溫度對高廟子膨潤土浸水膨脹特性的影響

蔣江紅,孫德安

溫度對高廟子膨潤土浸水膨脹特性的影響

蔣江紅,孫德安

(上海大學土木工程系,上海200444)

對取自內蒙古高廟子地區的GMZ07鈉基膨潤土在不同溫度下進行了浸水飽和引起的膨脹特性試驗.在不同溫度條件下對不同初始干密度試樣在100～600 kPa的豎向荷載作用下進行了浸水飽和的膨脹變形及膨脹力試驗.試驗結果表明:在初始含水率相同的情況下,浸水飽和引起的變形主要取決于干密度和豎向荷載,對溫度也有一定的影響,但不是很顯著;在相同干密度和溫度的情況下,豎向荷載越大,浸水變形穩定后孔隙比越小,且孔隙比與豎向壓力在半對數坐標中呈線性關系;在相同溫度和相同豎向荷載情況下,不同的初始干密度試樣在浸水變形穩定后的孔隙比相近.此外,隨著溫度的升高,膨脹力略微減小.

膨潤土;溫度;膨脹特性;浸水

目前,國際上計劃采用深地質處置的方法來處理核電站等產生的高放射性核廢料(簡稱高放廢物),即將高放廢物埋置在地下500至1 000 m左右的位置,以防止高放廢物輻射對人類生存環境產生影響.我國已初步選定甘肅省北山地區為高放廢物處置庫,而內蒙古高廟子(Gaomiaozi,GMZ)膨潤土因埋藏量大、地理位置優越和交通便利等有利因素,已經被選為處置庫的緩沖回填材料.為了固定廢物罐和緩沖來自圍巖的地應力,緩沖層要經歷長期的地下水及輻射熱的作用,故研究在熱-水-力多場耦合作用下緩沖材料的工程性質是非常必要的.

目前,針對膨潤土的研究主要有:劉月妙等[1-3]對GMZ膨潤土性能進行了測定,通過壓縮試驗給出了GMZ膨潤土的彈性模量與干密度的關系,并利用微機控制高溫高壓膨脹滲透儀,以GMZ001鈉基膨潤土為材料進行了一系列試驗,指出GMZ001鈉基膨潤土的膨脹力隨干密度增大而增大,隨溫度的升高而增大;秦冰等[4-5]研究了GMZ001鈉基膨潤土的三向膨脹力特性及其脹縮特性的影響因素;葉為民等[6]闡述了雙電層與高廟子膨潤土的體變特性,解釋了膨潤土膨脹的微觀機理,并研究了在干濕循環條件下膨潤土的微觀結構特性;Sun等[7]研究了GMZ膨潤土在不同的摻砂率下的膨脹變形,指出在垂直應力與浸水條件下穩定后的孔隙比在雙對數坐標中呈線性關系;劉偉等[8]通過射線高溫對GMZ膨潤土進行老化作用試驗,發現經過輻射和熱老化作用后的膨潤土膨脹能力不變;Schanz等[9]針對GMZ001鈉基膨潤土高壓實樣的膨脹力進行了研究,指出干密度是影響膨脹力的主要因素;Villar等[10]研究了溫度對FEBEX膨潤土膨脹力、膨脹變形及滲透性的影響,發現膨脹力及膨脹變形隨著溫度的升高而減小;Romero等[11]通過對兩種膨潤土(FEBEX和Boom clay)的研究指出,在豎向壓力相同時膨潤土浸水后的膨脹量隨著溫度的升高而減小,且豎向壓力越小對溫度的影響越明顯.

在國內,對GMZ膨潤土的研究除了集中在常溫下的膨脹力、膨脹變形特性、土水特性等外,對GMZ膨潤土的熱傳導性的研究也逐步增多[12-13].雖然對有關GMZ膨潤土工程特性的研究已取得一定的成果,但對于考慮了溫度影響的膨脹特性的研究還很少.本工作以GMZ07鈉基膨潤土為試驗材料,分別對不同初始干密度壓試樣在不同溫度和豎向壓力條件下進行浸水飽和的膨脹變形及膨脹力試驗,并研究溫度對浸水飽和后試樣的變形特性及膨脹力的影響規律.

1 浸水變形試驗及膨脹力試驗

1.1 試驗材料及儀器

試驗土樣是2014年取自內蒙古興和縣高廟子的GMZ07鈉基膨潤土,經過精選和超音速粉碎后粒度小于200目的粉末樣,其主要成分除蒙脫石外,還存在微量的高嶺石、伊利石和伴生礦物,其物理和礦物參數如表1所示.試驗時為了控制溫度,將輕型固結儀放入恒溫恒濕控制箱.制樣用環刀的直徑為61.8 mm,高度為20.0 mm.

