壓制壓力對(duì)膨潤(rùn)土壓實(shí)性能的影響

謝 子 洋

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 概述

在高放射性核廢料處置庫(kù)中，被埋入地下的密封核廢料金屬罐與圍巖之間設(shè)置有人工屏障，以阻滯地下水的入滲和核素的遷移，起到隔離防滲的作用。而膨潤(rùn)土是富含蒙脫石的特殊黏土，遇水具有高膨脹性、低滲透性、強(qiáng)吸附性等特點(diǎn)，是處置庫(kù)人工屏障中緩沖層/回填層的首選材料。

SKB報(bào)告指出處置庫(kù)緩沖層膨潤(rùn)土飽和滲透系數(shù)應(yīng)不大于10-12m/s，回填層膨潤(rùn)土飽和滲透系數(shù)應(yīng)不大于10-10m/s[1]，可見，膨潤(rùn)土為了實(shí)現(xiàn)隔離防滲的功能，必須滿足極低滲透性的要求。此外，核廢料處置庫(kù)中膨潤(rùn)土砌塊與砌塊之間、砌塊與金屬罐(裝有高放射性核廢料)之間、砌塊與圍巖之間會(huì)存在施工縫隙，膨潤(rùn)土需要具有良好的膨脹自愈能力。因此，為了獲得極低的滲透性與良好的膨脹自愈能力，膨潤(rùn)土必須達(dá)到高壓實(shí)狀態(tài)。根據(jù)已有研究，獲得高壓實(shí)膨潤(rùn)土的途徑主要分為3類：

1)增大壓實(shí)功。

劉建國(guó)等[2]研究表明膨潤(rùn)土的干密度隨壓制壓力的增大而增大。劉月妙等[3]也得到了類似的結(jié)論，并指出膨潤(rùn)土的壓實(shí)密度還與蒙脫石含量有關(guān)。Torbj?rn等研究表明膨潤(rùn)土壓實(shí)到容積密度2.0 g/cm3需高達(dá)50 MPa～100 MPa壓實(shí)應(yīng)力(約5 700 kN～14 250 kN)，其試塊尺寸為500 mm×571 mm×400 mm[4]。可見，膨潤(rùn)土達(dá)到高壓實(shí)狀態(tài)，需要配以高壓力設(shè)備，耗時(shí)耗能。

2)調(diào)控初始含水率。

陳香波[5]開展了含水率為6%～18%的純膨潤(rùn)土壓實(shí)試驗(yàn)(試樣直徑61.8 mm，壓實(shí)應(yīng)力30 MPa)，結(jié)果表明：隨含水率的增加，膨潤(rùn)土的干密度先增大后減小，在最優(yōu)含水率12%的狀態(tài)下達(dá)到最大干密度。劉曉東[6]、梁健[7]、葉為民等[8]研究表明最優(yōu)含水率與施加的壓實(shí)荷載有關(guān)。

3)摻入石英砂或碎石。

純膨潤(rùn)土難壓實(shí)，大量學(xué)者提出摻入石英砂或碎石可以提高膨潤(rùn)土的干密度，范香等[9]得出沸石含量在20%～50%之間時(shí)，膨潤(rùn)土干密度急劇增大。張虎元等[10]和田永銘等[11]也得到了類似的結(jié)論，摻砂/碎石含量增加時(shí)，膨潤(rùn)土難以“調(diào)理”的性質(zhì)得到顯著改善。然而，隨著摻入物含量的增加，黏土顆粒與摻入物之間的摩擦力不可忽略且會(huì)形成骨架，需要的壓實(shí)荷載增大。

為此，如何有效提高膨潤(rùn)土的干密度依舊是待解決的難題。論文以純膨潤(rùn)土為研究對(duì)象，開展了不同初始含水率及不同壓力作用下的壓實(shí)試驗(yàn)，明晰壓制壓力的變化與膨潤(rùn)土干密度的關(guān)系，并提出改善膨潤(rùn)土壓實(shí)性能的優(yōu)化方案，以供膨潤(rùn)土制樣參考。

