吳恒川 劉俊新 葛方東

（西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621000）

核能因?yàn)槟芰棵芏却?、利用效率高、污染排放集中等突出?yōu)點(diǎn)而被作為一種極具潛力和發(fā)展前景的新型清潔能源，在世界能源中所占比例也逐年提高。我國(guó)發(fā)展核能的空間廣闊，但核能利用過程中產(chǎn)生的高放射性核廢料，由于其含有毒性極大、半衰期很長(zhǎng)的放射性核素，對(duì)其安全處置至今仍是一個(gè)世界性難題，也是制約核能高效、快速、安全發(fā)展的瓶頸。對(duì)于高放核廢物的最終處置，曾經(jīng)提出“太空處置”、“深海溝處置”、“冰蓋處置”、“巖石熔融處置”等方案。經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，普遍接受的可行性方案是深地質(zhì)處置，即把高放核廢物埋在距離地表深約500～1 000 m的地質(zhì)體中，使之與人類的生存環(huán)境永久隔離［1］。膨潤(rùn)土因其優(yōu)良的高膨脹性和低滲透性常被認(rèn)為是處置庫(kù)人工屏障的理想緩沖和回填材料［2－3］。

深地質(zhì)處置庫(kù)投入使用后，膨潤(rùn)土在工作過程中一方面由于處置庫(kù)中混凝土材料的衰退分解和地下水綜合作用會(huì)受到高堿性溶液的長(zhǎng)期滲透侵蝕，另一方面由于在處置過程中高放射核廢釋放的衰變熱和地?zé)崽荻鹊挠绊憰?huì)使膨潤(rùn)土周圍處于高溫狀態(tài)。堿熱雙重耦合環(huán)境下膨潤(rùn)土的礦物成分會(huì)發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而對(duì)膨潤(rùn)土的膨脹性能產(chǎn)生顯著影響，而在純膨潤(rùn)土中摻加部分石英砂可以在不明顯影響回填緩沖材料膨脹特性、吸附性能、防滲性能的基礎(chǔ)上提升緩沖回填材料的導(dǎo)熱性與可施工性。因此，研究堿熱耦合作用老化后膨潤(rùn)土－砂混合物的膨脹性能對(duì)于處置庫(kù)長(zhǎng)期安全運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性預(yù)測(cè)具有重要意義。

Laura［4］將兩種不同濃度的NaOH溶液處理的膨潤(rùn)土分別放于不同溫度環(huán)境下持續(xù)反應(yīng)18個(gè)月，通過礦物分析表明，隨著濃堿溶液濃度與環(huán)境溫度的升高，膨潤(rùn)土中蒙脫石含量顯著減少。David等［5］應(yīng)用PRECIP軟件對(duì)兩種不同溫度下堿溶液與膨潤(rùn)土反應(yīng)后蒙脫石的溶解和次生礦物的形成進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明堿溶液會(huì)造成膨潤(rùn)土中蒙脫石的溶解并生成非膨脹性次生礦物。高子瑞［6］利用單軸固結(jié)儀對(duì)不同上覆荷載、不同濃度NaCl溶液作用下的膨潤(rùn)土膨脹變形特性進(jìn)行了研究，結(jié)合有效壓力的概念和計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了用唯一一條曲線來(lái)描述膨潤(rùn)土的膨脹變形行為隨著鹽溶液濃度變化的規(guī)律。陳永貴［7］采用高壓實(shí)的高廟子膨潤(rùn)土分別開展了不同鹽梯度和不同循環(huán)路徑下的恒體積膨脹力試驗(yàn)，結(jié)果表明在鹽梯度循環(huán)作用下，隨著鹽溶液濃度和循環(huán)次數(shù)的增加，膨潤(rùn)土膨脹力顯著降低。談云志［8］利用馬弗爐把膨潤(rùn)土置于105℃恒溫環(huán)境下加熱處理，90 d后發(fā)現(xiàn)其晶面間距縮合，出現(xiàn)了硅質(zhì)氧化物膠結(jié)，導(dǎo)致顆（團(tuán)）粒聚集，且縮合行為不可逆。陳航［9］通過向膨潤(rùn)土摻入石英砂，發(fā)現(xiàn)干密度相同時(shí)，隨摻砂率的增大試樣導(dǎo)熱系數(shù)增大。