表1 GMZ07鈉基膨潤土的特性參數Table 1 Characteristic parameters of GMZ07 Na-bentonite

1.2 浸水變形試驗步驟

1.2.1 制樣

采用自然含水率(約9.6%)下的粉末狀土樣,用壓實方法制樣,即將土樣按照目標干密度的要求,用壓實模具壓制到目標干密度,得到直徑為61.8 mm、高度為12.0 mm的不同干密度壓實樣.由于GMZ07鈉基膨潤土為強膨脹性土,故試樣的初始高度設計為12.0 mm,這是為了防止在豎向壓力較小時試樣浸水膨脹后溢出高度20.0 mm的環刀而引起試驗誤差.

1.2.2 裝樣

將制好的試樣裝入固結儀容器中,并將整個固結儀容器裝入可開口的密封袋中密封,以防止高溫下試樣水分蒸發;把厚12.0 mm的試樣安裝在高20.0 mm的環刀中間,上下各留出3.0 mm空間放置透水石,以避免土樣溢出環刀.將壓實樣裝入在恒溫恒濕控制箱的輕型固結儀后,裝上百分表并施加1 kPa的豎向接觸壓力,使試樣與透水石及儀器的各個部分全部接觸.當百分表讀數不變時,認為此時試樣達到預壓穩定狀態,記錄百分表讀數作為豎向位移的初始值.分級加載到目標豎向壓力值,并按一定時間間隔記錄百分表讀數,當百分表讀數變化小于0.01 mm/h時,則認為試樣已達到固結穩定狀態,記錄讀數.

1.2.3 浸水變形

本試驗中需要控制不同溫度,故所用的去離子水在加入固結儀容器前預熱到目標溫度,待百分表讀數在相應的豎向壓力作用下壓縮并穩定后,向固結儀容器中加入預熱過的水,并隨時記錄其豎向變形數值.當每24 h豎向變形量小于0.01 mm時,視試樣浸水飽和引起的變形已穩定.表2匯總了所有浸水變形試驗的條件和試樣的初始干密度.

表2 浸水變形試驗匯總Table 2 Summary of tests for deformations due to wetting

1.3 膨脹力試驗方法

膨脹力試驗所用的試樣制樣方法同浸水變形試驗,其試驗條件如表3所示.表2中膨脹變形試驗溫度與表3中的膨脹力試驗不一致,原因是當干密度較大(1.50,1.70 g/cm3)時,膨脹力較大,超過了恒溫恒濕箱中輕型固結儀的最大壓力(600 kPa),故只能在自然環境溫度(10,20°C)下進行;而在膨脹變形試驗中豎向壓力小于等于600 kPa,能夠通過恒溫恒濕箱控制各組試驗溫度(20,40,60°C).本試驗中采用常體積法來測量膨脹力,即對試樣施加1 kPa的荷載預壓穩定后,向固結儀中加水,試樣開始產生膨脹變形,此時立即加載使百分表回到原來的讀數,當施加到某一級荷載時讀數每24 h變化小于0.01 mm視膨脹變形穩定,此荷載即為試樣的膨脹力.

表3 膨脹力試驗匯總Table 3 Summary of swelling pressure tests

2 浸水變形試驗結果與分析

由于試樣有較高蒙脫石含量,故浸水后試樣會吸水膨脹,孔隙比也將產生變化.試樣浸水變形穩定后的孔隙比為

式中,e0為預壓(1 kPa)穩定后的孔隙比(即初始孔隙比),e為試樣浸水變形穩定后的孔隙比,h0為試樣的初始高度,Δh為試樣從預壓穩定到浸水變形穩定試樣高度的變化.

圖1是在環境溫度為20,40,60°C初始干密度ρd0=1.35 g/cm3條件下,壓實GMZ膨潤土的孔隙比與豎向壓力σv在半對數坐標中的關系,其中“初始狀態”為試樣的初始(制樣)孔隙比,“固結后”為在非飽和狀態下試樣受壓穩定后的孔隙比,“浸水飽和”為在壓力作用下浸水飽和后的孔隙比.由圖1可知:當豎向壓力為100,200 kPa時,浸水飽和后試樣發生膨脹變形;而當豎向壓力為400 kPa時,浸水飽和后試樣發生壓縮變形.在20,40,60°C環境溫度條件下,GMZ膨潤土壓實樣的浸水變形穩定后的最終孔隙比與豎向壓力在半對數坐標下呈線性關系,但直線的位置稍有不同.

