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)過長期的篩查, 內(nèi)蒙古興和縣的高廟子膨潤土成為我國緩沖材料的首選[2-3].

高放廢物深層地質(zhì)處置庫中的緩沖材料是由壓實膨潤土塊砌成. 由于受到季節(jié)和天氣的影響, 在貯存、搬運以及安裝過程中緩沖材料的濕度會發(fā)生變化. 另外, 壓實膨潤土塊在工廠中預(yù)制, 當(dāng)搬運至現(xiàn)場或現(xiàn)場安裝時需要綁扎起吊, 在這一過程中膨潤土塊某些部位可能會受到拉力的作用, 因此有必要研究膨潤土砌塊的抗拉強度. 在土體抗拉強度方面, 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)測濕砂抗拉強度的模型; 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)壓力對膨脹土抗拉強度會產(chǎn)生較大的影響; Tang 等[6]通過試驗研究了含水率對壓實黏性土抗拉強度的影響, 得到了抗拉強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)有的抗拉強度理論模型, 提出了非飽和無黏性土抗拉強度的預(yù)測模型. 目前, 抗拉強度的研究主要針對砂土、粉質(zhì)黏土、黏土和膨脹土, 而對膨潤土的研究非常少.

在處置庫工程中, 膨潤土砌塊在工廠中預(yù)制后因施工工序等原因, 可能被放置較長時間,而其抗拉強度的升降也是工程設(shè)計中關(guān)注事項之一, 因此有必要研究膨潤土砌塊抗拉強度的時效性. 有關(guān)土體性質(zhì)的時效性, Delage 等[8]研究了不同干密度和含水率壓實MX80 膨潤土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的時效性. 隨靜置時間的增加, 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]研究了壓實高廟子膨潤土微觀結(jié)構(gòu)的時效性, 其研究表明隨試樣靜置時間增加, 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]研究了壓實高廟子膨潤土膨脹力的時效性, 表明隨靜置時間的增加, 膨脹力前期降低較快而后期較慢, 直至平穩(wěn); 孫德安等[11]對不同含水率、不同靜置時間壓實膨潤土進行直剪試驗, 得出了抗剪強度隨靜置時間的變化規(guī)律; 徐云山等[12]研究了靜置時間對高廟子膨潤土熱傳導(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). 上述對壓實膨潤土的宏微觀特性時效性的研究已取得不少成果, 但是對抗拉強度時效性的研究幾乎沒有. 同時,由于處置庫工程中長期放置后膨潤土的抗拉強度是施工設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)之一, 故非常有必要研究壓實膨潤土抗拉強度的時效性.

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

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土為高廟子膨潤土, 其產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣高廟子地區(qū). 膨潤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. 試驗用水為蒸餾水.

表1 膨潤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

為了研究靜置時間、干密度和含水率對膨潤土抗拉強度的影響, 本試驗靜置時間分別設(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(我國處置庫候選址)的氣候條件和施工可行性.

試樣壓制前, 將膨潤土自然風(fēng)干, 測其含水率, 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, 將自然風(fēng)干狀態(tài)膨潤土放入105°C 的烘箱中, 控制放置時間得到目標(biāo)含水率. 將上述配好的膨潤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, 計算出所需膨潤土的質(zhì)量, 倒入自制的制樣模具中. 用數(shù)顯壓力機進行壓實, 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)).

考慮到壓實膨潤土?xí)r效性試驗的精度要求, 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)時間后, 供抗拉試驗使用.

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

1.3 試驗方法

對FLSY30-1 型應(yīng)力應(yīng)變控制式非飽和3 軸試驗儀改造(見圖2). 改造后的裝置可施加豎向壓力和量測豎向位移. 對圓餅試樣的徑向施加和量測壓力, 直至試樣壓裂. 本試驗即為巴西試驗, 可計算得到試樣的抗拉強度. 巴西試驗是較為簡單的測量抗拉強度方法. 基于對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. 把尖點當(dāng)作拉伸破壞點, 此時拉應(yīng)力σ為抗拉強度σt.

圖3 w =13%時GMZ 膨潤土拉應(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, 說明施壓速率對抗拉強度的影響較小, 故選取2 mm/min 作為本試驗的施壓速率. 試驗是在不通風(fēng)條件下進行的, 試驗前后分別測含水率, 二者相差較小, 可認(rèn)為含水率基本不變.

