盐溶液及掺砂率对高庙子膨润土强度的影响

贾 迪,孙德安,张 龙

(上海大学土木工程系,上海200444)

核电具有能量密度大、稳定性好、燃料运输量少、综合经济效益好和几乎不污染环境等优点[1].目前核技术在多个领域被广泛应用,随之而产生的高水平放射性核废料(简称高放废物)也在不断增加,因此对于高放废物处置方法的研究至关重要.内蒙古高庙子膨润土已被首选为我国核废料处置库中缓冲/回填材料的基质材料[2],同时已确定甘肃北山地区为修建高放废物深层处置库的首选地区.该地区的地下水含盐量较高[3],而已有研究表明地下水的化学成分会严重影响膨润土的工程性质[4],掺砂率以及盐浓度对膨润土的有效热传导性以及渗透性也有较大的影响[5].因此,有必要对高庙子膨润土及其掺砂混合物在盐溶液饱和下的强度特性进行试验研究.

对于盐溶液饱和下的膨润土及其掺砂混合物的强度特性,国内外已有的研究成果比较少.如Di Maio等[6-7]研究了盐溶液浓度对于Ponza膨润土强度的影响,结果表明随着盐溶液浓度的增加,膨润土残余强度的内摩擦角增大;Tiwari等[8]研究了盐溶液对含有蒙脱石成分的黏土残余强度的影响,结果表明盐溶液可以提高土样的残余强度;Gueddouda等[9]研究了膨润土与砂混合物的抗剪强度特性,结果表明在膨润土含量小于15%的条件下,随着膨润土含量的增加,混合物的黏聚力增大,而内摩擦角减小.以上这些研究只是说明了盐溶液浓度以及掺砂对膨润土的强度有较大影响,但是缺少从微观机理上对其原因的分析.目前为止,还没有学者在不同盐溶液浓度饱和条件下对GMZ07膨润土及其掺砂混合物的强度进行试验研究.

本工作对不同NaCl浓度下的GMZ07膨润土及其掺砂混合物进行了直剪试验,研究掺砂率及NaCl浓度对膨润土及其掺砂混合物强度特性的影响;在掺砂混合物中引入膨润土有效干密度概念,并结合扫描电镜试验结果,从微观机理上分析了NaCl浓度对膨润土及其掺砂混合物强度的影响.

1 试验材料

本试验所采用的高庙子膨润土产自内蒙古兴和县,其主要成分为蒙脱石,伴生矿物为石英、方解石等[10],主要矿物成分以及物理特性参数如表1所示,其中液塑限用联合测定仪测得.我国已确定在甘肃北山地区修建高放废物深层处置库,该地区地下水中溶解固体的阳离子主要是Na+,阴离子主要为Cl-[3].本试验采用NaCl作为盐溶液的溶质,以模拟该地区地下水中的盐溶液.本试验中混合物所用的砂为福建标准砂,去除了粒径大于0.5 mm的颗粒.砂比重为2.66,图1为GMZ07膨润土的粉末状及其饱和压实试样.

表1 GMZ07膨润土的主要矿物成分和物理参数Table 1 Main mineralogical composition and physical parameters of GMZ07 bentonite

图1 GMZ07膨润土及其饱和试样Fig.1 GMZ07 bentonite and its saturated specimen

2 试验

2.1 直剪试验

GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样的初始干密度(ρd0)为1.5 g/cm3.将砂与混合物的干土质量之比定义为掺砂率(Rs).将膨润土与砂按照Rs为0%,30%,50%的比例混合配制成不同掺砂率试样.根据北山地区地下水溶解固体含量范围[3],配制NaCl溶液摩尔浓度(以下简称浓度)分别为0,0.5,1.0 mol/L.利用不同浓度NaCl溶液将GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样进行饱和.对每种NaCl浓度的饱和试样各施加200,400,800 kPa竖向荷载,固结完成后进行慢剪试验.

2.1.2 试验仪器

试验所使用的直剪仪是美国Geocomp公司生产的气动加压直剪仪(见图2).该仪器竖向荷载和水平荷载最大可达10 kN,水平剪切位移和竖向位移以及水平力和竖向力均可自动记录.试样的剪切断面有两种:10 cm×10 cm的正方形和直径为5.0 cm的圆形.本工作采用直径5.0 cm的剪切断面进行试验.

图2 HUS-25 sixty Shear直剪仪Fig.2 HUS-25 sixty Shear direct shear apparatus

2.1.3 试验步骤

按照预配制NaCl溶液的浓度计算所需蒸馏水和NaCl颗粒的质量,将NaCl颗粒与蒸馏水搅拌均匀,配制成浓度分别为0,0.5,1.0 mol/L的NaCl溶液.

