環保背景下膨潤土安全問題研究進展

同濟大學地下建筑與工程系 唐凌

一、概述

根據近期我國政府工作報告的要求，“碳達峰”與“碳中和”成為持續改善我國環境質量的兩個重要目標?！疤歼_峰”指的是溫室氣體包括二氧化碳等的排放量達到峰值不再增多；“碳中和”指的是已經產生了的二氧化碳通過產業升級、工藝改進和植樹造林等手段來抵消，以達到保護環境的目的。我國人口眾多，各種資源的消耗量較大，煤炭和石油等化石燃料的燃燒會帶來大量的二氧化碳排放，對我國的環境保護造成很大壓力，所以“碳達峰”與“碳中和”對解決我國的環境問題具有重要意義。

實現碳中和的一個重要途徑就是減少火力發電等化石能源的燃燒，大力發展清潔環保的新型能源。在風能、地熱能、海洋能等新能源中，核能具有成本較低，技術相對成熟等特點，因此在新能源中具有不可替代的地位。1954年6月，世界上第一座核電機組在蘇聯建成，標志著核能發電的利用拉開序幕。截至2020年12月，我國共運行核電機組共49臺，裝機總容量約5102萬千瓦，同時“十四五”規劃明確提出我國核電運行裝機容量要達到7000萬千瓦，意味著2020年底在建機組16臺（總裝機容量約1738萬千瓦），以及另外3臺已獲得國務院核準但尚未開工機組（總裝機361萬千瓦），基本都要按時建成。但是核電站作為一種復雜的能源利用系統，其安全性始終是需要研究和重視的重要課題，核能利用存在的風險既包括核電站運行過程中的風險，又包括核廢料處理可能帶來的環境問題。我國面臨著乏燃料管理壓力增大、核電發展可持續性問題突出、核燃料處理需求日益迫切的實際情況。核能利用產生的放射性廢物根據放射性水平可以分為高水平、中水平和低水平放射性核廢物。其中，高放射性廢物的放射性同位素具有半衰期長和輻射性強等特點，因此需要安全有效地處理這些核廢物，否則將對生態環境和社會安全造成威脅，對高放廢物的安全處置各國都展開了大量的研究。目前國際上公認的處置方式是深地質處置，即在穩定地質體中（據地表500 – 1000 m）建立核廢料處置庫，將玻璃固化后的核廢料放置其中，從而與人類生存圈隔離。

膨潤土作為一種重要的礦產資源，其主要礦物成分為蒙脫石，此外還含有少量長石、石英等其他礦物，蒙脫石的含量決定了膨潤土物理化學性質。蒙脫石的化學式 為 (Al2, Mg3)[Si4O10][OH]2·nH2O，是一種片層狀的黏土礦物，主要成分為含鋁的硅酸鹽。其基本的結構單元為晶層，是由兩層硅氧四面體中間夾一層鋁氧八面體組成，其中的硅氧四面體和鋁氧八面體主要通過共用的氫氧根離子連接，單元層之間主要通過范德華力和離子之間的靜電吸引力相連接。

二、研究現狀

（一）膨潤土的強度來源

學者們一般通過直剪試驗、三軸試驗、單軸壓縮試驗等方法來研究膨潤土的強度特性[1-2]。膨潤土抗剪強度來源包括摩擦強度和黏聚強度兩個部分。影響膨潤土摩擦強度的主要因素為土樣的內摩擦角φ和施加于剪切面上的豎向壓力σ。內摩擦角是土體本身的性質，主要取決于土顆粒之間的粗糙程度和排列狀態。試樣在從初始狀態到剪切破壞狀態的過程中，集合體顆粒之間相互摩擦錯動產生位移以及因相互擠壓旋轉而重新排列的變化，在這個過程中正是由于摩擦力和擠壓力等的存在，使試樣產生了抗剪強度，所以一般來說試樣的集合體顆粒表面越粗糙、顆粒之間接觸得更緊密，則試樣的抗剪強度越大。此外，如前所述，膨潤土由于水化膨脹作用存在一定厚度的擴散雙電層，使得集合體顆粒外表存在著吸附水膜，這些吸附水膜一方面由于比較光滑，使得土顆粒之間的摩擦力降低，進而使土的內摩擦角減小，一方面由于存在因鹽溶液作用而產生的滲透吸力等物理化學力而加強了顆粒之間的擠壓，因此膨潤土的內摩擦角的影響機理較為復雜。

