張 明,張虎元,賈靈艷
(蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室,蘭州 730000)
純膨潤土作為緩沖回填材料,雖然可以最大限度地發(fā)揮其防滲性能、膨脹自愈性能和吸附性能,但純膨潤土存在著可施工性差、材料強度低等弊端。向膨潤土中添加石英砂,可顯著提高其可施工性和力學(xué)強度[1-2]。另外,與其他添加劑相比,石英砂儲量豐富且相對廉價,緩沖回填材料添加石英砂也不會明顯增大工程成本。
處置庫運行之后,緩沖回填材料要經(jīng)歷很長的時間才能達到飽和狀態(tài)。處置庫運行初期,靠近圍巖一側(cè)的緩沖回填材料受到地下水的浸潤,逐漸吸水產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,緩沖材料的干密度也可能隨之發(fā)生變化。在浸水過程中,緩沖材料的干密度也會發(fā)生變化。緩沖回填材料的非飽和導(dǎo)水率特別是液態(tài)形式水的非飽和導(dǎo)水率可間接反映溶質(zhì)的遷移能力。因此,研究緩沖材料浸水過程有著很重要的理論及工程意義。
關(guān)于膨潤土-砂混合物浸水規(guī)律的研究,國內(nèi)外已取得了一定的研究成果。Mata 等[3]通過室內(nèi)和現(xiàn)場浸水試驗研究了不同離子及濃度對水分遷移的影響。Villar[4]發(fā)現(xiàn),溶液離子會促進混合物吸收水分。在浸水試驗結(jié)束后實測了離子含量與干密度在試樣中的分布。B?rgesson 等[5]研究了溫度對膨潤土的非飽和導(dǎo)水率的控制作用。Kanno 等[6]研究了干密度對膨潤土-砂混合物非飽和導(dǎo)水率的影響,認為干密度越大,非飽和導(dǎo)水率越小。Cui 等[7]研究了不
同膨脹條件下膨潤土-砂混合物非飽和導(dǎo)水率的差異。葉為民等[8]采用自制儀器測試了GMZ001 膨潤土在非膨脹條件下的非飽和導(dǎo)水率。
本研究采用自制的浸水試驗裝置,實測摻砂率為30%的GMZ001 膨潤土-砂混合物浸水后干密度和水分分布曲線,分析混合物的非飽和導(dǎo)水率,試圖區(qū)分水分的汽/液遷移形式。同時,對浸水過程中混合物兩端的應(yīng)力進行監(jiān)測,所測結(jié)果可為我國混合型緩沖回填材料優(yōu)化配比提供依據(jù)。
試驗所用高廟子膨潤土主料由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提供,簡稱“GMZ001 膨潤土”,產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣高廟子地區(qū)。石英砂骨料為人工加工的標(biāo)準(zhǔn)砂,產(chǎn)自我國石英砂巖六大儲藏地之一的甘肅永登縣獎俊埠,由富隆石英砂廠生產(chǎn)。試驗材料基本性質(zhì)見表1。
表1 試驗材料基本性質(zhì)[9-10] Table 1 Basic properties of test material
定義石英砂與膨潤土-石英砂混合物的干重之比為摻砂率(Rs)。將烘干的膨潤土與石英砂按摻砂率為30%的比例混合后充分攪拌,根據(jù)設(shè)計的壓制含水率計算所需水量,按噴霧法將蒸餾水噴入樣品均勻濕化,將土樣置于保濕器中密封潤濕60 h。參考張虎元等[10]的方法,采用CSS-WAW300 型電液伺服萬能材料試驗機進行壓實制樣(浸水試驗設(shè)計見表2)。
表2 浸水試驗設(shè)計及試樣參數(shù) Table 2 Physical parameters of specimens for infiltration tests
圖1 是設(shè)計加工的專用浸水試驗裝置。壓實試樣切入環(huán)刀(高為40 mm,直徑為60 mm)內(nèi),環(huán)刀和剛性夾具共同限制試樣的膨脹變形。夾具與試樣之間安置透水石。試樣兩端放置一層濾紙。裝入試樣的裝置浸入蒸餾水中,水面維持在樣塊中間,認為水頭為0(見圖1)。試樣底端稱為“滲入端”,頂端稱為“滲出端”。每個浸水試驗周期結(jié)束后將試樣切成2 mm 厚薄片,用烘干法量測各薄片質(zhì)量含水率,確定試樣的水分分布曲線。試樣的初始含水率0ω 相同,即12.3%(最優(yōu)含水率),初始干密度基本相同,可視為平行試樣,試驗水溫為20 ℃。試驗?zāi)康囊姳?。
