秦愛芳,胡宏亮

(上海大學土木工程系,上海 200444)

核電行業(yè)的快速發(fā)展帶來一個不可忽視的問題,即如何安全有效地處置高水平放射性廢物(簡稱高放廢物).高放廢物中含有大量放射性核素,放射性水平高且衰變周期長.目前,國際上普遍采用深層地質處置庫的方法來處理高放廢物,即在深層地下建造一個由廢物罐、緩沖回填材料和圍巖組成的多屏障系統(tǒng)[1].

在處置庫的長期運營過程中,核素的衰變熱會使處置庫內(nèi)部不斷升溫.在高溫環(huán)境下,處置庫的主要建筑材料——混凝土會加速老化衰解,產(chǎn)生的大量OH-與地下水相互作用后會形成高堿性孔隙水,進而降低緩沖回填材料的屏障性能[2].

陳寶等[3]研究了NaOH溶液對高廟子(Gaomiaozi,GMZ)膨潤土的滲透特性和膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)試樣的膨脹力隨著濃度的增加而降低,滲透系數(shù)隨著濃度的增加而增大.Savage[4]研究發(fā)現(xiàn),混凝土在老化作用下產(chǎn)生的孔隙溶液與膨潤土會發(fā)生反應,從而導致蒙脫石的溶解,降低了膨潤土的膨脹性能.Sun等[5]研究了混凝土衰減液對膨潤土礦物成分和微觀結構的影響,發(fā)現(xiàn)試樣膨脹力降低的原因是蒙脫石在混凝土衰減液入滲下會逐漸溶解,并產(chǎn)生沒有膨脹能力的次生礦物.Villar等[6]研究了溫度對FEBEX膨潤土的膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)其膨脹變形和膨脹力均隨溫度的升高而降低.Ye等[7]研究了pH值為8、10和12的溶液分別在25、60和80°C反應溫度下對高廟子膨潤土的膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)試樣的膨脹力隨pH值的增大而降低,隨溫度的升高而降低.Fern′andez等[8]將0.25 mol/L NaOH溶液通入La Serrata膨潤土和水泥組成的系統(tǒng)中,研究在25、60和120°C反應溫度下膨潤土的礦物成分和微觀結構,發(fā)現(xiàn)蒙脫石溶解程度隨著溫度的升高而增大.

為了改善膨潤土的熱傳導性能、可施工性和強度特性等性質,國內(nèi)外學者都嘗試采用膨潤土-添加劑混合物作為緩沖回填材料,并就不同種類和摻量的添加劑對膨潤土屏障性能的影響進行研究.劉月妙等[9]研究了GMZ01膨潤土及其與石英砂、石墨的混合材料的導熱性能,發(fā)現(xiàn)將石英砂和石墨作為添加劑可以明顯提高緩沖回填材料的導熱性能和熱擴散性能.王志儉等[10]對膨潤土-砂混合物的膨脹特性進行試驗,發(fā)現(xiàn)初始含水率對試樣最終膨脹率沒有影響,但對膨脹速率有較大影響.Zhang等[11]研究了NaCl-Na2SO4溶液濃度對膨潤土-砂混合物膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)試樣的最大膨脹應變和最大膨脹力均隨溶液濃度的增加而降低,隨摻砂率的增加而降低.Cuisinier等[12]通過壓汞試驗研究堿性溶液侵蝕前后試樣的微觀結構,發(fā)現(xiàn)純膨潤土被侵蝕后孔隙率和大孔隙數(shù)均明顯增加,而50%砂和50%膨潤土的膨潤土-砂混合物被侵蝕后的微觀結構只受到輕微影響.

