秦愛芳， 傅賢雷， 阮坤林， 賈 旭

(上海大學(xué)土木工程系，上海 200444)

核廢料深層地質(zhì)處置被用來作為高放射性核廢料(high-level radioactive waste，HLW)處置的主要方式之一。膨潤(rùn)土由于其高膨脹性和低滲透性，被許多國(guó)家選為核廢料處置庫的緩沖回填材料[1-4]。處置庫通常包括：金屬罐、緩沖(屏障)材料、圍巖三部分。緩沖(屏障)材料長(zhǎng)期受圍巖地下水、核廢料釋放的核素、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體以及其他因素的作用，這些作用對(duì)緩沖(屏障)材料的力學(xué)性狀會(huì)產(chǎn)生重大影響[5]。

我國(guó)將北山地區(qū)選作HLW 處置基地，北山地區(qū)地下水含有大量化學(xué)元素。孫德安等[6]以高廟子鈉基膨潤(rùn)土為試驗(yàn)材料，分析了在不同摻砂率下膨潤(rùn)土的浸水膨脹和濕陷變形特性，并根據(jù)蒙脫石孔隙比的概念，分析了飽和時(shí)的膨潤(rùn)土及其摻砂混合物的變形特性。Zhu 等[7]將壓實(shí)GMZ01 膨潤(rùn)土循環(huán)接觸不同濃度的氯化鈣溶液以及去離子水，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土總的豎向膨脹應(yīng)變發(fā)生在第一個(gè)鹽化-去鹽化循環(huán)階段。Zhang 等[8]研究了不同鹽溶液作用下對(duì)GMZ07膨潤(rùn)土的剪切強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)隨著鹽溶液濃度的增加，膨潤(rùn)土的抗剪強(qiáng)度顯著增加。孫德安等[9]研究了總?cè)芙庑怨腆w(total dissolved solids, TDS)濃度對(duì)GMZ 膨潤(rùn)土膨脹特性的影響，發(fā)現(xiàn)膨脹力的對(duì)數(shù)與TDS 濃度呈線性關(guān)系。

大多數(shù)學(xué)者著重研究了溶解于地下水中的金屬離子對(duì)膨潤(rùn)土屏障性狀的影響，而很少有學(xué)者對(duì)地下水中難溶于水的固體鹽成分做研究。郭永海等[10-11]發(fā)現(xiàn)甘肅北山野馬泉預(yù)選區(qū)地下水中含有大量金屬元素以及非金屬元素，由于地下環(huán)境的影響，會(huì)發(fā)生地下水蒸發(fā)作用以及二氧化碳溶解等作用，之后又發(fā)現(xiàn)甘肅北山區(qū)域大多數(shù)地下水中鈣、鎂碳酸鹽礦物如方解石已達(dá)到過飽和狀態(tài)。劉紅艷等[12]對(duì)高放廢物處置庫膨潤(rùn)土中微生物多樣性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)膨潤(rùn)土中含有較豐富的微生物。微生物的呼吸作用勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生CO2氣體，并溶解于地下水中。處置庫中地下水存在的CO2氣體會(huì)與游離的Ca2+發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3，CaCO3難溶于水，并且會(huì)以固體的形式存在于膨潤(rùn)土中，對(duì)屏障材料的膨脹性、滲透性以及強(qiáng)度等性狀產(chǎn)生影響。

本工作將CaCO3以粉末狀形式摻入到膨潤(rùn)土中模擬CaCO3侵入膨潤(rùn)土屏障的現(xiàn)象，研究了膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合土樣的膨脹性、壓縮性、滲透性以及強(qiáng)度特性，其中強(qiáng)度特性研究分為飽和與非飽和，以此模擬處置庫中近熱源點(diǎn)和近巖石點(diǎn)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的膨潤(rùn)土取自我國(guó)新疆奇臺(tái)縣，為擬備用的核廢料緩沖材料之一，實(shí)驗(yàn)前經(jīng)碾碎過0.5 mm篩。試劑CaCO3為國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，編號(hào)10005760，白色粉末狀，由文石及方解石晶體構(gòu)成，相對(duì)密度為2.72。為避免金屬離子對(duì)膨潤(rùn)土性狀的影響，試驗(yàn)采用去離子水。

