劉　毅

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司　廣州　510230)

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高廟子膨潤(rùn)土水化膨脹特性及其微觀機(jī)理研究*

劉毅

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司廣州510230)

膨潤(rùn)土具有遇水膨脹的特性，是高放核廢料深地質(zhì)處置庫(kù)理想的緩沖回填材料。膨脹特性是其作為緩沖材料最重要的性能之一，同時(shí)受多方面因素的影響。本文以我國(guó)首選緩沖材料——高廟子膨潤(rùn)土為研究對(duì)象，以含水率和干密度為控制變量，以恒體積法為試驗(yàn)方法，研究了高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的水化膨脹特性，采用壓汞試驗(yàn)法(MIP)對(duì)膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并以此對(duì)水化膨脹特性進(jìn)行了解釋。膨脹力試驗(yàn)結(jié)果表明，高廟子膨潤(rùn)土的膨脹力發(fā)展形式和最大膨脹力均受試樣含水率和干密度影響，干密度較小時(shí)，水化曲線呈明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，干密度較大時(shí)，水化曲線形態(tài)與含水率相關(guān)，隨著含水率增大，雙峰結(jié)構(gòu)逐漸消失。MIP試驗(yàn)結(jié)果表明，高廟子膨潤(rùn)土的孔徑分布同樣受含水率和干密度影響，隨著含水率和干密度降低，集合體間大孔隙體積增多。膨潤(rùn)土的水化膨脹曲線受集合體間大孔隙影響顯著。大孔隙較多時(shí)，膨潤(rùn)土集合體能迅速膨脹形成臨時(shí)結(jié)構(gòu)，當(dāng)膨脹力超過(guò)臨時(shí)結(jié)構(gòu)的極限荷載時(shí)發(fā)生坍塌，膨脹力回落，內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組后繼續(xù)水化達(dá)到最大膨脹力，因此其水化膨脹曲線呈明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。隨著大孔隙量減少，水化膨脹曲線由雙峰結(jié)構(gòu)演變成一條平滑曲線。

高廟子膨潤(rùn)土膨脹力壓汞儀法(MIP)微觀結(jié)構(gòu)

0　引　言

隨著人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，核能作為新型清潔能源，逐漸受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。然而，核能利用在造福人類的同時(shí)也產(chǎn)生了大量高放射性廢棄物，嚴(yán)重威脅到人類的生命安全。目前，對(duì)于高放射性核廢料的處置問(wèn)題，國(guó)際上公認(rèn)可行的方法是深地質(zhì)處置法(沈珍瑤， 2001)。在深地質(zhì)處置庫(kù)中，以膨潤(rùn)土作為緩沖材料，可以緩解處置庫(kù)周圍圍巖壓力對(duì)廢物罐的擠壓，同時(shí)還能封閉兩者之間的空隙，以達(dá)到減緩高放射性核廢物泄漏的目的(徐國(guó)慶， 1996)。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的對(duì)比研究和篩選，高廟子膨潤(rùn)土被確定為我國(guó)核廢料處置首選的緩沖回填材料(徐國(guó)慶等， 1996； 王駒等， 2006)。

作為緩沖回填材料，高壓實(shí)膨潤(rùn)土具有遇水吸濕膨脹的特性，可以密封高放廢物處置庫(kù)建造過(guò)程中產(chǎn)生的縫隙，還能填塞圍巖中因卸載引起的裂縫。因此，遇水后膨潤(rùn)土可形成一道完整的人工屏障，阻止地下水滲入、核素遷移和高放廢物的輻射擴(kuò)散(劉月妙等， 2001)。因此，研究膨潤(rùn)土的水化膨脹特性對(duì)于處置庫(kù)中緩沖材料緩沖性能的發(fā)揮具有重要理論與工程實(shí)踐意義。

