压实高庙子膨润土抗拉强度时效性试验

车悦,孙德安

(上海大学土木工程系, 上海 200444)

高放废物安全处置是一个受到广泛关注的世界性难题. 多年的研究表明, 高放废物的深层地质处置是唯一可行且永久的解决方法[1]. 深层地质处置中核废料的屏障包括废物罐、缓冲材料和天然围岩. 由于膨润土具有高膨胀性、低渗透性和优良的核素吸附性能, 故非常适合用作废物罐和天然围岩之间的缓冲材料. 经过长期的筛查, 内蒙古兴和县的高庙子膨润土成为我国缓冲材料的首选[2-3].

高放废物深层地质处置库中的缓冲材料是由压实膨润土块砌成. 由于受到季节和天气的影响, 在贮存、搬运以及安装过程中缓冲材料的湿度会发生变化. 另外, 压实膨润土块在工厂中预制, 当搬运至现场或现场安装时需要绑扎起吊, 在这一过程中膨润土块某些部位可能会受到拉力的作用, 因此有必要研究膨润土砌块的抗拉强度. 在土体抗拉强度方面, Lu 等[4]建立了在已知内摩擦角和土水特征曲线的条件下能预测湿砂抗拉强度的模型; 吕海波等[5]指出, 集合体间大孔隙的不饱和状态产生的毛细压力对膨胀土抗拉强度会产生较大的影响; Tang 等[6]通过试验研究了含水率对压实黏性土抗拉强度的影响, 得到了抗拉强度随着含水率先增大后减小的结论; Yin 等[7]分析和总结了现有的抗拉强度理论模型, 提出了非饱和无黏性土抗拉强度的预测模型. 目前, 抗拉强度的研究主要针对砂土、粉质黏土、黏土和膨胀土, 而对膨润土的研究非常少.

在处置库工程中, 膨润土砌块在工厂中预制后因施工工序等原因, 可能被放置较长时间,而其抗拉强度的升降也是工程设计中关注事项之一, 因此有必要研究膨润土砌块抗拉强度的时效性. 有关土体性质的时效性, Delage 等[8]研究了不同干密度和含水率压实MX80 膨润土微观孔隙结构的时效性. 随静置时间的增加, 由于在吸力平衡过程中水分重新分布从而导致聚集体间大孔隙减少, 聚集体内小孔隙增多. 叶为民等[9]研究了压实高庙子膨润土微观结构的时效性, 其研究表明随试样静置时间增加, 蒙脱石水化, 厚的层叠体逐渐展开产生大量层叠体间孔隙, 导致集合体小孔隙增多; 赖晓玲等[10]研究了压实高庙子膨润土膨胀力的时效性, 表明随静置时间的增加, 膨胀力前期降低较快而后期较慢, 直至平稳; 孙德安等[11]对不同含水率、不同静置时间压实膨润土进行直剪试验, 得出了抗剪强度随静置时间的变化规律; 徐云山等[12]研究了静置时间对高庙子膨润土热传导性能的影响. 研究表明, 由于蒙脱石水化导致的热传导系数随静置时间的增加而减小, 且前期减小较快而后期渐趋于平稳. 上述对压实膨润土的宏微观特性时效性的研究已取得不少成果, 但是对抗拉强度时效性的研究几乎没有. 同时,由于处置库工程中长期放置后膨润土的抗拉强度是施工设计的关键指标之一, 故非常有必要研究压实膨润土抗拉强度的时效性.

本工作以不同含水率和干密度的压实高庙子膨润土(GMZ 膨润土)为研究对象, 在保持含水率和干密度不变条件下, 将压实膨润土试样分别静置0, 7, 15, 30, 90 d 后进行抗拉试验, 得到抗拉强度随静置时间的变化规律; 同时, 结合膨润土的压汞试验结果, 分析压实膨润土抗拉强度随静置时间变化的微观原因; 根据干密度和湿度的变化, 初步提出核废料处置库中缓冲材料抗拉强度的变化范围.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用土为高庙子膨润土, 其产自内蒙古兴和县高庙子地区. 膨润土的主要矿物成分为蒙脱石和石英等, 其主要矿物成分和基本物理性质如表1 所示. 试验用水为蒸馏水.

表1 膨润土的主要矿物成分和物理参数Table 1 Main minerals and physical parameters of bentonite

1.2 试样制备

为了研究静置时间、干密度和含水率对膨润土抗拉强度的影响, 本试验静置时间分别设定为0, 7, 15, 30 和90 d, 初始干密度分别为1.6, 1.7 和1.8 g/cm3, 含水率分别为7%, 10%, 13%和16%. 含水率的选择是考虑到甘肃北山(我国处置库候选址)的气候条件和施工可行性.