2 試樣制備

將試驗(yàn)用膨潤(rùn)土和CaCO3放置于105°C 恒溫烘箱中烘干，24 h 后取出，待試樣冷卻后立即配制CaCO3摻入量分別為0、3.125%、6.25%和12.5%的混合樣，目標(biāo)含水率為15%。將配置的混合樣養(yǎng)護(hù)24 h 以保證其中的水分均勻分布。根據(jù)目標(biāo)初始干密度1.6 g·cm-3以及適用于不同試驗(yàn)的樣本尺寸，計(jì)算所需混合樣質(zhì)量，再將量取的混合樣放置于特制的模具中，采用CTM8050 萬能試驗(yàn)機(jī)壓制得到非飽和試樣。試驗(yàn)用膨潤(rùn)土的基本指標(biāo)見表1，各試樣的初始狀態(tài)見表2。

表1 膨潤(rùn)土的基本指標(biāo)Table 1 Basic properties indexes of bentonite

表2 試樣初始狀態(tài)Table 2 Initial states of samples

3 試驗(yàn)方法

3.1 有荷膨脹試驗(yàn)

將壓制好的試樣置于固結(jié)儀上，施加1 kPa 的豎向預(yù)壓力，記錄百分表初始讀數(shù)，再分級(jí)加載至目標(biāo)豎向應(yīng)力，其中高度為10 mm 的樣本加載至50 kPa，高度為15 mm 的樣本分別加載至200、400 和800 kPa。待百分表讀數(shù)小于0.01 mm/h 時(shí)，則視試樣固結(jié)穩(wěn)定，之后向固結(jié)儀容器中注滿去離子水，并記錄各時(shí)刻百分表讀數(shù)。當(dāng)百分表讀數(shù)差小于0.01 mm/24 h，有荷膨脹試驗(yàn)終止。試驗(yàn)采用膨脹率ε來描述膨潤(rùn)土的膨脹性能，

式中：ε為膨脹率；ΔH為測(cè)定的豎向變形；H0為樣本的初始高度。

學(xué)者們提出了多種膨脹力計(jì)算模型[13-14]，其中Sridharan 等[13]介紹了3 種計(jì)算膨脹力的試驗(yàn)方法：自由膨脹壓縮試驗(yàn)、恒體積試驗(yàn)以及有荷膨脹試驗(yàn)(見圖1)。自由膨脹壓縮試驗(yàn)是指土樣首先在一個(gè)很小的豎向應(yīng)力下進(jìn)行一維膨脹試驗(yàn)，再進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，在壓縮曲線上找到初始孔隙比對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)力，即為膨脹力(σs3)；恒體積試驗(yàn)是將土樣在固結(jié)儀上進(jìn)行一維膨脹試驗(yàn)，通過施加荷載保持土樣高度不變，最終穩(wěn)定后施加的豎向應(yīng)力即為膨脹力(σs2)；有荷膨脹試驗(yàn)法是將土樣在不同豎向應(yīng)力下進(jìn)行一維膨脹試驗(yàn)，根據(jù)e-logσv曲線圖找到初始孔隙比對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)力，即為膨脹力(σs1)。Gao 等[15]的研究表明由恒體積法得到的膨脹力σs2略大于由有荷膨脹試驗(yàn)得到的膨脹力σs1，二者差別很小。本工作采用有荷膨脹試驗(yàn)方法計(jì)算了相應(yīng)土樣的膨脹力。

圖1 計(jì)算膨脹力的試驗(yàn)方法Fig.1 Test methods for measuring swelling pressure

3.2 飽和再壓縮試驗(yàn)

待高度為10 mm 的樣本有荷膨脹試驗(yàn)完成后，試樣基本處于飽和狀態(tài)，再對(duì)試樣進(jìn)行100、200、400、800 和1 600 kPa 的分級(jí)加載。本工作重點(diǎn)研究試樣的主固結(jié)變形，暫不考慮加載過程中的次固結(jié)變形。當(dāng)施加豎向應(yīng)力12 h，后試樣穩(wěn)定(即變形小于0.01 mm/h)。期間，在施加豎向應(yīng)力后按下列時(shí)間記錄百分表讀數(shù)：0.10、0.25、1.00、2.25、4.00、5.25、9.00、12.25、16.00、20.25、25.00、30.25、36.00、42.25、49.00、54.00、100.00、200.00 和400.00 min及12 h。

首先，利用時(shí)間平方根法測(cè)定每級(jí)豎向應(yīng)力下的豎向固結(jié)系數(shù)Cv,

式中：Cv為固結(jié)系數(shù)；h為最大排水距離，等于某級(jí)壓力下試樣的初始高度與終了高度的平均值之半；t90為固結(jié)度達(dá)90%所需時(shí)間。