膨潤(rùn)土遇水而保持體積不變所需要的壓力被定義為膨脹力。在設(shè)計(jì)和建造高放廢物處置庫(kù)過(guò)程中，緩沖材料的膨脹力是基本參數(shù)，同時(shí)也是衡量膨潤(rùn)土膨脹性能的關(guān)鍵指標(biāo)(王駒， 2007)。為了確保高放廢物處置庫(kù)的安全合理，有必要對(duì)膨潤(rùn)土的膨脹性能進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外研究人員(Pusch， 1982； Gray et al.，1984； Komine et al.，1994， 1996； 劉月妙等， 2001； 劉泉聲等， 2002； 李獻(xiàn)民等， 2003； Suzuki et al.，2005； Imbert et al.，2005； 謝云等， 2006， 2007； 葉為民等， 2007； 秦冰等， 2009； 徐永福等， 2014； 楊長(zhǎng)青等， 2014)對(duì)膨潤(rùn)土的膨脹特性及其原理進(jìn)行了一系列探討性工作。劉月妙等(2001)對(duì)高廟子膨潤(rùn)土的壓實(shí)特性和膨脹特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，膨潤(rùn)土中的蒙脫石含量對(duì)試樣的各項(xiàng)特性均有明顯影響，壓實(shí)密度、壓實(shí)壓力以及膨脹特性均與蒙脫石含量有關(guān)。另外，膨潤(rùn)土膨脹變形受上覆壓力的影響，試樣在荷載作用下膨脹變形明顯減小。葉為民(2007)采用恒體積試驗(yàn)法對(duì)高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土GMZ01 的膨脹力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，膨脹力與水化時(shí)間的關(guān)系是一條漸近線，膨脹力和干密度呈良好的指數(shù)關(guān)系，時(shí)間/膨脹力與時(shí)間具有良好的線性關(guān)系，因此，干密度是影響高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土膨脹力的關(guān)鍵因素。秦冰等(2009)以高廟子鈉基膨潤(rùn)土GMZ001為研究對(duì)象，進(jìn)行了一系列不同干密度和不同初始吸力的三向膨脹力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三向膨脹力主要與干密度有關(guān)，初始吸力對(duì)其沒(méi)有明顯影響。初始吸力、干密度均會(huì)顯著影響膨脹力隨時(shí)間變化曲線的形狀，膨脹力變化速率隨干密度的增大而增大。最終平衡時(shí)間受干密度影響較大，受初始吸力的影響較小，最終平衡時(shí)間隨干密度的增大而增加。

現(xiàn)階段對(duì)膨潤(rùn)土膨脹特性的研究多是以膨潤(rùn)土的最終膨脹力或膨脹變形為研究對(duì)象，對(duì)水化膨脹的過(guò)程研究較少。因此，對(duì)膨潤(rùn)土水化膨脹過(guò)程的研究是十分必要的。

本文以高廟子膨潤(rùn)土為研究對(duì)象，以恒體積法為試驗(yàn)方法，研究了高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的水化膨脹過(guò)程，并采用壓汞儀法(MIP)對(duì)高廟子膨潤(rùn)土的水化膨脹過(guò)程進(jìn)行了微觀機(jī)理解釋。

1　膨脹試驗(yàn)

1.1樣品制備與試驗(yàn)過(guò)程

高廟子膨潤(rùn)土是一種鈉基膨潤(rùn)土，顏色為淺灰白色，產(chǎn)自我國(guó)內(nèi)蒙古高廟子地區(qū)，主要礦物為蒙脫石為主，其次還包括石英、長(zhǎng)石和方解石等礦物，具體礦物成分含量(表1)。

表1　膨潤(rùn)土試樣礦物成分Table1　Mineral component of bentonite specimen

礦物質(zhì)量百分比/%蒙脫石75.4石英11.7方英石7.3長(zhǎng)石4.3高嶺石0.8方解石0.5

高廟子膨潤(rùn)土具有較強(qiáng)的陽(yáng)離子吸附能力、較高的塑限指數(shù)和良好的水化能力，其各指標(biāo)(表2)。

表2　膨潤(rùn)土試樣參數(shù)Table2　Properties of bentonite specimen

比重塑限/%液限/%初始含水率/%2.663831310.56

初始狀態(tài)下的高廟子膨潤(rùn)土為粉末狀，其含水率通過(guò)水汽平衡法進(jìn)行控制，通過(guò)密封容器中的不同飽和鹽溶液來(lái)控制膨潤(rùn)土粉末的含水率，溶液與膨潤(rùn)土含水率(吸力)的關(guān)系(表3)。

表3　飽和鹽溶液與膨潤(rùn)土吸力和含水率關(guān)系Table3　Relationship of saturated solution with suction and water content

