非飽和膨潤土的基本性能研究

黃雪峰，方 晟，周俊鵬

(后勤工程學院 a.軍事土木工程系; b.巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室， 重慶 401311)

非飽和膨潤土的基本性能研究

黃雪峰a,b，方 晟a,b，周俊鵬a,b

(后勤工程學院 a.軍事土木工程系; b.巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室， 重慶 401311)

高放廢物深地質處置庫中熱-水-力環境復雜多變，且非飽和膨潤土滲水滲氣及其土-水特征曲線又受到基質吸力、溫度、含水率、干密度、孔隙比等因素的影響，因此研究非飽和膨潤土的滲水滲氣及其土-水特征曲線具有重要的意義。在總結國內外研究現狀和成果的基礎上，提出了考慮體積含水率、體積含氣率對非飽和膨潤土的滲水滲氣及其土-水特征曲線影響的思路。

非飽和；滲透系數；土-水特征曲線；體積含水率；體積含氣率

自1951年12月美國實驗增殖堆1號(EBR-1)首次利用核能發電以來，世界核電至今已有60多年的發展歷史。在當今世界，全球的供電量有10%來自于核能發電。作為新能源的代表，核電在能源保障、環境改善方面都做出了巨大的貢獻，但隨之也產生了大量的核廢料[1]。核廢料是一種放射性強、射線危害大、核素半衰期長且發熱的特殊廢料，因此如何安全、永久地處理核廢料已迫在眉睫[2]。深地質處置是一種采用多重工程屏障系統，將核廢物埋至距地表深500～1 000 m，是國際上普遍采用的核廢物處置方法[3]。緩沖/回填材料是多重工程屏障系統中重要的一環，在應用中應該滿足低透水性、良好的膨脹性、穩定性、耐輻射性等要求[4]。國內外大量的試驗研究表明，膨潤土是良好的緩沖/回填材料[5]。我國則確定內蒙古高廟子膨潤土為首選的緩沖/回填材料。

高放廢物作為一種特殊廢料，在放置過程會產生許多問題，例如在存放過程中高放廢物的熱量釋放會使緩沖/回填材料中的膨潤土的溫度達到100 ℃乃至更高[6]。在圍巖應力、溫度的影響下將會導致處置庫周圍的緩沖/回填材料產生機械應力[7]。由于屏障系統在施工中會采用原位壓實法或塊體安裝法，而這2種方法都會導致膨潤土失水，但在施工結束后，膨潤土又會因為地下水的復位逐漸吸水膨脹[8]，在此增減濕過程中，膨潤土的力學特性會發生改變。綜上，在受到溫度、力、水3個因素的耦合作用下，膨潤土的滲水系數、滲氣系數和土-水特征曲線都將發生變化[9-10]。不僅如此，隨著時間的推移，鋼制廢料罐發生銹蝕、水受輻射分解以及生物作用等都將產生有輻射性的有害氣體[11]，從而給整個工程屏障系統的穩定性、整體性以及安全性帶來不可預估的危害[12]。此時滲透系數滿足低滲透性及限制核素遷移的要求，是保證地質處置庫長期安全服役的前提[13]。因此對非飽和膨潤土的滲透系數及土-水特征曲線的研究具有重大的意義。

1 非飽和膨潤土滲水系數的影響因素

國內外眾多學者利用瞬時截面法[14]、穩態法[15-16]、空氣過壓法[17]對非飽和膨潤土的滲水系數做了大量的研究，發現基質吸力、孔隙比、干密度、溫度、體積含水率等對非飽和膨潤土的滲水系數均有影響[18-19]。

葉為民等[20]得出，在側限狀態下，土中吸力存在一個臨界值，大小約為68 MPa，當吸力為68 MPa時，非飽和滲透系數最小；當吸力大于68 MPa時，非飽和滲透系數隨著吸力的增加而增加；而當吸力小于68 MPa時，非飽和滲透系數隨著吸力的增加而減小，存在一個吸力臨界應力值。Loiseau等[21]通過在側限條件下Kunigel黏土和石英砂混合物的非飽和滲透試驗，得出了側限和無側限條件下膨潤土的膨脹形式不同的結論。這導致了無側限狀態下的滲透系數大于側限狀態下的滲透系數，且兩者的滲透系數隨吸力變化的趨勢也不同。

