砌块干密度对回填施工接缝砌块体系的膨胀特性影响研究*

王 英 张虎元 王赵明 周光平

(①兰州大学土木工程与力学学院， 兰州 730000， 中国)

(②兰州理工大学土木工程学院， 兰州 730050， 中国)

0 引 言

深地质处置是目前国际上针对高放射核废料处置普遍采用的处置措施，利用多重屏障体系(废物罐-缓冲回填材料-地下岩体体系)共同控制核素迁移，实现核废料与人类环境的永久隔离。典型的高放废物地质处置概念是：首先利用废物罐将高放废物进行包封处理，置于深埋的地下巷道，然后在废物罐与巷道之间填筑高压实黏土砌块，构建缓冲回填屏障(ENA， 2005; Pusch et al.，2012)。缓冲回填屏障一般由膨润土或者膨润土-砂的混合物压制而成，膨润土中含有的大量蒙脱石矿物具有强烈的化学吸附性能，遇水之后强烈膨胀，在地下岩体和废物罐之间形成一个完整的包封环境，阻滞核素向外迁移(叶为民等， 2007; Cho et al.，2012)。

随着中国高放废物处置库地下实验室建设进程的推进，针对膨润土缓冲屏障的施工设计已逐步开展。对于废物罐放置部位的污染区，通常采用膨润土砌块拼装的施工方法，借助特定的机械设备，将提前压制成形的膨润土砌块按照一定的施工顺序进行堆砌拼装，将废物罐封闭其中，形成完整的密封屏障(Martin et al.，2005; Gruner et al.，2008)。这种施工方法机械化程度高，拼装砌块的形状、密度以及施工工艺都可以根据地下硐室的实际情况进行调整优化，施工速度快，过程更灵活。当硐室封闭后，随着硐室周边水环境的不断恢复，地下水逐渐侵入缓冲屏障，膨润土砌块吸水膨胀，屏障各部分逐渐连成整体，形成一个完整的屏障体系。但是，采用砌块拼装施工，砌块与砌块之间，砌块与废物罐之间以及砌块与围岩之间均会产生不同比例和形状的施工间隙，这些施工间隙会导致核心区砌块体系在吸水膨胀过程中的边界条件发生改变，发生不可抑制的不均匀变形，降低缓冲屏障的均质性，与此同时，地下水化学环境以及辐射温度场的影响(姜昊等， 2014； 刘毅， 2016)，将进一步影响废物罐以及周边围岩的稳定性。

学术界针对砌块体系与围岩之间的接缝充填以及施工接缝对砌块体系膨胀力的影响开展了很多的研究工作。陈宝等(2012)研究了施工接缝对高庙子膨润土砌块的渗透性影响，发现接缝的存在会增加膨润土大孔隙数目，导致渗透性相应增加。Bian et al. (2018)等通过位移释放的形式来模拟砌块的施工接缝，发现随着模拟接缝体积的增加，试样的接缝区首先被充填，随着水化进程的持续，试样在接缝区域形成压缩区，而远离接缝区的砌块位置形成拉伸区。Wang et al. (2013)以及Jia et al. (2019)利用上述模拟方法对含施工接缝的砌块膨胀特性进行研究，发现随着施工接缝体积的增大，砌块最终的轴向以及径向膨胀力均不断降低。Furuichi et al. (1998)研究发现，含接缝膨润土试样的抗剪强度降低了50%～60%。由此说明，施工接缝的存在，会增加缓冲屏障系统的渗透性，削弱砌块的膨胀力，降低整个处置库的密封性能。针对施工接缝的不利影响，工程界提出采用二次回填的方式对其进行密封处理，例如SKB提出采用膨润土颗粒与低碱水泥的浆状混合料对砌块与围岩之间的间隙进行封闭处理，利用膨润土颗粒的膨胀特性密封施工间隙，同时借助水泥的强度形成具有一定刚度的薄封层(Pusch， 2002； 刘樟荣等， 2020)； 国内，张虎元等(2016， 2018)采用不同类型的膨润土密封材料对压实砌块之间的接缝进行二次充填并对充填后砌块体系的渗透特性以及膨胀特性进行了研究，结果表明：二次充填后的砌块体系水力传导系数与完整砌块样在同一数量级，含接缝砌块试样的膨胀力发展呈现典型的空间各向异性，膨胀力会优先向接缝区域发展，促进接缝的密封。目前，针对接缝密封的研究仍然停滞于接缝本身对砌块体系宏观渗透特性以及膨胀特性的影响，很少考虑砌块对二次密封接缝的影响，因此，本文在已有研究的基础上，针对砌块与砌块之间接缝的二次充填，从砌块的角度出发，以砌块干密度为基本变量，对密封后砌块体系的膨胀特性进行研究，并对含充填接缝砌块体系的各向膨胀力发展进行分析和探讨。

