压制压力对膨润土压实性能的影响

谢 子 洋

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

1 概述

在高放射性核废料处置库中，被埋入地下的密封核废料金属罐与围岩之间设置有人工屏障，以阻滞地下水的入渗和核素的迁移，起到隔离防渗的作用。而膨润土是富含蒙脱石的特殊黏土，遇水具有高膨胀性、低渗透性、强吸附性等特点，是处置库人工屏障中缓冲层/回填层的首选材料。

SKB报告指出处置库缓冲层膨润土饱和渗透系数应不大于10-12m/s，回填层膨润土饱和渗透系数应不大于10-10m/s[1]，可见，膨润土为了实现隔离防渗的功能，必须满足极低渗透性的要求。此外，核废料处置库中膨润土砌块与砌块之间、砌块与金属罐(装有高放射性核废料)之间、砌块与围岩之间会存在施工缝隙，膨润土需要具有良好的膨胀自愈能力。因此，为了获得极低的渗透性与良好的膨胀自愈能力，膨润土必须达到高压实状态。根据已有研究，获得高压实膨润土的途径主要分为3类：

1)增大压实功。

刘建国等[2]研究表明膨润土的干密度随压制压力的增大而增大。刘月妙等[3]也得到了类似的结论，并指出膨润土的压实密度还与蒙脱石含量有关。Torbjörn等研究表明膨润土压实到容积密度2.0 g/cm3需高达50 MPa～100 MPa压实应力(约5 700 kN～14 250 kN)，其试块尺寸为500 mm×571 mm×400 mm[4]。可见，膨润土达到高压实状态，需要配以高压力设备，耗时耗能。

2)调控初始含水率。

陈香波[5]开展了含水率为6%～18%的纯膨润土压实试验(试样直径61.8 mm，压实应力30 MPa)，结果表明：随含水率的增加，膨润土的干密度先增大后减小，在最优含水率12%的状态下达到最大干密度。刘晓东[6]、梁健[7]、叶为民等[8]研究表明最优含水率与施加的压实荷载有关。

3)掺入石英砂或碎石。

纯膨润土难压实，大量学者提出掺入石英砂或碎石可以提高膨润土的干密度，范香等[9]得出沸石含量在20%～50%之间时，膨润土干密度急剧增大。张虎元等[10]和田永铭等[11]也得到了类似的结论，掺砂/碎石含量增加时，膨润土难以“调理”的性质得到显著改善。然而，随着掺入物含量的增加，黏土颗粒与掺入物之间的摩擦力不可忽略且会形成骨架，需要的压实荷载增大。

为此，如何有效提高膨润土的干密度依旧是待解决的难题。论文以纯膨润土为研究对象，开展了不同初始含水率及不同压力作用下的压实试验，明晰压制压力的变化与膨润土干密度的关系，并提出改善膨润土压实性能的优化方案，以供膨润土制样参考。

2 试验材料与方法2.1 试验材料

试验用钠基膨润土由河南省巩义市龙鑫净水材料有限公司提供，表观呈灰白色。根据GB/T 50123—1999土工试验方法标准[12]，分别测得膨润土粉末的液(塑)限、比重、自由膨胀率等基本参数。同时，参考文献[13]～[15]，运用乙二醇乙醚法与亚甲基蓝吸附法，分别测得膨润土的比表面积与蒙脱石含量。详细基本参数值如表1所示。

表1 膨润土基本性质

2.2 试验方法

2.2.1含水率配置

膨润土对水极其敏感，即使采用冰—土混合法和喷水法[16]，也会出现明显的成团现象，形成粒径不同且较硬的大颗粒。为了削弱这一现象，论文采用汽雾化法来依次配置含水率为0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%的土体试样，即将水蒸气通入到装有土样的密闭容器内，每隔20 min翻动一次，当土样达到目标含水率后将其移入密封袋内，静置24 h，确保土水混合均匀。含水率配置装置如图1所示。

2.2.2压实试验

试验选用静力压实方法，借助圆筒状压实模具(内径39.1 mm)与GDS压力试验机(压力传感器量程为50 kN，位移传感器量程为50 mm)，依次开展在45 kN(37.56 MPa)压力作用下，含水率为0%,5%,10%,15%,20%,25%,30%的压实试验。在正式开展压实试验之前，需要将所有土样压实到同一干密度(1.20 g/cm3)作为初始状态，以消除初始状态不同而带来的误差。压实试验装置见图2。

