温度对膨润土及其混合物性质的影响

杜延峰， 崔素丽， 王学攀

(西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室， 陕西 西安 710069)

电站反应堆产生的乏燃料中有大量的放射性元素，具有较高的放射性，如不妥善处理，将严重威胁到周围环境以及人类的生命财产安全，这就需要把这些乏燃料与生活空间隔离开。针对如何处理高放射性废料，专家学者纷纷提出了各自的处置方案，目前普遍认为深部地质处置是最有效、最可行的方法。深部地质处置一般采用的是多重屏障的方法，最外层是由基岩组成的天然屏障，内层是由缓冲回填材料组成的工程屏障，从外到内依次为基岩、缓冲回填材料、废物包装容器、废物固化体。膨润土因具有优良的物理、化学特性而被普遍选为缓冲回填层的基材。

核废料在处置以后因为衰变会不断的产生热能导致周围温度升高，而升高的温度可能会对作为缓冲回填材料的膨润土及其混合物的性质产生影响。本文总结前人的研究成果，综合分析已有文献的试验数据，从膨润土自身性质、水力性质、力学特性等方面，研究温度对膨润土及其混合物工程性质的影响。

1 温度对膨润土结构影响

1.1 对微观结构的影响

膨润土是由蒙脱石族矿物组成的粘土物质。经常与蒙脱石伴生的粘土矿物有伊利石、埃洛石、高岭石、绿泥石以及一些间层粘土矿物。

在研究压制的Ophelie膨润土材料中孔隙分布受温度的影响时，Li等[2]通过试验发现，样品中的孔隙有聚合体内部孔隙和聚合体间孔隙类型。其内部孔径分布呈双峰型，随着温度升高导致水合力降低，双电层厚度变薄，聚合体内部孔隙率降低。

图1 20 ℃，60 ℃条件下孔隙随吸力变化关系

而叶伟民等[3]在对高压实的高庙子膨润土-砂混合物的试验研究中，发现混合物微观结构呈现明显的双峰结构，水化和温度改变均会对其微观结构产生影响。如图1所示，随着吸力的降低，集合体间孔隙量朝减小的方向发展，然而有限的集合体内孔隙量变化，使得样品的平均孔径逐渐减小，温度升高使得水化对土样微观结构的影响加剧。

1.2 对双电层厚度的影响

在双电层研究进程中，Gouy与Chapman在1910年提出了定量方程来对电荷扩散分布的行为进行描述，如下式：

ψ=ψ0e-kx，

式中ψ是距离粘土表面某位置处的电位，ψ0是粘土表面电位，e是电子电荷(1.60×10-19C)，x是距离粘土表面的距离，k-1为扩散层厚度。扩散层厚度可用算式表示为

式中ε为介质静穿透度，n0为离子浓度，v为离子数，K为波兹曼常数，T为绝对温度。

从扩散层厚度算式得出，温度对扩散层厚度呈正相关[4]。而当温度增大时，水的介电常数会降低，当其他条件相等时，介电常数与绝对温度的乘积随温度的上升呈下降关系。根据双电层厚度的推导公式，温度越高双电层厚度越小，由于二者的乘积近似为定值，所以，温度在0～100 ℃之间时，双电层厚度的变化幅度不到10%，即温度对扩散层厚度没有多大影响。Saltasd等[5]指出介电响应因素主要有离子(表面和体积)的导电性，以及由于颗粒极化沿粘土层的离子迁移。这两种机制在很大程度上都受到结合水的浓度和热电效应的影响。

2 温度对膨润土工程性质的影响

2.1 对水力性质的影响

膨润土的总吸力由基质吸力和渗透吸力两部分组成，其中渗透吸力起主导作用，而渗透吸力大小与膨润土中水的溶解盐有关，因此，膨润土中水含盐量的大小会对膨润土吸力造成影响。膨润土的总吸力大小可以利用开尔文公式[6]来计算。

图2 FEBEX膨润土吸力变化(测量值)和水的表面张力变化(计算值)

