劉宇翼，蘇運河，從衛(wèi)民，佘躍心，楊琴

初始含水率對膨潤土膨脹特性的影響

劉宇翼1，2，蘇運河2，從衛(wèi)民3，佘躍心2，楊琴2

(1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221008;2.淮陰工學院建筑工程學院，江蘇淮安223001;3.淮安市建設工程施工圖審查處，江蘇淮安223001)

為了獲得初始含水率對膨潤土膨脹特性的影響規(guī)律，進行了不同初始含水率條件下無荷膨脹率、有荷膨脹率和膨脹力室內試驗。試驗結果表明:中等膨脹勢膨潤土在吸水飽和過程中無荷膨脹率、有荷膨脹率逐漸增大，且經歷快速膨脹期、緩慢膨脹期和膨脹穩(wěn)定期3個階段。初始含水率越小，快速膨脹期歷時越短，膨脹速率越快。隨著初始含水率的增加，膨潤土的無荷膨脹率、有荷膨脹率和膨脹力均呈減小趨勢，且無荷膨脹率、有荷膨脹率線性遞減，而膨脹力與初始含水率呈現(xiàn)良好負指數(shù)關系。

膨潤土;初始含水率;無荷膨脹率;有荷膨脹率;膨脹力

0 引言

發(fā)展核電是中國滿足電力需求、優(yōu)化能源結構、保障能源安全、促進經濟持續(xù)發(fā)展的重要舉措，也是減少環(huán)境污染、實現(xiàn)經濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展的有效途徑，具有巨大的戰(zhàn)略意義。目前，中國在運核電機組數(shù)達34臺，僅次于美國、法國和俄羅斯，位列全球第4。此外，中國在建核電機組20臺，穩(wěn)居世界首位，占全球在建核電機組數(shù)的40%，是世界上核電發(fā)展最快的國家［1］。核電高速發(fā)展的同時也產生了大量核廢物，如果處置不當，對自然環(huán)境和人類社會將產生巨大的破壞作用，因此，核廢物處置成為國際社會高度關注的重要課題。深地質處置被國際上公認為是處置核廢物最有效可行的方法。在中國，深地質處置技術通常采用多重工程屏障系統(tǒng)(包括廢物固化體、廢物容器、外包裝、緩沖材料)和適宜的地質體共同作用來確保核廢物與生物圈的安全隔離［2］。大量研究表明:膨潤土具有極低的滲透性和優(yōu)良的核素吸附等性能，是理想的核廢物處置庫緩沖回填材料［3－6］。

膨潤土的諸多特性中，脹縮性是最明顯、最基本的特征。當膨潤土遭遇地下水滲透，其含水率便會增大從而引起膨脹變形，而膨脹或收縮所產生的內應力會使得裂隙產生并擴展，導致核廢料處置的工程屏障遭到破壞。因此，研究膨潤土的脹縮特性對核廢物深地質處置的安全性具有重要意義。文獻［7］通過對干密度為1.40～1.51 g/cm3的多組高廟子膨潤土的膨脹力試驗，發(fā)現(xiàn)膨潤土樣品的壓實密度與壓制壓力和蒙脫石質量分數(shù)有關，膨脹力與樣品壓實密度和蒙脫石質量分數(shù)有關，樣品在荷載作用下膨脹變形明顯減小。文獻［8］研究了4種類型膨潤土的膨脹變形，發(fā)現(xiàn)膨潤土的最大膨脹變形與膨潤土的初始干密度有關。文獻［9］在高廟子鈉基膨潤土中分別加入質量分數(shù)為0%、10%、20%、30%、40%和50%的石英砂，形成混合型緩沖回填材料，當初始含水率較大時，材料最大膨脹力隨初始含水率的增大略有降低。摻砂率一定時，材料最大膨脹力隨初始干密度指數(shù)增長，并得到了高廟子鈉基膨潤土-石英砂混合型緩沖回填材料最大膨脹力歸一化模型。文獻［10－11］從膨脹率、膨脹力和蒙脫石質量分數(shù)等方面對砂-膨潤土膨脹特性及其影響因素進行了研究。

綜上所述，現(xiàn)有研究對象主要集中在砂-膨潤土混合物，研究方向主要集中在膨脹力，研究因子主要針對干密度和摻砂率。而初始含水率對膨潤土膨脹性能的影響規(guī)律研究還比較少。因此，本文針對中等膨脹勢的膨潤土，通過室內膨脹性試驗，分析了不同初始含水率條件下膨脹率和膨脹力的變化規(guī)律，以期為核廢物深地質處置工程屏障材料的選擇、設計及加工提供技術支持。