根據(jù)太沙基的一維固結(jié)理論，可計(jì)算土樣的滲透系數(shù)[16]，

式中：k為滲透系數(shù)；mv為體積壓縮系數(shù)；γω為水的重力密度。

3.3 電鏡掃描試驗(yàn)

為了更好地理解樣本的宏觀性狀變化，運(yùn)用掃描電子顯微鏡研究高度為10 mm，CaCO3摻入量分別為0 和12.5%的樣本的微觀結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)用的掃描電子顯微鏡型號(hào)為美國(guó)生產(chǎn)的FEI Nova NanoSEM NPE。

選取400 kPa 有荷膨脹完成后的樣本，其中CaCO3摻入量分別為0 和12.5%，切取體積為2.5 mm×2.5 mm×5 mm 的樣本，并用液氮進(jìn)行凍干操作，再運(yùn)用電子顯微鏡進(jìn)行拍攝得到微觀結(jié)構(gòu)圖。

3.4 直剪試驗(yàn)

采用慢剪試驗(yàn)對(duì)膨潤(rùn)土飽和樣和非飽和樣進(jìn)行研究，其中的飽和樣分別取200、400 和800 kPa有荷膨脹試驗(yàn)穩(wěn)定后的樣本，用直徑50 mm、高15 mm 的環(huán)刀切取，非飽和樣采用上述直接制樣的方法得到。試驗(yàn)所用的直剪儀為美國(guó)加利福尼亞洪堡州立大學(xué)(Humboldt State University, HSU)生產(chǎn)的HUS-25Sixty Shear型直剪儀。根據(jù)Zhang等[8]的研究，所有的直剪試驗(yàn)的剪切速率選定為0.01 mm/min。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 膨脹特性

在不同豎向應(yīng)力條件下，對(duì)CaCO3摻入量分別為0、3.125、6.25%以及12.5%的膨潤(rùn)土樣本進(jìn)行了一維有荷膨脹試驗(yàn)。圖2 和3 為樣本的總體膨脹率隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖2中可以明顯區(qū)分膨脹的3 個(gè)階段：初始膨脹、主膨脹和次膨脹，這與Sridharan 等[17]和Rao等[18]的研究發(fā)現(xiàn)一致。

圖2 CaCO3摻入量不同的膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合物總體膨脹率隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 Relationships between total swelling strain and time for bentonite-CaCO3 mixture with different CaCO3 mixing rates

圖3 不同豎向應(yīng)力下膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合物總體膨脹率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 Relationships between total swelling strain and time for bentonite-CaCO3 mixture under different vertical stresses

對(duì)于CaCO3摻入量不同的膨潤(rùn)土，其總體膨脹率隨豎向應(yīng)力的增加而減小(見圖2)。對(duì)于各個(gè)豎向應(yīng)力下的膨潤(rùn)土，其總體膨脹率隨著CaCO3摻入量增加而減小(見圖3)，特別是在低應(yīng)力下，CaCO3摻入量對(duì)膨脹率的影響更為明顯。膨潤(rùn)土中蒙脫石作為主要膨脹性礦物，同一干密度下，CaCO3摻入量的增加導(dǎo)致膨脹性礦物蒙脫石含量下降，從而導(dǎo)致總體膨脹率下降。在低應(yīng)力(200 kPa)下CaCO3的摻入量為12.5%的膨脹線會(huì)與其他摻入量的膨脹線相交，而隨著應(yīng)力增加，這種現(xiàn)象逐漸消失，在高應(yīng)力(800 kPa)下?lián)饺肓?2.5%的膨脹線不再與其他膨脹線相交(見圖3)。圖2 和3 也反映出樣本達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間差異。隨著CaCO3摻入量的增多，試驗(yàn)所需時(shí)間減少。在豎向應(yīng)力為400 kPa 時(shí)，純膨潤(rùn)土需要14 d 的試驗(yàn)時(shí)間，而摻入量為12.5%的混合樣本需要10 d。同樣地，隨著豎向應(yīng)力增加，試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間減少，例如豎向應(yīng)力從200 增至800 kPa 時(shí)，純膨潤(rùn)土達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間由17 d 下降至9 d。

