堿溶液對GMZ膨潤土膨脹性和滲透性的影響

陳寶，張會新，陳萍

(同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海，200092)

因膨潤土具有高膨脹性和低滲透性，所以被許多國家選為核廢物處置庫的緩沖回填材料。處置庫的設計使用年限在千年以上，因此在膨潤土使用期間其性能的長期穩定性非常重要。然而，由于處置庫的建設中將使用大量的混凝土，混凝土中主要成分水泥經過漫長的時間會衰退分解產生 pH很高(pH＞12)的堿性物質，將隨地下水的遷移擴散到與之接觸的膨潤土人工屏障中，并與膨潤土發生復雜物理化學反應，有可能影響膨潤土的膨脹性和滲透性[1-5]。因此，研究堿性溶液對膨潤土膨脹性和滲透性的影響對于核廢物處置庫長期運營的安全性至關重要。Fernández等[6-8]用堿溶液模擬堿性孔隙水，進行不同條件下的膨潤土滲透試驗。經研究發現：在堿溶液的入滲作用下，膨潤土試樣的膨脹性和滲透性受到了較大程度的破壞，并且隨著堿溶液濃度的升高土樣的膨脹性下降越明顯。Lehikoinen等[9-11]通過試驗發現：水泥衰退產生的堿性溶解物會擴散到膨潤土中，造成主要有效成分蒙脫石不斷溶解，質量逐漸丟失，使得干密度不斷減小、孔隙率不斷增大，最終導致膨潤土的滲透性增大而膨脹性減小。目前，我國對堿性環境中膨潤土的緩沖性能研究尚較少，尤其是針對擬作為我國核廢物地質處置庫緩沖/回填材料的高廟子(GMZ)鈉基膨潤土的相關研究還幾乎沒有。為了研究堿性溶液入滲對 GMZ膨潤土膨脹性和滲透性的影響，本文作者針對 GMZ膨潤土，利用自主研發的適用于堿溶液入滲的膨脹滲透儀，對 GMZ膨潤土試樣開展膨脹、滲透試驗，據以研究堿溶液長期入滲對高壓實GMZ膨潤土緩沖性能的影響。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗所用的 GMZ膨潤土為取自我國內蒙古興和縣高廟子膨潤土礦床的鈉基膨潤土，具有較強的陽離子交換能力、強吸附能力、良好的分散性和水化能力，其基本物理化學性質見表1。

表1 GMZ膨潤土的基本物理化學性質[12]Table 1 Basic physico-chemical properties of GMZ bentonite[12]

根據國外的實際工程經驗，用于核廢物地質處置庫建設的膨潤土，干密度為1.65～1.75 g/cm3，為了便于今后能與其他膨潤土材料開展對比研究，本文選用初始干密度為1.50，1.60和1.70 g/cm3的試樣為研究對象。

將 GMZ膨潤土粉末倒入特制的不銹鋼模具中，用CSS-44300型300 kN微機控制電子萬能試驗機，以垂向壓實速率為0.1 mm/min的速度壓縮制備試樣，盡量使試樣得到均勻壓縮。壓制成型的試樣為圓餅形，直徑為5 cm，高度為1 cm，初始干密度分別為1.70，1.60和1.50 g/cm3。試樣壓制完成后，靜置24 h，以減小其回彈量。

1.2 試驗儀器

本文采用適用于堿性溶液入滲的膨脹滲透儀開展試驗，用GDS(Geotechnical Digital System)液壓控制器提供入滲溶液壓力，但由于GDS控制器不能儲存堿性溶液，為此設計了中間轉換裝置，該裝置材料為有機玻璃，中間過渡介質選用既不溶于水也不與堿發生反應的硅油，可以起到隔離水和堿溶液的作用。試驗過程中，用GDS水壓控制器逐級施加水壓至1 MPa，用無紙記錄儀實時記錄膨脹力變化，用GDS記錄溶液流量的變化。

整套裝置示意圖如圖1所示。

圖1 適用于堿性溶液入滲的膨脹-滲透儀示意圖Fig.1 Sketch map of swelling-permeameter suitable to hyper-alkaline infiltration

整個試驗裝置中最主要的部件為多功能膨脹-滲透儀(見圖2)，由底座、試樣套環、透水石、密封墊圈、不銹鋼活塞、壓力傳感器以及上部鋼套筒等組成。經水壓試驗檢驗，該膨脹-滲透儀的整個系統能在 1.5 MPa水壓下保持正常工作。