Ye等[7]用NaOH溶液作为空隙液，以其不同浓度作用于压实膨润土，来探究膨润土的渗透系数，试验结果发现膨润土的渗透系数受NaOH溶液的pH值以及温度的影响，它们的关系呈正相关，即随着pH值和温度的增加，渗透系数增加。汪龙等[8]以不同干密度、渗砂率和温度为条件，探究膨润土砂混合物的土水特征曲线，结果表明，复合材料的持水性能随温度的升高而降低。陈宝等[9]通过对高压实高庙子纯膨润土的土水特征曲线及其滞后性的研究，发现高庙子膨润土持水能力随温度升高逐渐减弱。沈珍瑶等[10]用饱和盐溶液法对膨润土含水率与吸力关系进行了测定，温度对试验结果有影响，随着温度升高，试样的平衡含水率会降低。秦冰等[11]以高庙子膨润土为例，对高吸力下持水曲线的温度效应进行了试验研究和理论分析，试验结果表明：膨润土的持水能力随温度的升高而减小，高吸力段内持水曲线的滞后性也会慢慢变弱，温度对持水曲线的斜率影响不大。

如图2所示，Villar等[12]用传感器/细胞的方法对干密度为1.60 mg/m3的样本进行测试，绘制出吸力随温度的变化曲线。从图中可以看出对应的测量值和计算值之间是有差异的，后者显示较小的斜坡。实测值与计算值较为显著地高于60 ℃温度之间的差异，可能是由于毛细现象不是膨润土保水的主要机制。相反，特别是在高吸力范围内，粘土颗粒以及附着在颗粒之间水的物理化学作用是土壤保水能力的主要原因。在这个低含水量区域，粘土和水之间的相互作用机制的变化被认为主要是温度对保水能力的影响。

Carlsson等[13]发现在相同的含水量情况下，对于层间水来说，钙基膨润土比钾基和钠基膨润土低，这就表明钙基膨润土中层间水的结合力大于钾基和钠基膨润土中的。随着温度的升高，外水的含量是增加，而基本层间的内水含量是降低，温度对膨润土水合力的影响比较明显。

2.2 对膨胀性质影响

缓冲回填材料在发挥其安全屏障功能时，需要拥有足够的膨胀自愈能力，这样才能更充分地发挥其防渗、吸附等作用[14-15]。因此，确定膨润土-砂混合物膨胀性质的指标，研究影响混合物膨胀性质的诸因素，对于缓冲回填材料在实际工程中的应用起到重要的作用。

蒙脱石片之间的基本间距是能够反映蒙脱石膨胀性质的指标之一，Cho等[16]通过对分子的动态模拟对蒙脱石在不同温度条件下的膨胀特性进行了分析，发现温度从10 ℃升高到90 ℃，蒙脱石片间的间距增大，水汽压力大幅度提高,通过对分子的动态模拟发现膨胀能力和层间吸入水分的量都呈阶梯式上升。温度从10 ℃升高到90 ℃，随温度的升高，膨润土的膨胀力增大，但是变化不大，说明温度对膨胀力的影响不明显，因此认为温度对膨胀力的影响不太重要[17]。

刘伟等[18]通过射线高温对高庙子膨润土进行老化作用，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[19]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[20]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[21]通过对两种膨润土(FEBEX bentonite和Boom clay)的研究指出，竖向压力相同时，膨润土浸水后膨胀量随着温度的升高而减小，且竖向压力越小，温度影响越明显。

图3 不同温度下固结压力与吸力关系

图4 最大剪应力随温度变化关系

Ye等[22]对GMZ膨润土吸力和温度对压缩参数的影响进行了研究，结果表明：在高吸力段加热引起膨胀，而在低吸力段加热引起收缩；对高庙子膨润土测定的热膨胀系数为1×10-4/℃；在图3中，随着温度的升高，致密的高庙子膨润土无明显变化的弹性压缩，而塑性可压缩性略有减小，屈服面趋于收缩。

2.3 对强度特性的影响

陈皓[23]对干密度1.4 g/cm3，含水率为15.14%，温度分别为20、50、80 ℃条件下的试样在相同围压和不同含砂率条件下的剪应力与温度关系进行研究，结果如图4所示。从图中可以看出：随着温度升高试样的抗剪强度升高，且抗剪强度随温度的升高而增大，速率随掺砂率的增大而增大。温度从20 ℃增大到80 ℃，掺砂率0%、15%、30%和45%试样最大剪应力的增大率分别为17%、20%、27%和32%，说明石英砂的掺入会加剧温度对膨润土抗剪强度的影响。

3 结 论

通过对国内外文献的分析和总结，针对温度对膨润土及其混合物工程性质的影响，得出结论如下：

(1)温度的增加使得膨润土的水合力下降，分散双电层厚度变薄，从而导致膨润土内部孔隙的数量降低，孔径减小；

(2)膨润土持水能力随着温度升高而下降，高吸力段内持水曲线的滞后性也会慢慢变弱，温度对持水曲线的斜率影响不大；

(3)温度对膨润土膨胀力影响不大，但是会降低其膨胀率，且竖向压力越小温度影响越明显；

(4)随温度的升高，膨润土的抗剪强度升高，且石英砂会提高温度对抗剪强度的影响。

[1] 陈永贵,黄润秋,朱春明,等.化学场对膨润土水-力特性影响研究进展[J].同济大学学报(自然科学版),2014,42(3): 398-405.