2 試驗(yàn)材料與方法2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鈉基膨潤(rùn)土由河南省鞏義市龍?chǎng)蝺羲牧嫌邢薰咎峁碛^呈灰白色。根據(jù)GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[12]，分別測(cè)得膨潤(rùn)土粉末的液(塑)限、比重、自由膨脹率等基本參數(shù)。同時(shí)，參考文獻(xiàn)[13]～[15]，運(yùn)用乙二醇乙醚法與亞甲基藍(lán)吸附法，分別測(cè)得膨潤(rùn)土的比表面積與蒙脫石含量。詳細(xì)基本參數(shù)值如表1所示。

表1 膨潤(rùn)土基本性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1含水率配置

膨潤(rùn)土對(duì)水極其敏感，即使采用冰—土混合法和噴水法[16]，也會(huì)出現(xiàn)明顯的成團(tuán)現(xiàn)象，形成粒徑不同且較硬的大顆粒。為了削弱這一現(xiàn)象，論文采用汽霧化法來依次配置含水率為0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%的土體試樣，即將水蒸氣通入到裝有土樣的密閉容器內(nèi)，每隔20 min翻動(dòng)一次，當(dāng)土樣達(dá)到目標(biāo)含水率后將其移入密封袋內(nèi)，靜置24 h，確保土水混合均勻。含水率配置裝置如圖1所示。

2.2.2壓實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)選用靜力壓實(shí)方法，借助圓筒狀壓實(shí)模具(內(nèi)徑39.1 mm)與GDS壓力試驗(yàn)機(jī)(壓力傳感器量程為50 kN，位移傳感器量程為50 mm)，依次開展在45 kN(37.56 MPa)壓力作用下，含水率為0%,5%,10%,15%,20%,25%,30%的壓實(shí)試驗(yàn)。在正式開展壓實(shí)試驗(yàn)之前，需要將所有土樣壓實(shí)到同一干密度(1.20 g/cm3)作為初始狀態(tài)，以消除初始狀態(tài)不同而帶來的誤差。壓實(shí)試驗(yàn)裝置見圖2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為更直觀的探究壓制壓力對(duì)膨潤(rùn)土干密度的影響，定義干密度增長(zhǎng)率與增長(zhǎng)率增量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，干密度增長(zhǎng)率(GR)是指在各級(jí)壓制壓力作用下膨潤(rùn)土的干密度值增量與初始狀態(tài)的膨潤(rùn)土干密度的比值，計(jì)算公式如式(1)所示。而增長(zhǎng)率增量(ΔGR)是指各級(jí)壓制壓力作用下膨潤(rùn)土干密度變化率與前一級(jí)壓制壓力作用下膨潤(rùn)土干密度變化率的差值，計(jì)算公式如式(2)所示。

(1)

其中，GR為膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率，%；ρd(i)為某一壓制壓力作用下的膨潤(rùn)土干密度,g/cm3；ρd(0)為初始狀態(tài)的膨潤(rùn)土干密度，取1.20 g/cm3。

ΔGR=GR(i+1)-GR(i)

(2)

其中，ΔGR為膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率增量，%；GR(i+1)與GR(i)(i=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)為各級(jí)壓制壓力作用下膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率,%(i=0，即初始狀態(tài)壓制壓力為0 kN；i=1,2,3,4,5,6,7,8,9即壓制壓力分別對(duì)應(yīng)5 kN，10 kN，15 kN，20 kN，25 kN，30 kN，35 kN，40 kN，45 kN)。

不同初始含水率狀態(tài)的膨潤(rùn)土試樣分別在5 kN，10 kN，15 kN，20 kN，25 kN，30 kN，35 kN，40 kN，45 kN壓制壓力作用下的膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率如圖3所示。