圖2 多功能膨脹-滲透儀示意圖Fig.2 Sketch map of multifuctional swelling-permeameter

1.3 試樣方案

因 GMZ鈉基膨潤土和我國核廢物處置庫預選址地下水的陽離子主要為鈉離子[13]，在一定時間期限內，滲入膨潤土緩沖層的陽離子以鈉離子為主，故本文選用NaOH溶液模擬高堿性孔隙水，分別選用濃度為0.1，0.3和0.6 mol/L的溶液，對不同初始干密度試樣分別開展滲透試驗，并設置經蒸餾水入滲試樣為參照。試樣編號及其對應溶液的pH見表2。

表2 試樣編號和溶液的pHTable 2 Sample number and pH of solution used in tests

將制備好的試樣裝入多功能膨脹-滲透儀，依次將水堿轉換器、GDS水壓控制器接入多功能膨脹-滲透儀，如圖1所示。首先打開底部的2個閥門，將溶液從一端注入，排出底座水槽中的氣泡，待底座充滿液體后關閉底座排水閥門；然后，用GDS水壓控制器逐級施加水壓至1 MPa，壓力通過水堿轉換器推動堿溶液，并使指堿溶液從多功能膨脹-滲透儀底座的進水口進入膨潤土樣，因土樣體積膨脹變形受到限制，膨潤土樣在溶液入滲的情況下將產生膨脹力。在試驗過程中，同步記錄膨脹力和水體積的變化。每施加一級水壓，水體積會快速增加，待變化速率趨于平穩時，可認為試樣完全飽和且達到滲透穩定，此時對應的膨脹力為試樣在此條件下的最終膨脹力，通過GDS流量變化計算得到的滲透系數即為試樣在相應條件下的飽和滲透系數。

2 試驗結果與討論

2.1 堿溶液入滲對膨潤土膨脹性的影響

各試樣的膨脹力隨時間變化曲線如圖3～5所示。GMZ膨潤土經溶液入滲會產生膨脹力，在不同溶液濃度條件下，各試樣的膨脹力均隨著時間呈現出雙峰增長形態；在試驗初期膨脹力迅速增大，達到第一個峰值后，膨脹力出現微小回落，一般在10～15 h時間點降到峰谷；隨后再次逐漸增大，但增長速率明顯小于第一階段增長速率，最終趨于穩定。

圖3 干密度為1.70 g/cm3試樣膨脹力隨時間變化曲線Fig.3 Curves of swelling pressure vs time for samples with dry density of 1.70 g/cm3

圖4 干密度為1.60 g/cm3試樣膨脹力隨時間變化曲線Fig.4 Curves of swelling pressure vs time for samples with dry density of 1.60 g/cm3

圖5 干密度為1.50 g/cm3試樣膨脹力隨時間變化曲線Fig.5 Curves of swelling pressure vs time for samples with dry density of 1.50 g/cm3

盡管每個試樣膨脹力增長時的雙峰型態有所差別，但所有試樣的膨脹力變化基本相同，符合雙峰變化趨勢，并且相同初始干密度試樣對比，均是在蒸餾水入滲作用下的膨脹力最大，在0.6 mol/L堿溶液入滲作用下膨脹力最小。

膨潤土的膨脹性主要源于礦物成分蒙脫石。經堿溶液入滲作用的試樣，選擇干密度為1.70 g/cm3的1號～4號試樣進行X線衍射(XRD)試驗，分析GMZ膨潤土的主要有效成分蒙脫石含量的變化，如圖6和圖7所示。蒙脫石的衍射強度峰值隨著堿溶液濃度的增大而降低，這說明膨潤土中的主要有效成分蒙脫石與堿溶液發生反應，不斷溶解，最終導致膨潤土試樣膨脹性的降低[9-11]。

