温度对高庙子膨润土浸水膨胀特性的影响

蒋江红,孙德安

温度对高庙子膨润土浸水膨胀特性的影响

蒋江红,孙德安

(上海大学土木工程系,上海200444)

对取自内蒙古高庙子地区的GMZ07钠基膨润土在不同温度下进行了浸水饱和引起的膨胀特性试验.在不同温度条件下对不同初始干密度试样在100～600 kPa的竖向荷载作用下进行了浸水饱和的膨胀变形及膨胀力试验.试验结果表明:在初始含水率相同的情况下,浸水饱和引起的变形主要取决于干密度和竖向荷载,对温度也有一定的影响,但不是很显著;在相同干密度和温度的情况下,竖向荷载越大,浸水变形稳定后孔隙比越小,且孔隙比与竖向压力在半对数坐标中呈线性关系;在相同温度和相同竖向荷载情况下,不同的初始干密度试样在浸水变形稳定后的孔隙比相近.此外,随着温度的升高,膨胀力略微减小.

膨润土;温度;膨胀特性;浸水

目前,国际上计划采用深地质处置的方法来处理核电站等产生的高放射性核废料(简称高放废物),即将高放废物埋置在地下500至1 000 m左右的位置,以防止高放废物辐射对人类生存环境产生影响.我国已初步选定甘肃省北山地区为高放废物处置库,而内蒙古高庙子(Gaomiaozi,GMZ)膨润土因埋藏量大、地理位置优越和交通便利等有利因素,已经被选为处置库的缓冲回填材料.为了固定废物罐和缓冲来自围岩的地应力,缓冲层要经历长期的地下水及辐射热的作用,故研究在热-水-力多场耦合作用下缓冲材料的工程性质是非常必要的.

目前,针对膨润土的研究主要有:刘月妙等[1-3]对GMZ膨润土性能进行了测定,通过压缩试验给出了GMZ膨润土的弹性模量与干密度的关系,并利用微机控制高温高压膨胀渗透仪,以GMZ001钠基膨润土为材料进行了一系列试验,指出GMZ001钠基膨润土的膨胀力随干密度增大而增大,随温度的升高而增大;秦冰等[4-5]研究了GMZ001钠基膨润土的三向膨胀力特性及其胀缩特性的影响因素;叶为民等[6]阐述了双电层与高庙子膨润土的体变特性,解释了膨润土膨胀的微观机理,并研究了在干湿循环条件下膨润土的微观结构特性;Sun等[7]研究了GMZ膨润土在不同的掺砂率下的膨胀变形,指出在垂直应力与浸水条件下稳定后的孔隙比在双对数坐标中呈线性关系;刘伟等[8]通过射线高温对GMZ膨润土进行老化作用试验,发现经过辐射和热老化作用后的膨润土膨胀能力不变;Schanz等[9]针对GMZ001钠基膨润土高压实样的膨胀力进行了研究,指出干密度是影响膨胀力的主要因素;Villar等[10]研究了温度对FEBEX膨润土膨胀力、膨胀变形及渗透性的影响,发现膨胀力及膨胀变形随着温度的升高而减小;Romero等[11]通过对两种膨润土(FEBEX和Boom clay)的研究指出,在竖向压力相同时膨润土浸水后的膨胀量随着温度的升高而减小,且竖向压力越小对温度的影响越明显.

在国内,对GMZ膨润土的研究除了集中在常温下的膨胀力、膨胀变形特性、土水特性等外,对GMZ膨润土的热传导性的研究也逐步增多[12-13].虽然对有关GMZ膨润土工程特性的研究已取得一定的成果,但对于考虑了温度影响的膨胀特性的研究还很少.本工作以GMZ07钠基膨润土为试验材料,分别对不同初始干密度压试样在不同温度和竖向压力条件下进行浸水饱和的膨胀变形及膨胀力试验,并研究温度对浸水饱和后试样的变形特性及膨胀力的影响规律.

1 浸水变形试验及膨胀力试验

1.1 试验材料及仪器

试验土样是2014年取自内蒙古兴和县高庙子的GMZ07钠基膨润土,经过精选和超音速粉碎后粒度小于200目的粉末样,其主要成分除蒙脱石外,还存在微量的高岭石、伊利石和伴生矿物,其物理和矿物参数如表1所示.试验时为了控制温度,将轻型固结仪放入恒温恒湿控制箱.制样用环刀的直径为61.8 mm,高度为20.0 mm.

