膨润土－砂混合物碱热耦合老化后的膨胀性能

吴恒川 刘俊新 葛方东

（西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621000）

核能因为能量密度大、利用效率高、污染排放集中等突出优点而被作为一种极具潜力和发展前景的新型清洁能源，在世界能源中所占比例也逐年提高。我国发展核能的空间广阔，但核能利用过程中产生的高放射性核废料，由于其含有毒性极大、半衰期很长的放射性核素，对其安全处置至今仍是一个世界性难题，也是制约核能高效、快速、安全发展的瓶颈。对于高放核废物的最终处置，曾经提出“太空处置”、“深海沟处置”、“冰盖处置”、“岩石熔融处置”等方案。经过多年的研究和实践，普遍接受的可行性方案是深地质处置，即把高放核废物埋在距离地表深约500～1 000 m的地质体中，使之与人类的生存环境永久隔离［1］。膨润土因其优良的高膨胀性和低渗透性常被认为是处置库人工屏障的理想缓冲和回填材料［2－3］。

深地质处置库投入使用后，膨润土在工作过程中一方面由于处置库中混凝土材料的衰退分解和地下水综合作用会受到高碱性溶液的长期渗透侵蚀，另一方面由于在处置过程中高放射核废释放的衰变热和地热梯度的影响会使膨润土周围处于高温状态。碱热双重耦合环境下膨润土的矿物成分会发生明显的变化，进而对膨润土的膨胀性能产生显著影响，而在纯膨润土中掺加部分石英砂可以在不明显影响回填缓冲材料膨胀特性、吸附性能、防渗性能的基础上提升缓冲回填材料的导热性与可施工性。因此，研究碱热耦合作用老化后膨润土－砂混合物的膨胀性能对于处置库长期安全运行的稳定性和安全性预测具有重要意义。

Laura［4］将两种不同浓度的NaOH溶液处理的膨润土分别放于不同温度环境下持续反应18个月，通过矿物分析表明，随着浓碱溶液浓度与环境温度的升高，膨润土中蒙脱石含量显著减少。David等［5］应用PRECIP软件对两种不同温度下碱溶液与膨润土反应后蒙脱石的溶解和次生矿物的形成进行了数值模拟研究，结果表明碱溶液会造成膨润土中蒙脱石的溶解并生成非膨胀性次生矿物。高子瑞［6］利用单轴固结仪对不同上覆荷载、不同浓度NaCl溶液作用下的膨润土膨胀变形特性进行了研究，结合有效压力的概念和计算方法，实现了用唯一一条曲线来描述膨润土的膨胀变形行为随着盐溶液浓度变化的规律。陈永贵［7］采用高压实的高庙子膨润土分别开展了不同盐梯度和不同循环路径下的恒体积膨胀力试验，结果表明在盐梯度循环作用下，随着盐溶液浓度和循环次数的增加，膨润土膨胀力显著降低。谈云志［8］利用马弗炉把膨润土置于105℃恒温环境下加热处理，90 d后发现其晶面间距缩合，出现了硅质氧化物胶结，导致颗（团）粒聚集，且缩合行为不可逆。陈航［9］通过向膨润土掺入石英砂，发现干密度相同时，随掺砂率的增大试样导热系数增大。

本文以高庙子钠基膨润土为主料，通过模拟碱－热耦合老化过程获得老化时长不同的膨润土，对膨润土和初始状态为最优干密度和最优掺砂率的混合土进行试验，研究在长时间尺度下碱－热耦合作用对膨润土－砂混合物膨胀性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用钠基膨润土取自内蒙古高庙子乡，其主要黏土矿物为蒙脱石。石英砂辅料产自四川省成都市，砂粒粒径在0.5～0.1 mm之间［10］。试验材料基本物理参数见表1。

表1 高庙子膨润土基本物理性质Table 1 Basic physical properties of GMZ bentonite

1.2 试样制备

本试验所用膨润土分别放入密封容器中用1 mol／L的NaOH溶液浸泡，因为处置库理论温度可以达到90℃，所以将密封容器放入设定为90℃的高温烘箱中进行2～12个月的碱热耦合反应，模拟膨润土在地质库中的运行情况。

老化后的膨润土取出后先进行粉碎再过200目筛，为了减少膨润土的团粒聚集现象，假定初始含水率对膨润土－砂混合物的最大膨胀力没有重大影响［13］，通过气相饱和法来稳定膨润土的含水率。将石英砂与膨润土－砂混合物的干质量之比作为掺砂率（Rs），根据朱丽萍对于加权平均型与几何平均型综合评判模型下的混合物综合性能表现研究［11］，将最优掺砂率设置为30%，最优干密度设置为1.7 g／cm3。在自制的模具套筒中压制高30 mm、直径50 mm的6组试样，试样的制作过程严格按照土工试验规程，试样初始条件见表2。