圖1 浸水試驗裝置簡圖 Fig.1 Schematic of water infilitration test apparatus
試樣S1、S2、S3、S4 分別經(jīng)歷8、24、48、 96 h 浸水試驗后,實測的水分分布曲線如圖2 所示。由于4 個試樣的初始干密度基本相同,圖中不同時間的水分分布曲線,可以看成同一個試樣經(jīng)歷不同浸水時間后水分分布曲線的依次演變過程。由圖可知,滲入端一側(cè)的含水率迅速升至25.4%,并在隨后的8~96 h 浸水過程中,含水率僅升高了1.67%。與此相對應(yīng),試樣內(nèi)部的浸潤鋒面在浸水8 h 后推移至15 mm 深,浸水24 h 后推移至約30 mm 深,浸水96 h 后推移并超出滲出端。不同浸水時間在深度zi處的含水率ω(%),即水分分布曲線,可用表3 的擬合方程進行描述。
圖2 不同浸水周期的水分分布曲線 Fig.2 Water content distributions at different infiltration periods
表3 試樣水分分布曲線擬合方程 Table 3 Fitted equations for distributions of water contents
試樣S5 安裝于浸水試驗裝置后移入保濕器中靜置96 h 作為參比;試樣S6 安裝于浸濕試驗裝置中按圖1 所示的方式浸水96 h。試驗結(jié)束后,將試樣切成厚度均為8 mm 的薄片,采用烘干法分別量測其干質(zhì)量并計算干密度。圖3 是試樣S5、S6 的干密度分布曲線。由圖可以看出,未經(jīng)浸水的試樣S5,干密度峰值出現(xiàn)在試樣中部。這說明采用張虎元等[10]的雙壓頭單軸靜力壓實法獲得的試樣,中部密度偏高,兩端密度偏低。與此相比,采用相同方法制備但經(jīng)過浸水之后的試樣S6,干密度峰值比S5有所降低,峰值位置由原來的試樣中部(即20 mm處)偏移到距滲入端約30 mm 處;試樣S6 兩端部的干密度比S5 有所提高。換言之,浸水之后,試樣中部的干密度有所下降,兩端的干密度有所提高,即試樣干密度原有的不均勻分布有所緩和。這說明,在圍限條件下,混合物吸水膨脹變形有使內(nèi)部密度向均一化調(diào)整的趨勢。
撤除剛性限制之后,試樣材料會發(fā)生一定程度的膨脹,采用切片烘干法測定干密度也會對試樣原有狀態(tài)產(chǎn)生一定程度的擾動,因此,與理想真值相比,實測干密度會包含一定的誤差。但對揭示不同位置的干密度分布還是很有價值的。
圖3 浸水前后干密度分布變化 Fig.3 Distributions of dry density before and after water infiltration
在試樣S7 的滲入端及滲出端分別安置BX-1 型土壓力傳感器,連接YJ-35 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀,通過標(biāo)定系數(shù)求出不同時刻試樣受到剛性限制產(chǎn)生的應(yīng)力。圖4 為應(yīng)力隨時間的變化曲線。浸水96 h 后,滲入端的最大應(yīng)力值為1.02 MPa;試樣滲出端的最大應(yīng)力值為1.00 MPa。由圖可知,浸水初期,混合物滲入端應(yīng)力增大很快,但24 h 后明顯減慢。相反,滲出端的應(yīng)力一直保持持續(xù)增長。圖4 表明,浸水96 h 之后,滲入端與滲出端的應(yīng)力值基本接近。
如圖5 所示,試樣浸水后會受到3 種力的作用:上、下剛性限制的約束力P1與P2、與環(huán)刀側(cè)壁的摩擦力f 以及垂直于側(cè)壁方向的約束力F。而儀器讀數(shù)則為P1與P2的反作用力所對應(yīng)的應(yīng)力值,并不與試樣的實際膨脹應(yīng)力對等。