除了石英砂和石墨這兩種添加劑外,在深層地質處置庫預選場址甘肅北山地下圍巖中,開挖巷道時切割花崗巖產(chǎn)生大量的碎石和粉屑,將這種花崗巖碎屑作為添加劑具有成本低廉、易于獲得、導熱性能優(yōu)良、對處置庫水化學環(huán)境影響小、與圍巖相容性好等優(yōu)點,是潛在的添加劑備選材料,國內(nèi)外學者已經(jīng)對其進行了一些相關研究.謝敬禮等[13]采用瞬變平面熱源法研究高廟子膨潤土及其混合材料的導熱性能,發(fā)現(xiàn)花崗巖碎屑能有效提高膨潤土的導熱系數(shù).Villar[14]通過鹽溶液和去離子水對70%花崗巖-30%膨潤土混合物進行滲透試驗,發(fā)現(xiàn)鹽溶液入滲時的滲透系數(shù)高于去離子水入滲時的滲透系數(shù).Mata等[15]研究了鹽溶液濃度對MX-80鈉基膨潤土和花崗巖巖屑混合物水力特性的影響.Chen等[16]研究了添加劑種類對高廟子膨潤土混合物膨脹特性的影響,發(fā)現(xiàn)當添加劑摻量相等時,膨潤土-花崗巖巖屑混合物比膨潤土-砂混合物具有更優(yōu)異的膨脹性能.

目前,國內(nèi)學者對于常溫下堿性溶液對膨潤土膨脹特性的影響的研究較多,但就堿性溶液及溫度對膨潤土混合材料膨脹特性的研究很少.我國擬選用產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣的高廟子膨潤土作為核廢料深層地質處置的緩沖回填材料.因此,開展不同環(huán)境溫度下堿性溶液入滲時高廟子膨潤土-花崗巖巖屑混合物膨脹特性試驗研究非常必要.本工作制備了不同花崗巖巖屑摻量的高廟子膨潤土混合材料,進行了不同濃度堿性溶液與不同溫度耦合時的膨脹力試驗,討論了摻巖率、溶液濃度、試驗溫度對膨潤土混合材料膨脹特性的影響,為深地質處置庫緩沖回填材料的選擇提供一定的參考.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所用膨潤土為產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣的高廟子膨潤土(簡稱GMZ膨潤土),經(jīng)過粉碎篩選等步驟制成粒徑小于200目的粉末狀土樣,天然含水率為7.4%,各主要礦物成分含量和物理參數(shù)如表1所示.試驗所用花崗巖巖屑為礦廠在花崗巖石材切割時產(chǎn)生的碎石粉末,試驗前已用碎石機將其中碎石碾碎成細顆粒,并篩選成粒徑為100目的巖屑顆粒,主要礦物成分是石英、長石和云母,各礦物成分含量和物理參數(shù)如表2所示.圖1為膨潤土和花崗巖巖屑的顆粒級配曲線.根據(jù)郭永海等[17]的研究,高放廢物處置庫預選場址北山的地下水中陽離子以Na+為主,考慮到蒙脫石具有較強的陽離子交換性,試驗時以去離子水為溶劑,NaOH為溶質,以模擬深地質處置庫中可能產(chǎn)生的堿性孔隙水.

圖1 GMZ膨潤土和花崗巖巖屑的顆粒級配曲線Fig.1 Grain grading curves of GMZ bentonite and crushed granite

表1 GMZ01膨潤土各礦物成分和物理參數(shù)Table 1 Mineralogical composition and physical parameters of GMZ01 bentonite

表2 花崗巖巖屑各礦物成分和物理參數(shù)Table 2 Mineralogical composition and physical parameters of crushed granite

1.2 試驗方法

制樣時首先將花崗巖巖屑放入105°C烘箱烘干至恒重,再按照目標含水率7.4%計算所需的去離子水,采用濕噴法均勻噴灑在顆粒表面,并在噴灑的過程中攪拌均勻,最后用保鮮膜密封,在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護72 h以上.

按照不同摻巖率(花崗巖巖屑干重與膨潤土-花崗巖巖屑混合物干重之比)制備所需的混合材料,用攪拌機充分攪拌均勻,密封后靜置備用.取目標干密度為1.7 g/cm3,并考慮壓樣損失混合物重量,將稱量好的混合物緩慢均勻地倒入自制壓樣模具中,控制萬能壓力機加載速率為0.2 mm/min,壓制成高度10 mm、底面積30 cm2的圓餅狀試樣.為防止試樣回彈,壓到預定高度后保持壓力不變30 min.壓制完成后測得試樣干密度為(1.70±0.01)g/cm3.