根据初始干密度和试样体积以及掺砂率推算出所需土料的质量.称取一定质量的GMZ07膨润土和烘干标准砂混合搅拌均匀,利用千斤顶压实,得到初始干密度为1.5 g/cm3的GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样.将试样装入固结仪中,并把配制好的不同浓度NaCl溶液加入固结仪中进行固结饱和.待试样饱和后,用千斤顶将试样取出,称取质量及量测试样体积,装入直剪仪的剪切盒进行剪切试验.控制剪切速率为0.01 mm/min,最大剪切位移为5 mm.在直剪试验结果中,当剪应力与位移关系曲线出现峰值时,定义峰值应力为抗剪强度;当没有峰值强度时,根据土工试验方法标准[11],定义当剪切位移达到4 mm时对应的剪切应力为抗剪强度.

2.2 扫描电镜试验

制样方法与供直剪试验用试样的制样方法相同.先将压实后的GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样用3种浓度NaCl溶液饱和,再将试样切成小块后冷冻干燥.然后利用高精度扫描电镜对不同浓度NaCl的饱和试样进行测试,得到不同浓度NaCl饱和试样的微观结构.

3 试验结果与分析

3.1 直剪试验

直剪试验所用的试样为人工制备,在整个试验过程中严格控制试样状态.为了验证试验的精确性,进行了重复试验.图3为纯水饱和下纯膨润土试样的平行试验结果.由图3可知,两次直剪试验结果非常接近,因此在其他试验中不再进行重复试验.

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图 3 重复试验结果(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.3 Results of repeated tests(ρd0=1.5 g/cm3)

3.1.1 纯水饱和下掺砂混合物的强度

图4为在纯水饱和状态下不同掺砂率混合物的剪应力与位移关系.由图可知,纯膨润土出现了应变软化现象,而掺砂混合物只有应变硬化现象;纯膨润土的抗剪应力大于掺砂混合物的抗剪应力,并且掺砂率越高,抗剪应力越小.当剪切位移达到5 mm时,纯膨润土强度与掺砂混合物强度几乎相等.

对于混合物试样来说,不单是膨润土之间的作用产生强度,也有可能是砂颗粒之间的接触产生强度.为了判断混合物中粗颗粒是否接触,引入砂骨架孔隙比es的概念[12],其定义为混合土中砂以外成分的体积Vother与砂颗粒体积Vsand之比:

本试验所用试样的砂骨架孔隙比如表2所示.试验所用砂的最大孔隙比emax=0.96,由表2中在纯水条件下的数据可知,试样的砂骨架孔隙比均大于砂的最大孔隙比.由此可以说明本试验的3种掺砂率混合物中都没有砂颗粒之间的全面接触.图5为混合物试样中砂与膨润土颗粒的分布情况,可见砂颗粒悬浮在膨润土之间,混合物试样剪切强度绝大部分由膨润土承担.

图4 纯水饱和下不同掺砂率混合物的剪应力与位移关系Fig.4 Shear stress-displacement relation of mixtures with different mixing ratios saturated by pure water

表2 掺砂混合物中的砂骨架孔隙比Table 2 Sand skeleton void ratio in the mixture

图5 掺砂混合物中砂与膨润土颗粒的分布Fig.5 Distribution of bentonite and sand in the mixture

试样的干密度也会对试样强度产生影响,由图5可知,混合物试样的强度主要是由膨润土承担.纯膨润土试样的干密度为1.5 g/cm3,而在掺砂混合物试样中,膨润土的干密度可用膨润土有效干密度ρb的概念[13]进行计算:

式中,Vb为膨润土体积,Va为孔隙体积,Mb为膨润土干土质量,Rs为掺砂率,ρd为干密度,Gss为砂比重.

表3是纯水饱和状态下3种掺砂率试样在剪切前的膨润土有效干密度ρb的数值.由表中数据可知,纯膨润土的有效干密度要大于掺砂混合物.同时,掺砂率为30%的混合物中膨润土有效干密度大于掺砂率为50%的混合物,因此纯膨润土试样的强度要大于掺砂混合物试样的强度,掺砂率为30%的混合物强度要大于掺砂率为50%的混合物强度.结合表3和图4还可以得出,有效干密度ρb大于1.5 g/cm3的试样出现了应变软化现象,而ρb小于1.5 g/cm3的试样只出现了应变硬化现象.