飽和鹽溶液吸力/MPa含水率/%K2CO311010.8NaCl3813.4K2SO4418.4

本試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和自主研發(fā)的制樣模具制備試樣。電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī) (圖1)能準(zhǔn)確控制位移和壓力，并記錄壓實(shí)過(guò)程的應(yīng)力與應(yīng)變路徑圖。制樣模具 (圖2)采用不銹鋼材料，由3部分組成：套筒、活塞與底座。套筒為高100mm、內(nèi)徑50mm的圓筒； 活塞為高250mm、直徑略小于50mm的圓柱體，與套筒內(nèi)壁密切接觸且能自由滑動(dòng)，活塞側(cè)邊設(shè)有4條排氣槽，以排除壓樣過(guò)程中的空氣； 底座用于裝填膨潤(rùn)土粉末制備試樣，中部圓孔內(nèi)徑50mm。

圖1　電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig. 1　Electro-mechanical universal testing machines

圖2　鋼制壓樣模具Fig. 2　Sample preparation mould

將不同初始含水率的高廟子膨潤(rùn)土粉末置入壓樣模具中，然后采用體積控制標(biāo)準(zhǔn)，以0.20mm·min-1的豎向壓實(shí)速率，將膨潤(rùn)土粉末壓密至干密度為1.7g·cm-3和1.4g·cm-3的圓餅狀試樣，直徑為50mm，厚度為10mm。試樣的初始參數(shù)(表4)。

采用自主研發(fā)的飽和膨脹滲透儀 (圖3)對(duì)試樣進(jìn)行恒體積膨脹力試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中保持高壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣的體積不變，并采用預(yù)先標(biāo)定的軸向壓力傳感器監(jiān)測(cè)膨脹力隨水化時(shí)間的變化。由于作為壓力室材料的不銹鋼的彈性模量較大，相對(duì)于膨潤(rùn)土的膨脹力水平可視為壓力室沒(méi)有體積變形。

表4　膨潤(rùn)土試樣的初始參數(shù)Table4　Parameters of bentonite specimen

編號(hào)干密度/g·cm-3含水率/%試樣質(zhì)量/g高度/mm直徑/mm1#1.710.836.9810502#1.713.437.8610503#1.718.439.5210504#1.410.830.4610505#1.413.431.1810506#1.418.432.551050

圖3　膨脹力試驗(yàn)裝置Fig. 3　Test apparatus of swelling pressure

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將表4中的試樣放入膨脹滲透儀中，從底部通入蒸餾水，同時(shí)采用無(wú)紙記錄儀記錄膨脹力的變化，每分鐘記錄一次讀數(shù)，直至讀數(shù)6h基本不變?yōu)橹埂?/p>

1.2試驗(yàn)結(jié)果

試樣水化膨脹過(guò)程中， 1#、2#、3#試樣的膨脹力隨時(shí)間的變化過(guò)程(圖4)。

圖4　膨潤(rùn)土水化膨脹曲線(1.7g·cm-3)Fig. 4　Curve of swelling pressure with time(1.7g·cm-3)

圖4所示結(jié)果表明，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，膨潤(rùn)土試驗(yàn)遇水開(kāi)始產(chǎn)生膨脹變形，但由于受到恒體積限制，產(chǎn)生水化膨脹力。此時(shí)由于吸力較強(qiáng)，水分快速進(jìn)入膨潤(rùn)土試樣，膨脹力快速增長(zhǎng)。其中， 1#試樣的膨脹力增長(zhǎng)速度最大， 3#試樣的增長(zhǎng)速度最小。說(shuō)明干密度相同時(shí)，初始含水率越小，膨脹速率越大。

隨著水化時(shí)間的增長(zhǎng)，尤其是在水化時(shí)間接近1000min時(shí)，3條曲線出現(xiàn)了明顯的形態(tài)差異。1#試樣的膨脹力隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，通水后約700min時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)峰值，之后膨脹力開(kāi)始回落，隨后再次升高，并最終趨于穩(wěn)定； 2#試樣的膨脹力-時(shí)間變化曲線雙峰結(jié)構(gòu)不明顯，膨脹力不出現(xiàn)回落，但于通水后700min時(shí)膨脹力增長(zhǎng)速率明顯變緩，約至1500min時(shí)增長(zhǎng)速率再次增大，最終趨于穩(wěn)定； 3#試樣的膨脹力隨時(shí)間變化呈平滑曲線，不出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，膨脹力增長(zhǎng)速率不斷減小，直至穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，干密度恒定時(shí)，隨著試樣初始含水率增大，膨脹力水化曲線逐漸由雙峰結(jié)構(gòu)向平滑曲線過(guò)渡。

