膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

胡 畔，杨 庆

（1.大连理工大学 建设工程学部土木工程学院岩土工程研究所，大连 116024；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024）

1 引 言

在高放射性核废料深处置库中，膨润土加砂混合物由于其高膨胀性、低渗透性、吸附性、强离子交换能力、低扩散性等优点通常被认为是理想的核废物缓冲回填材料[1－2]。膨润土加砂混合物的力学性质主要是由膨润土的基本性质所决定的，砂的加入使膨润土加砂混合物产生的膨胀力比相同干密度条件下的纯膨润土产生的膨胀力要小，同时砂可以增强缓冲和回填材料的导热性能，防止其干裂[3]。另外，膨润土加砂混合物比纯膨润土具有更高的结构完整性和刚度，并且更加经济。

Graham 等[4]通过三轴和一维膨胀试验对膨润土加砂混合物的强度和体积变化进行了研究。Hussain等[5]通过压缩试验对膨润土加砂混合物的膨胀和压缩特性进行了研究。徐永福等[1]用固结仪完成了膨润土及其与砂混合物的一系列膨胀变形试验，由试验结果得到了蒙脱石孔隙比与上覆压力的通用表达式。刘泉声等[6]初步研究了砂－膨润土混合物在不同含水率、膨润土含量和干密度状态下的膨胀性能。李培勇等[7]通过有荷膨胀试验，对膨润土加砂混合物的膨胀特性进行了研究，分析了膨胀应变与轴向应力、膨胀应变与吸水量以及轴向应力与吸水量之间的关系。崔红斌等[8]根据大量室内试验研究了膨润土掺砂混合料作为缓冲材与填埋材的遇水膨胀力、膨胀变形量等问题。

由于在核废料贮存期间，贮存库的围岩有可能发生开裂，因而缓冲材料必须具有膨胀性[2]。膨胀力是评价膨润土加砂混合物膨胀性的重要参数，同时也是设计高放废物深处置库的基本参数。国内外对膨润土及其加砂混合物的膨胀力规律的研究几乎都限于一维状态，即只考察一个方向的膨胀力，这不能很好地反映处置库中膨润土加砂混合物各向异性的状态。

本文使用大连理工大学岩土所自行设计并改进的新型膨胀仪量测膨润土加砂混合物吸水膨胀过程中的膨胀力、膨胀应变及吸水量。杨庆[9]利用该仪器进行了重塑膨胀岩土侧限膨胀试验并对膨胀本构关系进行了探讨。本文通过试验验证前人的一些研究成果并对膨润土加砂混合物吸水膨胀过程中膨胀力随时间变化规律、两向膨胀力之间的关系以及膨胀应变与时间和吸水量的关系进行了初步的研究。

2 仪器简介与试验材料及步骤

2.1 仪器组成

试验所用的侧限膨胀仪实体照片见图 1，有关仪器的结构图见文献[9]。

图1 侧限膨胀试验仪Fig.1 Confined swelling test apparatus

试验设备由盛样系统、吸水量测系统、轴压以及轴向应变量测系统和侧压量测系统组成。盛样系统包括底座、试样环、O型橡胶圈、顶盖以及螺杆、透水石等。试样环与顶盖、底座通过3根螺杆连在一起，O型橡胶圈主要是为了起到密封水的作用。吸水量测系统是由铁支架、滴定管、进水管和量筒等组成，可以由滴定管的读数获得试样的吸水量。轴压以及轴向应变量测系统由传感器、轴向百分表和静态电阻应变仪组成，目的是量测试样的轴向压力和轴向应变。侧压量测系统由传力杆、BPR-2型压力传感器、YJ-26型静态电阻应变仪组成。为了保证精确读数，传力杆的两端应分别与试样环的内壁和传感器紧密贴合。在试验开始前要预先标定好电阻应变仪读数与轴向压力及侧向压力之间的关系。

