初始含水率对膨润土膨胀特性的影响

2017-07-01刘宇翼苏运河从卫民佘跃心杨琴

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年5期

刘宇翼，苏运河，从卫民，佘跃心，杨琴

初始含水率对膨润土膨胀特性的影响

刘宇翼1，2，苏运河2，从卫民3，佘跃心2，杨琴2

(1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008;2.淮阴工学院建筑工程学院，江苏淮安223001;3.淮安市建设工程施工图审查处，江苏淮安223001)

为了获得初始含水率对膨润土膨胀特性的影响规律，进行了不同初始含水率条件下无荷膨胀率、有荷膨胀率和膨胀力室内试验。试验结果表明:中等膨胀势膨润土在吸水饱和过程中无荷膨胀率、有荷膨胀率逐渐增大，且经历快速膨胀期、缓慢膨胀期和膨胀稳定期3个阶段。初始含水率越小，快速膨胀期历时越短，膨胀速率越快。随着初始含水率的增加，膨润土的无荷膨胀率、有荷膨胀率和膨胀力均呈减小趋势，且无荷膨胀率、有荷膨胀率线性递减，而膨胀力与初始含水率呈现良好负指数关系。

膨润土;初始含水率;无荷膨胀率;有荷膨胀率;膨胀力

0 引言

发展核电是中国满足电力需求、优化能源结构、保障能源安全、促进经济持续发展的重要举措，也是减少环境污染、实现经济和生态环境协调发展的有效途径，具有巨大的战略意义。目前，中国在运核电机组数达34台，仅次于美国、法国和俄罗斯，位列全球第4。此外，中国在建核电机组20台，稳居世界首位，占全球在建核电机组数的40%，是世界上核电发展最快的国家［1］。核电高速发展的同时也产生了大量核废物，如果处置不当，对自然环境和人类社会将产生巨大的破坏作用，因此，核废物处置成为国际社会高度关注的重要课题。深地质处置被国际上公认为是处置核废物最有效可行的方法。在中国，深地质处置技术通常采用多重工程屏障系统(包括废物固化体、废物容器、外包装、缓冲材料)和适宜的地质体共同作用来确保核废物与生物圈的安全隔离［2］。大量研究表明:膨润土具有极低的渗透性和优良的核素吸附等性能，是理想的核废物处置库缓冲回填材料［3－6］。

膨润土的诸多特性中，胀缩性是最明显、最基本的特征。当膨润土遭遇地下水渗透，其含水率便会增大从而引起膨胀变形，而膨胀或收缩所产生的内应力会使得裂隙产生并扩展，导致核废料处置的工程屏障遭到破坏。因此，研究膨润土的胀缩特性对核废物深地质处置的安全性具有重要意义。文献［7］通过对干密度为1.40～1.51 g/cm3的多组高庙子膨润土的膨胀力试验，发现膨润土样品的压实密度与压制压力和蒙脱石质量分数有关，膨胀力与样品压实密度和蒙脱石质量分数有关，样品在荷载作用下膨胀变形明显减小。文献［8］研究了4种类型膨润土的膨胀变形，发现膨润土的最大膨胀变形与膨润土的初始干密度有关。文献［9］在高庙子钠基膨润土中分别加入质量分数为0%、10%、20%、30%、40%和50%的石英砂，形成混合型缓冲回填材料，当初始含水率较大时，材料最大膨胀力随初始含水率的增大略有降低。掺砂率一定时，材料最大膨胀力随初始干密度指数增长，并得到了高庙子钠基膨润土-石英砂混合型缓冲回填材料最大膨胀力归一化模型。文献［10－11］从膨胀率、膨胀力和蒙脱石质量分数等方面对砂-膨润土膨胀特性及其影响因素进行了研究。

综上所述，现有研究对象主要集中在砂-膨润土混合物，研究方向主要集中在膨胀力，研究因子主要针对干密度和掺砂率。而初始含水率对膨润土膨胀性能的影响规律研究还比较少。因此，本文针对中等膨胀势的膨润土，通过室内膨胀性试验，分析了不同初始含水率条件下膨胀率和膨胀力的变化规律，以期为核废物深地质处置工程屏障材料的选择、设计及加工提供技术支持。