與1#、2#、3#試樣保持相同含水率，降低試樣的干密度， 4#、5#、6#試樣的膨脹力隨時(shí)間變化過(guò)程如圖5 所示。

圖5　膨潤(rùn)土水化膨脹曲線(1.4g·cm-3)Fig. 5　Curve of swelling pressure with time(1.4g·cm-3)

與圖4 類似，干密度1.4g·cm-3情況下，膨脹力同樣隨著水分浸入迅速增大，且含水率較低的試樣(w=10.8%)，膨脹速率較大。

干密度1.4g·cm-3情況下，3種不同含水率試樣的水化曲線均呈現(xiàn)出非常明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。其中含水率最小的4#試樣甚至出現(xiàn)了第1個(gè)峰值大于第2個(gè)峰值的情況； 隨著含水率增大， 5#試樣的雙峰結(jié)構(gòu)已明顯趨于緩和，第1個(gè)峰值與4#試樣相差較大，同時(shí)也小于自身的第2個(gè)峰值； 隨著含水率的繼續(xù)增大， 6#試樣的雙峰結(jié)構(gòu)雖然依然較明顯，但相對(duì)于4#、5#試樣，水化曲線逐漸向平滑曲線過(guò)渡，整個(gè)曲線發(fā)展形式與1#試樣類似。

通過(guò)對(duì)比分析含水率相同的試樣(1#與4#； 2#與5#； 3#與6#)可得，干密度1.7g·cm-3的試樣最大膨脹力明顯大于干密度1.4g·cm-3的試樣，即壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的干密度與膨脹力之間存在一定的相關(guān)性，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果(劉月妙等， 2001； 王駒， 2007； 葉為民等， 2007； 秦冰等， 2009)一致。

2　MIP試驗(yàn)

膨潤(rùn)土在宏觀方面的膨脹特性主要由微觀結(jié)構(gòu)的變化所決定，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行了大量的相關(guān)試驗(yàn)研究(Suzuki et al.，2005； Imbert et al.，2005； 葉為民等， 2005， 2009； Marcial et al.，2006； 錢麗鑫， 2007)。為了能更好的解釋上述膨脹力試驗(yàn)結(jié)果，本文借助壓汞儀法(MIP)研究了高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的微結(jié)構(gòu)特征。

2.1試驗(yàn)過(guò)程

本文針對(duì)膨脹力試驗(yàn)中的1#、2#、5#試樣進(jìn)行了MIP試驗(yàn)，試樣參數(shù)如表4所示。制樣完成后將試樣放入準(zhǔn)備好的盛有液氮的鋁盒中，試驗(yàn)樣品在液氮中被速凍后與鋁盒一起放入冷凍干燥機(jī)，冷凍干燥機(jī)在-50℃條件下抽真空干燥，抽真空持續(xù)24h后，將試樣取出，放入AutoPore 9510型壓汞儀進(jìn)行微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

1#、2#試樣具有不同含水率，其他初始條件相同，以此可分析含水率對(duì)膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)的影響。2#、5#試樣具有不同干密度，其他初始條件相同，以此可分析干密度對(duì)膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

葉為民等(2009)對(duì)不同吸力條件下的高壓實(shí)高廟子膨潤(rùn)土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，在控制吸力為1MPa和0.1MPa時(shí)，孔隙均呈雙峰結(jié)構(gòu)分布，孔隙半徑主要分布兩個(gè)范圍內(nèi)，分別是0.3～4μm和80～340μm。本次試驗(yàn)結(jié)果表明，不同初始條件下，高廟子膨潤(rùn)土的孔徑分布曲線同樣呈現(xiàn)出明顯的雙峰形態(tài)，即膨潤(rùn)土中存在著兩種孔隙，一種是孔徑集中于10～100nm附近集合體內(nèi)孔隙，下文稱之為“小孔隙”，另一種是孔徑集中于1000nm附近集合體間孔隙，下文稱之為“大孔隙”。

1#、2#試樣孔徑分布曲線(圖6)，圖6 表明，高廟子膨潤(rùn)土的初始含水率對(duì)其孔隙分布有較大影響。在大孔隙段， 1#試樣的孔隙量明顯多于2#試樣，而在小孔隙段， 2#試樣的孔隙量多于1#試樣，說(shuō)明含水率增大，小孔隙量增多，大孔隙量減少。