非飽和膨潤土的滲水系數也會受到溫度的影響，Pusch等[22]發現高壓實膨潤土在20 ℃和 70 ℃下的滲透性隨溫度的升高而增大。Wen等[23]發現在25 ℃下，干密度為1.6 g/cm3的高廟子膨潤土的飽和滲透系數為1.94×10-13m/s。崔玉軍[12]則從氣相水遷移的角度出發，發現溫度通過對氣相的影響來影響膨潤土的飽和過程。他還指出水的黏度對于膨潤土的滲水也有影響，而水的黏度隨溫度和吸力的變化而變化，因此當在高吸力下，溫度對于水的黏度影響更大，進而更能影響膨潤土的滲水率。在任意溫度下，非飽和滲水率都略低于水化第一階段，隨著水化的進行，滲透系數逐漸變成常數。

部分學者在膨潤土中添加砂/黏土來解決膨潤土熱導性差、塑性高等問題。Xu等[24]研究發現砂-膨潤土/黏土混合物存在最佳摻量(Copt)，并建立了以膨潤土/黏土含量變化為參數的方程用來計算滲透系數。陳永貴等[25]在膨潤土-石英砂混合物試驗中發現最優比，當膨潤土含量超過最優比時，混合物的滲透性基本不變；他們還發現膨潤土-石英砂混合物在最優含水量下的滲透系數最低，當干密度越大，膨潤土-石英砂混合物滲水系數也就越低。Wen[24]和Ye[21]也認為干密度越大，非飽和膨潤土的滲透系數越小。

曹勝飛[26]則通過常規變水頭滲透試驗，發現當水頭高度越高、時間間隔越長時，滲透速度和滲透系數的比值也越大。Klaus等[27]發現膨潤土中滲水規律符合Fick定律，通過數學公式優化，得到一個以蒸汽擴散為孔隙水主要傳輸方式的平衡方程，用來描述土體的兩相流。牛文杰等[7]利用MIP試驗和SEM試驗，得到膨潤土的非飽和滲透系數在1.0×10-14m/s左右，發現孔隙比、體積應變隨著吸力的減小而增大。牛文杰等[28]提出了膨潤土作為一種納米材料，在水化過程中孔隙分布將會產生變化；結合Kozeny-Carman的多孔半經驗公式，提出了考慮微結構的非飽和膨潤土滲水系數的公式，建立了相對滲透系數的模型。何俊等[29]依據Poiseuille定律，利用SEM電鏡試驗對土工合成黏土襯墊的飽和滲透系數進行了研究，得到了在孔隙比變化條件下的飽和膨潤土滲透系數計算方法。

上述對于非飽和膨潤土滲水系數的研究主要集中在吸力、干密度、溫度以及微觀分析上，從體積含水率來對非飽和膨潤土的滲透系數研究較少。而體積含水率作為非飽和膨潤土滲透系數的重要參數，對非飽和膨潤土的滲透系數的影響較大，但其微觀結構的研究和本構模型的建立相對缺乏，因此有必要從體積含水率的角度來對滲水系數的變化進行分析。

2 非飽和膨潤土滲氣系數的影響因素

非飽和土是由固-液-氣三相介質組成，其力學特性比由固-液兩相組成的飽和土要復雜得多。非飽和膨潤土中的水氣的存在形式多樣，有水連通-氣封閉、氣連通-水封閉和雙開敞3種形式。在熱-水-力共同作用下，非飽和膨潤土的水氣場變化復雜，且還受到基質吸力、孔隙比、干密度等眾多因素的影響。Ye等[30]將氣體遷移工程屏障系統分為4個階段，通過考慮土體應力狀態、多相性、固有滲透率，在基于VG模型下，重新定義了氣體相對滲透率，建立了多相性氣體遷移模型，克服了兩相流模型的缺點，擬合程度較高。劉龍波等[31]通過測量非飽和膨潤土兩側壓差及其對應的氣體流量得出了非飽和膨潤土的滲氣系數，在掃描電子顯微鏡中發現非飽和膨潤土孔隙較大，顆粒團聚明顯，得出了滲氣系數與孔隙比為指數關系。Gallé等[32]發現了高飽和度、不同干密度條件下膨潤土的滲氣規律。汪龍等[33]認為干密度、含水率、摻砂率與滲氣系數呈指數關系，并建立了相應的本構模型。秦冰等[34]則發現氣體滑脫因子b和Klinkenberg滲氣系數k∞成唯一線性關系，滲氣系數與干密度、含水率無關，Klinkenberg效應在滲氣系數低于10～14 m2時較為明顯；圍壓的增大會使試樣中的微裂隙閉合，因此滲氣系數隨著圍壓的增大而減小；建立了考慮Klinkenberg效應的壓實高廟子膨潤土滲氣系數數學模型。Arnedo等[35]利用水力學耦合模型，通過有限元耦合的THM代碼模擬了基質材料的接觸面和裂縫，得到了以孔隙比為基礎變量的不同變形和氣體通量條件下的3D模型，模型與試驗結果切合度極高；發現了滲氣系數隨著體積含氣率的升高而降低。Bouazza等[36]用自行研制的氣體滲透裝置來測試合成粘土襯墊的滲氣特性，發現體積含氣率的升高會使滲氣系數降低，而且GCL在水化之前的固化過程對滲氣系數也有影響。Shan等[37]在BM試樣與CL試樣的對比試驗中發現，土工織物和纖維含量越高，滲透系數越低，BM試樣的滲氣性低于CL試樣。