1 試驗用土

試驗用土為內蒙古高廟子鈣基膨潤土，呈灰白色。參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》［12］的規(guī)定，采用激光粒度儀進行顆粒級配試驗，采用液塑限聯(lián)合測定儀測試液限和塑限，得到的膨潤土基本物理性質見表1。由表1可見:該膨潤土液限較大，塑性指數(shù)很高，且顆粒粒徑主要集中于5～75 μm。

表1 膨潤土的基本物理性質

采用自由膨脹率測定儀對試驗所用膨潤土進行自由膨脹率試驗，共開展了2組平行試驗。測得自由膨脹率分別為87.8%和89.2%，平均自由膨脹率為88.5%，根據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》［13］，綜合判定試驗所用膨潤土為中等膨脹潛勢。

按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》［12］的要求，對試驗所用膨潤土進行了標準擊實試驗，測得最佳含水率(質量分數(shù))為27.0%，最大干密度為1.48 g/cm3。

2 試驗方案

2.1 試樣制備

土樣制備時，按照初始含水率配制土樣，并將其置于保濕缸內燜料24 h，然后采用自制壓樣器制樣［14］。壓樣器示意圖見圖1。該壓樣器采用對半式，通過螺栓組件連接，取樣時只需擰開螺栓組件，拿開壓樣活塞和導筒，便可輕易獲得標準環(huán)刀試樣，并且能保證重塑膨潤土環(huán)刀試樣的高度、平整度、均勻度以及同批試樣的一致性達到試驗精度要求，從而提高試驗結果的可靠性。

2.2 初始含水率測定

根據(jù)試樣制作的可行性和易操作性，將試驗膨潤土的初始

含水率(質量分數(shù)，下同)設計成5種，分別為21%、24%、27%、

30%和36%。

由于試樣制備時的天氣不確定性、加水不均勻性以及其他

人為因素，試樣的最終含水率還需通過進一步測試確定。為此，采用烘干法對各組試驗用土的含水率測定2次，獲得其最終初始含水率w0。A組，w0=21.3%;B組，w0=24.3%;C組，w0=27.0%;D組，w0= 30.0%;E組，w0=35.6%。

在相同干密度條件下，對上述5組不同初始含水率的膨潤土土樣開展無荷膨脹率試驗、有荷膨脹率試驗和膨脹力試驗。無荷膨脹率試驗在WZ-2型膨脹儀上進行，有荷膨脹率試驗和膨脹力試驗在單杠桿固結儀上進行。試驗步驟嚴格遵照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》［12］，每種土樣做2組平行試驗。

圖1 壓樣器示意圖

3 膨潤土膨脹特性與初始含水率的關系

3.1 無荷膨脹率與初始含水率的關系

無荷膨脹率時程曲線如圖2所示。由圖2可知:隨著膨潤土吸水飽和，無荷膨脹率的變化大致可分為3個階段:(Ⅰ)快速膨脹期。該階段大約在膨潤土吸水后20 h內完成，且膨脹量較大，大約占最終膨脹量的60%～80%。通過比較發(fā)現(xiàn)初始含水率越大，快速膨脹期歷時越短，膨脹速率越快。(Ⅱ)緩慢膨脹期。該階段膨脹速率由快到慢，大約在25～50 h完成，且初始含水率越大，該階段歷時越長。(Ⅲ)膨脹穩(wěn)定期。該階段由于膨潤土吸水后產生膨脹，其密度隨之減小，土體間的空隙越來越大，土顆粒間的空隙要被水分完全充填需要很多時間，因此膨脹穩(wěn)定期歷時較長，但膨脹量變化不大，無荷膨脹率時程曲線較平穩(wěn)。

此外，無荷膨脹率隨初始含水率的增大而減少，最終，5個試樣中最大無荷膨脹率達到65.81%，而最小無荷膨脹率僅為12.06%，可見初始含水率對無荷膨脹率的影響十分明顯。

無荷膨脹率與初始含水率的關系見圖3。通過回歸分析得到無荷膨脹率與初始含水率的擬合關系式為:

其中:δe為無荷膨脹率，%;w0為初始含水率，%。

根據(jù)擬合關系式和試驗數(shù)據(jù)，得到無荷膨脹率與初始含水率的相關系數(shù)R2=0.971 9，表明在干密度確定的前提下，無荷膨脹率與初始含水率呈良好線性關系。