由此可見：堿溶液的入滲會造成膨潤土中蒙脫石的溶解，進而破壞膨潤土的膨脹性；堿溶液的濃度越大，膨潤土的膨脹性降低程度越大。

圖6 不同試樣的XRD譜Fig.6 XRD patterns of different samples

圖7 試樣中蒙脫石的XRD譜Fig.7 XRD patterns of smectite composition of samples

對比不同初始干密度試樣，在相同堿溶液濃度入滲作用下，當堿溶液濃度從0(蒸餾水)增大到0.6 mol/L時，1.70 g/cm3膨潤土的最終膨脹力從4.43MPa下降到3.10 MPa；1.60 g/cm3膨潤土的最終膨脹力從3.30 MPa下降到1.59 MPa；1.50 g/cm3膨潤土的最終膨脹力從2.02 MPa下降到1.18 MPa。不同初始干密度試樣最終膨脹力隨溶液濃度變化曲線如圖8所示。對于不同初始干密度試樣，GMZ膨潤土的最終膨脹力均隨著堿溶液濃度的增大而減小。因此，干密度一定時，堿溶液濃度是膨潤土膨脹性變化的主要影響因素。

圖8 最終膨脹力隨溶液濃度變化曲線Fig.8 Curves of final swelling pressure vs solution concentration

2.2 堿溶液入滲對膨潤土滲透性的影響

用GDS控制器逐漸施加水壓力至1 MPa，逐級加壓過程一般在48 h內完成。受進水壓力變化的影響，試驗初期的流量變化紊亂，此后單位時間內流經試樣的溶液體積隨著時間逐步減小，一般在100 h后逐漸趨于穩定，此時可認為試樣已飽和且達到滲流穩定。

滲流穩定后，相同初始干密度試樣的單位時間流量隨著堿溶液濃度的增大而增大；在不同濃度堿溶液作用下，各試樣單位流量隨時間變化的曲線如圖9～11所示。

圖9 干密度為1.70 g/cm3試樣的流速曲線Fig.9 Flow velocity of samples with dry density of 1.70 g/cm3

圖10 干密度為1.60 g/cm3試樣的流速曲線Fig.10 Flow velocity of samples with dry density of 1.60 g/cm3

圖11 干密度為1.50 g/cm3試樣的流速曲線Fig.11 Flow velocity of samples with dry density of 1.50 g/cm3

根據達西定律，結合圖9～11中所示的滲透流速的試驗結果，分別計算得到各試樣的滲透系數，計算結果見表3。

由圖9～11和表3可知：試樣的滲透系數變化規律和試樣單位時間流量變化規律一致。由此可見：相同初始干密度試樣，其滲透性隨著堿溶液濃度的增大而增大，并且堿溶液的濃度越大，滲透性增大的程度越大。因此，堿溶液的入滲會破壞膨潤土的滲透性；干密度一定時，堿溶液的濃度是膨潤土滲透性變化的主要影響因素。根據 Villiar[7]的報道，堿溶液的入滲作用，使試樣顆粒間流通管道的總體尺寸增大，從而導致試樣中溶液流通量增大，滲透性變大。

表3 堿溶液在膨潤土中的滲透系數Table 3 Permeabilities of alkaline in GMZ bentonite

3 結論

(1) 在堿性溶液的入滲作用下，具有相同初始干密度的 GMZ膨潤土的膨脹性降低。干密度為 1.70 g/cm3的試樣的最終膨脹力從 4.43 MPa降低到 3.10 MPa；干密度為1.60 g/cm3的試樣的最終膨脹力從3.30 MPa降低到1.59 MPa；干密度為1.50 g/cm3的試樣的最終膨脹力從2.02 MPa降低到1.18 MPa。

(2) 膨潤土的膨脹性主要源于礦物成分蒙脫石。在堿性溶液的入滲作用下，膨潤土的主要有效成分蒙脫石會與堿溶液發生反應，不斷溶解，最終降低了膨潤土的膨脹性。

(3) 在堿性溶液的入滲作用下，具有相同初始干密度的 GMZ膨潤土的滲透性增大。干密度為 1.70 g/cm3試樣的滲透系數從 2.23×10-13m/s，增大到4.90×10-13m/s；干密度為1.60 g/cm3試樣的滲透系數則從5.69×10-13m/s，增大到8.76×10-13m/s；干密度為 1.50 g/cm3的試樣的滲透系數則從 1.101×10-12m/s，增大到 1.533×10-12m/s。

(4) GMZ膨潤土膨脹性和滲透性的變化程度受堿性溶液濃度的影響。相同初始干密度試樣，堿溶液濃度越大，其膨脹力的雙峰變化形態越不明顯，膨脹力和滲透系數的變化程度越大。

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