圖4 應(yīng)力-時間關(guān)系 Fig.4 Curves of stress-time
圖5 試樣受力分析 Fig.5 Sample stress analysis
試樣壓制進入環(huán)刀,材料與環(huán)刀側(cè)壁緊密接觸,兩者之間存在很大的摩擦力。這一點,從試樣從環(huán)刀里脫出可以驗證。試樣從環(huán)刀內(nèi)脫出,環(huán)刀內(nèi)側(cè)可以明顯看到材料表面上的擦痕。由于摩擦力的存在,試樣頂部及底部的約束力會有差異。
非膨脹條件下膨潤土-砂混合物試樣一維水分遷移可用下式表達[11]:
式中:Q 為遷移水量;k 為非飽和導(dǎo)水率;z 為標(biāo)高;ψ 為孔隙水勢,包括基質(zhì)勢、重力勢和滲透勢。
孔隙水勢有多種表達方式,如單位質(zhì)量含有的能量、單位體積含有的能量和單位重量含有的能 量[12]。本研究中,孔隙水勢定義為單位重量所含能量,意義等價于水頭。混合物中水分重力勢的影響可以忽略,因此,非飽和水流可用下式表達[11]:
其中
式中:D 為水分擴散系數(shù);ω 為質(zhì)量含水率;φ 為基質(zhì)勢與滲透勢之和;d dω φ 為比水重度。
對試樣長度l 中的某一位置zi而言,從時間t1到t2的水分擴散系數(shù),可在浸水試驗得到的水分分布曲線的基礎(chǔ)上按照下式計算:
式中:t 為浸水時間;l 為試樣長度;zi(0≤zi≤l)為測試點到滲入端的距離。
利用式(4)及圖2 的水分分布曲線,可以求出混合物不同含水率時的水分擴散系數(shù)。圖6 中的黑點是基于式(4)對實測數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確計算的數(shù)值,圖中的曲線是采用式(10)對實測數(shù)值進行擬合后的結(jié)果。水分擴散系數(shù)取決于水分分布曲線,形如U 型。最小值出現(xiàn)在含水率為23.5%附近。
圖6 混合物水分擴散系數(shù)與含水率關(guān)系 Fig.6 Relationship between water diffusivity of bentonite-sand mixtures and water content
水分擴散包括汽態(tài)水和液態(tài)水2 種形式的擴散。隨著含水率增大,水分遷移形式從汽態(tài)占主導(dǎo)逐漸過渡為液態(tài)占主導(dǎo)。汽態(tài)水?dāng)U散系數(shù)Dv可用Philip 等[13]提出的等式表達;液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)Dl可用Darcy 公式表達。有研究表明,汽態(tài)水和液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)都受 φ ω? ? 控制,即水分擴散系數(shù)可以表達成含水率的函數(shù)[14],見下式。
且存在式(6)、(7)2 個邊界條件:
隨著含水率增大,試樣中液態(tài)水遷移量增多,汽態(tài)水遷移量逐漸減少。由不等式理論可知,當(dāng)汽態(tài)水分擴散系數(shù)Dv與液態(tài)水分擴散系數(shù)Dl相等時,兩者之和最小。如圖7 所示,首先假設(shè)水分擴散系數(shù)U 型曲線最低點,Dv=Dl=1/2Dmin,即水分擴散系數(shù)最小值的1/2 為汽態(tài)水分擴散系數(shù),另一半為液態(tài)水分擴散系數(shù)。用光滑曲線連接1/2Dmin與飽和時擴散系數(shù),即得到右側(cè)液態(tài)水分擴散系數(shù)。汽態(tài)水分擴散系數(shù)可由水分擴散系數(shù)減去液態(tài)水分擴散系數(shù)得到。同理,可估算出水分擴散系數(shù)最小值左側(cè)的汽態(tài)水分擴散系數(shù)和液態(tài)水分擴散系數(shù)。由曲線形式可知,汽態(tài)水分擴散系數(shù)符合下式:
液態(tài)水分擴散系數(shù)符合下式