表3 在纯水饱和下剪切试验中的试样密度Table 3 Specimen densities in shear test in pure water

3.1.2 盐溶液对膨润土及其掺砂混合物强度的影响

图7 不同掺砂率试样的剪应力与位移关系(ρd0=1.5 g/cm3,NaCl=1.0 mol/L)Fig.7 Shear stress-displacement relation of mixtures with different mixing ratios(ρd0=1.5 g/cm3,NaCl=1.0 mol/L)

图6和7分别为在NaCl浓度为0.5以及1.0 mol/L的盐溶液条件下,GMZ07膨润土及其>掺砂混合物试样的剪应力与位移关系.由图可知,在盐溶液饱和条件下,纯膨润土试样的剪应力与位移关系呈应变软化,而掺砂混合物的剪应力与位移关系呈应变硬化,后者与纯水饱和条件下的试验结果相同,同样可利用砂骨架孔隙比以及膨润土有效干密度的概念解释这一现象.砂骨架孔隙比数值如表2所示,而膨润土有效干密度数值如表3所示.由图6和7可看出,当竖向压力较小时,掺砂混合物的剪应力与位移关系曲线在纯膨润土的剪应力与位移关系曲线的下方.但是,随着竖向压力的增大,掺砂混合物的剪应力与位移关系曲线移至纯膨润土的剪应力与位移关系曲线的上方(见图6(c)).当竖向压力不是很大(如400 kPa)时,不管溶液浓度大小和掺砂率多少,剪切位移5 mm时混合物的剪切阻力均大于纯膨润土的剪切阻力(见图6(b)和图7(b)).而当竖向压力为800 kPa时,不管溶液浓度大小和掺砂率多少,混合物的强度均大于纯膨润土的强度,这与3.1.1节提到的纯水饱和条件下的试验结果相反.

图8为3种不同浓度盐溶液饱和下掺砂率ρd0=1.5 g/cm3膨润土的抗剪强度与竖向荷载之间的关系(强度线).表4为3种混合物试样在不同NaCl浓度下的强度指标.由图8(a)可知,在纯水饱和状态下,纯膨润土试样的强度大于掺砂混合物试样的强度,3种掺砂率试样的内摩擦角(ϕ)相差不大,而纯膨润土试样的黏聚力(c)明显大于掺砂混合物试样,这说明3种混合物试样强度的不同主要体现在黏聚力上.由图8(b)和(c)可知,NaCl浓度显著影响了3种掺砂率混合物试样之间的强度关系.首先,盐溶液饱和下掺砂率50%混合物试样的剪切强度大于掺砂率30%的混合物试样;其次,盐溶液饱和下混合物试样的内摩擦角变大,并且掺砂率50%的混合物试样比掺砂率30%的混合物试样受到NaCl浓度的影响更加明显,具体强度指标的数值如表4所示;再次,与纯水饱和情况相反,竖向压力为800 kPa和NaCl溶液浓度为1.0 mol/L时的混合物试样强度大于纯膨润土试样(见图8(c)).

图8 3种浓度盐溶液下不同掺砂率饱和试样的强度Fig.8 Strength of saturated specimens with different sand ratios under three salt concentrations

图9 为在不同浓度盐溶液饱和下3种掺砂率试样的强度.由图9(a)可知,随着NaCl浓度的增加,纯膨润土试样的强度明显增大,同时内摩擦角变大,而黏聚力(c)几乎没变化,这与Di Maio等[7]的结论一致.由图9(b)和(c)可知,在相同竖向荷载条件下,掺砂混合物试样的剪切强度随NaCl浓度的增加而增大,并且内摩擦角随NaCl浓度的增加而增大;相对于纯膨润土试样,掺砂混合物的内摩擦角受NaCl浓度的影响更加明显.剪切强度指标如表4所示.

表4 强度指标Table 4 Strength parameters

图9 3种掺砂率下不同浓度盐溶液饱和试样的强度(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.9 Strength of saturated specimens with different salt concentrations under three sand ratios(ρd0=1.5 g/cm3)

上述结果表明,NaCl浓度对饱和GMZ07膨润土及其掺砂混合物的强度有明显影响.相对于纯水,盐溶液饱和提高了GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样的剪切强度,并且试样的内摩擦角增大.随着NaCl浓度的增加,GMZ07膨润土及其掺砂混合物试样的剪切强度以及内摩擦角随之增大.由表2可知,随着NaCl浓度的增加,砂骨架孔隙比逐渐减小,其最小值已经接近砂的最大孔隙比,故在剪切过程中,部分砂颗粒之间会有接触,强度有所增大.但是混合物试样中砂骨架还未形成,因此掺砂混合物试样的强度还是由膨润土起主要作用.下面通过微观试验结果,分析膨润土及其掺砂混合物强度的产生机理.

