高廟子膨潤土與砂混合物的土-水特征曲線

孟德林，孫德安，劉月妙

（1.上海大學 土木工程系，上海 200072；2.核工業北京地質研究院，北京 100029）

1 引 言

隨著核技術在國防、工業、農業、醫學等各個領域地廣泛運用，隨之而產生的高水平放射性核廢物（高放廢物）也在不斷地增加。因此，放射性核廢物的處置問題也日趨嚴峻。目前，深地質處置是國際上普遍接受的高放廢物處置方法，即采用多重工程屏障系統將高放廢物埋在距地表深約500～1000 m的地質體中，使核廢物與人類的生存環境隔絕，以免對人類的生存環境造成污染。膨潤土具有極高的膨脹性、極低的滲透性和優良的核素吸附等性能，因此，被視為多重工程屏障系統中最合適的緩沖/回填材料。但純膨潤土存在熱傳導性能較低和塑性過高兩個主要缺陷，相反，在膨潤土中加入一定量的石英砂之后，就可以增強緩沖/回填材料的導熱性能和力學強度，而其中膨潤土與石英砂的配合比以及混合物的孔隙比是對混合物的水力性質影響最大的因素。在國內，通過對全國膨潤土礦床調查和篩選，已確定內蒙古興和縣高廟子膨潤土礦床為我國緩沖/回填材料的基質材料首選供應基地[1]。

國內外已有很多學者對膨潤土及其與砂混合物進行了多方面研究，Lloret等[2]以西班牙產的FEBEX膨潤土為試驗材料研究了膨潤土的熱水力特性。崔紅斌等[3]研究了日本產的Kunigel-V1膨潤土和及其與砂混合物在不同應力狀態下的膨脹特性，并給出了膨脹變形和膨脹力預測方法[4]。徐永福等[5]以Kunigel-V1膨潤土為材料研究了膨潤土與砂混合物的膨脹特性。葉為民等[6]以高廟子膨潤土為試驗材料研究高壓實膨潤土試樣在限制變形下的非飽和滲透特性以及在限制變形和自由變形條件下的土-水特征曲線[7]。秦冰等[8]等研究了高廟子膨潤土的脹縮變形特性。孫德安等[9]研究高廟子和 Kunigel-V1膨潤土的土-水特性。國內的大部分學者主要研究膨潤土及其基本物理化學特性、壓縮性、膨脹特性、滲透特性，但對高廟子膨潤土以及其與砂混合物的持水特性研究還較少。本文擬研究不同混合配合比和孔隙比條件下高廟子膨潤土與砂混合物的土-水特性。

在緩沖/回填材料的水力特性中，一個重要參數就是吸力，吸力的變化直接影響著緩沖/回填材料的滲透系數、抗剪強度和變形特性。實驗室測量或控制吸力的方法主要有濾紙法、熱電偶干濕計法、張力計法、熱傳導傳感器法以及氣相法[7]和壓力板法等。其中濾紙法與其他試驗方法相比，是一種簡單、快捷、方便的吸力量測方法。本文主要對高廟子膨潤土（GMZ001）與石英砂的混合物分別用濾紙法測吸力和用壓力板法控制吸力，以此來研究非飽和高廟子膨潤土與砂混合物的土-水特性，即分析重力含水率、吸力、孔隙比以及飽和度之間的關系和配合比對土-水特征曲線的影響，從而得出這些參數之間的相互關系。另外還對日本產的Kunigel-V1膨潤土和豐浦砂的混合物用濾紙法進行了測吸力試驗，以此來對比兩種膨潤土與砂混合物的土-水特征曲線。

2 試驗概況

2.1 試驗材料及儀器

試驗中所采用的膨潤土為我國內蒙古產的高廟子膨潤土（GMZ001）和日本產的Kunigel-V1膨潤土，采用的石英砂為福建標準砂和日本豐浦砂。為進行兩種混合物的土-水特征曲線相比較，在本試驗中，對福建標準砂進行篩選，把粒徑大于 0.5 mm和粒徑小于0.074 mm的顆粒全部去除，使其與日本豐浦砂的顆粒級配曲線基本接近（見圖1）。高廟子膨潤土和 Kunigel-V1膨潤土的物理指標詳見表1。圖2表示了用比重計法測得的兩種膨潤土的顆粒級配曲線。由圖可知，Kunigel-V1比高廟子更細一些。為了避免試驗用水與土樣發生離子交換，試驗用水采用去離子水。

圖1 兩種砂的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curves of the two sands

