压实膨润土砌块单轴压缩力学性能研究

高玉峰，刘月妙，马利科，谢敬礼，曹胜飞，佟强，罗鹏程

（核工业北京地质研究院中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京100029）

压实膨润土砌块单轴压缩力学性能研究

高玉峰，刘月妙，马利科，谢敬礼，曹胜飞，佟强，罗鹏程

（核工业北京地质研究院中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京100029）

膨润土是高放废物地质处置库中不可缺少的工程屏障材料，是确保处置库长期稳定的保障。为了研究膨润土压实砌块力学性能变化规律，对压实砌块不同部位采用不同加载速率进行单轴压缩试验。研究结果表明:压实膨润土无侧限抗压强度随压实干密度的增大而呈指数增大，干密度为1.75 g·cm-3时，无侧限抗压强度可达8.01 MPa；试样上部应变变化量明显小于下部；体积应变随应力增大而先增大后减小，中、下部变化更为明显；压实膨润土砌块弹性参数变化保持同步；试样下部弹性模量最小，泊松比最大。

高放废物地质处置；高庙子膨润土；力学性能；单轴压缩；压实砌块

随着我国核能事业的飞速发展，高放废物的处理和处置，已成为公众关心的一个重大安全和环保问题。安全处置高放废物是核能可持续发展的重要保障［1-2］。经过多年的研究和实践，目前普遍接受的可行方案是深部地质处置，即把高放废物埋在距离地表深约500～1 000 m的地质体中，使之永久与人类的生存环境隔离。埋藏高放废物的地下工程即称为“高放废物处置库”［3］。处置库中的膨润土压实缓冲材料砌块必定受到废物罐重力和地应力等影响，发生压缩、拉伸变形破坏等力学作用。因此，为确保高放废物地质处置长期稳定性，研究处置库中膨润土压实砌块力学性能显得尤为重要。

国内、外学者对膨润土力学性能做了一系列的研究，发现压实膨润土力学特性与含水率、压实干密度、压实压力及蒙脱石含量等因素密切关系。随试样含水率增大，试样的变形模量减小，峰值强度降低，泊松比增大［4］，特定压实密度的膨润土无侧限抗压强度随含水率的增加而减小［5-6］。对不同含水率条件下压实成型性研究，发现15%为最佳含水率［7］。对内蒙古高庙子膨润土的压实特性研究，发现膨润土样品的压实密度与压制压力和蒙脱石含量有关，压实密度随压实压力的增大而增大，随蒙脱石含量升高而减小［8］。扇形和立方体压实土块压实压力随着压实干密度增加而呈现指数增加；压实干密度相近情况下，扇形压实块体的无侧限抗压强度稍大［9］。但均未研究压实块体不同部位的应力应变变化。

另外，压实膨润土强度较大，高于部分软岩的强度，软岩试样的无侧限抗压强度和弹性模量及泊松比随着应变速率的增加均有增加的趋势［10］；与岩石特征应力对应的应变随应变率的增大而增大，特征应力基本不随应变率的变化而变化［11］。对岩石进行单轴压缩试验研究，发现试样不同位置的径向变形数值是不等的［12］。

以我国内蒙古高庙子膨润土矿床［13］膨润土为研究对象，通过对压实膨润土砌块进行单轴压缩试验，测定试样局部应力应变，研究压实膨润土圆柱形砌块不同部位以及不同加载速率下的力学性能变化规律，从而确保制备的压实砌块满足处置库工程需求。

1 试验准备

1.1 试样准备

试验样品是我国内蒙古高庙子膨润土矿床地下天然钠基膨润土（GMZ07Na-膨润土），天然样品自然风干，粉碎到200目，在加工过程中，去掉了部分不易粉碎的杂质矿物。样品为浅灰白色，化学成分以SiO2、Al2O3和H2O为主。X衍射谱图分析表明，主要矿物为蒙脱石（70.80%）、石英（12.4%）、长石（10.6%）、方英石（6.2%）。样品的阳离子交换容量为72.86 mmol/100 g，可交换性阳离子以Na＋为主，可达33.71 mmol/100 g，其次为Ca2＋和Mg2＋，分别为23.66和11.17 mmol/100g，还有少量的K＋。

表1 高庙子膨润土压缩性能Table1Uniaxial compressibility of GMZ bentonite

图1 压实膨润土试样Fig.1The sample of compacted bentonite

试验采用圆柱形试样，试样压制情况见表1，压制密度为1.40、1.60和1.75 g·cm-3，其尺寸规格为D＝50 mm，h＝100 mm（图1）。试样制备时，按预定的压制干密度，用天平称量一定质量的初始含水率为9.7%的膨润土，放入压制模具内单向压制，并规定试样压制时模具压头接触端为试样上部，另一端为试样下部，轴向位置分别为h＝10 cm及h＝0 cm。同时，试验采用两种不同的加载方式，分别为0.2 mm/min应变加载和1.2 kN/min的应力加载。