1 试验设计与材料

1.1 试验材料与制样

试验所选用的膨润土材料为高庙子膨润土(简称“GMZ膨润土”)，产自我国内蒙古高庙子乡。所采用的标准石英砂产自甘肃省永登县。试验材料基本物理性质见表1。

表1 试验材料基本物理性质

根据以往的混合型缓冲材料配比优化研究结果(张明等， 2012)，试验所用膨润土-砂混合物压实方法为单向静力压实，压实速率为0.5mm·min-1，最大压力为20.96MPa。含接缝压实砌块样的制样过程如下：首先在内径为102mm的压样筒中预先竖向固定一个厚度为3mm的薄钢片，钢片重心通过压样筒底座圆心并借助底座的预制凹槽对其进行固定； 然后将混合料均匀倾倒至筒中，利用刮板将填料刮平并在水平方向来回振动数次，保证钢片两侧填料的均匀； 最后采用静力压实法制成 102mm×20mm的圆饼型试样； 压制结束后脱模并取出钢片，即可形成接缝宽度为3mm的对开型砌块试样。

1.2 试验装置及装样过程

本次试验采用自制的刚性壁膨胀力测定装置，如图1所示。膨胀力监测试验装置由自主加工的刚性壁装置、注水系统以及数据采集系统组成。膨胀力测定装置主要由底座、试样环和顶盖部分组成。其中：底座两端以及顶盖两端分别设有排(进)水口，可以实现从上往下或者从下往上的单向以及双向供水。试样环内部上下端放置透水石，中间为膨润土试样，透水石与试样中间放置滤纸。注水系统由美国生产的HM-4160A型柔性壁渗透仪实现，注水管精度0.1mL。数据采集系统采用美国Tekscan公司生产的采集仪，数据采集最短时间间隔为1s。

图1 恒定体积膨胀力测试装置示意图

当膨胀力测试设备调试好后，将对开型砌块样放入膨胀力测试设备，并首先在砌块接缝内放入传感器。为了保证接缝区填料的均匀性，当接缝区传感器放入接缝区域后，将接缝区填料按质量均分为两份，分3次填充入传感器两侧，并采用薄刮片划拨均匀。之后将顶部区域的传感器放置在砌块样顶部，盖上顶盖，密封穿线孔。试验所用传感器采用薄膜压力传感器，包封后长度为80mm，厚度为0.4mm，感应探头直径为10mm，最大量程550 N。由于传感器包封厚度很小，可以忽略其与上部顶盖之间形成的空隙。

1.3 试验设计

依据已有研究成果，本试验设定混合型压实砌块掺砂率为30%，拟设定砌块干密度分别为 1.60g·cm-3、1.70g·cm-3以及 1.80g·cm-3， 试样初始含水率为10.5%。砌块接缝的充填材料采用膨润土粉末，天然含水率为7.5%，接缝充填密度为1.2±0.05g·cm-3。试验注水方式为底部向上注水，初始水头高度1m。注水设备开启即为试验开始，同时开启数据采集系统以及水量采集系统。考虑到初始水头的影响，在试验开始的前2h，设备上部的排水阀处于关闭状态，待注水稳定后，开启排水阀，设备内部与大气连通并直至试验结束。具体的试验参数见表2。

表2 试验参数设定表

2 试验结果

如图2所示，对于含充填接缝的砌块，接缝区膨胀应力为砌块体系的径向膨胀应力，砌块顶部膨胀应力为砌块体系的轴向膨胀应力，因此本文在分析过程中，统一采用径向膨胀应力以及轴向膨胀应力对试验数据进行分析。从应力发展曲线来看：对于含充填接缝的砌块试样，砌块径向膨胀应力的发展速度明显快于轴向膨胀应力的发展速率。随着砌块干密度的增大，接缝区膨胀应力不断增大，而膨胀应力达到最大值所需时长则显著缩短。与此同时，随着砌块干密度的增加，砌块轴向膨胀应力发展速度也不断加快，与径向膨胀应力的数值差不断缩小，当砌块干密度达到1.796 g·cm-3时，其最终轴向膨胀应力反超其径向膨胀应力。从径向膨胀应力与轴向膨胀应力发展的相对时间进程来看，砌块干密度为 1.632 g·cm-3的砌块体系，其轴向膨胀应力的发展相对滞后时长最长，随着砌块干密度的增加，砌块干密度为1.708 g·cm-3试样的轴向应力滞后时长缩短。但是，当砌块干密度达到 1.796 g·cm-3时，砌块轴向膨胀应力的滞后时长又呈现增大的趋势，这一现象将在后面的讨论部分进行分析说明。