圖1 在不同溫度條件下孔隙比與堅向壓力的關系(ρd0=1.35 g/cm3)Fig.1 Void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures(ρd0=1.35 g/cm3)

圖2和3是初始干密度分別為1.50,1.70 g/cm3的試樣在20,40,60°C環境溫度下,浸水變形穩定后孔隙比與豎向壓力的關系.由圖可知,初始干密度為1.50,1.70 g/cm3的試樣浸水后在各級豎向壓力(不大于600 kPa)下只發生膨脹變形,在浸水飽和變形穩定后孔隙比與豎向壓力在半對數坐標下呈線性關系.

圖2 在不同溫度條件下孔隙比與堅向壓力的關系(ρd0=1.50 g/cm3)Fig.2 Void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures(ρd0=1.50 g/cm3)

圖3 在不同溫度條件下孔隙比與豎向壓力的關系(ρd0=1.70 g/cm3)Fig.3 Void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures(ρd0=1.70 g/cm3)

圖4是在不同溫度下初始干密度分別為1.35,1.50,1.70 g/cm3的試樣浸水變形穩定后孔隙比與豎向壓力的關系.由圖可知:在相同溫度和初始干密度條件下,試樣浸水變形穩定后的孔隙比與各級豎向壓力在半對數坐標下呈線性關系;溫度越高,浸水變形穩定后試樣的最終孔隙比越小,即直線越低,且在不同溫度條件下孔隙比與豎向壓力關系的直線斜率基本相近.

圖4 在不同溫度條件下飽和孔隙比與豎向壓力的關系Fig.4 Saturated void ratio versus vertical pressure relations at dif f erent temperatures

圖5為初始干密度分別為1.35,1.50和1.70 g/cm3的試樣在20,40,60°C溫度條件下浸水變形后最終孔隙比與豎向壓力在半對數坐標下的關系.由圖可知:在相同溫度下不同初始干密度試樣在相同壓力條件下浸水變形穩定后的孔隙比相近;同一初始干密度試樣在浸水變形穩定后的最終孔隙比與豎向壓力在半對數坐標中呈線性關系,這與Sun等[7]在常溫下對GMZ001鈉基膨潤土研究所得的結論一致.

3 膨脹力試驗結果與分析

由于GMZ07鈉基膨潤土具有較高的蒙脫石含量,相對于伊利石晶層間鉀原子和高嶺石晶層間的氫鍵聯結而言,蒙脫石晶層間的范德華力及靜電力聯結強度更弱,水分子更容易進入晶層間,因此蒙脫石是一種親水性很強的礦物成分.GMZ07鈉基膨潤土壓實樣在浸水過程中表現出極強的吸水膨脹能力.

圖6為在不同初始干密度和不同溫度條件下GMZ07鈉基膨潤土壓實樣的膨脹力時程曲線.由圖可知:溫度對于浸水后的膨脹力增長速度有一定的影響,總體上溫度越高膨脹力增長越快;在同樣干密度條件下,溫度高時的最終膨脹力要比溫度低時的略小,這與文獻[10]的結論一致.在相同溫度條件下進行膨脹力試驗的結果表明,干密度對膨脹力的影響非常顯著(見圖6(d)),即干密度越大膨脹力越大.總之,溫度對膨脹力有一定的影響,但沒有干密度的影響那么明顯.

圖5 在不同溫度條件下不同初始干密度試樣的飽和孔隙比與豎向壓力的關系Fig.5 Saturated void ratio versus vertical pressure relations for dif f erent initial dry densities at dif f erent temperatures

圖6 膨脹力時程曲線Fig.6 Development curves of swelling pressure

將初始干密度分別為1.35,1.50和1.70 g/cm3的試樣,在不同溫度條件下進行浸水膨脹變形試驗(20,40,60°C)與膨脹力試驗(10,20°C),得到了豎向壓力和最終膨脹力與飽和孔隙比的關系(見圖7).由圖可知,無論常荷載的浸水膨脹變形還是膨脹力的試驗結果,在相同或接近的試驗溫度條件下,浸水飽和時的孔隙比與豎向壓力關系基本一致,而且此關系與試樣的初始干密度無關.也就是說,在相同溫度和豎向壓力條件下,不同的初始干密度試樣的飽和孔隙比是一樣的.這是因為同一種膨潤土的單位蒙脫石的膨脹能力是一定的,或者說飽和時同一種膨潤土的單位土體的吸水量是相同的.