试验样品上应力应变监测点布设情况如图2。其中，由上到下，同轴三对式监测点分别布设在轴向7、5和3 cm处，同轴四对式监测点分别布设在轴向8、6、4和2 cm处。

图2 应变片分布示意图Fig.2Sketch of Strain gages pasted

1.2 试验操作

将试样从密封袋中取出，重新测量直径、高度和重量，并做好记录。试验机的上、下两端分别安装并调平压盘后，将试样放到试验台上。开启压力机后，利用计算机控制使上压板匀速向下移动，在试样上表面约2 mm的位置处停止。点击开始试验后，上压板先以5 mm/min的速度下移，当上压板与试样顶面接触并开始受力时，下移速度调为设定试验速度0.2 mm/min，并开始记录数据。当记录的数据出现峰值时，继续进行3%轴向应变后停止试验。

2 试验结果与分析

2.1 应力应变

图3为无侧限抗压强度随干密度变化关系曲线。本试验数据表明，当干密度为1.40 g·cm-3时，无侧限抗压强度为1.60 MPa，当干密度为1.60 g/cm3时，无侧限抗压强度为4.13 MPa，当干密度为1.75g·cm-3时，无侧限抗压强度可达8.01 MPa；刘月妙等［7］采用应变片和应变计法得出压实膨润土无侧限抗压强度随干密度变化数值偏小（图3），这可能是含水率等差异所致。由试验结果可以看出，相同应变速率的试样，随压实干密度增大，无侧限抗压强度呈指数增大。其拟合方程见公式（1）。

图3 压实膨润土无侧限抗压强度与干密度关系曲线Fig.3Relationship between uniaxial strength and dry density of compacted bentonite

式中:σc—试件无侧限抗压强度，MPa；ρ—试件干密度，g·cm-3。

另外，任广元等［9］对扇形体砌块研究发现，含水率为7.2%的扇形体的压实压力与压实干密度也存在指数关系。

由此，笔者可以进一步研究满足处置库需求的干密度和砌块制备工艺。

图4是表征试样不同位置应力应变变化关系曲线。试验结果表明，试样应变与轴向位置有关。由图4可见，随应力增大，轴向及横向应变呈明显的线性变化，其中，横向应变量由上到下呈逐渐增大，而轴向应变表现为下部最大，中部次之，上部最小；轴向应变变化更为明显，可达横向应变的2～4倍，且随应力增大其趋势更为明显；整体表现为，同一试样，上部的轴向及横向应变明显小于下部。

根据轴向应变εh以及横向应变εd计算出体积应变εv，计算公式为:εv＝εh＋2εd。

体积应变随应力增大先增大后减小，两端增大阶段明显，中、下部减小阶段明显，中、下部体积应变峰值较上部更为明显（图4）。

图4 应变片不同分布部位膨润土应力与应变曲线Fig.4The stress-strain curves of compacted bentonite with different parts of strain gages pasted

2.2 弹性模量

试验结果表明，压实膨润土弹性模量与轴向分布和无侧限抗压强度存在一定关系。从弹性模量分布图（图5）可以看出，同一试样，上部弹性模量明显大于下部，且上部较下部增加约50%，而中部差异较小；压实膨润土圆柱形砌块下部弹性模量最小，说明在一定的应力作用下，砌块远离压实端的弹性变形会最大，最容易发生破坏，需要格外注意。

温志坚等［5］研究发现含水率为8%和13%的压实膨润土整个样品弹性模量随无侧限抗压强度增大而增大。而本试验范围内，局部弹性模量与无侧限抗压强度无明显的线性关系，还需要后续系统工作来解决；不同分布部位的弹性模量随无侧限抗压强度变化而保持较好的同时性（图6），说明压实膨润土砌块受力均匀。

图5 压实膨润土弹性模量分布图Fig.5The diagram of elastic modulus of compacted bentonite in different parts

图6 不同部位弹性模量与无侧限抗压强度关系曲线Fig.6Relationship between elastic modulus and unconfined compressive strength in different parts

图7 应变加载下不同部位泊松比与抗压强度关系曲线Fig.7Relationship between passion ratio and unconfined compressive strength in different parts under strain loading

2.3 泊松比

试验结果表明，压实膨润土泊松比与轴向位置、无侧限抗压强度及加载方式等相关。

应变加载时，泊松比随无侧限抗压强度增大略有增大，当无侧限抗压强度为4.2 MPa时，泊松比最大，说明此时横向变形比轴向变形增长更为明显（图7）；应力加载时，泊松比随无侧限抗压强度增大变化不明显，轴向8cm处泊松比明显最小，表现出上部泊松比明显小于中下部（图8）。整体来看，在一定无侧限抗压强度范围内，采用两种加载方式，泊松比无明显线性变化，而只表现出上部泊松比明显小于中下部。

