車悅,孫德安

(上海大學(xué)土木工程系, 上海 200444)

高放廢物安全處置是一個(gè)受到廣泛關(guān)注的世界性難題. 多年的研究表明, 高放廢物的深層地質(zhì)處置是唯一可行且永久的解決方法[1]. 深層地質(zhì)處置中核廢料的屏障包括廢物罐、緩沖材料和天然圍巖. 由于膨潤(rùn)土具有高膨脹性、低滲透性和優(yōu)良的核素吸附性能, 故非常適合用作廢物罐和天然圍巖之間的緩沖材料. 經(jīng)過長(zhǎng)期的篩查, 內(nèi)蒙古興和縣的高廟子膨潤(rùn)土成為我國(guó)緩沖材料的首選[2-3].

高放廢物深層地質(zhì)處置庫(kù)中的緩沖材料是由壓實(shí)膨潤(rùn)土塊砌成. 由于受到季節(jié)和天氣的影響, 在貯存、搬運(yùn)以及安裝過程中緩沖材料的濕度會(huì)發(fā)生變化. 另外, 壓實(shí)膨潤(rùn)土塊在工廠中預(yù)制, 當(dāng)搬運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)或現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需要綁扎起吊, 在這一過程中膨潤(rùn)土塊某些部位可能會(huì)受到拉力的作用, 因此有必要研究膨潤(rùn)土砌塊的抗拉強(qiáng)度. 在土體抗拉強(qiáng)度方面, Lu 等[4]建立了在已知內(nèi)摩擦角和土水特征曲線的條件下能預(yù)測(cè)濕砂抗拉強(qiáng)度的模型; 呂海波等[5]指出, 集合體間大孔隙的不飽和狀態(tài)產(chǎn)生的毛細(xì)壓力對(duì)膨脹土抗拉強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生較大的影響; Tang 等[6]通過試驗(yàn)研究了含水率對(duì)壓實(shí)黏性土抗拉強(qiáng)度的影響, 得到了抗拉強(qiáng)度隨著含水率先增大后減小的結(jié)論; Yin 等[7]分析和總結(jié)了現(xiàn)有的抗拉強(qiáng)度理論模型, 提出了非飽和無黏性土抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型. 目前, 抗拉強(qiáng)度的研究主要針對(duì)砂土、粉質(zhì)黏土、黏土和膨脹土, 而對(duì)膨潤(rùn)土的研究非常少.

在處置庫(kù)工程中, 膨潤(rùn)土砌塊在工廠中預(yù)制后因施工工序等原因, 可能被放置較長(zhǎng)時(shí)間,而其抗拉強(qiáng)度的升降也是工程設(shè)計(jì)中關(guān)注事項(xiàng)之一, 因此有必要研究膨潤(rùn)土砌塊抗拉強(qiáng)度的時(shí)效性. 有關(guān)土體性質(zhì)的時(shí)效性, Delage 等[8]研究了不同干密度和含水率壓實(shí)MX80 膨潤(rùn)土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的時(shí)效性. 隨靜置時(shí)間的增加, 由于在吸力平衡過程中水分重新分布從而導(dǎo)致聚集體間大孔隙減少, 聚集體內(nèi)小孔隙增多. 葉為民等[9]研究了壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)的時(shí)效性, 其研究表明隨試樣靜置時(shí)間增加, 蒙脫石水化, 厚的層疊體逐漸展開產(chǎn)生大量層疊體間孔隙, 導(dǎo)致集合體小孔隙增多; 賴曉玲等[10]研究了壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土膨脹力的時(shí)效性, 表明隨靜置時(shí)間的增加, 膨脹力前期降低較快而后期較慢, 直至平穩(wěn); 孫德安等[11]對(duì)不同含水率、不同靜置時(shí)間壓實(shí)膨潤(rùn)土進(jìn)行直剪試驗(yàn), 得出了抗剪強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律; 徐云山等[12]研究了靜置時(shí)間對(duì)高廟子膨潤(rùn)土熱傳導(dǎo)性能的影響. 研究表明, 由于蒙脫石水化導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨靜置時(shí)間的增加而減小, 且前期減小較快而后期漸趨于平穩(wěn). 上述對(duì)壓實(shí)膨潤(rùn)土的宏微觀特性時(shí)效性的研究已取得不少成果, 但是對(duì)抗拉強(qiáng)度時(shí)效性的研究幾乎沒有. 同時(shí),由于處置庫(kù)工程中長(zhǎng)期放置后膨潤(rùn)土的抗拉強(qiáng)度是施工設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一, 故非常有必要研究壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度的時(shí)效性.