試驗所用儀器為南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的WG型三聯(lián)高壓固結儀,杠桿比為1∶24.考慮到由銅、鐵等金屬制成的固結盒與堿性溶液接觸后會發(fā)生腐蝕變性,影響溶液中離子含量,為保護試驗儀器和控制試驗誤差,本工作采用耐腐蝕材料即聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene,PTEE),按照原金屬固結盒加工定制等尺寸的新型耐腐蝕固結儀.該新型耐腐蝕固結儀仍使用原分級砝碼加載系統(tǒng).

試驗時將裝有NaOH溶液的試劑瓶放入恒溫水浴鍋中,用蠕動泵將溶液通入固結盒底部,再用另一蠕動泵將固結盒頂部的溶液抽回試劑瓶中,通過將恒定溫度的溶液與固結盒中的溶液不間斷循環(huán),提供試驗所需溫度.為了避免水分蒸發(fā)而改變?nèi)芤簼舛?在固結盒和試劑瓶的溶液表面倒入一層硅油液封,并且將連接蠕動泵的軟管用鋁箔膠帶包裹,避免循環(huán)過程的熱量散失而導致軟管中溶液溫度下降.試驗裝置如圖2所示.

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Conceptual diagram of test device

膨脹力試驗采用等體積法.試驗步驟如下:首先將試樣放入固結盒中,施加一定的預壓力,使固結儀、透水石和試樣之間接觸良好,將此時百分表讀數(shù)作為初始讀數(shù);然后緩慢加入溶液,試樣開始吸水膨脹,當百分表指針開始順時針轉動時,立即增加砝碼,并使指針回到初始讀數(shù);當百分表發(fā)生逆時針轉動時,表明膨脹力下降,立即減少砝碼并使指針回到初始讀數(shù),實時記錄膨脹力的變化,直到在某一級荷載下指針保持不變,則認為試驗結束.

由于地下水在入滲時首先被緩沖層與圍巖交界面材料吸水飽和,因此本工作主要考慮該區(qū)域在處置庫封閉前后溫度的差異.對于處置庫封閉前溫度,根據(jù)北山預選場址深鉆孔的地溫測量結果[18]可知,地溫梯度為0.024°C/m.假定地表溫度為10°C,以處置庫設計深度500 m為例,處置庫巷道位置圍巖溫度大約為22°C,因此本工作取25°C.對于處置庫封閉后溫度,根據(jù)瑞士FEBEX原位試驗數(shù)據(jù)[19]和我國的大型實驗臺架(China-Mock-Up)研究[20],緩沖層最外側區(qū)域溫度峰值為40～50°C之間.根據(jù)上述研究,本工作選用25和50°C兩個溫度進行對比試驗.膨脹力試驗參數(shù)設計如表3所示,對于不同摻巖率試樣,均設計3種入滲堿性溶液濃度.對于純膨潤土材料,額外進行去離子水飽和膨脹力試驗作為比較基準.

表3 膨脹力試驗參數(shù)Table 3 Parameters of tests of swelling pressure

2 試驗結果和分析

2.1 膨脹特性與時間的關系

圖3為不同摻巖率的試樣膨脹力時程曲線.

由圖3(a)和圖3(b)可以看出,當去離子水入滲時,純膨潤土試樣的膨脹力迅速增大到第一個峰值,然后小幅回落,隨后再次增大到最大值并趨于穩(wěn)定.而當堿性溶液入滲時,試樣膨脹力不斷增大到最大值后均出現(xiàn)下降趨勢,其中0.1 mol/L NaOH溶液入滲時,時程曲線出現(xiàn)下降后回升再下降的現(xiàn)象,呈雙峰結構特征;而當0.5和1.0 mol/L NaOH溶液入滲時,膨脹力由最大值不斷下降至穩(wěn)定值,時程曲線呈單峰結構特征.