表1 兩種膨潤土的基本物理化學性質Table 1 Physicochemical properties of tested bentonites

圖2 兩種膨潤土的顆粒級配曲線Fig.2 Grading curves of Gaomiaozi and Kunigel-V1 bentonites

本文試驗中所采用的濾紙為Whatman No.42號濾紙。濾紙的率定曲線方程采用Leong等給出的雙線性率定曲線方程[10]，當吸力非常大時，濾紙測得的吸力都是總吸力，因此，當吸力大于 1500 kPa時，本試驗都用總吸力的公式對數據進行處理。Leong等給出的雙線性率定曲線方程被Power等證實為與ASTM D5298-03給出的率定曲線方程平均誤差最小的一組率定曲線方程[11]，此率定曲線方程如下：

基質吸力為

總吸力為

式中：ψ為吸力，單位為kPa；wf為濾紙的含水率百分數。

試驗所使用的儀器包括：密封容器、高精度天平和恒溫室以及烘箱。所用的密封容器是密封性非常好的LockLock盒（見圖3），所用的高精度天平精度為0.0001 g，恒溫室的溫度能保持在20 ℃±1 ℃。

圖3 密封容器Fig.3 Sealing container

2.2 試驗步驟

本文采用吸濕過程的濾紙率定曲線，即用烘干后的濾紙進行率定試驗而得到的率定曲線。在做濾紙法試驗之前先將濾紙進行烘干，并與有一定含水率的土樣密封，達到水氣平衡狀態，因此，可量測到土樣脫濕過程的土-水特征曲線。試驗過程的具體步驟如下：

（1）調土：首先根據預先確定的初始重力含水率、總質量以及膨潤土與砂的配合比推算出所需膨潤土、砂和水的質量，然后將稱好的膨潤土、砂和水在容器中充分均勻混合，放置48 h以上，讓顆粒與水均勻，取少許土樣測其重力含水率。

（2）制樣：采用了兩種制樣方法，一種是擊實方法制樣，根據預定的干密度和質量推算出土樣所需要擊實后的高度，然后按高度要求對土樣進行擊實；另一種是散狀樣，即（1）中配好的土樣。

（3）裝樣：對擊實樣，首先將3張烘干后的濾紙直接緊貼在土樣的底端面，通常中間一張濾紙用于量測土樣的基質吸力，而外面兩張濾紙主要用于保護中間那張濾紙，使之不直接接觸土樣和弄臟。然后將疊加的3張濾紙和試樣，放入密封容器（即LockLock盒，見圖3）中，然后在土樣的頂面依次放入1層紗網和1張濾紙，這張濾紙是用于量測土樣的總吸力，示意圖如圖4所示。而對于散狀樣，濾紙的位置和前面所述相同，只是將一定重力含水率的散狀土均勻地鋪在底部3層濾紙之上。

（4）試驗過程：將裝好試樣的密封容器放入恒溫室里，放置14 d左右[10]。當平衡期間終了時，用鑷子將所需要量測的濾紙從 LockLock盒中取出，迅速放入電子天平中，測量濾紙的濕重量。為了避免濾紙與周圍大氣接觸而發生水分變化，濾紙必須要在很短的時間內轉移到電子天平隔離箱中。然后將濾紙放入鋁盒中在105 ℃烘箱里烘干，測其干質量，根據濾紙的干質量與濕質量計算得出平衡時濾紙的重力含水率，用式（1）～（4）所示的雙線性率定曲線方程求出基質吸力和總吸力。同時，量測試樣的重量和尺寸，將其在105 ℃烘箱里烘干，測其干質量，得到含水率和飽和度。因此，試驗結果中的孔隙比均為試驗時實際測量的孔隙比，而非制樣時的孔隙比。

3 試驗結果及分析

在本研究進行的濾紙法試驗中，高廟子膨潤土與砂的干重量配合比分別為 3:7、7:3、10:0，在配合比3:7的試驗中，對孔隙比分別為0.93、0.70以及散狀土3組試樣進行試驗，在配合比為7:3的試驗中，對孔隙比分別為0.94、1.10以及散狀土3組試樣進行試驗，在配合比為10:0的試驗中，只對孔隙比為1.11進行了1組試驗。Kunigel-V1膨潤土與豐浦砂的配合比3:7混合物在孔隙比為0.70條件下進行了1組試驗，用于與高廟子膨潤土與砂混合物的土-水特征曲線進行比較。另外，用壓力板法對配合比為3:7，初始擊實孔隙比分別為0.72和0.91的高廟子膨潤土與砂混合物也進行了吸力控制的壓力板試驗，試驗時控制的吸力路徑為 200→500→900→1400 kPa。

圖5、6為高廟子膨潤土與福建砂配合比分別為3:7、7:3的混合物在不同孔隙比條件下的土-水特征曲線，圖示中eav為擊實樣的平均孔隙比，即同1組試樣孔隙比的平均值。由圖5(a)和圖6(a)可以看出，當土-水特征曲線用飽和度（Sr）和吸力（s）的關系表示時，土-水特征曲線隨著孔隙比減小而向右上方移動，即當土樣的吸力一定時，土樣的飽和度隨著孔隙比減小而增大。從圖 6(a)可以得出，當吸力小于10 MPa時，這種現象較明顯，這與Romero等以高嶺石和伊利石為主的黏土測得土-水特征曲線試驗結果一致[12]。