圖2 無荷膨脹率時程曲線

圖3 無荷膨脹率與初始含水率的關系

3.2 有荷膨脹率與初始含水率的關系

各試樣有荷膨脹率試驗的恒定荷載均為25 kPa，有荷膨脹率時程曲線見圖4。由圖4可知:有荷膨脹率隨時間非線性增加，同無荷膨脹率的變化規(guī)律類似，有荷膨脹率也經歷了快速膨脹期、緩慢膨脹期和膨脹穩(wěn)定期3個階段。初始含水率越小，同一時刻有荷膨脹率越大，初始含水率w0=21.3%時，有荷膨脹率最終達到了9.60%;而w0=35.6%時，有荷膨脹率最終降至1.30%。25 kPa恒壓條件下，對同一試樣的最終無荷膨脹率和最終有荷膨脹率對比發(fā)現(xiàn)，w0分別為21.3%、24.3%、27.0%、30.0%和35.6%時，試樣的最終有荷膨脹率與最終無荷膨脹率比值分別為14.59%、15.34%、12.26%、9.67%和10.78%。可見膨潤土膨脹變形與上部荷載之間的基本規(guī)律為:上部荷載對膨潤土的膨脹變形抑制作用十分明顯，且初始含水率較大時，上部荷載的抑制效果更為突出。

有荷膨脹率與初始含水率的關系見圖5，通過回歸分析得到有荷膨脹率與初始含水率的擬合關系式為:

其中:δep為有荷膨脹率，%;w0為初始含水率，%。

圖4 有荷膨脹率時程曲線

圖5 有荷膨脹率與初始含水率的關系

有荷膨脹率與初始含水率的相關系數(shù)R2=0.918 2，表明在干密度確定的前提下，有荷膨脹率與初始含水率呈近似線性關系。

3.3 膨脹力與初始含水率的關系

膨潤土吸水膨脹時，由于限制了體積變化而在膨潤土中產生的內應力便是膨脹力。采用加荷平衡法進行膨脹力試驗，試驗設備與單軸固結儀相同，并用標準砂和盛砂桶代替砝碼和吊盤，以便加壓時精確、可控。膨脹力試驗結果如表2所示。

表2 膨脹力試驗結果

由表2可以看出:隨著初始含水率的增大，膨脹力逐漸減少。當初始含水率小于27.0%時，隨初始含水率的增加，膨脹力迅速降低;當初始含水率大于27.0%時，隨初始含水率的增加，膨脹力緩慢降低。

將表2的數(shù)據(jù)繪圖并進行擬合，膨脹力與初始含水率的關系見圖6，擬合公式為:

其中:P為膨脹力，kPa;w0為初始含水率，%。

圖6 膨脹力與初始含水率的關系

試驗數(shù)據(jù)和擬合公式表明:膨脹力與初始含水率的相關系數(shù)R2=0.991 3，表明在干密度確定的前提下，膨脹力與初始含水率呈良好負指數(shù)關系。

4 結論

(1)膨潤土在吸水飽和過程中，無荷膨脹率、有荷膨脹率均隨吸水過程逐漸增大，且經歷快速膨脹期、緩慢膨脹期和膨脹穩(wěn)定期3個階段。

(2)初始含水率越小，同一時刻膨潤土的無荷膨脹率和有荷膨脹率越大，且快速膨脹期歷時越短，膨脹速率越快。

(3)上部荷載對膨潤土的膨脹變形抑制作用十分明顯，且初始含水率較大時，上部荷載的抑制效果更為突出。

(4)無荷膨脹率隨初始含水率的增加線性遞減，而有荷膨脹率與初始含水率也呈近似線性關系。

(5)隨著初始含水率的增大，膨潤土膨脹力逐漸減少，兩者呈現(xiàn)良好負指數(shù)關系。當初始含水率小于27.0%時，隨初始含水率的增加，膨脹力迅速降低;而初始含水率大于27.0%時，隨初始含水率的增加，膨脹力緩慢降低。

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TU411;TU443;TL942

A

1672－6871(2017)05－0051－04

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.011

住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃基金項目(2014－K3－030);江蘇省政策引導類計劃(產學研合作)基金項目(BY2016061－12);江蘇省建設系統(tǒng)科技基金項目(2014ZD05)

劉宇翼(1982－)，男，湖南邵陽人，講師，博士，主要研究方向為特殊土工程特性及處治技術.

2016－11－22