2.2 试验材料及试样制备

本试验所采用的膨润土产于辽宁省黑山县，为钙基膨润土，主要由蒙脱石和方英石组成。试验所采用的砂为福建标准砂。膨润土和标准砂的主要物理性质和化学性质指标列于表1、2。膨润土和标准砂均在105 ℃下烘干24～48 h后称取并加蒸馏水制样。

为了研究干密度和膨润土含量对膨胀力以及膨胀应变的影响，共制作两组试样。第1组4个，保持配合比为50 : 50，膨润土加砂混合物的干密度分别控制在1.15、1.30、1.52、1.64 g/cm3，用于膨胀力试验。第2组5个，保持干密度为1.52 g/cm3，膨润土与砂的配合比分别控制为50 : 50、40 : 60、30 :70、20 : 80、10 : 90，用于膨胀应变试验。

表1 膨润土的基本物理化学性质Table 1 Physicochemical properties of bentonite

表2 福建标准砂的基本物理性质Table 2 Physical properties of Fujian standard sand

2.3 试验步骤

（1）在侧限膨胀仪底座中放好不锈钢垫片、透水石和滤纸，装好试样环并放上O型橡胶圈。

（2）把模具环刀卡在试样环顶部，均匀用力把环刀中的试件推入到试样环中，防止推入过程中冲击试件。然后在试样上部放上滤纸、上透水石和传压钢片，放上顶盖并拧紧3根螺杆。

（3）安装传力杆、轴向压力传感器以及侧向压力传感器，使仪器各部分接触良好。接好两台电阻应变仪，预热30 min并调零，准备进行膨胀力试验。

（4）把进水管连在滴定管上，打开下排气管和滴定管阀门，用量筒向滴定管内注水。通过进水以排出进水管及下透水石中的空气。当水从下排气管溢出时，立刻关闭下排气管，并记录此时的滴定管读数和时间。

（5）按照一定时间间隔，测记滴定管读数和应变仪读数，直至试样膨胀稳定。

（6）卸下轴向压力传感器，换上轴向百分表，按照同样的方法对第2组试样进行膨胀应变试验，并按照一定的时间间隔记录百分表读数和滴定管读数。

3 试验结果

3.1 膨胀力随时间变化规律

重塑土的单向压实试样在制样过程中会造成试样的各向异性，通过吸水膨胀过程中产生的膨胀力表现出来，即竖向膨胀力与水平向膨胀力可能不同。试验得到的膨润土加砂混合物典型的膨胀力随时间变化曲线如图2所示。在试验初期膨胀力随时间增长较快，中后期增长趋于平缓。本试验中的电阻应变仪采用干电池供电，由于干电池容量的限制，应变仪不能长期连续观测（一组电池的持续供电时间约为60 h），为了延长电池的使用时间，在读数时间间隔较长（如夜间）的情况下关闭电阻应变仪，下一次读数前对应变仪预热30 min。图2中竖向膨胀力曲线出现的波动即没预热到30 min读数所致。而水平向膨胀力本身相对数值较小，所以这一影响不是很明显。

图2 典型的膨胀力随时间变化曲线Fig.2 Typical evolution curves of swelling pressure with time

3.2 竖向与水平向膨胀力之间的关系

对于不同干密度的膨润土加砂混合物，其竖向膨胀力随时间变化的情况如图3所示。当干密度较大（大于 1.52 g/cm3）时，在试验的初始阶段竖向膨胀力增长比较快，在中间一段时间膨胀力的增长几乎停滞，在时程曲线中出现两个“平台”，这与Pusch[10]提出的对于高干密度试样存在的时程曲线相似。对于干密度较小的混合物，在200 min以后，膨胀力达到峰值并几乎保持不变，没有观察到类似较大干密度试样的峰值平台。