综上所述，通过试验数据分析，笔者可以得到:不同加载速率下，压实膨润土力学特性在轴向分布存在明显规律性:下部的轴向及横向应变明显大于上部，体积应变变化最明显，弹性模量最小，泊松比最大，说明在一定的应力作用下，试样下部的弹性变形会最大，最容易发生破坏。另外，从无侧限抗压强度随干密度呈指数变化关系，可以初步得出压实砌块的干密度等物理量需满足处置库需求的范围及部分力学参数的范围。下一步还需要结合实际处置库工程，进一步验证这些力学性能的变化规律，从而确保砌块受力变形破坏规律满足实际处置库工程需求。

图8 应力加载下不同部位泊松比与抗压强度关系曲线Fig.8Relationship between passion ratio and unconfined compressive strength in different parts under stress loading

3 结论

针对压实膨润土砌块力学性能在轴向分布存在的规律性，进行了不同加载速率下单轴压缩试验，获得了压实膨润土砌块不同部位的力学参数，分析了压实膨润土砌块的力学特性规律，获得如下主要结论。

压实高庙子钠基膨润土无侧限抗压强度与压实干密度有关。无侧限抗压强度随压实干密度的增大而呈指数增大。干密度为1.60 g·cm-3时，无侧限抗压强度为4.13 MPa，干密度为1.75 g·cm-3时，无侧限抗压强度可达8.01 MPa。

压实膨润土应变与轴向位置有关。试样应变上部明显小于下部，体积应变随应力增大先增大后减小，中、下部变化较上部更为明显。

压实膨润土砌块弹性参数变化保持同步。弹性参数与轴向分布、压实干密度及无侧限抗压强度存在一定关系。弹性模量随无侧限抗压强度增大而增大；试样下部弹性模量最小，泊松比最大。

［1］潘自强，钱七虎.高放废物地质处置战略研究［M］.北京:原子能出版社，2009.

［2］王驹，陈伟明，苏锐，等.高放废物地质处置及其若干关键科学问题［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（4）：801-812.

［3］WANG Ju，SU Rui，CHEN Weiming，et al.Deep geological disposal of high-level radioactive wastes in China［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（4）：649-658.

［4］沈珍瑶，董威，李国鼎.高压实膨润土力学性能研究［J］.岩土工程技术，1998，12（4）：45-46.

［5］温志坚，神德敬.高庙子钠基膨润土静力学性能初析［J］.世界核地质科学，2005，22（4）：211-214.

［6］WEN Zhijian.Physical property of China’s buffer material for high-level radioactive waste repositories［J］.ChineseJournalofRockMechanicsand Engineering，2006，（4）：794-800.

［7］刘月妙，蔡美峰，王驹，等.高放废物地质处置库预选缓冲材料压缩性能研究［J］.铀矿地质，2007，23（2）：91-95.

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

［9］任广元，陈泉水，朱国平，等.高放废物处置缓冲材料—膨润土压实成型性与抗压性研究［J］.非金属矿，2009，（6）：67-70.

［10］李海波，王建伟，李俊如，等.单轴压缩下软岩的动态力学特性试验研究［J］.岩土力学，2004，25（1）：1-4.

［11］梁昌玉，李晓，王声星，等.岩石单轴压缩应力-应变特征的率相关性及能量机制试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（9）：1 830-1 838.

［12］许年春，杨小院，秦娟.岩石单轴受压体应变与长期强度关系［J］.辽宁工程技术大学学报，2012，31（3）：358-361.

［13］刘月妙，陈璋如.内蒙古高庙子膨润土作为高放废物处置库回填材料的可行性［J］.矿物学报，2001，21（3）：541-543.

Mechanical property of highly compacted bentonite blocks under uniaxial compression

GAO Yufeng，LIU Yuemiao，MA Like，XIE Jingli，CAO Shengfei，TONG Qiang，LUO Pengcheng
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level Radioactive Waste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Bentonite is an indispensable engineering barrier material to guarantee the long-term stability for deep geological repository of high level radioactive waste.In order to study the mechanical properties of compacted bentonite blocks，uniaxial compression experiments were carried out on different parts of compacted bentonite blocks under different loading rates.Results shew that the unconfined compressive strength of compacted bentonite index increased with the increase of the dry density.When the dry density was 1.75 g·cm-3，the unconfined compressive strength would be 8.0 MPa.The strain variation of lower part increased obviously than the upper part.The volumetric strain increased firstly and then decreased with the increase of stress.The change of the volumetric strain of lower part was more obvious.The elastic parameters of compacted bentonite blocks were synchronous. The elastic modulus of the lower part was the smallest but the poisson’s ratio was the largest.

high-levelradioactive waste（HLW）disposal；GMZ bentonite；mechanical property；uniaxial compression；compacted blocks.

TL942

A

1672-0636（2016）01-0050-05

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．01．009

2015-12-14；

2015-12-25

高玉峰（1989—），男，山东临沂人，硕士研究生，主要从事高放废物地质处置研究。E-mail:hdyygaoyf@163.com