3 试验结果与分析

为更直观的探究压制压力对膨润土干密度的影响，定义干密度增长率与增长率增量两个指标对其进行评价。其中，干密度增长率(GR)是指在各级压制压力作用下膨润土的干密度值增量与初始状态的膨润土干密度的比值，计算公式如式(1)所示。而增长率增量(ΔGR)是指各级压制压力作用下膨润土干密度变化率与前一级压制压力作用下膨润土干密度变化率的差值，计算公式如式(2)所示。

(1)

其中，GR为膨润土干密度增长率，%；ρd(i)为某一压制压力作用下的膨润土干密度,g/cm3；ρd(0)为初始状态的膨润土干密度，取1.20 g/cm3。

ΔGR=GR(i+1)-GR(i)

(2)

其中，ΔGR为膨润土干密度增长率增量，%；GR(i+1)与GR(i)(i=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)为各级压制压力作用下膨润土干密度增长率,%(i=0，即初始状态压制压力为0 kN；i=1,2,3,4,5,6,7,8,9即压制压力分别对应5 kN，10 kN，15 kN，20 kN，25 kN，30 kN，35 kN，40 kN，45 kN)。

不同初始含水率状态的膨润土试样分别在5 kN，10 kN，15 kN，20 kN，25 kN，30 kN，35 kN，40 kN，45 kN压制压力作用下的膨润土干密度增长率如图3所示。

如图3所示，在同一含水率状态下，干密度增长率随压制压力的增大而增大。在压力的增大过程中，膨润土蒙脱石矿物成分充分吸水膨胀，颗粒间相互接触，大孔隙变成小孔隙，膨润土干密度增大。但是，当压力超过20 kN后，高含水率状态下的干密度增长率变化极小，几乎无变化。对于高含水率状态下的膨润土，压力增大到一定程度后，土中的孔隙水与气体被封存在土体内部难以排出，形成了孔隙压力，干密度提升效果不显著。此外，在压制压力45 kN的作用下，在含水率为10%～25%时，膨润土干密度增长率均达到35%以上，处于领先，换言之，干密度值达到最大，压实效果显著。

为进一步探究压制压力如何影响膨润土的密实行为，计算了不同含水状态下的膨润土在压制压力为5 kN,10 kN,15 kN,20 kN,25 kN,30 kN,35 kN,40 kN,45 kN的干密度增长率增量，如表2所示。

表2 增长率增量

显而易见，在压制压力较小时，高含水率状态膨润土干密度增长率增量大，这与图3现象一致。随着压制压力增加，膨润土干密度增长率增量大的点逐渐靠近较低含水率区。在低含水状态下，土粒间的粘聚力小，摩擦力较大，压力增加的过程是一个克服摩擦力的过程，干密度增长率增长缓慢。随着含水率的缓慢增加，土粒间的粘聚力逐渐增大，且水的润滑作用增强，压力增大，克服摩擦阻力相对较容易，膨润土干密度增长率增量变化明显。但当含水率增大到一定程度，增加的压力不仅要克服摩擦阻力，还要克服土体内形成的孔隙水压力，导致压制压力持续增大到某一压力值后，膨润土的干密度增长率增量逐渐趋于稳定，甚至不足1%。可见，对于高含水率状态下的膨润土，增大压力仅仅加速了其压实过程，并无法提升膨润土干密度。对于低含水状态下的膨润土，增大压力可以提升膨润土的干密度，但前期提升效果不显著。

因此，在压制膨润土试样时，建议根据目标干密度来选择合理的初始含水率及压制压力，从而有效减少机械与时间成本。

4 结论

1)在同一含水率状态下，膨润土的干密度增长率随压制压力的增大而提升。但对于高含水率状态下的膨润土，其干密度增长率在压力超过20 kN后几乎无变化，主要是由于粒间摩擦力协同土体内孔隙水压力与压制压力产生对冲作用的结果。

2)对于低含水率状态下的膨润土，压制压力的增大使膨润土干密度增长率增量逐渐提升，但在加载前期，压实效果不明显。

3)对于高含水率状态下的膨润土，压制压力的增大加速了压实过程，但在加载后期，作用效果等同于“无用功”。压制压力可以提升膨润土的干密度，但其提升效果受初始含水率影响。通过增大压制压力的方式可提升膨润土的干密度，但对于大尺寸或高干密度试样的压制，对压实设备要求较高(大量程及大功率)。