圖7 不同溫度條件下膨脹特性匯總Fig.7 Summary of swelling characteristics at dif f erent temperatures

4 膨脹變形及膨脹力機理分析

GMZ膨潤土中含有蒙脫石和伊利石等親水性礦物,其中蒙脫石晶層之間是通過范德華力及靜電力聯接,其聯接強度最弱,水分子容易進入層間形成水膜從而產生浸水膨脹變形;在相同干密度相同豎向壓力條件下,溫度升高時水的粘滯系數減小,孔隙中的水更容易流出,故孔隙比相應減小.由于單位蒙脫石吸水能力是一定的,故在相同豎向壓力條件下,無論初始孔隙比是否一致,浸水飽和后孔隙比應相近(見圖5和7).

圖8是在不同溫度條件下飽和孔隙比與膨脹力的關系.該曲線可以作為在各溫度下浸水膨脹及壓縮分界線,可稱為飽和穩定狀態線.由圖可知,在某一溫度下孔隙比較大時,如果豎向壓力較大,超過膨脹力,試樣初始狀態位于分界線右上側的壓縮區,則浸水后試樣將發生壓縮變形;如果豎向壓力小于膨脹力,試樣初始狀態位于分界線左下側的膨脹區,則浸水后試樣將發生膨脹變形.

圖8 在不同溫度條件下孔隙比與膨脹力的關系Fig.8 Relations of void ratio with swelling pressures at dif f erent temperatures

如圖1(a)及圖6(a)所示,當溫度t=20°C,試樣初始干密度ρd0=1.35 g/cm3時,豎向壓力及膨脹力分別為400,240 kPa,此時豎向壓力大于膨脹力,試樣固結穩定后處在飽和穩定狀態線的右上側(壓縮區),故浸水后產生壓縮變形;當豎向壓力為200 kPa時,由于膨脹力大于豎向壓力,試樣固結穩定后處在飽和穩定狀態線的左下側(膨脹區),故浸水后產生膨脹變形.

由于在膨脹力試驗中采用了恒體積法,施加的豎向壓力使試樣浸水后膨脹變形的趨勢受到抑制,從而以力的形式表現出來.當溫度升高時,在相同荷載條件下水因粘滯系數減小而流出,試樣的持水性略有下降,因此浸水變形后含水率較低,水膜較薄,宏觀上表現為孔隙比減小;浸水后要保持試樣體積恒定,所需的豎向壓力減小,宏觀上就表現為隨著溫度升高膨脹力略有減小.

5 結論

(1)在相同干密度和溫度條件下的試樣浸水變形穩定后,孔隙比與豎向壓力在半對數坐標下呈線性關系;在相同溫度和豎向壓力條件下,不同初始干密度試樣浸水變形穩定后的孔隙比相近.

(2)在相同干密度和壓力條件下,溫度越高最終孔隙比越小,隨著溫度升高膨脹力略有減小,但減小的幅度不是很大;在不同溫度條件下孔隙比與豎向壓力關系所呈線性的斜率相近;在溫度較高時,浸水后膨脹力會增大得快一些.

(3)如果非飽和試樣在固結穩定后處于飽和穩定狀態線左下側(膨脹區),則浸水后試樣發生膨脹變形;相反,如果處于飽和穩定狀態線右上側(壓縮區),則浸水后試樣發生壓縮變形.

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Inf l uence of temperature on swelling characteristics of GMZ bentonite due to wetting

JIANG Jianghong,SUN Dean
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

A series of wetting tests on GMZ07 Na-bentonite,taken from Gaomiaozi area,Inner Mongolia,were performed to investigate the swelling characteristics at dif f erent temperatures.The inf l uences of temperature and initial dry density were studied under a vertical pressure ranging from 100 to 600 kPa.The test results show that deformation due to wetting is mainly af f ected by dry density and vertical pressure,and slightly af f ected by temperature.With the same initial dry density and temperature,the greater the vertical pressure,the less the void ratio after saturation.There is a linear relation between saturated void ratio and logarithm of vertical pressure.At the same temperature and vertical pressure,void ratios after saturation for dif f erent initial dry densities are similar.In addition,swelling pressure decreases slightly with increasing temperature.

bentonite;temperature;swelling characteristics;wetting

TU 443

A

1007-2861(2017)05-0762-10

10.12066/j.issn.1007-2861.1728

2015-12-03

國家自然科學基金資助項目(1162172)

孫德安(1962—),男,教授,博士生導師,博士,研究方向為土力學.E-mail:sundean@shu.edu.cn

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