本文以高廟子鈉基膨潤(rùn)土為主料，通過模擬堿－熱耦合老化過程獲得老化時(shí)長(zhǎng)不同的膨潤(rùn)土，對(duì)膨潤(rùn)土和初始狀態(tài)為最優(yōu)干密度和最優(yōu)摻砂率的混合土進(jìn)行試驗(yàn)，研究在長(zhǎng)時(shí)間尺度下堿－熱耦合作用對(duì)膨潤(rùn)土－砂混合物膨脹性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鈉基膨潤(rùn)土取自內(nèi)蒙古高廟子鄉(xiāng)，其主要黏土礦物為蒙脫石。石英砂輔料產(chǎn)自四川省成都市，砂粒粒徑在0.5～0.1 mm之間［10］。試驗(yàn)材料基本物理參數(shù)見表1。

表1 高廟子膨潤(rùn)土基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of GMZ bentonite

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土分別放入密封容器中用1 mol／L的NaOH溶液浸泡，因?yàn)樘幹脦?kù)理論溫度可以達(dá)到90℃，所以將密封容器放入設(shè)定為90℃的高溫烘箱中進(jìn)行2～12個(gè)月的堿熱耦合反應(yīng)，模擬膨潤(rùn)土在地質(zhì)庫(kù)中的運(yùn)行情況。

老化后的膨潤(rùn)土取出后先進(jìn)行粉碎再過200目篩，為了減少膨潤(rùn)土的團(tuán)粒聚集現(xiàn)象，假定初始含水率對(duì)膨潤(rùn)土－砂混合物的最大膨脹力沒有重大影響［13］，通過氣相飽和法來(lái)穩(wěn)定膨潤(rùn)土的含水率。將石英砂與膨潤(rùn)土－砂混合物的干質(zhì)量之比作為摻砂率（Rs），根據(jù)朱麗萍對(duì)于加權(quán)平均型與幾何平均型綜合評(píng)判模型下的混合物綜合性能表現(xiàn)研究［11］，將最優(yōu)摻砂率設(shè)置為30%，最優(yōu)干密度設(shè)置為1.7 g／cm3。在自制的模具套筒中壓制高30 mm、直徑50 mm的6組試樣，試樣的制作過程嚴(yán)格按照土工試驗(yàn)規(guī)程，試樣初始條件見表2。

表2 試樣初始條件統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of initial conditions of samples

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 自由膨脹率試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用自由膨脹率測(cè)定儀測(cè)定自由膨脹率。堿熱耦合老化不同時(shí)長(zhǎng)后的松散干燥的試樣在純水中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原體積之比即為自由膨脹率。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》的操作步驟，自懸液澄清后每隔2 h測(cè)讀1次土面高度（估讀至0.1 mL），當(dāng)6 h內(nèi)2次讀數(shù)差值不超過0.2 mL時(shí)，認(rèn)為膨潤(rùn)土自由膨脹基本完成。經(jīng)上述步驟試驗(yàn)可以得到該膨潤(rùn)土土樣的自由膨脹率。

1.3.2 膨脹力試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用自主研制的雙向膨脹力檢測(cè)儀（如圖1所示）測(cè)定膨脹力。將高30 mm、直徑50 mm的試樣裝入金屬膨脹筒，通過旋轉(zhuǎn)壓頭對(duì)試樣施加1.5 MPa的預(yù)壓力并預(yù)壓24 h以減少試樣回彈對(duì)膨脹力試驗(yàn)結(jié)果的影響。打開膨脹筒進(jìn)水閥門通入蒸餾水排出筒底空氣，然后利用氮?dú)馄繉?duì)膨脹筒內(nèi)試樣加壓2.0 MPa。通過自動(dòng)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)繪制膨脹力－時(shí)間雙向曲線。由于在膨潤(rùn)土中添加了石英砂，增加了試樣中的毛細(xì)通道，顯著提高了毛細(xì)飽和的進(jìn)度，從而縮短了膨脹完成的時(shí)間，所以當(dāng)觀測(cè)到雙向膨脹力－時(shí)間雙向曲線穩(wěn)定后則認(rèn)為膨脹基本完成，整個(gè)過程約48～72 h。

圖1 雙向膨脹力儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of bidirectional expansion force tester

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同老化時(shí)長(zhǎng)的膨潤(rùn)土－砂混合物的雙向膨脹力－時(shí)間曲線如圖2所示。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試樣膨脹力在48 h之后基本穩(wěn)定，而隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，膨潤(rùn)土－砂混合物雙向膨脹力呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，且試樣軸向方向膨脹力大于徑向方向膨脹力（圖3）。試驗(yàn)結(jié)果與陳永貴［12］關(guān)于膨潤(rùn)土膨脹力尺寸效應(yīng)的研究一致。