圖3 膨脹力時程曲線Fig.3 Evolution curves of swelling force

對于膨脹力時程曲線的雙峰結構特征,可從純膨潤土膨脹力形成機理來解釋,圖4為純膨潤土膨脹過程微觀結構變化[21-23],由圖可知,膨潤土初始階段含有層間孔隙、集合體內(nèi)孔隙和集合體間孔隙.整個膨脹過程可根據(jù)膨潤土孔隙的水化順序分為晶層膨脹和雙電層膨脹,晶層間可交換陽離子水化發(fā)生晶層膨脹,對應蒙脫石單元層間孔隙吸水(第一階段);然后發(fā)生雙電層膨脹,晶層表面的負電荷使水分子定向排列形成雙電層(diffusion double-layer,DDL),此過程會使層疊體分裂成多個層單元,層單元在填充集合體間的孔隙時會使土體體積變小,導致膨脹性能略微下降(第二階段);隨著雙電層繼續(xù)膨脹,對應集合體內(nèi)孔隙和集合體間孔隙不斷吸水,土體膨脹性能繼續(xù)提升(第三階段).由此分析可得,膨脹力時程曲線出現(xiàn)下降后回升現(xiàn)象主要是受雙電層膨脹影響.對于堿性溶液入滲試樣,雙電層的形成與溶液中的陽離子濃度有關,隨著入滲溶液濃度的增加,雙電層厚度減小,從而降低了黏土顆粒之間的排斥力,使得宏觀上雙電層引起的膨脹力增長速率下降.Tripathy等[24]研究發(fā)現(xiàn),膨潤土的雙電層厚度與入滲溶液濃度的平方根成反比.另外,高濃度堿性溶液會與蒙脫石發(fā)生反應,減少了膨脹性黏土礦物的含量,礦物變化導致膨脹力下降.綜合溶液濃度對雙電層膨脹的抑制和對膨潤土成分的影響,故膨脹力曲線在高濃度溶液入滲時下降后未出現(xiàn)回升.

圖4 膨潤土水化過程微觀結構[21-23]Fig.4 Microstructures of bentonite during swelling process[21-23]

為了研究不同濃度的堿性溶液對膨潤土各礦物含量的影響,在25°C試驗溫度下將純膨潤土在堿性溶液飽和膨脹力試驗完成后放在105°C烘箱靜置24 h,再進行X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)礦物分析試驗,檢測試樣均進行平行試驗,礦物成分分析結果如表4所示,其中膨脹性礦物成分為蒙脫石.由表4可知,方英石的含量隨著濃度的增加明顯減少,這是由于方英石的化學成分SiO2會與NaOH發(fā)生反應,反應式如式(1)所示.蒙脫石含量隨濃度增加而減少,而長石類礦物含量增加,這是因為蒙脫石(Al2Si4O10(OH)2)與NaOH會反應生成長石(Na2AlSi3O8),反應式如式(2)和(3)所示.由此可以推測堿性溶液會使蒙脫石部分溶解,生成無膨脹能力的次生礦物,破壞了蒙脫石的T-O-T有效結構,從而降低了試樣的膨脹性,且堿性溶液濃度越高,蒙脫石溶蝕程度越大.

表4 不同堿性溶液飽和后高廟子膨潤土的礦物成分Table 4 Mineralogical composition of GMZ bentonite saturated by different alkaline solutions%

比較圖3中0.1 mol/L NaOH溶液飽和時的不同摻巖率試樣,只有純膨潤土的膨脹力時程曲線出現(xiàn)了雙峰結構,其他摻巖混合物均是單峰結構,這主要是由摻巖混合物的骨架組成與純膨潤土的差異導致的.分析圖1可知,本工作使用的膨潤土和花崗巖巖屑中值粒徑分別在0.01和0.14 mm左右,相差一個數(shù)量級,故可將膨潤土和巖屑看成細顆粒和粗顆粒.當摻巖率較低時,混合物的整體骨架主要由細顆粒組成,此時豎向壓力由細顆粒互相連接傳遞,骨架穩(wěn)定性由細顆粒決定;而對于摻巖率較高的混合物,隨著膨潤土不斷吸水飽和,混合物中孔隙被填滿,粗顆粒與粗顆粒之間由大量細顆粒聚合體形成傳力路徑,雖然粗顆粒的數(shù)量遠少于細顆粒,但巖屑顆粒壓縮性低,且由于顆粒粒徑較大,在空間中錯動翻轉所克服的阻力較大,故在膨潤土中摻花崗巖巖屑可提高混合物骨架穩(wěn)定性.由此分析可得,對于摻巖混合物,當膨潤土雙電層膨脹時,雖然層疊體水化并重組排列會引起膨潤土集合體受力發(fā)生改變,但巖屑顆?？沙袚驖櫷赁D移的壓力,減少混合物骨架塌縮變形,進而不會出現(xiàn)雙峰結構特征.