[2] LI X L,ROMERO E.Thermo-hydro-mechanical tests using vapor and liquid transfer on a clay-based mixture[C].Proceedings of International Symposium on Advanced Experimental Unsaturated Soil Mechanics,2005.

[3] 叶为民,黄伟,陈宝,等.双电层理论与高庙子膨润土的体变特征[J].岩土力学,2009(7):1889-1903.

[4] YE Wei-min,WAN Min,CHEN Bao,et al.Effect of temperature on soil-water characteristics and hysteresis of compacted Gaomiaozi bentonite[J].Journal of Central South University,2009,16(5):821-826.

[5] SALTAS V,VALLIANATOS F,TRIANTIS D.Dielectric properties of non-swelling bentonite:The effect of temperature and water saturation[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2008,354(52):5533-5541.

[6] 陈仲颐.非饱和土土力学[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[7] YE W M,ZHENG Z J,CHEN B,et al.Effects of ph and temperature on the swelling pressure and Hydraulic conductivity of compacted GMZ01 bentonite[J].Applied Clay Science,2014,101(1):192-198.

[8] 汪龙,方祥位,孙发鑫,等.膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究[J].岩土力学,2013(8):2264-2270.

[9] 陈宝,钱丽鑫,叶为民,等.高庙子膨润土的土水特征曲线[J].岩石力学与工程学报,2006(4):788-793.

[10] 沈珍瑶,李国鼎,李书绅.高压实膨润土水分特征曲线的测定[J].工程勘察,1998(4):27-28.

[11] 秦冰,陈正汉,孙发鑫,等.高吸力下持水曲线的温度效应及其吸附热力学模型[J].岩土工程学报,2012(10):1877-1886.

[12] VILLAR M V, GMEZ-ESPINA R, LLORET A. Experimental investigation into temperature effect on hydro-mechanical behaviours of bentonite[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2010,2(1):71-78.

[13] Carlsson,Torbjörn.Interaction in MX-80 bentonite water-electrolyte systems[M].Luleå University of Technology,1986.

[14] 崔素丽.混合型缓冲回填材料膨胀特性研究[D].兰州:兰州大学,2012.

[15] 崔素丽,司东东,陶志鹏,等.初始含水率对膨润土-砂混合物膨胀性质的影响[J].中国科技论文,2015(1):26-30.

[16] CHO W J, LEE J O, KANG C H. Influence of temperature elevation on the sealing performance of a potential buffer material for a high-level radioactive waste repository[J].Annals of Nuclear Energy,2000,27(14):1271-1284.

[17] 刘月妙,徐国庆,刘淑芬,等.我国高放废物处置库缓冲/回填材料压实膨胀特性研究[J].铀矿地质,2001(1):44-47.

[18] 张明.混合型缓冲回填材料非饱和特性试验研究[D].兰州:兰州大学,2013.

[19] 刘伟,赵帅维,梁栋,等.辐射和热作用对高庙子膨胀润土膨胀能力影响的研究[J].辐射研究与辐射工艺学报,2014,32(2):1-4.

[20] SCHANZ T,AL-BADRAN Y.Swelling pressure characteristics of compacted Chinese Gaomiaozi bentoniteGMZ01[J].Soils and Foundations,2014,54(4):748-759.

[21] VILLAR M V,RGOMEZ-ESPINA R,LLORET A.Experimental investigation into temperature effect on hydro-mechanical behaviors of bentonite[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2010,2(1):71-78.

[22] ROMERO E,VILLAR M V,LLORET A.Thermo-hydro-mechanical behavior of two heavily over consolidated clays[J].Engineering Geology,2005,81(3):255-268.

[23] YE Wei-min,WAN Min,CHEN Bao,et al.Investigation on compression behaviour of highly compacted GMZ01 bentonite with suction and temperature control[J].Nuclear Engineering and Design,2012,252:11-18.

[24] 陈皓.高放废物地质库缓冲材料在高温高压下的变形强度特性研究[D].南宁:广西大学,2015.