图3 竖向膨胀力随时间变化过程曲线Fig.3 Evolution curves of vertical swelling pressure with time

不同干密度的膨润土加砂混合物，其水平向膨胀力随时间变化曲线如图4所示。对于初始干密度为1.15 g/cm3的膨润土加砂混合物，其水平向与竖向膨胀力随时间发展趋势基本一致，并且最终膨胀力的峰值也基本相等；其他干密度的膨润土加砂混合物，其水平向膨胀力都远远小于竖向膨胀力。高干密度试样中水分的迁移较低干密度试样困难得多，所以在膨胀的初始阶段出现了随着干密度的增大而增长速度变缓的现象。干密度为1.64 g/cm3时，虽然水分的迁移渗透非常缓慢，但相对低干密度试样较少的水分运移就会导致宏观上水平向膨胀力的增长，所以出现了图4初始阶段的情形。

图4 水平向膨胀力随时间变化过程曲线Fig.4 Evolution curves of horizontal swelling pressure with time

水平向与竖向膨胀力之比与干密度之间的关系如图5所示。随着试样初始干密度的增大，水平向与竖向膨胀力之比逐渐减小，即试样的各向异性更加显著。对得到的数据进行分析，可得水平向与竖向膨胀力之比与干密度近似呈线性关系，有如下拟合公式：

式中：Phv为水平向与竖向膨胀力之比；ρd为膨润土加砂混合物的干密度。

对于单向压实的重塑试样，竖向与水平向膨胀力一般不同，即试样会出现各向异性。对于干密度较小的试样，颗粒之间存在较大的孔隙，孔隙的填充主要是靠颗粒之间的滑移和膨胀性矿物蒙脱石的吸水膨胀。在制样过程中，膨润土颗粒受到的作用力没有明显的方向性，所以吸水膨胀过程中不会表现出各向异性，竖向与水平向膨胀力基本相同。对于干密度较大的试样，由于单向压实制样，膨润土加砂混合物的颗粒将受到很大的竖向作用力，由于颗粒之间的孔隙很小，膨润土中大部分蒙脱石晶胞将会垂直于压实方向排列，吸水膨胀过程中表现出很大的竖向作用力。因此，竖向膨胀力将大于水平向膨胀力。混合物干密度越大，蒙脱石晶胞的定向排列越显著，所以水平向与竖向膨胀力之比也就越小，试样呈现出明显的各向异性性质。

图5 水平向膨胀力与竖向膨胀力之比与干密度关系曲线Fig.5 Relationship between the ratio of horizontal and vertical swelling pressure and dry density

3.3 不同膨润土含量的膨胀应变变化情况

不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变随时间变化过程曲线如图6所示。由图可以看出，膨胀应变与时间呈双曲关系，并且随着膨润土含量的增加而增大。膨胀应变与时间的关系曲线可以用下面的双曲线公式进行拟合[11]。

式中：t为从供水开始所经历的时间；ε为在时间t时的膨胀应变；a和b是拟合常数。对于膨润土含量为 30%，40%，50%的膨润土加砂混合物，试验数据的拟合效果很好。

图6 膨胀应变随时间变化过程曲线Fig.6 Evolution curves of swelling strain with time

最大膨胀应变εmax可以通过膨胀应变与时间的关系曲线的渐近线获得。

式中：εmax为最大膨胀应变。

图7 最大膨胀应变与膨润土含量之间的关系Fig.7 Relationship between the maximum swelling strain and bentonite content

在相同干密度条件下（ρd=1.52 g/cm3），膨润土加砂混合物的最大膨胀应变与膨润土含量的关系曲线如图7所示。从图7中可以看出，膨润土加砂混合物的最大膨胀应变与膨润土含量成指数关系，拟合公式为