圖6　不同含水率高廟子膨潤(rùn)土孔徑分布曲線(1.7g·cm-3)Fig. 6　Intruded pore volume versus mean pore diameter under different water contents(1.7g·cm-3)

圖7　不同干密度高廟子膨潤(rùn)土孔徑分布曲線(13.4%)Fig. 7　Intruded pore volume versus mean pore diameter under different dry densities(13.4%)

2#、5#試樣的孔徑分布曲線(圖7)，由圖7 可知，盡管試樣的干密度不同，但在小孔隙段，兩條孔徑分布曲線幾乎重合，即在當(dāng)前壓實(shí)應(yīng)力水平上，小孔隙受壓實(shí)應(yīng)力的影響很小。而在大孔隙段， 5#試樣的大孔隙量明顯多于2#試樣。此外，其大孔隙的平均孔徑也明顯較大，可見(jiàn)壓實(shí)應(yīng)力主要影響試樣集合體間大孔隙，即干密度增大的主要原因是大孔隙壓縮。

3　討論分析

膨潤(rùn)土的膨脹力來(lái)源主要是蒙脫石疊片的層間水化(對(duì)應(yīng)于晶格膨脹)。Sposito et al.(1982)和Bird(1984)在研究干蒙脫石吸水過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)：在水化開(kāi)始階段，極性水分子首先進(jìn)入晶層間孔隙，被吸附在晶層間，蒙脫石含水率不斷增加，晶層間吸附水分子由1層增加到4層，導(dǎo)致蒙脫石因晶層間距增加而膨脹。

Suzuki et al.(2005)分析了膨潤(rùn)土水化過(guò)程中微結(jié)構(gòu)的變化(圖8)。膨潤(rùn)土水化可分為3個(gè)階段。第1階段：層疊體間的層間孔隙被水填充，晶層的水分子層數(shù)增加； 第2階段：層疊體膨脹并且填充集合體內(nèi)微孔隙，集合體膨脹并不明顯； 第3階段：層疊體充填微孔隙后繼續(xù)膨脹，集合體膨脹裂開(kāi)。從第2到第3階段，大厚度層疊體可分裂為較薄的層疊體，層疊體中的層間距離保持為常數(shù)。由于較薄層疊體之間的孔隙比層間孔隙大，所以厚層疊體分裂時(shí)，將導(dǎo)致明顯的集合體膨脹，從而導(dǎo)致膨潤(rùn)土的膨脹。

圖8　水化過(guò)程中膨潤(rùn)土微結(jié)構(gòu)變化(Satoru et al.，2005)Fig. 8　Microstructure changes of bentonite during hydration(Satoru et al.，2005)

可以看出，膨潤(rùn)土在水化過(guò)程開(kāi)始時(shí)，水分子先進(jìn)入集合體的晶層中，晶層間水分子增多導(dǎo)致層間距離增大，集合體膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致了整個(gè)膨潤(rùn)土試樣的膨脹，在恒體積的約束下即產(chǎn)生膨脹力。這是膨脹試驗(yàn)結(jié)果中膨脹力隨水化時(shí)間迅速增長(zhǎng)的原因，而這也與許多學(xué)者的相關(guān)研究結(jié)果相同(錢麗鑫， 2007； 葉為民等， 2009)。

圖9　高廟子膨潤(rùn)土在壓實(shí)狀態(tài)下的SEM照片(錢麗鑫， 2007)Fig. 9　SEM photograph of compacted Gaomiaozi bentonite(Qian， 2007)

圖8表示的為理想的膨潤(rùn)土集合體變化情況，實(shí)際情況下集合體并非如此規(guī)則。錢麗鑫(2007)通過(guò)電鏡掃描試驗(yàn)(SEM試驗(yàn))發(fā)現(xiàn)，高廟子膨潤(rùn)土中集合體并非均勻的球形或橢球形，而是以非常不規(guī)則的形式存在(圖9)。因此膨潤(rùn)土在水化的時(shí)候，集合體是以不規(guī)則的形式膨脹，相互擠壓，此時(shí)集合體間仍有較多的大孔隙。