3.1.3 不同NaCl浓度条件下的扫描电镜试验

图10为纯水饱和条件下掺砂率50%混合物试样的精度为100µm的扫描电镜图.由图可知,膨润土颗粒黏附在砂颗粒表面,砂颗粒悬浮在膨润土颗粒之间,这验证了图5中的砂颗粒与膨润土颗粒在混合物中的分布情况,也再一次说明本试验中的混合物试样强度是由膨润土起主要作用.

图10精度100µm下压实掺砂混合物试样的扫描电镜图(Rs=50%,ρd0=1.5 g/cm3)Fig.10 Scanning electron microscopy of compacted sand-mixture at precision of 100µm(Rs=50%,ρd0=1.5 g/cm3)

图11 为5µm精度条件下不同浓度盐溶液饱和的纯膨润土压实试样的扫描电镜图.如图11(a)所示,在纯水条件下,饱和GMZ07膨润土中的蒙脱石颗粒表面光滑.而如图11(b),(c)所示,在盐溶液饱和下GMZ07膨润土中的蒙脱石颗粒表面呈现细粒化,并随着NaCl浓度的增加,颗粒表面的细粒化程度更加明显,比表面积增大,导致蒙脱石颗粒之间的作用力增强.该微观试验结果可能与盐溶液对蒙脱石颗粒的以下两个影响因素有关:一是由于NaCl离子的作用,增大了蒙脱石颗粒间以及颗粒内层叠体间的渗透吸力;二是由于NaCl离子的作用,导致蒙脱石颗粒表面以及颗粒内层叠体的双电层厚度变薄,也会造成蒙脱石颗粒表面形状发生变化.以上因素可以解释NaCl浓度对膨润土的强度产生影响的原因.

图11 精度5µm下压实GMZ07膨润土试样的扫描电镜图(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.11 Scanning electron microscopy of compacted GMZ07 bentonite(ρd0=1.5 g/cm3)

NaCl浓度使不同掺砂率混合物产生强度差异的原因可以结合以下3个方面进行解释.首先,掺砂混合物中的砂颗粒亲水性较低,盐溶液中的大部分溶液被膨润土颗粒所吸收,在一定浓度的盐溶液饱和条件下,掺砂率不同的混合物中单位质量膨润土所含NaCl质量不同,掺砂率越高,其单位质量膨润土所含NaCl质量越高;其次,本试验中的掺砂混合物试样的强度是由膨润土起主要作用;再次,在盐溶液饱和状态下,NaCl浓度越大,膨润土试样强度越大.因此,可以解释在盐溶液饱和条件下,随着掺砂率的增加,试样的内摩擦角增大,当NaCl浓度越高时,这种现象越明显.

4 结论

本工作对GMZ07膨润土及其不同掺砂率混合物的饱和试样进行直剪试验及扫描电镜测试,研究试样用不同浓度盐溶液饱和时的强度特性,分析和总结试验结果可得到以下结论.

(1)在纯水状态下,GMZ07膨润土试样的强度高于掺砂混合物试样的强度,在纯膨润土试样剪切试验结果中呈现应变软化现象,而掺砂混合物试样中呈现应变硬化现象.主要原因是试样中的膨润土有效干密度不同,掺砂混合物试样中膨润土有效干密度低于纯膨润土试样.

(2)NaCl浓度对饱和GMZ07膨润土及其掺砂混合物的强度特性有明显影响.随着NaCl浓度的升高,GMZ07膨润土及其掺砂混合物的抗剪强度会明显增大,且内摩擦角增大.相对于纯膨润土,NaCl浓度对掺砂混合物试样的强度影响更加明显.

(3)NaCl会导致蒙脱石颗粒表面以及颗粒内层叠体的双电层厚度变薄,同时NaCl离子会增大颗粒间的渗透吸力,导致蒙脱石颗粒表面呈现细粒化.随着NaCl浓度的升高,这种颗粒表面细粒化的程度更加明显,比表面积增大,颗粒间的相互作用增强,导致GMZ07膨润土试样的强度和内摩擦角增大.

(4)在不同掺砂率混合物中,掺砂率越高其单位质量膨润土中所含NaCl的质量越高;又因为掺砂率30%和50%两种混合物试样的强度是由膨润土起主要作用,同时NaCl浓度越高,膨润土试样强度越大.因此,在一定浓度的盐溶液饱和条件下,不同掺砂率混合物试样的掺砂率越高,其强度及内摩擦角越大.