表1 GMZ07钠基膨润土的特性参数Table 1 Characteristic parameters of GMZ07 Na-bentonite

1.2 浸水变形试验步骤

1.2.1 制样

采用自然含水率(约9.6%)下的粉末状土样,用压实方法制样,即将土样按照目标干密度的要求,用压实模具压制到目标干密度,得到直径为61.8 mm、高度为12.0 mm的不同干密度压实样.由于GMZ07钠基膨润土为强膨胀性土,故试样的初始高度设计为12.0 mm,这是为了防止在竖向压力较小时试样浸水膨胀后溢出高度20.0 mm的环刀而引起试验误差.

1.2.2 装样

将制好的试样装入固结仪容器中,并将整个固结仪容器装入可开口的密封袋中密封,以防止高温下试样水分蒸发;把厚12.0 mm的试样安装在高20.0 mm的环刀中间,上下各留出3.0 mm空间放置透水石,以避免土样溢出环刀.将压实样装入在恒温恒湿控制箱的轻型固结仪后,装上百分表并施加1 kPa的竖向接触压力,使试样与透水石及仪器的各个部分全部接触.当百分表读数不变时,认为此时试样达到预压稳定状态,记录百分表读数作为竖向位移的初始值.分级加载到目标竖向压力值,并按一定时间间隔记录百分表读数,当百分表读数变化小于0.01 mm/h时,则认为试样已达到固结稳定状态,记录读数.

1.2.3 浸水变形

本试验中需要控制不同温度,故所用的去离子水在加入固结仪容器前预热到目标温度,待百分表读数在相应的竖向压力作用下压缩并稳定后,向固结仪容器中加入预热过的水,并随时记录其竖向变形数值.当每24 h竖向变形量小于0.01 mm时,视试样浸水饱和引起的变形已稳定.表2汇总了所有浸水变形试验的条件和试样的初始干密度.

表2 浸水变形试验汇总Table 2 Summary of tests for deformations due to wetting

1.3 膨胀力试验方法

膨胀力试验所用的试样制样方法同浸水变形试验,其试验条件如表3所示.表2中膨胀变形试验温度与表3中的膨胀力试验不一致,原因是当干密度较大(1.50,1.70 g/cm3)时,膨胀力较大,超过了恒温恒湿箱中轻型固结仪的最大压力(600 kPa),故只能在自然环境温度(10,20°C)下进行;而在膨胀变形试验中竖向压力小于等于600 kPa,能够通过恒温恒湿箱控制各组试验温度(20,40,60°C).本试验中采用常体积法来测量膨胀力,即对试样施加1 kPa的荷载预压稳定后,向固结仪中加水,试样开始产生膨胀变形,此时立即加载使百分表回到原来的读数,当施加到某一级荷载时读数每24 h变化小于0.01 mm视膨胀变形稳定,此荷载即为试样的膨胀力.

表3 膨胀力试验汇总Table 3 Summary of swelling pressure tests

2 浸水变形试验结果与分析

由于试样有较高蒙脱石含量,故浸水后试样会吸水膨胀,孔隙比也将产生变化.试样浸水变形稳定后的孔隙比为

式中,e0为预压(1 kPa)稳定后的孔隙比(即初始孔隙比),e为试样浸水变形稳定后的孔隙比,h0为试样的初始高度,Δh为试样从预压稳定到浸水变形稳定试样高度的变化.

图1是在环境温度为20,40,60°C初始干密度ρd0=1.35 g/cm3条件下,压实GMZ膨润土的孔隙比与竖向压力σv在半对数坐标中的关系,其中“初始状态”为试样的初始(制样)孔隙比,“固结后”为在非饱和状态下试样受压稳定后的孔隙比,“浸水饱和”为在压力作用下浸水饱和后的孔隙比.由图1可知:当竖向压力为100,200 kPa时,浸水饱和后试样发生膨胀变形;而当竖向压力为400 kPa时,浸水饱和后试样发生压缩变形.在20,40,60°C环境温度条件下,GMZ膨润土压实样的浸水变形稳定后的最终孔隙比与竖向压力在半对数坐标下呈线性关系,但直线的位置稍有不同.