不同的礦物成分的吸水能力不同，這就導致了滲氣系數的改變。Mohammed等[38]發現高嶺土礦物的滲氣系數小于蒙脫石礦物，而其吸水能力大于蒙脫石礦物；土體含水量的增加會使土中吸力下降，導致顆粒間接觸力降低，顆粒間距擴大，毛細管壓力上升，滲氣系數下降。

目前，對于非飽和膨潤土滲水系數的研究較多，因為其理論成熟，試驗操作方面也比滲氣系數的測量簡單許多。而在非飽和膨潤土滲氣系數的測量中，試驗耗時長，不可控因素多，加上非飽和膨潤土本身滲氣性差，而且氣體相比于水流而言，當壓力較大時，氣體流通速度快，這對于氣體的通氣控制與滲氣量的測量方面都是一個巨大的挑戰。加上我國對于非飽和膨潤土滲氣的理論研究較晚，對其相關儀器的研發也落后，在國內僅有為數不多的科研院所和大學有條件進行非飽和膨潤土的滲氣試驗。所以目前我國在滲氣規律的研究方面處于世界落后水平。但也說明非飽和膨潤土滲氣系數的理論研究存在巨大的研究潛力，而且從體積含氣率方面對非飽和膨潤土滲氣系數的研究更是屈指可數，所以考慮以體積含氣率為參量對非飽和膨潤土滲氣系數進行研究是十分有意義的。

3 非飽和膨潤土土-水特性曲線影響因素

土的含水率和吸力組成了土-水特征曲線，土-水特征曲線是一個反映土的滲透系數、持水能力和強度的曲線，它在非飽和土的水力與力學特性的研究中具有十分重要的影響。非飽和膨潤土土-水特性曲線可由壓力板、張力計、非飽和土三軸儀、汽相法、滲析法等方法進行測量。總結國內外研究成果發現，基質吸力、溫度、孔隙比、含水率、干密度對非飽和土土-水特征曲線均有影響。

秦冰等[39]研究發現，干密度對持水曲線的影響取決于吸力的大小。高吸力下土中水主要為吸附水，吸附能力較強且很難受到壓實作用的影響，所以在高吸力下干密度對持水曲線無影響；但在低吸力下毛細作用占據主導，干密度的變化會引起土顆粒或團粒之間孔隙的結構變化，從而對持水曲線產生影響。Jacinto等[40]在對MX-80膨潤土持水能力進行研究后也認為干密度對持水能力的影響取決于吸力的大小。孫德安等[41]認為Kunigel-V1膨潤土與高廟子膨潤土土-水特征曲線相近，吸力值的變化會影響孔隙比的變化進而影響土-水特征曲線。

溫度對于持水曲線具有重要的影響，Villar等[42]發現隨著溫度的升高，蒙脫石的吸附能力下降，層間水和毛細水相互轉化加快，膨潤土的在側限和無側限狀態下的持水能力降低。陸飏等[34]采用高精度溫濕度傳感器，發現了膨潤土在升降溫中存在3個階段。這是因為層間水與毛細水發生互相轉換，也是因為吸力的滯后性導致了此現象的出現。

不少理論研究中發現孔隙比對非飽和膨潤土持水曲線的影響比溫度的影響還要大。Stange等[43]以初始孔隙比為參數構建了4種土-水特征曲線擬合模型，此方法試驗量小，且參數取值可為經驗值。Salager等[44]以Fredlund-Xing模型為基礎通過5種不同的土-水特征曲線試驗，建立了相應的本構模型。孫文靜等[45]則發現初始孔隙比的減少會使土-水特征曲線向右移動。