1 试验用土

试验用土为内蒙古高庙子钙基膨润土，呈灰白色。参照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》［12］的规定，采用激光粒度仪进行颗粒级配试验，采用液塑限联合测定仪测试液限和塑限，得到的膨润土基本物理性质见表1。由表1可见:该膨润土液限较大，塑性指数很高，且颗粒粒径主要集中于5～75 μm。

表1 膨润土的基本物理性质

采用自由膨胀率测定仪对试验所用膨润土进行自由膨胀率试验，共开展了2组平行试验。测得自由膨胀率分别为87.8%和89.2%，平均自由膨胀率为88.5%，根据GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》［13］，综合判定试验所用膨润土为中等膨胀潜势。

按照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》［12］的要求，对试验所用膨润土进行了标准击实试验，测得最佳含水率(质量分数)为27.0%，最大干密度为1.48 g/cm3。

2 试验方案

2.1 试样制备

土样制备时，按照初始含水率配制土样，并将其置于保湿缸内焖料24 h，然后采用自制压样器制样［14］。压样器示意图见图1。该压样器采用对半式，通过螺栓组件连接，取样时只需拧开螺栓组件，拿开压样活塞和导筒，便可轻易获得标准环刀试样，并且能保证重塑膨润土环刀试样的高度、平整度、均匀度以及同批试样的一致性达到试验精度要求，从而提高试验结果的可靠性。

2.2 初始含水率测定

根据试样制作的可行性和易操作性，将试验膨润土的初始

含水率(质量分数，下同)设计成5种，分别为21%、24%、27%、

30%和36%。

由于试样制备时的天气不确定性、加水不均匀性以及其他

人为因素，试样的最终含水率还需通过进一步测试确定。为此，采用烘干法对各组试验用土的含水率测定2次，获得其最终初始含水率w0。A组，w0=21.3%;B组，w0=24.3%;C组，w0=27.0%;D组，w0= 30.0%;E组，w0=35.6%。

在相同干密度条件下，对上述5组不同初始含水率的膨润土土样开展无荷膨胀率试验、有荷膨胀率试验和膨胀力试验。无荷膨胀率试验在WZ-2型膨胀仪上进行，有荷膨胀率试验和膨胀力试验在单杠杆固结仪上进行。试验步骤严格遵照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》［12］，每种土样做2组平行试验。

图1 压样器示意图

3 膨润土膨胀特性与初始含水率的关系

3.1 无荷膨胀率与初始含水率的关系

无荷膨胀率时程曲线如图2所示。由图2可知:随着膨润土吸水饱和，无荷膨胀率的变化大致可分为3个阶段:(Ⅰ)快速膨胀期。该阶段大约在膨润土吸水后20 h内完成，且膨胀量较大，大约占最终膨胀量的60%～80%。通过比较发现初始含水率越大，快速膨胀期历时越短，膨胀速率越快。(Ⅱ)缓慢膨胀期。该阶段膨胀速率由快到慢，大约在25～50 h完成，且初始含水率越大，该阶段历时越长。(Ⅲ)膨胀稳定期。该阶段由于膨润土吸水后产生膨胀，其密度随之减小，土体间的空隙越来越大，土颗粒间的空隙要被水分完全充填需要很多时间，因此膨胀稳定期历时较长，但膨胀量变化不大，无荷膨胀率时程曲线较平稳。

此外，无荷膨胀率随初始含水率的增大而减少，最终，5个试样中最大无荷膨胀率达到65.81%，而最小无荷膨胀率仅为12.06%，可见初始含水率对无荷膨胀率的影响十分明显。

无荷膨胀率与初始含水率的关系见图3。通过回归分析得到无荷膨胀率与初始含水率的拟合关系式为:

其中:δe为无荷膨胀率，%;w0为初始含水率，%。

根据拟合关系式和试验数据，得到无荷膨胀率与初始含水率的相关系数R2=0.971 9，表明在干密度确定的前提下，无荷膨胀率与初始含水率呈良好线性关系。

图2 无荷膨胀率时程曲线

图3 无荷膨胀率与初始含水率的关系

3.2 有荷膨胀率与初始含水率的关系

各试样有荷膨胀率试验的恒定荷载均为25 kPa，有荷膨胀率时程曲线见图4。由图4可知:有荷膨胀率随时间非线性增加，同无荷膨胀率的变化规律类似，有荷膨胀率也经历了快速膨胀期、缓慢膨胀期和膨胀稳定期3个阶段。初始含水率越小，同一时刻有荷膨胀率越大，初始含水率w0=21.3%时，有荷膨胀率最终达到了9.60%;而w0=35.6%时，有荷膨胀率最终降至1.30%。25 kPa恒压条件下，对同一试样的最终无荷膨胀率和最终有荷膨胀率对比发现，w0分别为21.3%、24.3%、27.0%、30.0%和35.6%时，试样的最终有荷膨胀率与最终无荷膨胀率比值分别为14.59%、15.34%、12.26%、9.67%和10.78%。可见膨润土膨胀变形与上部荷载之间的基本规律为:上部荷载对膨润土的膨胀变形抑制作用十分明显，且初始含水率较大时，上部荷载的抑制效果更为突出。

有荷膨胀率与初始含水率的关系见图5，通过回归分析得到有荷膨胀率与初始含水率的拟合关系式为:

其中:δep为有荷膨胀率，%;w0为初始含水率，%。

图4 有荷膨胀率时程曲线

图5 有荷膨胀率与初始含水率的关系

有荷膨胀率与初始含水率的相关系数R2=0.918 2，表明在干密度确定的前提下，有荷膨胀率与初始含水率呈近似线性关系。

3.3 膨胀力与初始含水率的关系

膨润土吸水膨胀时，由于限制了体积变化而在膨润土中产生的内应力便是膨胀力。采用加荷平衡法进行膨胀力试验，试验设备与单轴固结仪相同，并用标准砂和盛砂桶代替砝码和吊盘，以便加压时精确、可控。膨胀力试验结果如表2所示。

表2 膨胀力试验结果

由表2可以看出:随着初始含水率的增大，膨胀力逐渐减少。当初始含水率小于27.0%时，随初始含水率的增加，膨胀力迅速降低;当初始含水率大于27.0%时，随初始含水率的增加，膨胀力缓慢降低。

将表2的数据绘图并进行拟合，膨胀力与初始含水率的关系见图6，拟合公式为:

其中:P为膨胀力，kPa;w0为初始含水率，%。

图6 膨胀力与初始含水率的关系

试验数据和拟合公式表明:膨胀力与初始含水率的相关系数R2=0.991 3，表明在干密度确定的前提下，膨胀力与初始含水率呈良好负指数关系。

4 结论

(1)膨润土在吸水饱和过程中，无荷膨胀率、有荷膨胀率均随吸水过程逐渐增大，且经历快速膨胀期、缓慢膨胀期和膨胀稳定期3个阶段。

(2)初始含水率越小，同一时刻膨润土的无荷膨胀率和有荷膨胀率越大，且快速膨胀期历时越短，膨胀速率越快。

(3)上部荷载对膨润土的膨胀变形抑制作用十分明显，且初始含水率较大时，上部荷载的抑制效果更为突出。

(4)无荷膨胀率随初始含水率的增加线性递减，而有荷膨胀率与初始含水率也呈近似线性关系。

(5)随着初始含水率的增大，膨润土膨胀力逐渐减少，两者呈现良好负指数关系。当初始含水率小于27.0%时，随初始含水率的增加，膨胀力迅速降低;而初始含水率大于27.0%时，随初始含水率的增加，膨胀力缓慢降低。

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TU411;TU443;TL942

1672－6871(2017)05－0051－04