圖7 汽態(tài)及液態(tài)水分擴散系數(shù)估算方法 Fig 7 Method for estimating water vapor and liquid water diffusivity
所以,水分擴散系數(shù)應(yīng)滿足
式中:v( )D ω 為汽態(tài)水分擴散系數(shù);l( )D ω 為液態(tài)水分擴散系數(shù);sω 為試樣飽和含水率;a1、a2、b1和b2為擬合系數(shù)。由試驗結(jié)果得到:a1=28.26,a2= -1.42×10-7,b1=-651,b2=0.276,sω =0.279。圖8是將水分擴散系數(shù)分解為汽態(tài)水分擴散系數(shù)和液態(tài)水分擴散系數(shù)之后的結(jié)果。由圖可知,隨著含水率增加,汽態(tài)水分擴散系數(shù)單調(diào)遞減,而液態(tài)水分擴散系數(shù)單調(diào)遞增。理論上講,含水率達到最大值時,汽態(tài)水分擴散系數(shù)趨近于0,液態(tài)水分擴散系數(shù)達到最大,即等于飽和時混合物的水分擴散系數(shù)。
圖8 利用式(10)估計汽態(tài)及液態(tài)水分擴散系數(shù) Fig 8 Estimated water vapor and liquid water diffusivity according to Eq. 10
前期試驗[15]獲得的膨潤土-砂混合物修正土-水特征曲線方程為
由式(3)、(10)和(11)可知,水分非飽和導(dǎo)水率(ktotal)為汽態(tài)水非飽和導(dǎo)水率(kv)與液態(tài)水非飽和導(dǎo)水率(kl)之和,即:
兩者共同描述的混合物非飽和導(dǎo)水率繪于圖9。由圖可知,隨著含水率的增加,混合物汽態(tài)水分非飽和導(dǎo)水率先增大后略有減?。灰簯B(tài)水非飽和導(dǎo)水率始終增大。隨著含水率的增加,膨潤土-砂混合物非飽和導(dǎo)水率增大。含水率約為12.0%時,非飽和導(dǎo)水率最小,約為1.45×10-14m/s。含水率約為27.0%(試樣接近飽和)時,非飽和導(dǎo)水率最大,約為3.40×10-12m/s。由此可見,混合物非飽和導(dǎo)水率的最大值與最小值之間相差2 個數(shù)量級。
核廢料處置工程屏障中,溶質(zhì)的遷移形式主要是以液態(tài)水為載體而進行的。而膨潤土緩沖回填材料幾乎不可能達到飽和狀態(tài)。因此,液態(tài)水非飽和導(dǎo)水率可作為評價緩沖材料性質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。液態(tài)水分非飽和導(dǎo)水率越低,緩沖材料的溶質(zhì)遷移能力越弱。
圖9 混合物非飽和導(dǎo)水率 Fig 9 Estimated unsaturated hydraulic conductivity of bentonite-sand mixtures
(1)膨潤土-砂混合物浸水后干密度會發(fā)生變化?;旌衔锍跏級褐仆瓿珊?,干密度最大值維持在試樣中間位置,兩端部偏小。浸水96 h 的試樣干密度最大值位置向滲出端偏移,干密度分布趨于均一。
(2)隨著浸水時間的增加,膨潤土-砂混合物滲入端應(yīng)力快速增長,隨后減緩;滲出端應(yīng)力持續(xù)緩慢增長。浸水96 h 后,兩端應(yīng)力趨于一致。
(3)混合物的水分擴散系數(shù)可分解成汽態(tài)水分擴散系數(shù)和液態(tài)水分擴散系數(shù)。隨著含水率的增加,前者單調(diào)減小,后者單調(diào)增大。整體上,混合物的水分擴散系數(shù)隨含水率變化呈U 型特征。
(4)混合物的非飽和導(dǎo)水率可分解為汽態(tài)水分非飽和導(dǎo)水率和液態(tài)水分非飽和導(dǎo)水率。隨著含水率增加,前者緩慢增大,隨后略有減小;后者單調(diào)增大。混合物的非飽和導(dǎo)水率隨含水率增加單調(diào)增大,數(shù)值變化在1.45×10-14~3.40×10-12m/s 之間。
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