由圖5(b)和圖6(b)可以得出，當土-水特征曲線用重力含水率和吸力關系表示時，試樣孔隙比對非飽和膨潤土的土-水特征曲線影響不大。這個特性具有重要的實際意義，當工程中需要對緩沖/回填材料的以吸力與重力含水率表示的土-水特征曲線進行研究時，就可以取孔隙比較大的土樣進行試驗研究，從而可得孔隙比較小土樣的土-水特征曲線。實際工程中緩沖/回填材料的孔隙比一般較小。但需要指出，在低吸力范圍內，特別接近飽和時，孔隙比對用吸力與重力含水率表示的土-水特征曲線是有影響的。由于低吸力試樣接近飽和，無法擊實試樣，用本文方法無法量測吸力。

圖5 配合比3 : 7的土-水特征曲線Fig.5 SWCCs of 3 : 7 mixture

圖6 配合比7 : 3的土-水特征曲線Fig.6 SWCCs of 7 : 3 mixture

文獻[7]的純高廟子膨潤土試驗結果表明，當吸力值小于1 MPa時，限制變形條件下試樣含水率不隨吸力減小而增大，這是由于此時試樣已接近飽和。而本文中混合物的含水率隨吸力減小而增大，試樣還未飽和（見圖5(a)和圖6(a)）。另外，圖5(b)和圖6(b)中還表示有散土的試驗結果，用重力含水率與吸力關系表示土-水特性時，與有孔隙比的擊實樣試驗結果比較接近。

圖7表示在相同孔隙比條件下不同配合比混合物的土-水特征曲線。由圖可知，在孔隙比接近條件下混合物的土-水特征曲線隨著膨潤土比例增加而向右上方移動，即膨潤土與砂混合物的進氣值隨著膨潤土比例的增加而增大。

圖8表示配合比為3:7的高廟子膨潤土與砂混合物用不同吸力控制或量測方法下得到的土-水特征曲線，其中一組是用濾紙法對平均孔隙比為0.70的試樣進行吸力測量試驗；另外一組是用壓力板法對一個初始孔隙比為0.72的試樣施加吸力，測得土-水特征曲線，吸力控制路徑為 200→500→900→1400 kPa。從圖中可以看出，兩種不同吸力控制或量測方法下的土-水特征曲線比較接近。通常，壓力板法測得的土-水特征曲線精度較高，可以作為標準。因此，本試驗采用的濾紙法測土樣吸力的精度是有保證的。

圖7 相同孔隙比下不同配合比的土-水特征曲線Fig.7 SWCCs at different mixing ratios and the same void ratio

圖8 不同方法量測的土-水特征曲線 (B:S=3:7)Fig.8 SWCCs by using different measured or controlled methods of suction (B:S=3:7)

圖9 不同膨潤土兩種混合物的土-水特征曲線比較 (B:S=3:7)Fig.9 Comparison of SWCCs of two mixtures with different bentonites (B:S=3:7)

圖9表示在試樣的平均孔隙比均為0.70和同一配合比3:7條件下兩種膨潤土與砂混合物的土-水特征曲線，圖中表示的是Kunigel-V1膨潤土與豐浦砂混合物的平均孔隙比，則表示高廟子膨潤土與福建砂混合物的平均孔隙比。

從圖9中可以看出，當兩種混合物的膨潤土與砂配合比和孔隙比相同時，無論用重力含水率還是飽和度表示土樣的水分，其土-水特征曲線比較接近。因此，當討論土樣的土-水特性時，兩種膨潤土與砂混合物的研究成果可以相互借鑒和參考。

4 結 論

（1）在同一配合比下，當混合物的土-水特征曲線用飽和度和吸力的關系表示時，土-水特征曲線隨著孔隙比的減小而向右上方移動，即當土樣的吸力一定時，土樣的飽和度隨著孔隙比減小而增大。當吸力小于10 MPa時，這種現象較為顯著；當土-水特征曲線用重力含水率和吸力關系表示時，在一定吸力以上范圍內試樣孔隙比對混合物的土-水特征曲線影響不大。

（2）在相同孔隙比下混合物的土-水特征曲線隨著膨潤土比例的增加而向右上方移動，即膨潤土與砂混合物的進氣值隨著膨潤土比例的增加而增大。

（3）在吸力在200～1400 kPa范圍內，用壓力板法測得的混合物土-水特征曲線與濾紙法測得的相近，確認了濾紙法吸力量測的精度。

（4）在同一配合比和相同孔隙比條件下，高廟子膨潤土與福建砂混合物的土-水特征曲線與Kunigel-V1膨潤土與豐浦砂混合物的土-水特征曲線比較接近。因此，兩種混合物的土-水特性研究成果可以相互借鑒與參考。

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