试样压制前, 将膨润土自然风干, 测其含水率, 取适量已知含水率的自然风干土放入容器中, 将目标含水率下所需的水分用喷壶均匀喷洒在土样上, 搅拌均匀. 当自然风干状态含水率大于目标含水率时, 将自然风干状态膨润土放入105°C 的烘箱中, 控制放置时间得到目标含水率. 将上述配好的膨润土放入聚乙烯塑料袋中密封静置48 h 以上, 使土样中的水分更加均匀. 然后, 根据设定的体积、含水率和干密度, 计算出所需膨润土的质量, 倒入自制的制样模具中. 用数显压力机进行压实, 制成圆饼状环刀样. 试样的高度为2 cm, 直径为6.18 cm(见图1(a)).

考虑到压实膨润土时效性试验的精度要求, 先将带环刀试样用聚乙烯膜和聚乙烯袋密封包裹, 再将其放入自制的恒体积固定器中(见图1(b)). 恒体积固定器是由4 块不锈钢圆钢板和用于固定圆钢板的4 根加长螺栓以及若干螺帽组成. 最后, 用聚乙烯膜将恒体积固定器密封包裹, 经静置了目标时间后, 供抗拉试验使用.

图1 试样准备过程Fig.1 Sample preparation process

1.3 试验方法

对FLSY30-1 型应力应变控制式非饱和3 轴试验仪改造(见图2). 改造后的装置可施加竖向压力和量测竖向位移. 对圆饼试样的径向施加和量测压力, 直至试样压裂. 本试验即为巴西试验, 可计算得到试样的抗拉强度. 巴西试验是较为简单的测量抗拉强度方法. 基于对心受力圆盘的弹性理论解析解, 圆饼试件中心的拉应力为

图2 施加竖向压力和量测竖向位移装置Fig.2 Testing device for applying vertical pressure and measuring vertical displacement

式中:P为试样破坏时中心的极限压力;d和t为试样的直径和厚度.

图3 为当含水率为13%时不同干密度(ρd为1.6, 1.7, 1.8 g/cm3)试样的拉应力与径向位移关系曲线. 从图中可以看出, 拉应力随着径向位移的增大而增大, 达到一定数值后试样拉应力急剧下降, 拉应力与径向位移关系曲线出现明显的尖点. 把尖点当作拉伸破坏点, 此时拉应力σ为抗拉强度σt.

图3 w =13%时GMZ 膨润土拉应力与轴向位移的关系Fig.3 Relationship between tensile stress and radial displacement of GMZ bentonite at w =13%

图4 为抗拉强度与施压速率的关系曲线. 从图中可看出曲线较为平缓, 说明施压速率对抗拉强度的影响较小, 故选取2 mm/min 作为本试验的施压速率. 试验是在不通风条件下进行的, 试验前后分别测含水率, 二者相差较小, 可认为含水率基本不变.

图4 抗拉强度与施压速率的关系Fig.4 Relationship between tensile strength and velocity of applied pressure

2 试验结果及分析

图5 为当含水率分别为7%, 10%, 13%, 16%, 干密度分别为1.6, 1.7, 1.8 g/cm3时的压实高庙子膨润土在静置0, 7, 15, 30, 90 d 后的抗拉强度变化. 从图中可以看出, 膨润土的抗拉强度随静置时间的增加而减小, 试样在静置30 d 以后其抗拉强度随静置时间变化不大, 即基本保持稳定. 静置时间对抗拉强度的影响与含水率有关, 从图中可以看出当含水率为13%时,抗拉强度与静置时间关系曲线位于最上侧, 即在相同静置时间下其抗拉强度为最大; 当含水率为7%时, 该曲线位于最下侧, 即在相同静置时间下其抗拉强度为最小; 而当含水率为10%和16%时则介于上述二者之间. 当含水率为13%、干密度为1.6 g/cm3时, 静置时间从0 d 到30 d, 其抗拉强度减小了13.5%; 当干密度为1.7 g/cm3时, 抗拉强度减小了12.9%; 而当干密度为1.8 g/cm3时, 抗拉强度减小了12.9%. 可见, 抗拉强度随静置时间增加的减小程度随干密度的增大而略微减小.

图5 不同含水率GMZ 膨润土抗拉强度随静置时间的变化Fig.5 Variation of tensile strength of GMZ bentonite with ageing time at different water contents

图6 为静置时间分别为0, 7, 15, 30, 90 d, 干密度分别为1.6, 1.7, 1.8 g/cm3时的压实高庙子膨润土抗拉强度随含水率的变化. 从图中可以看出, 抗拉强度随含水率先增大后减小, 在含水率为13%时为最大值. 另外, 在不同的静置时间和干密度条件下, 抗拉强度均表现出相同的趋势, 即随含水率先增大后减小. 可见, 这一变化趋势与静置时间和干密度无关.