膨潤土的黏聚強度主要用黏聚力c來表示，影響黏聚力大小的主要因素有土的干密度、礦物成分、孔隙水化學成分以及水化膠結時間等。其微觀機理的解釋比較復雜，一般是從土顆粒之間的各種微觀的物理化學作用力，包括范德華力、靜電作用力以及膠結作用力等角度進行分析。根據蘇聯學者的觀點，黏聚力的來源可以分為兩種類型，一種是基于土顆粒間的范德華力和靜電作用力的原始黏聚力，其大小取決于土顆粒之間的距離，土顆粒之間接觸得更緊密，黏聚力更大；另一種是基于土顆粒之間存在的膠結物質的固化黏聚力，其大小主要受土顆粒間的膠結物質的成分和性質影響，因此在膨潤土水化的過程中，固化黏聚力可能會隨著時間的變化而變化。綜上所述，引起膨潤土的黏聚強度變化的主要因素有土樣的干密度、礦物成分、孔隙水化學成分以及土顆粒的膠結時間等。

（二）孔隙水化學對膨潤土抗剪強度特性的影響

孔隙水成分是目前針對膨潤土抗剪強度特性研究的主要考慮因素。眾多學者的研究表明，黏性土的抗剪強度受孔隙溶液組成的影響很大。Warkentin等[3]采用直剪試驗研究了含Na+或Ca2+溶液對膨潤土和高嶺土強度的影響。Anson和Hawkins[4]研究了不同溶液濃度作用下膨潤土的強度，發現隨著鹽溶液濃度的增加，膨潤土的峰值剪切強度會增加；孔隙溶液中Ca2+的濃度從0 至 80 mg/L會顯著提高膨潤土的剪切強度，但當Ca2+濃度繼續增加時，膨潤土的剪切強度不會發生明顯變化。另一方面，殘余強度的變化不隨鹽溶液濃度的變化而顯著變化。

于海浩等[5]采用了直接用NaCl溶液調配干膨潤土和用鹽溶液抽氣飽和膨潤土試樣的方式制備試樣，通過直剪試驗分析了粉土與膨潤土混合的重塑土樣孔隙溶液濃度的變化對黏聚強度的影響。試驗結果顯示，膨潤土含量更高的土樣受到NaCl溶液的影響更為顯著，黏聚力隨著孔隙溶液濃度的升高一般減小。

張龍等[6]利用直剪試驗和微觀試驗等研究了NaCl溶液濃度對GMZ膨潤土以及膨潤土與砂混合料的力學性能和微觀結構的影響，直剪試樣采用壓實干試樣在鹽溶液的作用下膨脹，之后分級加載的方式制備，純膨潤土試樣的干密度為1.45 g/cm3。試驗結果顯示，對于純膨潤土以及膨潤土與砂的混合物試樣，兩者的強度都會隨著NaCl濃度的增大而有明顯的提高，主要表現為試樣的內摩擦角的提高，而黏聚力則沒有明顯的變化。

三、結語

本文對已有鹽溶液作用下膨潤土的抗剪強度特性研究進行了簡述，總結了影響膨潤土抗剪強度特性的因素。膨潤土的強度性質因土的成分類型和初始干密度等而不同，土孔隙中溶液類型和濃度的變化均會顯著影響土的抗剪強度。多數研究結果表明，孔隙水溶液濃度的提高會使膨潤土的內摩擦角增大，而黏聚力變化則規律不一，可能是影響黏聚力的因素更為復雜。鹽離子對膨潤土強度的影響主要是化學成分會影響膨潤土的集合體大小和顆粒表面粗糙程度，一般隨著孔隙水溶液濃度的增大，膨潤土中的小孔隙數量會減少，大孔隙增多，而土顆粒表面的粗糙程度一般會增大。目前對GMZ膨潤土抗剪強度的研究主要集中在低于1.6 g/cm3干密度的試樣上，而對于干密度較大的抗剪強度的研究較少。處置庫中所用膨潤土砌塊的干密度較大，所以研究不同干密度尤其是高干密度膨潤土在鹽溶液作用下的抗剪強度性質很有必要。