不少學者也在純膨潤土中摻加其他物質來對膨潤土進行改良。汪龍等[46]利用水汽平衡法對膨潤土-砂混合物進行分析，發現摻砂率在高低吸力段時對土-水特征曲線的影響不同，高吸力段內影響小，低吸力段內影響大；膨潤土-砂混合物的土-水特征曲線幾乎不受干密度的影響；其還通過微觀掃描電鏡試驗，發現了砂礫間距隨摻砂率的增加而減少，密實度隨之降低；建立了用來預測不同溫度和摻砂率條件下的膨潤土-砂混合物的土-水特征曲線。Tang等[47]發現溫度越高，膨潤土-砂混合物的持水能力越低。張虎元等[48]采用壓力板法和水汽平衡法進行研究，利用掃描電鏡發現在側限飽和中膨潤土的收縮干裂現象不明顯，而自由飽和下普遍發生此現象。Chen等[49]對MIP試驗和側限試驗進行數據對比，發現兩者數據擬合度很高，可以互相使用。

4 展望

基于上述認識，非飽和膨潤土的滲水、滲氣系數和土-水特征曲線受到基質吸力、溫度、含水率、干密度、孔隙比、摻砂率等受到眾多因素的影響，但仍存在研究空白。

1)非飽和膨潤土的滲水系數隨溫度的升高而升高，隨干密度的增加而減小，隨土中吸力的增加先減小后增大，存在下極值點，膨潤土與其混合物的摻量存在最優比；以溫度、干密度、吸力為主要因素對滲水系數的研究較多，但以體積含水率作為主要因素來對滲水系數進行研究的較少，同時也缺乏相應的微觀分析及本構模型的建立；因此可從體積含水率為主要研究方向，結合微觀分析對非飽和膨潤土的滲水系數進行研究。

2)非飽和膨潤土的土-水特征曲線隨著溫度的升高，膨潤土的持水能力下降，在高吸力段內，干密度對持水曲線的影響較小，在低吸力段內受干密度的影響較大；總的來說，非飽和膨潤土的土-水特征曲線研究較多，成果較為豐富，但從體積含水率這方面對其進行研究的內容較少，尤其缺乏微觀試驗上的分析，因此可進一步加強在此方面的研究。

3)非飽和膨潤土的滲氣系數測量復雜，難度較大，測試儀器精度要求高，導致非飽和膨潤土滲氣系數的研究較少，而從體積含氣率出發對非飽和膨潤土的滲氣系數進行研究的文章更是屈指可數。因此可結合微觀分析，從體積含氣率這個方面來對非飽和膨潤土的滲氣系數進行研究，并建立相應的本構模型。這也是非飽和膨潤土基本性能研究的重點。

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(責任編輯何杰玲)

StudyontheBasicPropertiesofUnsaturatedBentonite

HUANG Xuefenga,b， FANG Shenga,b， ZHOU Junpenga,b

(a.Depatment of Civil Engineering; b.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironmental Protection, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

Thermal-hydro-mechanico is complex and changeable in the geological disposal of high level radioactive nuclear waste disposal, and the water-air permeability, soil-water characteristic curves of unsaturated bentonite are affected by the matrix suction, temperature, water-content, dry-density, void-ratio and so on. Therefore, it has important meaning to study the water-air permeability and soil-water characteristic curves of the unsaturated bentonite. It proposed the idea that considering what the effects on the volumetric soil water content and gas volume rate for the water-air permeability and soil-water characteristic curves of the unsaturated bentonite on the basis of summarizes domestic and foreign research status and achievements.

unsaturated bentonite; permeability coefficient; soil-water characteristic curve; volumetric soil water content; gas volume rate

2017-05-13

國家科技支撐計劃資助項目“黃土丘陵溝壑(延安新區)工程建設關鍵技術研究與示范課題”(2013BAJ06B00)

黃雪峰(1960—)，男，教授，博士生導師，主要從事非飽和土與特殊土地基研究，E-mail:hxfen60@163.com。

黃雪峰，方晟，周俊鵬.非飽和膨潤土的基本性能研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(11):122-127.

formatHUANG Xuefeng，FANG Sheng，ZHOU Junpeng.Study on the Basic Properties of Unsaturated Bentonite[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):122-127.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.018

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1674-8425(2017)11-0122-06