圖4 為不同豎向應(yīng)力下各膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣本的最終膨脹率。對(duì)于所有的膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣本，隨著豎向應(yīng)力從200 kPa 增至800 kPa，最終膨脹率下降幅度為54%～60%。圖5為CaCO3摻入量對(duì)膨潤(rùn)土最終膨脹率的影響。可以發(fā)現(xiàn)，在給定的豎向應(yīng)力下，CaCO3摻入量越高，其最終膨脹率越小。在豎向應(yīng)力200 kPa 時(shí)，當(dāng)摻入量由0 增長(zhǎng)至12.5%，最終膨脹率由30.8%下降至20.3%。在不同豎向應(yīng)力下，摻入量由0 增長(zhǎng)至12.5%，其最終膨脹率的下降幅度相近，約為33%～38%。

混合樣的膨脹力隨CaCO3摻入量的變化關(guān)系如圖6 所示。隨著CaCO3摻入量的增加，混合樣膨脹力下降。

圖4 不同豎向應(yīng)力下膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合物最終膨脹率Fig.4 Final swelling strain for bentonite-CaCO3 mixture under different vertical stresses

圖5 不同摻入量膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合物的最終膨脹率Fig.5 Final swelling strain for bentonite-CaCO3 mixture with different CaCO3 mixing rates

圖6 膨脹力隨CaCO3 摻入量變化關(guān)系Fig.6 Relationship between swelling pressure and CaCO3 mixing rate

4.2 壓縮及滲透特性

4.2.1 壓縮特性

不同摻入量的膨潤(rùn)土-碳酸鈣壓縮特性曲線如圖7 所示。從圖中可見，總體上壓縮曲線呈現(xiàn)出雙線性特征，存在明顯拐點(diǎn)。這是由于隨著豎向應(yīng)力的增加，樣本由原先排水排氣的彈性變形過渡到結(jié)構(gòu)破壞的塑性變形，顆粒間接觸更加緊密，壓縮變得更加困難。根據(jù)圖7 所示壓縮曲線的直線段計(jì)算得到各樣本的壓縮指數(shù)，結(jié)果如圖8 所示。不同碳酸鈣摻入量與壓縮指數(shù)基本呈線性關(guān)系，該線性關(guān)系表達(dá)式為y=-0.27311x+0.466676。由于CaCO3整體含量較低，對(duì)膨潤(rùn)土的壓縮性影響較小，隨著CaCO3摻入量的提高，壓縮指數(shù)略有下降，但整體趨于平緩。

圖7 CaCO3 摻入量不同時(shí)膨潤(rùn)土-碳酸鈣的壓縮曲線Fig.7 Compression curves for bentonite-CaCO3 mixture with different CaCO3 mixing rates

圖8 CaCO3 摻入量不同時(shí)膨潤(rùn)土-碳酸鈣的壓縮指數(shù)Fig.8 Compression index for bentonite-CaCO3 mixture with different CaCO3 mixing rates

4.2.2 滲透特性

根據(jù)式(2)和(3)計(jì)算土樣的滲透系數(shù)，并去除由于體積壓縮系數(shù)和固結(jié)系數(shù)影響而出現(xiàn)的異常點(diǎn)，即只采用彈塑性階段計(jì)算數(shù)據(jù)。土樣滲透系數(shù)隨孔隙變化關(guān)系如圖9 所示。各膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣本滲透系數(shù)隨孔隙比的增大而增大。豎向應(yīng)力增加，土樣被壓縮導(dǎo)致孔隙比減小，孔隙變小導(dǎo)致液體介質(zhì)流動(dòng)通道變窄，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)變小。由圖9 可知，同一孔隙比下混合樣滲透系數(shù)隨CaCO3摻入量的增加而減小。這是由于CaCO3存在于混合樣孔隙中，堵塞孔隙，從而使液體介質(zhì)流動(dòng)通道變窄，降低土樣滲透性。

4.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖10 是放大20 000 倍的條件下拍攝的圖像?？梢杂^察到：相對(duì)于純膨潤(rùn)土，摻入CaCO3的土樣表面更加平滑，結(jié)構(gòu)更加致密。這是由于CaCO3的存在填充了土樣的孔隙，使表面更加光滑，結(jié)構(gòu)更加致密，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)降低，這與上述宏觀性狀的分析結(jié)果一致。

圖9 CaCO3 摻入量不同時(shí)膨潤(rùn)土-碳酸鈣的滲透系數(shù)隨孔隙比變化關(guān)系Fig.9 Relationships between permeability conductivity and void ratio for bentonite-CaCO3 mixture with different mixing rates

