膨润土持水特性试验研究及其SEM微观定性分析

姜彤， 王兴翠， 张俊然

(华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

膨润土的吸水性极强、膨胀性较大、渗透性极低和吸附核素离子性能较强，因而被许多国家首选为核废料地质处置库中工程屏障的缓冲或回填材料。膨润土在工程应用中因自身吸水体积膨胀，可以堵塞周围介质中的孔隙，从而有效地阻止核废物处置处的放射性物质向周围环境迁移[1]。

膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，含量为85%～90%，膨润土的一些性质也都是由蒙脱石决定的。蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2∶1型晶体结构，具有较强的吸水性和离子交换性，所以蒙脱石的理化性质与其自身的内部结构有很重要的关系。例如，贾景超等[2]研究了孔隙水溶液浓度对膨胀土膨胀特性的影响，研究结果表明，蒙脱石晶层的胀缩性受溶液的浓度影响。因此，可通过研究膨润土的土-水特征曲线和微观结构来分析膨润土的性能特征。

国内外学者已对膨润土的膨胀特性、变形特征、土水特性等方面进行了大量的研究。如白福青等[3]采用滤纸法测定了南阳中膨胀土在0.6～3.0 MPa吸力范围内的土-水特征曲线。吴珺华等[4]采用滤纸法测定了裂隙膨胀土在0.01～50 MPa吸力范围内的土-水特征曲线。孙德安等[5]在室温下用滤纸法和压力板法对Kunigel-V1和高庙子两种膨润土进行了试验研究，分析了土-水特征曲线与孔隙比之间的关系以及两种膨润土的持水性。JIANG Yao等[6]为了研究中国西北部非饱和黄土的基本性质，进行了一系列试验，研究了初始干密度和含水量对黄土土-水特征曲线的影响。学者们对低吸力条件下膨润土的土水特性研究较多，而对高吸力条件下膨润土的土水特性研究较少，单一的试验方法限制了吸力测量范围。本文分别运用滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法对膨润土进行持水特性试验，获得不同吸力范围内膨润土的土-水特征曲线；并通过建立模型，得出膨润土的土-水特征曲线的预测公式。

近年来，膨润土的微观结构研究也已成为热点，如房后国等[7]、张季如等[8]通过对比软黏土固结前后的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)照片，研究了软黏土固结过程中微孔隙的大小、数量及其分布的演化规律；叶为民等[9]、傅喆等[10]采用蒸汽平衡法和渗析法吸力控制技术，借助压汞法和环境扫描电子显微镜(Environmental Scanning Electron Microscope,ESEM)等试验手段，研究了膨润土的微观结构变化特征；LIN Botao等[11]使用SEM和ESEM将两种天然膨胀土压实并研究了其微观结构；DIEUDONNE Anne-Catherine等[12]提出了一个新的持水模型，考虑了压实膨润土在各个结构层面的适当保留机制，即聚集体内孔隙中的吸附和聚集体间孔隙中的毛细管现象。本文则联合运用蒸汽平衡法和SEM对特定吸力点的膨润土样品进行试验，并借助Image Pro-Plus (IPP)分析软件研究高吸力条件下膨润土的微观结构孔隙特征。

1 试验用土的基本物性指标

试验所用土样为膨润土，其颗粒分布曲线如图1所示。由图1可计算得膨润土试样的级配指标：Cu=2.52，Cc=1.07，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)判定试验土样级配不良。液限为227.7%，塑限为43.1%，塑性指数为184.6，比重为2.75。

图1 膨润土的粒径分布曲线

通过X射线衍射仪(D/max-rB)对膨润土中的黏土矿物和非黏土矿物进行定性与定量分析，并依据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)得到了相应的检测结果，如图2所示。图2表明：膨润土的主要矿物成分为蒙脱石(78.9%)，次要矿物成分为伊利石(4.1%)、石英(10%)、方石英(3%)和白云石(4%)。

图2 膨润土的X射线衍射结果

2 试验方案

2.1 滤纸法

滤纸法采用Whatman No.42圆状滤纸，直径为55 mm，采用LEONG E C等[13]提出的基质吸力率定公式。

(1)