對(duì)于高廟子膨潤(rùn)土膨脹力的水化形態(tài)，秦冰等(2009)在研究高廟子膨潤(rùn)土GMZ001三向膨脹力特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高吸力高干密度試樣，其膨脹力-時(shí)間關(guān)系曲線在中間一段出現(xiàn)“平臺(tái)”(圖10)。

圖10　典型水化膨脹力曲線(秦冰等， 2009)Fig. 10　Typical curve of swelling pressure with time(Qin et al.，2009)

秦冰等(2009)認(rèn)為這個(gè)現(xiàn)象是由兩個(gè)因素引起的。首先，在集合體膨脹過(guò)程中，有部分蒙脫石顆粒會(huì)從集合體上脫落，形成高密度凝膠，填充集合體間的孔隙，這將導(dǎo)致浸水端面土體的滲透系數(shù)降低，水分向膨潤(rùn)土試樣內(nèi)部的浸入速率減慢。其次，位于試樣中部的膨潤(rùn)土，先要吸水膨脹填充其內(nèi)部的孔隙，然后繼續(xù)膨脹使膨脹力增加。低吸力試樣不出現(xiàn)平臺(tái)的情況，可解釋為第2種作用不顯著。

上述理論對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果中的雙峰結(jié)構(gòu)無(wú)法做出很好的解釋。結(jié)合本次MIP試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)膨脹試驗(yàn)結(jié)果中雙峰結(jié)構(gòu)的解釋如下。

試樣壓實(shí)過(guò)程中，膨潤(rùn)土被壓密成密實(shí)的顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通水后，水首先進(jìn)入到集合體晶層中，導(dǎo)致集合體膨脹，由于受到體積約束，膨脹力增大。因?yàn)榧象w形狀的不規(guī)則和大孔隙的存在，集合體相互擠壓形成臨時(shí)的、充滿空隙的骨架結(jié)構(gòu)。隨著集合體中水分的不斷增加，集合體逐漸軟化分裂，在膨脹力的作用下，臨時(shí)的骨架結(jié)構(gòu)屈服破壞，膨脹力出現(xiàn)一定回落。此后原集合體分裂成數(shù)個(gè)更小的集合體，填充原集合體間的大孔隙，土中應(yīng)力重新分布。至此，膨潤(rùn)土內(nèi)部顆粒分布已較均勻，但并未完全飽和，未飽和部分繼續(xù)吸水膨脹，膨脹力繼續(xù)增大，這就形成了膨脹力的雙峰結(jié)構(gòu)。

由MIP試驗(yàn)結(jié)果可知，含水率和干密度對(duì)膨潤(rùn)土的影響很大程度體現(xiàn)在對(duì)孔隙分布的影響。根據(jù)上述解釋，膨潤(rùn)土的孔隙分布，尤其是大孔隙的含量，決定了其水化膨脹的曲線形態(tài)。結(jié)合本次MIP試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)膨脹試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步解釋如下。

干密度相同時(shí)，含水率越低，膨潤(rùn)土中小孔隙越少，大孔隙越多。膨潤(rùn)土試樣在通水后集合體迅速膨脹，相互擠壓，形成骨架結(jié)構(gòu)，膨脹力增大； 1#試樣的含水率較低，大孔隙較多，骨架結(jié)構(gòu)中存在著較多空隙，因此不穩(wěn)定，在膨脹力作用下失穩(wěn)破壞很明顯，因而能觀察到明顯的雙峰結(jié)構(gòu)。3#試樣的含水率較高，集合體中初始水分較多，初始集合體體積較大，大孔隙較少，通水后集合體膨脹然后分解填充大孔隙，此過(guò)程中不出現(xiàn)骨架結(jié)構(gòu)屈服破壞的過(guò)程，因此其膨脹曲線是一條平滑曲線。2#試樣介于兩者之間，其水化曲線呈現(xiàn)出一種介于雙峰結(jié)構(gòu)和平滑曲線之間的一種過(guò)渡形態(tài)。

MIP試驗(yàn)結(jié)果表明，含水率相同時(shí)， 5#試樣中的大孔隙顯著大于2#試樣。即含水率相同時(shí)，干密度越小，膨潤(rùn)土中大孔隙越多。膨潤(rùn)土在通水后形成的骨架結(jié)構(gòu)在受膨脹力擠壓破壞，集合體碎塊填充大孔隙的現(xiàn)象會(huì)更加明顯。因此與含水率相同的大干密度試樣(1#～3#試樣)相比較，小干密度試樣(4#～6#試樣)水化時(shí)形成的雙峰結(jié)構(gòu)更加明顯。