本工作以不同含水率和干密度的壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土(GMZ 膨潤(rùn)土)為研究對(duì)象, 在保持含水率和干密度不變條件下, 將壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣分別靜置0, 7, 15, 30, 90 d 后進(jìn)行抗拉試驗(yàn), 得到抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的變化規(guī)律; 同時(shí), 結(jié)合膨潤(rùn)土的壓汞試驗(yàn)結(jié)果, 分析壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間變化的微觀原因; 根據(jù)干密度和濕度的變化, 初步提出核廢料處置庫(kù)中緩沖材料抗拉強(qiáng)度的變化范圍.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為高廟子膨潤(rùn)土, 其產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣高廟子地區(qū). 膨潤(rùn)土的主要礦物成分為蒙脫石和石英等, 其主要礦物成分和基本物理性質(zhì)如表1 所示. 試驗(yàn)用水為蒸餾水.

表1 膨潤(rùn)土的主要礦物成分和物理參數(shù)Table 1 Main minerals and physical parameters of bentonite

1.2 試樣制備

為了研究靜置時(shí)間、干密度和含水率對(duì)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度的影響, 本試驗(yàn)靜置時(shí)間分別設(shè)定為0, 7, 15, 30 和90 d, 初始干密度分別為1.6, 1.7 和1.8 g/cm3, 含水率分別為7%, 10%, 13%和16%. 含水率的選擇是考慮到甘肅北山(我國(guó)處置庫(kù)候選址)的氣候條件和施工可行性.

試樣壓制前, 將膨潤(rùn)土自然風(fēng)干, 測(cè)其含水率, 取適量已知含水率的自然風(fēng)干土放入容器中, 將目標(biāo)含水率下所需的水分用噴壺均勻噴灑在土樣上, 攪拌均勻. 當(dāng)自然風(fēng)干狀態(tài)含水率大于目標(biāo)含水率時(shí), 將自然風(fēng)干狀態(tài)膨潤(rùn)土放入105°C 的烘箱中, 控制放置時(shí)間得到目標(biāo)含水率. 將上述配好的膨潤(rùn)土放入聚乙烯塑料袋中密封靜置48 h 以上, 使土樣中的水分更加均勻. 然后, 根據(jù)設(shè)定的體積、含水率和干密度, 計(jì)算出所需膨潤(rùn)土的質(zhì)量, 倒入自制的制樣模具中. 用數(shù)顯壓力機(jī)進(jìn)行壓實(shí), 制成圓餅狀環(huán)刀樣. 試樣的高度為2 cm, 直徑為6.18 cm(見圖1(a)).

考慮到壓實(shí)膨潤(rùn)土?xí)r效性試驗(yàn)的精度要求, 先將帶環(huán)刀試樣用聚乙烯膜和聚乙烯袋密封包裹, 再將其放入自制的恒體積固定器中(見圖1(b)). 恒體積固定器是由4 塊不銹鋼圓鋼板和用于固定圓鋼板的4 根加長(zhǎng)螺栓以及若干螺帽組成. 最后, 用聚乙烯膜將恒體積固定器密封包裹, 經(jīng)靜置了目標(biāo)時(shí)間后, 供抗拉試驗(yàn)使用.

圖1 試樣準(zhǔn)備過程Fig.1 Sample preparation process

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)FLSY30-1 型應(yīng)力應(yīng)變控制式非飽和3 軸試驗(yàn)儀改造(見圖2). 改造后的裝置可施加豎向壓力和量測(cè)豎向位移. 對(duì)圓餅試樣的徑向施加和量測(cè)壓力, 直至試樣壓裂. 本試驗(yàn)即為巴西試驗(yàn), 可計(jì)算得到試樣的抗拉強(qiáng)度. 巴西試驗(yàn)是較為簡(jiǎn)單的測(cè)量抗拉強(qiáng)度方法. 基于對(duì)心受力圓盤的彈性理論解析解, 圓餅試件中心的拉應(yīng)力為

圖2 施加豎向壓力和量測(cè)豎向位移裝置Fig.2 Testing device for applying vertical pressure and measuring vertical displacement

式中:P為試樣破壞時(shí)中心的極限壓力;d和t為試樣的直徑和厚度.