式中：s为基质吸力，kPa；wf为滤纸的含水率，%。

膨润土在不同初始干密度条件下的具体试验方案见表1。

表1 膨润土滤纸法试验方案

将制备好的试样装入密封盒之前，要在试样下方平铺3张滤纸，中间一张滤纸通过裁剪稍微小于上下两张滤纸，中间一张滤纸用来测量基质吸力。试验前，滤纸要放入(100±5)℃烘箱中烘干16 h以上，以确保滤纸干燥，然后放干燥器中冷却储存备用。将密封盒放入恒温恒湿箱(控制温度(25±2)℃)进行吸力平衡14 d。吸力平衡后，小心且快速地用镊子将滤纸逐一取出，用精度为万分之一的天平逐一称量滤纸质量，计算试验后的滤纸含水率。然后根据率定公式(1)计算得到试样的基质吸力[9]。

2.2 蒸汽平衡法

蒸汽平衡法是以渗析技术为理论指导的试验方法，试验采用的溶液为饱和盐溶液。在密闭容器中，因为土样与溶液间存在压力差，促使水分子在两者之间移动，直到土样与盐溶液之间的吸力达到平衡。蒸汽平衡法是目前试验中最常用的高吸力控制技术，它主要通过不同吸力的饱和盐溶液(吸力范围3～368 MPa)控制环境湿度，从而达到控制土样吸力的目的。所选饱和盐溶液相对湿度值及其所对应的吸力见表2。

表2 饱和盐溶液相对湿度及其对应的吸力值

蒸汽平衡法试验中控制试样的初始含水率为35%、初始干密度为1.35 g/cm3，并制10个环刀样。在记录完试样的相关初始数据后，将试样分别放入饱和盐溶液的干燥容器中，将土样放置在饱和盐溶液的正上方的篦子上，并密封干燥器。起初每隔10 d左右称量土样的重量，当土样的重量在一周内的变化小于0.01 g时，认为土样的吸力与对应饱和盐溶液的蒸汽压力达到平衡，而后取出试样用烘干法测量土样的含水率。

2.3 SEM试验

称取一定量的烘干膨润土，制备2个初始含水量为35%、初始干密度为1.35 g/cm3的土样，每个试样分成8小块；将土样放置在不同吸力的盐溶液蒸汽平衡器中。待吸力达到平衡后，选取吸力控制点(367.54、149.51、71.12、38.00 MPa)下的土样进行微观试验。先用液氮将样品冷冻升华，然后将样品放到冷冻干燥机中进行真空低温处理，并高速抽气将样品所含的水分抽干，以保持土样微观结构不变。试样在扫描前需要处理成薄片，从中选择比较平整的、有代表性的新鲜断面，以保持土样表面原始结构形态。经过喷金处理、抽真空后，用JBM-7500F场发射扫描电镜对样品进行扫描拍照，从而获取土样的微观结构信息[14]。

3 试验结果及分析

3.1 土-水特征曲线

3.1.1 滤纸法的土-水特征曲线

由滤纸法得到的不同初始干密度试样的土-水特征曲线如图3所示。由3(a)可以看出，土-水特征曲线用饱和度Sr和基质吸力s的关系表示时，曲线随着初始干密度的增大向右上方偏移。由图3(b)可以看出，土-水特征曲线用含水率w和基质吸力s的关系表示时，曲线随着初始干密度的增加而向左下方偏移。

图3 不同初始干密度试样的土-水特征曲线

不同初始干密度条件下，试样的孔隙比e与基质吸力s的关系如图4所示。由图4可知：孔隙比随着初始干密度的减小而增大；同一干密度条件下，孔隙比与基质吸力的关系曲线近似为水平线。

图4 不同初始干密度试样的孔隙比与基质吸力的关系

3.1.2 蒸汽平衡法的土-水特征曲线

由蒸汽平衡法得到的不同总吸力条件下的土-水特征曲线如图5所示。试样的孔隙比e与总吸力S的关系如图6所示。

图5 蒸汽平衡法测得的膨润土试样的土-水特征曲线

由图5(a)可知，土-水特征曲线由含水率和总吸力来表示时，含水率随着总吸力的增大而线性减小；由图5(b)可知，土-水特征曲线由饱和度和总吸力来表示时，饱和度也随着总吸力的增大而减小。由图6可知，膨润土试样的孔隙比随着总吸力的增大而先迅速线性减小,然后缓慢减小。

3.2 土-水特征曲线预测

3.2.1 土-水特征曲线数据的拟合

为了能够将土-水特征曲线更好地应用到相关计算中，需要把试验中的散点变为连续的数学函数，从而得到各类数学模型(如经验模型、物理模型、转换模型等)。比较著名的土-水特征曲线预测模型有BROOKS R H和GOREY A T[15]提出的BC模型、VAN GENUCHTEN M T[16]提出的VG模型、FREDLUND D G和XING A Q[17]提出的Fredlund and Xing(FX)模型。