如圖3所示，在同一含水率狀態(tài)下，干密度增長(zhǎng)率隨壓制壓力的增大而增大。在壓力的增大過程中，膨潤(rùn)土蒙脫石礦物成分充分吸水膨脹，顆粒間相互接觸，大孔隙變成小孔隙，膨潤(rùn)土干密度增大。但是，當(dāng)壓力超過20 kN后，高含水率狀態(tài)下的干密度增長(zhǎng)率變化極小，幾乎無變化。對(duì)于高含水率狀態(tài)下的膨潤(rùn)土，壓力增大到一定程度后，土中的孔隙水與氣體被封存在土體內(nèi)部難以排出，形成了孔隙壓力，干密度提升效果不顯著。此外，在壓制壓力45 kN的作用下，在含水率為10%～25%時(shí)，膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率均達(dá)到35%以上，處于領(lǐng)先，換言之，干密度值達(dá)到最大，壓實(shí)效果顯著。

為進(jìn)一步探究壓制壓力如何影響膨潤(rùn)土的密實(shí)行為，計(jì)算了不同含水狀態(tài)下的膨潤(rùn)土在壓制壓力為5 kN,10 kN,15 kN,20 kN,25 kN,30 kN,35 kN,40 kN,45 kN的干密度增長(zhǎng)率增量，如表2所示。

表2 增長(zhǎng)率增量

顯而易見，在壓制壓力較小時(shí)，高含水率狀態(tài)膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率增量大，這與圖3現(xiàn)象一致。隨著壓制壓力增加，膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率增量大的點(diǎn)逐漸靠近較低含水率區(qū)。在低含水狀態(tài)下，土粒間的粘聚力小，摩擦力較大，壓力增加的過程是一個(gè)克服摩擦力的過程，干密度增長(zhǎng)率增長(zhǎng)緩慢。隨著含水率的緩慢增加，土粒間的粘聚力逐漸增大，且水的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，壓力增大，克服摩擦阻力相對(duì)較容易，膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率增量變化明顯。但當(dāng)含水率增大到一定程度，增加的壓力不僅要克服摩擦阻力，還要克服土體內(nèi)形成的孔隙水壓力，導(dǎo)致壓制壓力持續(xù)增大到某一壓力值后，膨潤(rùn)土的干密度增長(zhǎng)率增量逐漸趨于穩(wěn)定，甚至不足1%。可見，對(duì)于高含水率狀態(tài)下的膨潤(rùn)土，增大壓力僅僅加速了其壓實(shí)過程，并無法提升膨潤(rùn)土干密度。對(duì)于低含水狀態(tài)下的膨潤(rùn)土，增大壓力可以提升膨潤(rùn)土的干密度，但前期提升效果不顯著。

因此，在壓制膨潤(rùn)土試樣時(shí)，建議根據(jù)目標(biāo)干密度來選擇合理的初始含水率及壓制壓力，從而有效減少機(jī)械與時(shí)間成本。

4 結(jié)論

1)在同一含水率狀態(tài)下，膨潤(rùn)土的干密度增長(zhǎng)率隨壓制壓力的增大而提升。但對(duì)于高含水率狀態(tài)下的膨潤(rùn)土，其干密度增長(zhǎng)率在壓力超過20 kN后幾乎無變化，主要是由于粒間摩擦力協(xié)同土體內(nèi)孔隙水壓力與壓制壓力產(chǎn)生對(duì)沖作用的結(jié)果。

2)對(duì)于低含水率狀態(tài)下的膨潤(rùn)土，壓制壓力的增大使膨潤(rùn)土干密度增長(zhǎng)率增量逐漸提升，但在加載前期，壓實(shí)效果不明顯。

3)對(duì)于高含水率狀態(tài)下的膨潤(rùn)土，壓制壓力的增大加速了壓實(shí)過程，但在加載后期，作用效果等同于“無用功”。壓制壓力可以提升膨潤(rùn)土的干密度，但其提升效果受初始含水率影響。通過增大壓制壓力的方式可提升膨潤(rùn)土的干密度，但對(duì)于大尺寸或高干密度試樣的壓制，對(duì)壓實(shí)設(shè)備要求較高(大量程及大功率)。