2.2 膨脹特性與堿性溶液濃度的關系

綜合圖3來看,堿性溶液飽和試樣膨脹力時程曲線均出現(xiàn)膨脹力衰減現(xiàn)象,因此可將曲線分為3個階段,分別為膨脹力增長階段、衰減階段和穩(wěn)定階段.對于膨脹力增長階段,在25°C時,膨脹力隨時間增大的速度與溶液濃度有關,濃度越高,增大速度越慢;在50°C時,膨脹力隨時間增大的速度明顯加快,但溶液濃度對增大速度幾乎沒有影響.對于膨脹力衰減階段,在25°C時,溶液濃度越高,膨脹力越先出現(xiàn)衰減,并且衰減速度越快,衰減量也越多;在50°C時,膨脹力衰減趨勢更明顯,衰減速度也較快.

為了更加直觀地分析溶液濃度和摻巖率以及溫度對摻巖混合物膨脹特性的影響,本工作對膨脹力時程曲線中幾個關鍵數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計.

(1)膨脹力衰減起始時刻TⅠ:對于單峰結構時程曲線,為峰值開始下降時對應的時刻;對于雙峰結構時程曲線,為第二個峰值開始下降時對應的時刻,單位h.

(2)最大膨脹力Pmax:試樣膨脹力在增大過程中所能達到的最大值,對應時程曲線最高點,單位MPa.

(3)穩(wěn)定膨脹力Pfinal:試樣膨脹力經(jīng)過衰減后達到的穩(wěn)定值,對應時程曲線最終不變值,單位MPa.

(4)膨脹力衰減率φ:表示膨脹力的衰減程度,定義為

將上述4種關鍵數(shù)據(jù)與溶液濃度的關系整理如圖5所示.

在圖5(a)中,膨脹力衰減起始時刻隨濃度的增加而降低,表明濃度越高,膨脹力越早出現(xiàn)衰減;在50°C時,衰減起始時刻均明顯提前,可知溫度升高能使試樣更早出現(xiàn)膨脹力衰減.對于試樣BG-Ⅱ和BG-Ⅲ,在50°C時,衰減起始時刻位于1.5～2.5 h之間,溶液濃度對衰減起始時刻影響不明顯.

由圖5(b)可知,相同試樣在0.1 mol/L NaOH溶液入滲時Pmax均最大,Pmax隨溶液濃度增加而降低.比較同濃度堿性溶液在兩種溫度下的試樣Pmax,發(fā)現(xiàn)Pmax在50°C時均較小.對于試樣BG-Ⅱ和BG-Ⅲ,溶液濃度對Pmax的影響與溫度有關,在50°C,3種濃度溶液入滲后試樣Pmax隨濃度增加而降低的程度明顯小于25°C,這是由于膨潤土雙電層的影響.雙電層理論是指土顆粒表面的負電荷會吸附溶液中的陽離子,在陽離子外形成結合水膜.當溫度升高時,結合水分子的自由運動加快,會有一部分結合水逃離雙電層的束縛轉變成自由水,結合水的含量會隨溫度升高而降低[25].因此,當溫度較高時,試樣雙電層膨脹程度下降較大,但層間陽離子水化能力是一定的,故在50°時,3種濃度溶液入滲后試樣Pmax主要由晶層膨脹決定,表現(xiàn)為差值明顯變小.