圖3 為當(dāng)含水率為13%時(shí)不同干密度(ρd為1.6, 1.7, 1.8 g/cm3)試樣的拉應(yīng)力與徑向位移關(guān)系曲線. 從圖中可以看出, 拉應(yīng)力隨著徑向位移的增大而增大, 達(dá)到一定數(shù)值后試樣拉應(yīng)力急劇下降, 拉應(yīng)力與徑向位移關(guān)系曲線出現(xiàn)明顯的尖點(diǎn). 把尖點(diǎn)當(dāng)作拉伸破壞點(diǎn), 此時(shí)拉應(yīng)力σ為抗拉強(qiáng)度σt.

圖3 w =13%時(shí)GMZ 膨潤(rùn)土拉應(yīng)力與軸向位移的關(guān)系Fig.3 Relationship between tensile stress and radial displacement of GMZ bentonite at w =13%

圖4 為抗拉強(qiáng)度與施壓速率的關(guān)系曲線. 從圖中可看出曲線較為平緩, 說明施壓速率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小, 故選取2 mm/min 作為本試驗(yàn)的施壓速率. 試驗(yàn)是在不通風(fēng)條件下進(jìn)行的, 試驗(yàn)前后分別測(cè)含水率, 二者相差較小, 可認(rèn)為含水率基本不變.

圖4 抗拉強(qiáng)度與施壓速率的關(guān)系Fig.4 Relationship between tensile strength and velocity of applied pressure

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5 為當(dāng)含水率分別為7%, 10%, 13%, 16%, 干密度分別為1.6, 1.7, 1.8 g/cm3時(shí)的壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土在靜置0, 7, 15, 30, 90 d 后的抗拉強(qiáng)度變化. 從圖中可以看出, 膨潤(rùn)土的抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的增加而減小, 試樣在靜置30 d 以后其抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間變化不大, 即基本保持穩(wěn)定. 靜置時(shí)間對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響與含水率有關(guān), 從圖中可以看出當(dāng)含水率為13%時(shí),抗拉強(qiáng)度與靜置時(shí)間關(guān)系曲線位于最上側(cè), 即在相同靜置時(shí)間下其抗拉強(qiáng)度為最大; 當(dāng)含水率為7%時(shí), 該曲線位于最下側(cè), 即在相同靜置時(shí)間下其抗拉強(qiáng)度為最小; 而當(dāng)含水率為10%和16%時(shí)則介于上述二者之間. 當(dāng)含水率為13%、干密度為1.6 g/cm3時(shí), 靜置時(shí)間從0 d 到30 d, 其抗拉強(qiáng)度減小了13.5%; 當(dāng)干密度為1.7 g/cm3時(shí), 抗拉強(qiáng)度減小了12.9%; 而當(dāng)干密度為1.8 g/cm3時(shí), 抗拉強(qiáng)度減小了12.9%. 可見, 抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間增加的減小程度隨干密度的增大而略微減小.

圖5 不同含水率GMZ 膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間的變化Fig.5 Variation of tensile strength of GMZ bentonite with ageing time at different water contents

圖6 為靜置時(shí)間分別為0, 7, 15, 30, 90 d, 干密度分別為1.6, 1.7, 1.8 g/cm3時(shí)的壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度隨含水率的變化. 從圖中可以看出, 抗拉強(qiáng)度隨含水率先增大后減小, 在含水率為13%時(shí)為最大值. 另外, 在不同的靜置時(shí)間和干密度條件下, 抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出相同的趨勢(shì), 即隨含水率先增大后減小. 可見, 這一變化趨勢(shì)與靜置時(shí)間和干密度無關(guān).

圖6 不同靜置時(shí)間GMZ 膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度隨含水量的變化Fig.6 Variation of tensile strength of GMZ bentonite with water contents at different ageing time

圖7 為當(dāng)含水率為13%時(shí)壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度隨干密度變化的曲線. 從圖中可以看出, 抗拉強(qiáng)度是隨干密度的增大而線性增大, 而干密度越大抗拉強(qiáng)度越高, 說明適當(dāng)提高干密度可使抗拉強(qiáng)度顯著增大. 當(dāng)靜置時(shí)間為0 d 時(shí), 抗拉強(qiáng)度與干密度關(guān)系線位于最上側(cè), 7,15, 30, 90 d 依次向下.