本文采用FX模型对试验结果进行预测，得到试验土体的土-水特征曲线方程及相关拟合参数。FX模型用饱和度表示[18]：

(2)

式中：Sr为饱和度，%；s为吸力，kPa；sre为残余吸力；a、n、m是拟合参数。

利用FX模型对滤纸法测得的不同初始干密度条件下膨润土的土-水特征曲线进行拟合，结果如图7所示。由图7可知，不同初始干密度条件下膨润土的FX模型预测结果与试验实测值的拟合效果都很好。

图7 不同初始干密度膨润土的土-水特征拟合曲线

由FX模型拟合得到的初始干密度为1.35 g/cm3条件下膨润土的土-水特征曲线与实测值之间的关系如图8所示。由图8可知：初始干密度为1.35 g/cm3时，膨润土的FX模型在5 000～50 000 kPa吸力范围内的预测值基本与滤纸法的实测值重合；当吸力值大于50 000 kPa时，FX模型得到的预测曲线与饱和盐溶液的实测值拟合度较高。因此，可以用FX模型预测全吸力范围内的土-水特征曲线。

图8 初始干密度为1.35 g/cm3时膨润土的土-水特征曲线的预测值与实测值对比

3.2.2 预测模型的建立

利用FX模型对滤纸法测得的不同初始干密度膨润土的土-水特征曲线的拟合参数见表3。

表3 膨润土的土-水特征曲线的拟合参数

由表3可知：FX模型预测结果与试验实测值的拟合度都大于0.9，说明该模型拟合效果好；不同初始干密度条件下的拟合参数各有不同的规律，即初始干密度对拟合效果有一定的影响，且初始干密度为1.15 g/cm3条件下的拟合效果最佳。

膨润土的土-水特征曲线拟合参数与初始干密度之间的关系如图9所示。由图9可知：拟合参数a、n和m与初始干密度ρd0均成线性关系，相关系数大于0.90，相关性较好；拟合参数a和n均随初始干密度的增大而增大，而拟合参数m随初始干密度的增大而减小。

根据FX模型中拟合参数随初始干密度的变化规律，建立与初始干密度有关的函数，具体表达式为:

a=1 012.8+4 580.5ρd0，

(3)

n=-5.391 9+6.505ρd0，

(4)

m=2.155-1.24ρd0。

(5)

式(3)—(5)可用于预测膨润土的土-水特征曲线。

图9 土-水特征曲线拟合参数与初始干密度的关系

3.3 SEM微观分析

高吸力特定值条件下，膨润土在500x放大倍数时的SEM图像如图10所示。

由图10可知：膨润土中黏土矿物的含量比较高，膨润土试样中颗粒大多呈集聚体的形式结合在一起；随着总吸力的增大，膨润土集聚体的大小逐渐增大，膨润土颗粒之间也越紧密；孔隙数量随着总吸力的增大而减少、孔隙的最大长度随着总吸力的增大而减小。

用Image Pro-Plus(IPP)分析软件对1 000x放大倍数下的SEM照片进行处理，得到膨润土不同吸力条件下的阈值对应的表观孔隙比，见表4。由表4可知，膨润土的表观孔隙比随总吸力的增大而减小，这与图6得到的结论一致。

图10 不同吸力条件下膨润土的SEM图像

总吸力/MPa实测孔隙比e表观孔隙比e表 38.00 0.6150.616 71.12 0.5730.559 149.51 0.549 0.546 367.54 0.531 0.534

4 结语

用滤纸法研究了初始干密度对膨润土压实样的土-水特性的影响，同时运用FX模型对试验数据进行拟合；结合不同吸力条件下膨润土的SEM图像，对膨润土进行定性描述。得出了如下结论：

1)滤纸法的土-水特征曲线用饱和度和基质吸力关系表示时，土-水特征曲线随着初始干密度的增大向右上方偏移；土-水特征曲线用含水率和基质吸力关系表示时，土-水特征曲线随着初始干密度的增大向左下方偏移。

2)通过建立 FX模型参数与初始干密度的函数关系，提出了预测膨润土的土-水特征曲线的方法。

3)随着总吸力的增大，膨润土集聚体逐渐增大，膨润土颗粒之间也越紧密。孔隙数量随着总吸力的增大而减少、孔径也随着总吸力的增大而减小。膨润土颗粒间的紧密程度随总吸力的增大而增加，这与图6中孔隙比随总吸力的增加而减小的结论一致。