式中：α为膨润土加砂混合物的膨润土含量。

3.4 膨胀应变与吸水量的关系

膨润土加砂混合物的膨胀变形主要是由膨润土中膨胀性黏土矿物蒙脱石的吸水膨胀引起的。对于不同膨润土含量的膨润土加砂混合物，其膨胀应变与吸水量的关系曲线如图8所示。随着吸水量的增加，其膨胀应变也不断增长，并且二者近似呈S型曲线关系，用波尔兹曼方程（5）拟合的效果很好。这与此前有关学者[7]提出的膨胀应变与吸水量的线性关系有出入，还有待于进一步的验证。

图8 膨胀应变与吸水量之间的关系曲线Fig.8 Relationships between swelling strain and water absorption

由图8可以看出S型曲线的3个阶段：缓慢增长阶段、急剧增长阶段和基本稳定阶段。膨润土含量较低时，随着吸水量的增加，膨胀应变增长非常缓慢，并且最终趋于常值；膨润土含量较高时，较少的吸水量就能产生很大的膨胀应变，最终膨胀应变的增长也渐趋稳定。

4 讨 论

4.1 膨润土加砂混合物膨胀机制的讨论

膨润土加砂混合物主要由蒙脱石、石英、方解石组成，而蒙脱石是主要的膨胀黏土矿物。砂石颗粒形成骨架，膨润土填充在砂骨架的孔隙中，而孔隙主要由空气和自由水占据。蒙脱石颗粒随着水吸入夹层而体积增大并填充混合物中的孔隙。膨胀黏土颗粒的膨胀主要是由黏土表面水化引起的膨胀和渗透性膨胀组成，黏土表面的水化膨胀主要是由黏土矿物晶层表面吸附水分子，增大晶层间距引起的膨胀；而渗透性膨胀是由于水的渗透作用使水分子进入黏土矿物晶层间引起的，这时的膨胀主要靠双电层斥力的作用。因为膨润土加砂混合物的总体积是受限制的，所以这一过程并不增加其总体积。完全填充满孔隙以后，混合物中的膨胀黏土颗粒体积不再变化，由膨胀黏土颗粒引起的膨胀压力可以作为膨润土加砂混合物的膨胀力来量测。

4.2 较大密度膨润土加砂混合物竖向膨胀力-时间关系曲线特征的讨论

较大干密度试样的竖向膨胀力-时间关系曲线会出现两个“平台”，现对该特征进行说明：在膨胀力随时间增长的过程中，主要有两方面的作用阻止和延缓其增长。首先，在试样的总体积变化受到限制的条件下，试样表层接触水后，膨润土中的蒙脱石颗粒吸收水分开始水化并迅速向混合物颗粒之间的孔隙进行膨胀，逐渐减小颗粒之间的孔隙。最终会使混合物表层土体附近的渗透系数很低，减慢水分向试样中间部分的进一步渗透。其次，试样中间部分膨润土中的蒙脱石颗粒首先要吸水膨胀以填充试样内部的孔隙，孔隙填充满以后才能产生宏观的膨胀力。对于高干密度试样曲线的第一个“平台”主要是前者作用的结果，这时的膨胀力主要是表层膨胀黏土颗粒引起的膨胀力，而且试样中的水分向内部运移要比低干密度试样困难，所以膨胀力有一段时间几乎保持常值不变。而高干密度试样内部的蒙脱石颗粒需要较长的时间克服低渗透性吸收水分，试样内部的孔隙逐步被水化后膨胀的蒙脱石颗粒填充。这一段时间膨胀力的变化很小，因此，在竖向膨胀力-时间关系曲线中出现又一个“平台”的现象。

5 结 论

（1）膨润土加砂混合物的膨胀力以及膨胀应变主要取决于混合物的初始干密度和膨润土含量。在相同的膨润土含量条件下，干密度为1.64 g/cm3的混合物的水平向膨胀力是干密度为1.15 g/cm3的混合物的水平向膨胀力的6.8倍，而竖向膨胀力是其18.5倍。在相同的混合物初始干密度条件下，膨润土含量为50%的混合物的膨胀应变是膨润土含量为10%的混合物的膨胀应变的5倍。所以初始干密度和膨润土含量是膨润土加砂混合物膨胀特性的重要影响因素。