图1 在不同温度条件下孔隙比与坚向压力的关系(ρd0=1.35 g/cm3)Fig.1 Void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures(ρd0=1.35 g/cm3)

图2和3是初始干密度分别为1.50,1.70 g/cm3的试样在20,40,60°C环境温度下,浸水变形稳定后孔隙比与竖向压力的关系.由图可知,初始干密度为1.50,1.70 g/cm3的试样浸水后在各级竖向压力(不大于600 kPa)下只发生膨胀变形,在浸水饱和变形稳定后孔隙比与竖向压力在半对数坐标下呈线性关系.

图2 在不同温度条件下孔隙比与坚向压力的关系(ρd0=1.50 g/cm3)Fig.2 Void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures(ρd0=1.50 g/cm3)

图3 在不同温度条件下孔隙比与竖向压力的关系(ρd0=1.70 g/cm3)Fig.3 Void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures(ρd0=1.70 g/cm3)

图4是在不同温度下初始干密度分别为1.35,1.50,1.70 g/cm3的试样浸水变形稳定后孔隙比与竖向压力的关系.由图可知:在相同温度和初始干密度条件下,试样浸水变形稳定后的孔隙比与各级竖向压力在半对数坐标下呈线性关系;温度越高,浸水变形稳定后试样的最终孔隙比越小,即直线越低,且在不同温度条件下孔隙比与竖向压力关系的直线斜率基本相近.

图4 在不同温度条件下饱和孔隙比与竖向压力的关系Fig.4 Saturated void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures

图5为初始干密度分别为1.35,1.50和1.70 g/cm3的试样在20,40,60°C温度条件下浸水变形后最终孔隙比与竖向压力在半对数坐标下的关系.由图可知:在相同温度下不同初始干密度试样在相同压力条件下浸水变形稳定后的孔隙比相近;同一初始干密度试样在浸水变形稳定后的最终孔隙比与竖向压力在半对数坐标中呈线性关系,这与Sun等[7]在常温下对GMZ001钠基膨润土研究所得的结论一致.

3 膨胀力试验结果与分析

由于GMZ07钠基膨润土具有较高的蒙脱石含量,相对于伊利石晶层间钾原子和高岭石晶层间的氢键联结而言,蒙脱石晶层间的范德华力及静电力联结强度更弱,水分子更容易进入晶层间,因此蒙脱石是一种亲水性很强的矿物成分.GMZ07钠基膨润土压实样在浸水过程中表现出极强的吸水膨胀能力.

图6为在不同初始干密度和不同温度条件下GMZ07钠基膨润土压实样的膨胀力时程曲线.由图可知:温度对于浸水后的膨胀力增长速度有一定的影响,总体上温度越高膨胀力增长越快;在同样干密度条件下,温度高时的最终膨胀力要比温度低时的略小,这与文献[10]的结论一致.在相同温度条件下进行膨胀力试验的结果表明,干密度对膨胀力的影响非常显著(见图6(d)),即干密度越大膨胀力越大.总之,温度对膨胀力有一定的影响,但没有干密度的影响那么明显.

图5 在不同温度条件下不同初始干密度试样的饱和孔隙比与竖向压力的关系Fig.5 Saturated void ratio versus vertical pressure relations for dif f erent initial dry densities at dif f erent temperatures

图6 膨胀力时程曲线Fig.6 Development curves of swelling pressure

将初始干密度分别为1.35,1.50和1.70 g/cm3的试样,在不同温度条件下进行浸水膨胀变形试验(20,40,60°C)与膨胀力试验(10,20°C),得到了竖向压力和最终膨胀力与饱和孔隙比的关系(见图7).由图可知,无论常荷载的浸水膨胀变形还是膨胀力的试验结果,在相同或接近的试验温度条件下,浸水饱和时的孔隙比与竖向压力关系基本一致,而且此关系与试样的初始干密度无关.也就是说,在相同温度和竖向压力条件下,不同的初始干密度试样的饱和孔隙比是一样的.这是因为同一种膨润土的单位蒙脱石的膨胀能力是一定的,或者说饱和时同一种膨润土的单位土体的吸水量是相同的.