图6 不同静置时间GMZ 膨润土抗拉强度随含水量的变化Fig.6 Variation of tensile strength of GMZ bentonite with water contents at different ageing time

图7 为当含水率为13%时压实高庙子膨润土抗拉强度随干密度变化的曲线. 从图中可以看出, 抗拉强度是随干密度的增大而线性增大, 而干密度越大抗拉强度越高, 说明适当提高干密度可使抗拉强度显著增大. 当静置时间为0 d 时, 抗拉强度与干密度关系线位于最上侧, 7,15, 30, 90 d 依次向下.

3 膨润土抗拉强度时效性的微观机理解释

上述研究结果表明, 不同的含水率和干密度膨润土的抗拉强度随静置时间增加而减小, 这可能与试样在静置过程中孔隙结构的变化有关. 为了研究抗拉强度随静置时间变化的原因, 本工作引用Xu 等[13]在相同条件下对相同试样的压汞试验结果进行分析.

Lloret 等[14]的研究表明, 压实膨润土的集聚体间与集聚体内孔隙的分界点在0.15 μm 左右, 由此本工作认为大于0.15 μm 的孔隙为集聚体间大孔隙, 小于0.15 μm 的孔隙为集聚体内小孔隙. 总孔隙包括集聚体间孔隙和集聚体内孔隙, 因此试样集聚体内孔隙比em为

式中:etotal为总孔隙比;eM为d ＞0.15 μm 的孔隙比.

图8 为分别静置1, 30, 100 d 后, 当干密度为1.6 和1.8 g/cm3、制样含水率为14%时的压实高庙子膨润土的累积压入曲线. 由图可以看出, 随静置时间的增加, 集聚体间大孔隙减少,集聚体内小孔隙增多. 从图7(a)可以看出, 静置100 d 后, 当干密度为1.6 g/cm3时的试样集聚体间孔隙比从0.368 减小到0.313(0.725-em100), 减小了14.9%; 集聚体内孔隙比从0.357增大到0.412, 增大了15.4%. 由图7(b)可以看出, 静置100 d 后, 当干密度为1.8 g/cm3时的试样集聚体间孔隙比从0.176(0.533-em1)减小到0.146(0.533-em100), 减小了13.6%; 集聚体内孔隙比从0.357 增大到0.387, 增大了8.4%. 可见, 随着静置时间的增加水化程度增大. 因此, 随静置时间增加压实膨润土抗拉强度减小的原因是随静置时间的增加, 土中水分子逐渐向蒙脱石层间移动, 蒙脱石水化, 层叠状的晶层吸水膨胀逐渐展开, 颗粒间的连接逐渐变弱直至颗粒分割, 从而使抗拉强度降低(见图9).

图7 w =13%时GMZ 膨润土抗拉强度随干密度和静置时间的变化Fig.7 Variation of tensile strength of GMZ bentonite with dry densities and ageing time at w =13%

图8 含水率为14%时不同干密度下GMZ 膨润土的累积压入曲线Fig.8 Cumulative intruded void ratio of GMZ bentonite with water content of 14% and different dry densities

图9 压实膨润土抗拉强度随静置时间减小的机理解释示意图Fig.9 Diagram of mechanism that tensile strength of compacted bentonite decreases with increasing time

4 结 论

本工作对不同的含水率、干密度、静置时间的压实高庙子膨润土试样进行了抗拉强度的试验; 运用压汞试验结果, 结合膨润土的微观孔隙结构随静置时间变化情况, 分析了抗拉强度时效性机理, 得出如下结论.

(1) 压实高庙子膨润土的抗拉强度与含水率、干密度和静置时间有关. ①抗拉强度随含水率的变化规律如下: 当含水率为7%至13%时, 抗拉强度随含水率的增大而增大, 但超过13%后随含水率的增大而减小; 压实膨润土的抗拉强度随干密度的增大而增大, 且呈线性增大;②随静置时间压实膨润土抗拉强度的变化规律如下: 前期减小较大, 后期逐渐趋于稳定, 大约静置30 d 后抗拉强度基本不变. 因此, 上述结果可为高庙子膨润土块抗拉强度提供上下限的参考值.

(2) 在静置过程中土中水分子逐渐向蒙脱石层间移动, 蒙脱石水化, 层叠状的晶层吸水膨胀逐渐展开, 颗粒间连接逐渐变弱直至颗粒分割, 从而使抗拉强度降低. 这就是随静置时间增加压实膨润土抗拉强度减小的原因.