表2 试样初始条件统计表Table 2 Statistical table of initial conditions of samples

1.3 试验方法

1.3.1 自由膨胀率试验

本试验采用自由膨胀率测定仪测定自由膨胀率。碱热耦合老化不同时长后的松散干燥的试样在纯水中膨胀稳定后的体积增量与原体积之比即为自由膨胀率。依据《土工试验规程》的操作步骤，自悬液澄清后每隔2 h测读1次土面高度（估读至0.1 mL），当6 h内2次读数差值不超过0.2 mL时，认为膨润土自由膨胀基本完成。经上述步骤试验可以得到该膨润土土样的自由膨胀率。

1.3.2 膨胀力试验

本试验采用自主研制的双向膨胀力检测仪（如图1所示）测定膨胀力。将高30 mm、直径50 mm的试样装入金属膨胀筒，通过旋转压头对试样施加1.5 MPa的预压力并预压24 h以减少试样回弹对膨胀力试验结果的影响。打开膨胀筒进水阀门通入蒸馏水排出筒底空气，然后利用氮气瓶对膨胀筒内试样加压2.0 MPa。通过自动采集系统采集数据绘制膨胀力－时间双向曲线。由于在膨润土中添加了石英砂，增加了试样中的毛细通道，显著提高了毛细饱和的进度，从而缩短了膨胀完成的时间，所以当观测到双向膨胀力－时间双向曲线稳定后则认为膨胀基本完成，整个过程约48～72 h。

图1 双向膨胀力仪示意图Fig.1 Schematic diagram of bidirectional expansion force tester

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

不同老化时长的膨润土－砂混合物的双向膨胀力－时间曲线如图2所示。对比试验结果可以发现，试样膨胀力在48 h之后基本稳定，而随着老化时间的延长，膨润土－砂混合物双向膨胀力呈现明显下降趋势，且试样轴向方向膨胀力大于径向方向膨胀力（图3）。试验结果与陈永贵［12］关于膨润土膨胀力尺寸效应的研究一致。

图2 膨胀力－时间曲线与老化时长的关系Fig.2 Relationship between expansion time effect and aging time

图3 最大膨胀力与老化时间的关系Fig.3 Relationship between maximum expansion force and aging time

不同老化时长的膨润土自由膨胀率－老化时间曲线如图4所示。从试验结果可以发现，膨润土的自由膨胀率随着老化时间延长明显降低。

图4 自由膨胀率与老化时间的关系Fig.4 Relationship between free expansion rate and aging time

2.2 碱热耦合对膨润土－砂混合物膨胀性能的影响

膨润土的膨胀由3个阶段组成：一是晶层间孔隙被水填充，单元层之间可交换阳离子发生水化反应，这一阶段是由于蒙脱石单元层之间可交换阳离子水化作用引起的，称为晶体膨胀；二是层叠体吸水膨胀并充填集合体内；三是层叠体厚度膨胀分裂变薄，致使集合体膨胀。第二、第三阶段是由于层叠体双电层扩散膨胀引起，称为双电层膨胀［14］。

碱热耦合老化对晶体膨胀的影响是造成膨润土中主要膨胀矿物蒙脱石的溶蚀［15］，即蒙脱石与碱性溶液反应生成膨胀性较小的或非膨胀性的次生矿物，如钠长石等，且随着温度的升高和老化时长的增加，反应将会继续进行。矿物成分分析结果如图5所示。膨润土随着老化时间的增加，蒙脱石含量减少，钠长石含量增加，降低了单元层与层叠体的膨胀性，从而造成膨胀性能衰减。碱热耦合老化对双电层膨胀的影响是降低了渗透势能，即相邻两个平行晶层之间扩散双电层的厚度受到两个晶层中间平面处离子浓度的影响［16］，根据公式［17］：

图5 膨润土矿物含量的变化曲线Fig.5 Variation curve of mineral content in bentonite

h＝nsδsem－（ns－1）dm

式中：h为扩散双电层的厚度；ns为层叠体中晶层数量；δs为晶层厚度；em为蒙脱石孔隙比；dm晶层间距。碱热耦合环境下，膨润土扩散双电层的厚度减少，在恒体积不变的情况下，膨胀土－砂混合物的膨胀力和自由膨胀率显著下降。

3.3 老化时长对膨润土－砂混合物膨胀性能的影响

试验得到试样最大膨胀力与老化时间回归关系式：

膨润土自由膨胀率与老化时间回归关系式：

随着碱热耦合老化作用时间的延长，膨润土－砂混合物最大膨胀力与膨润土自由膨胀率均明显降低。碱溶液的入渗作用会使试样混合物颗粒间流通管道的总体尺寸增大，从而导致试样中溶液流通量增大，渗透性变大［18］，加快膨润土的主要有效成分蒙脱石与碱溶液的溶解反应，最终降低了膨润土的膨胀性能。

3 结论

本文通过对碱热耦合老化后膨润土－砂混合物的膨胀性能试验，得出以下结论：（1）碱热耦合老化作用会造成膨润土中主要膨胀矿物蒙脱石的溶蚀，使其转化成膨胀性较小的或非膨胀性的矿物，并减小其扩散双电层的厚度，降低膨润土－砂混合物的膨胀性能；（2）随着老化时间的延长，膨润土的主要有效成分蒙脱石与碱溶液的溶解反应不断增加，膨润土－砂混合物的膨胀力和膨润土的自由膨胀率都明显降低。