图7 不同温度条件下膨胀特性汇总Fig.7 Summary of swelling characteristics at dif f erent temperatures

4 膨胀变形及膨胀力机理分析

GMZ膨润土中含有蒙脱石和伊利石等亲水性矿物,其中蒙脱石晶层之间是通过范德华力及静电力联接,其联接强度最弱,水分子容易进入层间形成水膜从而产生浸水膨胀变形;在相同干密度相同竖向压力条件下,温度升高时水的粘滞系数减小,孔隙中的水更容易流出,故孔隙比相应减小.由于单位蒙脱石吸水能力是一定的,故在相同竖向压力条件下,无论初始孔隙比是否一致,浸水饱和后孔隙比应相近(见图5和7).

图8是在不同温度条件下饱和孔隙比与膨胀力的关系.该曲线可以作为在各温度下浸水膨胀及压缩分界线,可称为饱和稳定状态线.由图可知,在某一温度下孔隙比较大时,如果竖向压力较大,超过膨胀力,试样初始状态位于分界线右上侧的压缩区,则浸水后试样将发生压缩变形;如果竖向压力小于膨胀力,试样初始状态位于分界线左下侧的膨胀区,则浸水后试样将发生膨胀变形.

图8 在不同温度条件下孔隙比与膨胀力的关系Fig.8 Relations of void ratio with swelling pressures at dif f erent temperatures

如图1(a)及图6(a)所示,当温度t=20°C,试样初始干密度ρd0=1.35 g/cm3时,竖向压力及膨胀力分别为400,240 kPa,此时竖向压力大于膨胀力,试样固结稳定后处在饱和稳定状态线的右上侧(压缩区),故浸水后产生压缩变形;当竖向压力为200 kPa时,由于膨胀力大于竖向压力,试样固结稳定后处在饱和稳定状态线的左下侧(膨胀区),故浸水后产生膨胀变形.

由于在膨胀力试验中采用了恒体积法,施加的竖向压力使试样浸水后膨胀变形的趋势受到抑制,从而以力的形式表现出来.当温度升高时,在相同荷载条件下水因粘滞系数减小而流出,试样的持水性略有下降,因此浸水变形后含水率较低,水膜较薄,宏观上表现为孔隙比减小;浸水后要保持试样体积恒定,所需的竖向压力减小,宏观上就表现为随着温度升高膨胀力略有减小.

5 结论

(1)在相同干密度和温度条件下的试样浸水变形稳定后,孔隙比与竖向压力在半对数坐标下呈线性关系;在相同温度和竖向压力条件下,不同初始干密度试样浸水变形稳定后的孔隙比相近.

(2)在相同干密度和压力条件下,温度越高最终孔隙比越小,随着温度升高膨胀力略有减小,但减小的幅度不是很大;在不同温度条件下孔隙比与竖向压力关系所呈线性的斜率相近;在温度较高时,浸水后膨胀力会增大得快一些.

(3)如果非饱和试样在固结稳定后处于饱和稳定状态线左下侧(膨胀区),则浸水后试样发生膨胀变形;相反,如果处于饱和稳定状态线右上侧(压缩区),则浸水后试样发生压缩变形.

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Inf l uence of temperature on swelling characteristics of GMZ bentonite due to wetting

JIANG Jianghong,SUN Dean
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

A series of wetting tests on GMZ07 Na-bentonite,taken from Gaomiaozi area,Inner Mongolia,were performed to investigate the swelling characteristics at dif f erent temperatures.The inf l uences of temperature and initial dry density were studied under a vertical pressure ranging from 100 to 600 kPa.The test results show that deformation due to wetting is mainly af f ected by dry density and vertical pressure,and slightly af f ected by temperature.With the same initial dry density and temperature,the greater the vertical pressure,the less the void ratio after saturation.There is a linear relation between saturated void ratio and logarithm of vertical pressure.At the same temperature and vertical pressure,void ratios after saturation for dif f erent initial dry densities are similar.In addition,swelling pressure decreases slightly with increasing temperature.

bentonite;temperature;swelling characteristics;wetting

TU 443

A

1007-2861(2017)05-0762-10

10.12066/j.issn.1007-2861.1728

2015-12-03

国家自然科学基金资助项目(1162172)

孙德安(1962—),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为土力学.E-mail:sundean@shu.edu.cn

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