與1#～3#試樣相似，隨著含水率的增大，原狀集合體的體積增大，大孔隙減少， 4#～6#試樣的雙峰結(jié)構(gòu)也趨于平緩。由于干密度較小，大孔隙依然較多，因此并不出現(xiàn)類似3#試樣的平滑曲線形式，但由4#～6#的曲線變化趨勢(shì)推斷，若初始含水率繼續(xù)增大，小干密度膨潤(rùn)土的水化曲線會(huì)演變成一條平滑曲線。

4　結(jié)　論

(1)膨脹力試驗(yàn)結(jié)果表明，高廟子膨潤(rùn)土的膨脹力受含水率和干密度的影響，其中干密度的影響非常明顯。

(2)高廟子膨潤(rùn)土的含水率和干密度影響其水化膨脹曲線的形狀，隨著含水率和干密度增大，膨脹曲線由明顯的雙峰結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成膨脹力不斷增大的平滑曲線形式。

(3)MIP試驗(yàn)結(jié)果表明，高廟子膨潤(rùn)土試樣的初始含水率和干密度決定了試樣中孔隙分布：含水率增大，大孔隙減少，小孔隙增多； 干密度增大，大孔隙減少，小孔隙不變。

(4)高廟子膨潤(rùn)土的水化膨脹曲線形狀受其孔隙分布的影響，主要由集合體間大孔隙決定。大孔隙較多時(shí)，膨脹曲線呈現(xiàn)出較明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，隨著大孔隙減少，雙峰結(jié)構(gòu)趨于平緩，膨脹曲線演變成一條不斷增大的平滑曲線。

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INVESTIGATION ON THE SWELLING PROPERTIES AND MICROSTRUC￣TURE MECHANISM OF COMPACTED GAOMIAOZI BENTONITE

LIU Yi

(The Fourth Harbour Engineering Investigation and Design Institute of the Ministry of Transport， Guangzhou510230)

Bentonite has the property of swelling when meeting water. It is a desirable buffer/backfill material in the deep geological disposal for high-level radioactive waste. The expansibility is one of the most important properties for bentonite as the buffer/backfill material， and is influenced by a number of factors. For study the expansibility of bentonite， Gaomiaozi(GMZ)bentonite was taken as the research object. Gaomiaozi(GMZ)bentonite had been proposed as the first choice of buffer/backfill material for the high-level radioactive waste disposal in China. Its expansibility was studied by the constant volume swelling test method which is one of the commonest methods for measuring the swelling pressure of bentonite. In these tests， water content and dry density were chosen as the control variable. Two types of dry density and three types of water content were adopted in the tests. Results of the swelling tests show that the shape of swelling curves and the maximum swelling pressure depend on the water content and dry density of the bentonite samples. There are conspicuous double-peak shapes of the swelling curve for the samples with low dry density. When the dry density is high， the swelling curves have different shapes with different water contents. The curve’s shapes change from double-peak to smooth curve with the water content increasing. For analysis of the results of swelling tests， the mercury intrusion porosimetry(MIP)test has been carried out. MIP test results indicate that the pore size distribution curves of samples also depend on the water content and dry density， with the volume of inter-aggregate pores increasing as the water content or dry density decreases. In accordance with the relevant researches， the swelling curve of GMZ bentonite is deeply influenced by the volume of the inter-aggregate pores. When meeting water， the bentonite aggregates absorb water and swell quickly. When the inter-aggregate pores are large enough， there will be sufficient space for swelled aggregates to form a provisional structure. The provisional structure will collapse with the swelling pressure reach the limit load. Then the measured pressure fall and inner structure of bentonite recombination. The hydration is continuous so that the curve will get the second peak. Therefore， a double-peak structure can be observed when the space of inter-aggregate is great. With the volume of inter-aggregate pore decrease， the swell curve of bentonite changes from a double-peak structure to a smooth curve．

Gaomiaozi bentonite， Swelling pressure， Mercury intrusion porosimetry(MIP)， Microstructure

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.015

2015-03-17;

2015-04-28.

劉毅(1987-)，男，碩士，主要從事地基處理和巖土體的特性研究. Email: newyi018@163.com

TU44

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