本性能研究的重点。

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(责任编辑何杰玲)

StudyontheBasicPropertiesofUnsaturatedBentonite

HUANG Xuefenga,b， FANG Shenga,b， ZHOU Junpenga,b

(a.Depatment of Civil Engineering; b.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Thermal-hydro-mechanico is complex and changeable in the geological disposal of high level radioactive nuclear waste disposal, and the water-air permeability, soil-water characteristic curves of unsaturated bentonite are affected by the matrix suction, temperature, water-content, dry-density, void-ratio and so on. Therefore, it has important meaning to study the water-air permeability and soil-water characteristic curves of the unsaturated bentonite. It proposed the idea that considering what the effects on the volumetric soil water content and gas volume rate for the water-air permeability and soil-water characteristic curves of the unsaturated bentonite on the basis of summarizes domestic and foreign research status and achievements.

unsaturated bentonite; permeability coefficient; soil-water characteristic curve; volumetric soil water content; gas volume rate

2017-05-13

国家科技支撑计划资助项目“黄土丘陵沟壑(延安新区)工程建设关键技术研究与示范课题”(2013BAJ06B00)

黄雪峰(1960—)，男，教授，博士生导师，主要从事非饱和土与特殊土地基研究，E-mail:hxfen60@163.com。

黄雪峰，方晟，周俊鹏.非饱和膨润土的基本性能研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(11):122-127.

formatHUANG Xuefeng，FANG Sheng，ZHOU Junpeng.Study on the Basic Properties of Unsaturated Bentonite[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):122-127.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.018

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1674-8425(2017)11-0122-06