（2）干密度较小（1.15 g/cm3）的膨润土加砂混合物，其水平向与竖向膨胀力随时间的发展趋势基本一致，并且最终膨胀力的峰值也基本相等；对于较大干密度的混合物，其水平向膨胀力都远远小于竖向膨胀力。试样的水平向与竖向膨胀力之比随着试样干密度的增大而减小，并且与干密度近似呈线性关系。随着干密度的增大，试样的各向异性越来越显著。

（3）膨润土加砂混合物中的膨润土含量越高，膨胀应变增长越快，最终达到的峰值膨胀应变也越大。不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间呈双曲线关系，并且其最大膨胀应变与膨润土含量成指数关系。

（4）随着吸水量的增加，不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变不断增长，并且随吸水量近似呈S型曲线关系。这与此前有关学者提出的膨胀应变与吸水量的线性关系有出入，估计是混合物中膨润土的性质以及制样方法的不同造成的，今后将对这一方面做进一步的研究。

（5）本文的研究工作是对一维膨胀研究的补充，能反映出高放废物处置库中膨润土加砂混合物各向异性的状态，为缓冲回填材料的设计提供了一定的参考依据。

[1] 徐永福, 孙德安, 董平. 膨润土及其与砂混合物的膨胀试验[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(3): 451－455.XU Yong-fu, SUN De-an, DONG Ping. Swelling tests on bentonite and sand-bentonite mixture[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003,22(3): 451－455.

[2] 王志俭, 刘泉声. 密实砂-膨润土混合物膨胀特性的试验研究[J]. 岩土力学, 2000, 21(4): 331－334.WANG Zhi-jian, LIU Quan-sheng. Experimental study of swelling characteristics of compacted sand-bentonite mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2000, 21(4): 331－334.

[3] RADHAKRISHNA H S, CHAN H T. Thermal and physical properties of candidate buffer-backfill materials for a nuclear fuel waste disposal vault[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1989, 26(6): 626－639.

[4] GRAHAM J, SAADAT F, GRAY M N, et al. Strength and volume change behaviour of a sand-bentonite mixture[J].Canadian Geotechnical Journal, 1989, 26: 292－305.

[5] HUSSAIN A A. Swell and compressibility characteristics of sand-bentonite mixtures inundated with liquids[J].Applied Clay Science, 1999, 15: 411－430.

[6] 刘泉声, 王志俭. 砂-膨润土混合物膨胀力影响因素的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(7): 1054－1058.LIU Quan-sheng, WANG Zhi-jian. Influence factors of sand-bentonite mixtures on the swelling pressure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002, 21(7): 1054－1058.

[7] 李培勇, 杨庆, 栾茂田, 等. 膨润土加砂混合物膨胀特性研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(5): 1333－1336.LI Pei-yong, YANG Qing, LUAN Mao-tian, et al. Study of swelling properties of bentonite-sand mixture[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(5): 1333－1336.

[8] 崔红斌, 孙德安, 徐永福, 等. 膨润土掺砂混合料的水膨胀特性[C]//第二届全球华人岩土工程学术论坛论文集. 南京, 2005: 308－314.

[9] 杨庆, 焦建奎, 栾茂田. 膨胀岩土侧限膨胀试验新方法与膨胀本构关系[J]. 岩土工程学报, 2001, 23(1): 49－52.YANG Qing, JIAO Jian-kui, LUAN Mao-tian. Study on a new method of confined swelling tests and swelling constitutive relationship for swelling rocks[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(1): 49－52.

[10] PUSCH R. The buffer and backfill handbook, part 1:Definitions, basic relationships, and laboratory methods[R].Stockholm: SKB Technical Report TR-02-20, 2002.

[11] KOMINE H, OGATA N. Experimental study on swelling characteristics of compacted bentonite[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31(4): 478－490.