圖10 豎向應(yīng)力400 kPa下膨潤(rùn)土-碳酸鈣的掃描電鏡圖Fig.10 SEM photomicrographs of bentonite-CaCO3 mixture under vertical stress of 400 kPa

4.4 抗剪強(qiáng)度

圖11為豎向應(yīng)力200 kPa 時(shí)非飽和膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣本剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系。可以看出：在豎向應(yīng)力200 kPa 下，非飽和混合樣在各摻入量下都呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特性，其余豎向應(yīng)力下飽和樣及其非飽和樣同樣呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性。剪應(yīng)力-剪切位移的峰值被定義成土樣的抗剪強(qiáng)度。圖12 為膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣本抗剪強(qiáng)度與摻入量的關(guān)系。隨著CaCO3摻入量的增加，非飽和樣的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)，在摻入量3.125%下抗剪強(qiáng)度存在峰值(見圖12(a))；飽和樣的抗剪強(qiáng)度隨摻入量增加在低應(yīng)力下呈現(xiàn)先增加后減小，而在高應(yīng)力下先減小后增加(見圖12(b))。這是由于抗剪強(qiáng)度與黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ有關(guān)，兩個(gè)參數(shù)相互作用使土樣表現(xiàn)出最終的抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)抗剪強(qiáng)度與豎向應(yīng)力的關(guān)系曲線，可以得到混合樣的強(qiáng)度參數(shù)(見表3)。對(duì)于非飽和樣，兩個(gè)參數(shù)都隨摻入量增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)摻入少量CaCO3時(shí)，CaCO3具有一定的膠結(jié)作用，膨潤(rùn)土黏土顆粒被其黏結(jié)，致使黏聚力有所提高。CaCO3的少量摻入位于膨潤(rùn)土顆粒附近增加了一定的摩擦阻力。隨著CaCO3的增加，黏土顆粒相對(duì)含量下降，總的范德華力減小導(dǎo)致黏聚力下降，較多的CaCO3相互接觸摩擦力較小，導(dǎo)致土的內(nèi)摩擦角變小。對(duì)于飽和土樣，混合樣的黏聚力隨摻入量呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。

圖11 豎向應(yīng)力200 kPa下非飽和膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣本剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系Fig.11 Relationships between shear stress and displacement for unsaturated bentonite-CaCO3 mixture under vertical stress of 200 kPa

圖12 膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣本抗剪強(qiáng)度與摻入量關(guān)系Fig.12 Relationship between shear strength and CaCO3 mixing rate for bentonite-CaCO3 mixture

表3 膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣的強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Strength parameter for bentonite-CaCO3 mixture

由表3 可以看出，非飽和土和飽和土的黏聚力差異極大。這是由于非飽和土的黏聚力不僅僅來源于范德華力、雙電層引力或排斥力、溶質(zhì)沉淀引起的膠結(jié)力等，還來源于非飽和土特有的表面張力引起的毛細(xì)作用。

5 結(jié)束語

本工作通過試驗(yàn)研究了不同CaCO3摻入量對(duì)膨潤(rùn)土膨脹、壓縮、滲透和剪切強(qiáng)度的影響，為屏障實(shí)際運(yùn)行中由于生成的CaCO3使膨潤(rùn)土性狀發(fā)生改變提供了參考和依據(jù)，主要結(jié)論如下。

(1) CaCO3的摻入使膨潤(rùn)土的膨脹性能發(fā)生變化。膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合物膨脹時(shí)明顯分為三個(gè)階段。隨著CaCO3摻入量增加，膨潤(rùn)土-碳酸鈣的膨脹率和膨脹力下降；隨著豎向應(yīng)力增加，膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合物膨脹率減小，完全膨脹周期縮短。

(2) CaCO3摻入量較少，對(duì)膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合樣壓縮性能影響較小。CaCO3的存在會(huì)導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變化，CaCO3堵塞膨潤(rùn)土孔隙使液體介質(zhì)滲透通道變窄，隨著摻入量上升，混合物滲透系數(shù)隨之減小。

(3) 膨潤(rùn)土-碳酸鈣混合物隨著CaCO3摻入量的增加，非飽和樣本的黏聚力先增加后減小，而飽和樣本則相反。內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，而土樣總體呈應(yīng)變軟化狀態(tài)。