圖5 膨脹特性與溶液濃度的關系Fig.5 Relationships between swelling characteristic and concentration of solution

比較圖5(b)和(c)可知,Pfinal隨濃度的增加而降低,從數(shù)據(jù)點連線的斜率來看,相比于Pmax,Pfinal隨濃度增加而降低的趨勢更明顯,這是由于膨脹力的衰減程度與溶液濃度有關.圖5(d)為各試樣膨脹力衰減率,由圖可知,堿性溶液濃度越高,φ越大.這可以由表4中純膨潤土XRD分析結果來解釋,堿性溶液濃度越高,蒙脫石含量會越低,所以混合物中膨潤土被溶蝕程度越大,導致φ越大.另外,相同試樣在50°C時的膨脹力衰減率均大于25°C時的膨脹力衰減率,說明混合物的膨脹力衰減程度不僅與溶液濃度有關,而且與溫度有明顯關系.這是因為蒙脫石被堿性溶液腐蝕的程度與溫度有關,溫度越高,微觀上蒙脫石含量下降越多,導致宏觀上膨脹力下降越多.很多學者都研究了堿性溶液對蒙脫石的腐蝕程度與溫度的關系.Fern′andez等[26]研究表明,在堿性環(huán)境下,膨潤土中的蒙脫石含量會隨著溫度的升高而明顯降低.Ye等[7]也發(fā)現(xiàn)GMZ膨潤土在pH=10和12的堿性溶液入滲時,蒙脫石含量會隨溫度的升高而顯著降低.比較圖5(d)中相同試樣在不同入滲堿性溶液濃度下的3條膨脹力衰減率連線,發(fā)現(xiàn)在25和50°C時兩條連線之間基本呈平行關系,說明在兩種溫度下,溶液濃度對膨脹力衰減率的作用基本不受溫度影響.S′anchez等[27]研究了FEBEX膨潤土在25和75°C下0.1、0.25和0.5 mol/L NaOH入滲時試樣中蒙脫石含量隨時間的變化,發(fā)現(xiàn)當溫度較高時,蒙脫石含量下降更多,但在同一濃度下兩種溫度的試樣蒙脫石含量差值相近,并且該差值與堿性溶液濃度沒有明顯的直接關系.圖5(d)中的連線平行是因為摻巖混合物中膨脹力下降,這是由于蒙脫石被堿性溶液溶解,但溫度升高引起蒙脫石溶解增加的程度與溶液濃度無明顯關系,故對于相同摻巖率試樣,溫度變化引起的膨脹率、衰減率增長在3種濃度下基本相同.

2.3 膨脹特性與摻巖率的關系

圖6為試樣膨脹特性與摻巖率的關系.由圖6(a)可知,在25°C時,摻巖率越大,膨脹力衰減起始時刻越晚.根據(jù)前文的分析,膨脹力衰減起始時刻可看成第一階段和第二階段的分界點,衰減起始時刻與膨脹力增長完成時間有關.由圖3可知,在25°C時,第一階段膨脹力增長速度隨摻巖率增加而降低,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是:巖屑顆粒粒徑較大,會阻礙溶液在混合物中擴散,摻巖率越高的試樣,溶液在孔隙中的滲流路徑越長,溶液擴散越慢,導致膨脹力增長速度越慢,試樣越晚出現(xiàn)膨脹力衰減.在50°C時,摻巖率越高,則膨脹力衰減起始時刻越早.原因一方面是由于當溫度升高時,蒙脫石層間水分子黏滯系數(shù)下降,溶液在孔隙中的滲流速度將加快,從圖3也可看出,在50°C時,膨脹力增長速度均明顯加快,摻巖率對膨脹力增長速度基本無影響;另一方面由于花崗巖巖屑親水性較低,混合物飽和時大部分溶液被膨潤土顆粒所吸收,在混合物總干重不變的情況下,隨著摻巖率的增加,單位體積內(nèi)膨潤土含量下降,故膨脹力增長完成所需時間也縮短.