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

2 試驗結(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時的壓實高廟子膨潤土在靜置0, 7, 15, 30, 90 d 后的抗拉強度變化. 從圖中可以看出, 膨潤土的抗拉強度隨靜置時間的增加而減小, 試樣在靜置30 d 以后其抗拉強度隨靜置時間變化不大, 即基本保持穩(wěn)定. 靜置時間對抗拉強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,抗拉強度與靜置時間關(guān)系曲線位于最上側(cè), 即在相同靜置時間下其抗拉強度為最大; 當(dāng)含水率為7%時, 該曲線位于最下側(cè), 即在相同靜置時間下其抗拉強度為最小; 而當(dāng)含水率為10%和16%時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, 靜置時間從0 d 到30 d, 其抗拉強度減小了13.5%; 當(dāng)干密度為1.7 g/cm3時, 抗拉強度減小了12.9%; 而當(dāng)干密度為1.8 g/cm3時, 抗拉強度減小了12.9%. 可見, 抗拉強度隨靜置時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 膨潤土抗拉強度隨靜置時間的變化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時的壓實高廟子膨潤土抗拉強度隨含水率的變化. 從圖中可以看出, 抗拉強度隨含水率先增大后減小, 在含水率為13%時為最大值. 另外, 在不同的靜置時間和干密度條件下, 抗拉強度均表現(xiàn)出相同的趨勢, 即隨含水率先增大后減小. 可見, 這一變化趨勢與靜置時間和干密度無關(guān).

圖6 不同靜置時間GMZ 膨潤土抗拉強度隨含水量的變化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%時壓實高廟子膨潤土抗拉強度隨干密度變化的曲線. 從圖中可以看出, 抗拉強度是隨干密度的增大而線性增大, 而干密度越大抗拉強度越高, 說明適當(dāng)提高干密度可使抗拉強度顯著增大. 當(dāng)靜置時間為0 d 時, 抗拉強度與干密度關(guān)系線位于最上側(cè), 7,15, 30, 90 d 依次向下.

3 膨潤土抗拉強度時效性的微觀機理解釋

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

Lloret 等[14]的研究表明, 壓實膨潤土的集聚體間與集聚體內(nèi)孔隙的分界點在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%時的壓實高廟子膨潤土的累積壓入曲線. 由圖可以看出, 隨靜置時間的增加, 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, 隨著靜置時間的增加水化程度增大. 因此, 隨靜置時間增加壓實膨潤土抗拉強度減小的原因是隨靜置時間的增加, 土中水分子逐漸向蒙脫石層間移動, 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, 從而使抗拉強度降低(見圖9).

圖7 w =13%時GMZ 膨潤土抗拉強度隨干密度和靜置時間的變化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%時不同干密度下GMZ 膨潤土的累積壓入曲線Fig.8 Cumulative intruded void ratio of GMZ bentonite with water content of 14% and different dry densities

圖9 壓實膨潤土抗拉強度隨靜置時間減小的機理解釋示意圖Fig.9 Diagram of mechanism that tensile strength of compacted bentonite decreases with increasing time

4 結(jié) 論

本工作對不同的含水率、干密度、靜置時間的壓實高廟子膨潤土試樣進行了抗拉強度的試驗; 運用壓汞試驗結(jié)果, 結(jié)合膨潤土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)隨靜置時間變化情況, 分析了抗拉強度時效性機理, 得出如下結(jié)論.

(1) 壓實高廟子膨潤土的抗拉強度與含水率、干密度和靜置時間有關(guān). ①抗拉強度隨含水率的變化規(guī)律如下: 當(dāng)含水率為7%至13%時, 抗拉強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; 壓實膨潤土的抗拉強度隨干密度的增大而增大, 且呈線性增大;②隨靜置時間壓實膨潤土抗拉強度的變化規(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 后抗拉強度基本不變. 因此, 上述結(jié)果可為高廟子膨潤土塊抗拉強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, 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, 從而使抗拉強度降低. 這就是隨靜置時間增加壓實膨潤土抗拉強度減小的原因.