圖2 膨脹力－時(shí)間曲線與老化時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系Fig.2 Relationship between expansion time effect and aging time

圖3 最大膨脹力與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum expansion force and aging time

不同老化時(shí)長(zhǎng)的膨潤(rùn)土自由膨脹率－老化時(shí)間曲線如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，膨潤(rùn)土的自由膨脹率隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)明顯降低。

圖4 自由膨脹率與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between free expansion rate and aging time

2.2 堿熱耦合對(duì)膨潤(rùn)土－砂混合物膨脹性能的影響

膨潤(rùn)土的膨脹由3個(gè)階段組成：一是晶層間孔隙被水填充，單元層之間可交換陽(yáng)離子發(fā)生水化反應(yīng)，這一階段是由于蒙脫石單元層之間可交換陽(yáng)離子水化作用引起的，稱為晶體膨脹；二是層疊體吸水膨脹并充填集合體內(nèi)；三是層疊體厚度膨脹分裂變薄，致使集合體膨脹。第二、第三階段是由于層疊體雙電層擴(kuò)散膨脹引起，稱為雙電層膨脹［14］。

堿熱耦合老化對(duì)晶體膨脹的影響是造成膨潤(rùn)土中主要膨脹礦物蒙脫石的溶蝕［15］，即蒙脫石與堿性溶液反應(yīng)生成膨脹性較小的或非膨脹性的次生礦物，如鈉長(zhǎng)石等，且隨著溫度的升高和老化時(shí)長(zhǎng)的增加，反應(yīng)將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。礦物成分分析結(jié)果如圖5所示。膨潤(rùn)土隨著老化時(shí)間的增加，蒙脫石含量減少，鈉長(zhǎng)石含量增加，降低了單元層與層疊體的膨脹性，從而造成膨脹性能衰減。堿熱耦合老化對(duì)雙電層膨脹的影響是降低了滲透勢(shì)能，即相鄰兩個(gè)平行晶層之間擴(kuò)散雙電層的厚度受到兩個(gè)晶層中間平面處離子濃度的影響［16］，根據(jù)公式［17］：

圖5 膨潤(rùn)土礦物含量的變化曲線Fig.5 Variation curve of mineral content in bentonite

h＝nsδsem－（ns－1）dm

式中：h為擴(kuò)散雙電層的厚度；ns為層疊體中晶層數(shù)量；δs為晶層厚度；em為蒙脫石孔隙比；dm晶層間距。堿熱耦合環(huán)境下，膨潤(rùn)土擴(kuò)散雙電層的厚度減少，在恒體積不變的情況下，膨脹土－砂混合物的膨脹力和自由膨脹率顯著下降。

3.3 老化時(shí)長(zhǎng)對(duì)膨潤(rùn)土－砂混合物膨脹性能的影響

試驗(yàn)得到試樣最大膨脹力與老化時(shí)間回歸關(guān)系式：

膨潤(rùn)土自由膨脹率與老化時(shí)間回歸關(guān)系式：

隨著堿熱耦合老化作用時(shí)間的延長(zhǎng)，膨潤(rùn)土－砂混合物最大膨脹力與膨潤(rùn)土自由膨脹率均明顯降低。堿溶液的入滲作用會(huì)使試樣混合物顆粒間流通管道的總體尺寸增大，從而導(dǎo)致試樣中溶液流通量增大，滲透性變大［18］，加快膨潤(rùn)土的主要有效成分蒙脫石與堿溶液的溶解反應(yīng)，最終降低了膨潤(rùn)土的膨脹性能。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)堿熱耦合老化后膨潤(rùn)土－砂混合物的膨脹性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：（1）堿熱耦合老化作用會(huì)造成膨潤(rùn)土中主要膨脹礦物蒙脫石的溶蝕，使其轉(zhuǎn)化成膨脹性較小的或非膨脹性的礦物，并減小其擴(kuò)散雙電層的厚度，降低膨潤(rùn)土－砂混合物的膨脹性能；（2）隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，膨潤(rùn)土的主要有效成分蒙脫石與堿溶液的溶解反應(yīng)不斷增加，膨潤(rùn)土－砂混合物的膨脹力和膨潤(rùn)土的自由膨脹率都明顯降低。