圖6 膨脹特性與摻巖率的關系Fig.6 Relationships between swelling characteristic and granite mixing rate

由圖6(b)和(c)可知,Pmax和Pfinal均隨摻巖率的增加而降低,但降低的程度隨摻巖率的增加而減小,說明在膨潤土中摻加適量巖屑,可有效抑制混合物的膨脹力,隨著摻巖率的增加,這種抑制作用有所減弱.并且可以發(fā)現(xiàn),在50°C時,相同試樣Pmax和Pfinal均比25°C時小,這與圖5(b)和(c)中溫度對Pmax和Pfinal的影響規(guī)律一致.在50°C時,Pmax和Pfinal隨摻巖率的增加而降低的程度均更明顯.這主要可從兩方面來解釋,一方面是由于花崗巖巖屑的熱傳導系數(shù)遠大于膨潤土,所以在膨脹力增長階段,當50°C的溶液入滲時,摻巖率較高的試樣導熱性能越強,內(nèi)部溫度上升越快,而溫度越高蒙脫石層間水分子黏滯系數(shù)越低,蒙脫石吸水性降低導致最大膨脹力隨摻巖率增加而明顯降低;另一方面,根據(jù)前文的分析,內(nèi)部溫度越高時蒙脫石溶蝕程度越大,導致試樣膨脹特性下降,綜合兩方面原因,當溫度較高時,摻巖率對Pmax和Pfinal的影響更明顯.

不同摻巖率下各試樣膨脹力衰減率如圖6(d)所示.從圖中可以看出,在同一溫度和入滲溶液濃度情況下,低摻巖率(＜6%)下,φ隨摻巖率增加而減小;高摻巖率(＞6%)下,摻巖率對φ基本沒有影響,這可以通過巖屑顆粒對骨架穩(wěn)定性的影響以及花崗巖材料的耐堿性進行解釋.對于摻巖混合物試樣,當堿性溶液入滲時,膨潤土顆粒吸水飽和形成膨潤土集合體,該膨潤土集合體與巖屑顆粒共同形成混合物骨架結構.巖屑材料具有耐堿性,其主要礦物石英、長石和云母均不與堿性溶液發(fā)生反應,雖然部分膨潤土會被堿性溶液溶蝕導致膨潤土集合體出現(xiàn)少量空隙,但巖屑顆粒仍然與大部分膨潤土集合體接觸,兩種材料相互傳力提高了骨架的整體穩(wěn)定性,所以在膨潤土中摻入花崗巖巖屑能有效降低試樣因堿性溶液入滲導致的膨脹力衰減.而在高摻巖率(＞6%)下,巖屑顆粒對整體結構的穩(wěn)定性提高有限,隨著摻巖率的增加,φ變化較小.

3 結論

(1)當0.1 mol/L NaOH溶液和去離子水入滲時,純膨潤土膨脹力時程曲線出現(xiàn)雙峰結構特征,而隨著入滲溶液濃度增加和摻入花崗巖巖屑,膨脹力時程曲線均變?yōu)閱畏褰Y構.當堿性溶液入滲時,膨脹力時程曲線可分為3個階段:增長階段、下降階段、穩(wěn)定階段.

(2)試樣最大膨脹力和穩(wěn)定膨脹力均隨溶液濃度的增加而減小,并且膨脹力衰減率隨濃度的增加而增大.結合礦物分析結果,發(fā)現(xiàn)堿性溶液會使膨潤土中的礦物含量發(fā)生變化,蒙脫石含量隨濃度增加而下降.

(3)試樣的最大膨脹力和穩(wěn)定膨脹力隨摻巖率的增加而降低,膨脹力衰減率隨摻巖率的增加而降低.在膨潤土中摻入花崗巖巖屑可以提高骨架結構穩(wěn)定性,巖屑與膨潤土共同承擔豎向應力,當堿性溶液入滲時,摻入巖屑材料可減弱試樣膨脹力衰減的程度.

(4)當摻巖率相同、入滲溶液濃度相同時,與試驗溫度為25°C的試樣相比,試驗溫度為50°C的試樣膨脹力增長速率明顯加快,最大膨脹力和穩(wěn)定膨脹力均減小.膨脹力衰減率隨溫度的升高而增大.