图2 膨胀应力随时间的变化

3 讨 论

3.1 砌块体系应力发展的各向异性

从图2中不同干密度砌块的膨胀应力发展过程可以看出，砌块最终稳定的轴向以及径向应力的数值并不相等。由膨润土的矿物成分可知，膨润土中的蒙脱石单元在阳离子的水合作用下，晶层之间会吸收数个甚至数十个水分子，产生沿堆叠轴方向的体积膨胀(Pusch et al.， 2006)。膨润土试样的制备方法以及接缝和接缝充填材料的存在，会进一步对膨润土砌块的土颗粒排列和应力的发展产生影响，并进一步对整个砌块体系的膨胀应力发展产生影响。因此，本文引入各向膨胀应力比Ca对压实膨润土砌块的膨胀性能进行分析：

式中：Ca为压实膨润土砌块的各向膨胀应力比；σh为砌块的径向膨胀应力；σv为砌块的轴向膨胀应力。如图3所示，对于完整的GMZ纯膨润土试样，其各向膨胀应力比随着砌块干密度的增加呈下降趋势，对于掺砂率为30%的MX80膨润土完整砌块样，其应力各向异性系数的变化趋势基本同GMZ纯膨润土系列，但是各向膨胀应力比有所提高。需要指出的是，以上两组数据所采用的膨润土砌块均为完整砌块样。而对于本文含充填接缝的砌块系列，如图3所示，随着砌块干密度的增加，其各向膨胀应力比亦呈现减小的趋势，相较于完整试样，其各向异性系数均显著提高，干密度为 1.632 g·cm-3以及 1.708 g·cm-3的试样，各向应力比均大于1，砌块干密度越小，各向膨胀应力比的提高比例越大。

图3 砌块膨胀应力各向异性系数随砌块干密度的变化

在常规的室内试验中，膨润土压实砌块主要采用单向静力压制而成，由于轴向的压实功更大，膨润土颗粒沿轴向排列更紧密，径向排列相对无序。压制密度越高，土颗粒的轴向密实程度越高，当砌块吸水膨胀时，轴向膨胀应力往往大于径向膨胀应力(Saba et al.，2014)。接缝的存在会改善压实砌块由于压制过程造成的土粒结构分布的不均匀，当水分进入砌块内部时，由于接缝处的充填密度相对较低，砌块吸水后优先向位移约束较小，孔隙较大的接缝方向移动，充填接缝区孔隙，从而导致径向应力发展速度快于轴向应力，同时砌块轴向膨胀变形能力减弱，应力也会相应降低，产生“应力补偿”现象，由此达到新的应力平衡状态。砌块干密度越小，这种“应力补偿”现象越明显。砌块干密度越高，砌块的径向密实程度增大，砌块径向膨胀所提供的挤压力越大，接缝的密实程度更好，由此所需的轴向应力补偿越少，各向膨胀应力比越小。综合来看，接缝充填改变了砌块体系的应力分布模式，砌块径向与轴向膨胀应力分布状态趋向于等向应力分布，接缝区应力的提高对于接缝的愈合是有利的。从实际工程的角度来看，不论是竖井式还是平硐式的缓冲屏障结构，径向接缝是膨润土缓冲屏障连接废物罐以及周边围岩而形成的主要结构式施工接缝，径向接缝密封程度的高低对于整个缓冲屏障的完整性影响更为显著，因此，径向应力提高，对于缓冲屏障的有效密封是积极有利的。