3 膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度時(shí)效性的微觀機(jī)理解釋

上述研究結(jié)果表明, 不同的含水率和干密度膨潤(rùn)土的抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間增加而減小, 這可能與試樣在靜置過程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化有關(guān). 為了研究抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間變化的原因, 本工作引用Xu 等[13]在相同條件下對(duì)相同試樣的壓汞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

Lloret 等[14]的研究表明, 壓實(shí)膨潤(rùn)土的集聚體間與集聚體內(nèi)孔隙的分界點(diǎn)在0.15 μm 左右, 由此本工作認(rèn)為大于0.15 μm 的孔隙為集聚體間大孔隙, 小于0.15 μm 的孔隙為集聚體內(nèi)小孔隙. 總孔隙包括集聚體間孔隙和集聚體內(nèi)孔隙, 因此試樣集聚體內(nèi)孔隙比em為

式中:etotal為總孔隙比;eM為d ＞0.15 μm 的孔隙比.

圖8 為分別靜置1, 30, 100 d 后, 當(dāng)干密度為1.6 和1.8 g/cm3、制樣含水率為14%時(shí)的壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的累積壓入曲線. 由圖可以看出, 隨靜置時(shí)間的增加, 集聚體間大孔隙減少,集聚體內(nèi)小孔隙增多. 從圖7(a)可以看出, 靜置100 d 后, 當(dāng)干密度為1.6 g/cm3時(shí)的試樣集聚體間孔隙比從0.368 減小到0.313(0.725-em100), 減小了14.9%; 集聚體內(nèi)孔隙比從0.357增大到0.412, 增大了15.4%. 由圖7(b)可以看出, 靜置100 d 后, 當(dāng)干密度為1.8 g/cm3時(shí)的試樣集聚體間孔隙比從0.176(0.533-em1)減小到0.146(0.533-em100), 減小了13.6%; 集聚體內(nèi)孔隙比從0.357 增大到0.387, 增大了8.4%. 可見, 隨著靜置時(shí)間的增加水化程度增大. 因此, 隨靜置時(shí)間增加壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度減小的原因是隨靜置時(shí)間的增加, 土中水分子逐漸向蒙脫石層間移動(dòng), 蒙脫石水化, 層疊狀的晶層吸水膨脹逐漸展開, 顆粒間的連接逐漸變?nèi)踔敝令w粒分割, 從而使抗拉強(qiáng)度降低(見圖9).

圖7 w =13%時(shí)GMZ 膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度隨干密度和靜置時(shí)間的變化Fig.7 Variation of tensile strength of GMZ bentonite with dry densities and ageing time at w =13%

圖8 含水率為14%時(shí)不同干密度下GMZ 膨潤(rùn)土的累積壓入曲線Fig.8 Cumulative intruded void ratio of GMZ bentonite with water content of 14% and different dry densities

圖9 壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度隨靜置時(shí)間減小的機(jī)理解釋示意圖Fig.9 Diagram of mechanism that tensile strength of compacted bentonite decreases with increasing time

4 結(jié) 論

本工作對(duì)不同的含水率、干密度、靜置時(shí)間的壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土試樣進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn); 運(yùn)用壓汞試驗(yàn)結(jié)果, 結(jié)合膨潤(rùn)土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)隨靜置時(shí)間變化情況, 分析了抗拉強(qiáng)度時(shí)效性機(jī)理, 得出如下結(jié)論.

(1) 壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的抗拉強(qiáng)度與含水率、干密度和靜置時(shí)間有關(guān). ①抗拉強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律如下: 當(dāng)含水率為7%至13%時(shí), 抗拉強(qiáng)度隨含水率的增大而增大, 但超過13%后隨含水率的增大而減小; 壓實(shí)膨潤(rùn)土的抗拉強(qiáng)度隨干密度的增大而增大, 且呈線性增大;②隨靜置時(shí)間壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律如下: 前期減小較大, 后期逐漸趨于穩(wěn)定, 大約靜置30 d 后抗拉強(qiáng)度基本不變. 因此, 上述結(jié)果可為高廟子膨潤(rùn)土塊抗拉強(qiáng)度提供上下限的參考值.

(2) 在靜置過程中土中水分子逐漸向蒙脫石層間移動(dòng), 蒙脫石水化, 層疊狀的晶層吸水膨脹逐漸展開, 顆粒間連接逐漸變?nèi)踔敝令w粒分割, 從而使抗拉強(qiáng)度降低. 這就是隨靜置時(shí)間增加壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度減小的原因.