3.2 砌块体系径向膨胀应力发展的阶段特点

图4 砌块径向膨胀应力随水化时间的变化过程

3.3 砌块体系轴向膨胀应力发展的阶段特点

图5所示为接缝充填密度相同时，不同砌块初始干密度砌块体系的轴向应力随时间的变化。结合数据统计表3可以发现：砌块干密度为 1.632g·cm-3、 1.708g·cm-3和 1.796g·cm-3时，其轴向应力达到最大值的时长分别为373h、176h和158h。砌块干密度越大，其轴向最终膨胀应力越高，并且达到最大应力所需的时间越短(Tm1>Tm2>Tm3)，干密度为 1.796 g·cm-3的砌块达到最大应力的时间仅为干密度 1.632 g·cm-3时的40%左右。对于砌块轴向应力的滞后时长，则分别为242h、62h和90h，随着砌块干密度的增加，呈现先缩短后增加的现象。从砌块的水化进程来看，砌块干密度越高，试样在水化过程中其膨胀应力发展速度更快，接缝区封闭速度快，密实度快速增加，水分向上的迁移通道体积不断减小，导致其顶部轴向膨胀应力的发展反而落后于干密度适中的试样。需要说明的是，对于砌块轴向膨胀应力滞后于径向膨胀应力的原因，砌块与刚性壁容器内壁的摩擦力也是不可忽略的，尽管贯通接缝的存在会削弱摩擦力的影响，但是，随着砌块干密度的递增，砌块与侧壁的摩擦力也不断增大，也会造成砌块顶部膨胀力发展滞后的因素之一。

图5 砌块轴向膨胀应力随水化时间的变化过程

表3 砌块轴向应力数据统计表

从轴向应力发展曲线的形状来看，砌块轴向应力的发展过程可以划分为3个阶段，如图6所示：(1)快速增长阶段：此阶段的膨胀应力发展主要与砌块的干密度相关，干密度越大，膨胀应力发展更快，曲线斜率越大。如表3所示，干密度为 1.63g·cm-3、 1.70g·cm-3和 1.79g·cm-3的砌块试样，其轴向应力的应力平均增长率分别为1.41%、2.67%和13.88%； (2)稳步发展阶段：随着试样饱和度的不断增加，接缝区域逐渐密封，试样底部的渗透性降低，水分向上迁移的速率降低，膨胀应力发展的速度减缓，呈现出波动上升的趋势。砌块干密度越小，稳步发展阶段的曲线斜率越小，发展进程相对更慢； 砌块干密度为1.632g·cm-3的试样，应力平均增长率略有增加，与前一阶段基本接近，对于砌块干密度为 1.708g·cm-3和 1.796 g·cm-3的试样，在该阶段的轴向应力的应力平均增长率则呈现显著下降的趋势，分别为1.23%、2.29%； (3)应力调整阶段：随着砌块水化程度的递增，当砌块完全水化后，由于砌块与刚性容器内壁的间隙以及接缝区填料不均匀性的影响，砌块的轴向及径向应力会发生轻微调整，并最终达到稳定的平衡状态。

图6 砌块轴向应力发展过程阶段示意图

4 结 论

针对缓冲屏障的施工接缝对高放射废弃物处置库建设的不利影响，采用膨润土材料对接缝区域进行二次充填，不仅可以增加缓冲砌块屏障的整体密封性，提高缓冲屏障的抗渗性能，同时也可以降低施工接缝对膨润土砌块在水化过程中的膨胀力发展的影响。本文通过室内模拟试验，压制含接缝的模拟砌块试样，并采用膨润土干粉对砌块之间的接缝进行充填，利用实验室自主加工设计的膨胀力测定设备，对充填后的砌块接缝体系的膨胀力特性进行研究，初步得到以下几点结论：

(1)经过二次充填的含接缝砌块体系，其膨胀应力发展模式与完整砌块样的发展模式存在较大区别。砌块膨胀应力优先向接缝区域发展，接缝区膨胀应力发展先于轴向膨胀应力，两者存在一定的时间差。

(2)含接缝砌块的膨胀力发展各向异性系数较普通完整砌块试样显著增大，轴向膨胀应力会对砌块的径向应力发展提供“应力补偿”，从而促进接缝区域的愈合，由此也会导致砌块轴向应力会产生相应降低，应力发展模式更接近于等向应力发展模式。

(3)在相同的接缝充填密度前提下，随着砌块初始干密度的不断增加，接缝区膨胀应力的发展速度更快，达到最大应力所需时间缩短，接缝区愈合速度更快。

(4)在相同的接缝充填密度前提下，随着砌块初始干密度的增加，砌块轴向膨胀应力的发展速度递增，可以初步划分为快速发展阶段、稳步增长阶段以及应力调整阶段。其中快速发展阶段主要受砌块初始干密度的控制，而稳步增长阶段则受到水分迁移、侧壁摩擦力以及接缝愈合速率的影响。