葉為民， 申 淼， 王 瓊

(1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092;2.教育部城市環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合研究中心，上海200092)

0 引 言

膨潤土-砂混合物作為一種高放廢物深地質(zhì)處置的緩沖材料被廣泛應(yīng)用于許多國家的地下處置庫中.而它的很多物理性質(zhì)都和其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，例如持水能力、滲透性能、變形能力等.這都是微觀結(jié)構(gòu)改變影響宏觀性質(zhì)的反映.因此對膨潤土-砂混合物微觀結(jié)構(gòu)的研究不僅可以解釋很多宏觀的性質(zhì)，更可以為本構(gòu)模型及數(shù)值模擬提供必要的參數(shù).Sposito and Prost (1982)［1］、Bird(1984)［2］等通過研究干蒙脫石吸水過程發(fā)現(xiàn):在水化開始階段，晶層間孔隙首先進(jìn)水，被吸附在晶層間，蒙脫石含水量不斷增加，晶層間吸附水分子由1 層增加到4 層，導(dǎo)致蒙脫石因晶層間距增加而膨脹.

國內(nèi)對于膨潤土-砂混合物水化過程中微觀結(jié)構(gòu)變化的研究較少. 陳寶等［3］利用環(huán)境掃描電鏡和壓汞試驗，研究不同吸力下高廟子高壓實膨潤土的持水特性及其微觀結(jié)構(gòu)特征. 研究結(jié)果表明:不同吸力下，膨潤土的持水特性與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān).葉為民［4］利用壓汞法(MIP)和電鏡掃描法(SEM)，研究了不同吸力下高壓實MX80 膨潤土在的體積變化特征.因此本文針對高廟子膨潤土-石英砂(7:3)混合物，在20、60℃條件下的側(cè)限滲透試驗結(jié)束后，從土樣不同位置處取樣開展了壓汞試驗，分析了其微觀結(jié)構(gòu)隨溫度和吸力的變化規(guī)律.

1 材 料

本文選用膨潤土-砂混合物，配合比為3:7.膨潤土為灰白色的高廟子(GMZ01)膨潤土，其化學(xué)成分主要為SiO2，Al2O3，H2O;比重為2.66;堿性系數(shù)為1.14;pH 值為8.68 ～9.86;液限為276;塑限為37;吸藍(lán)量102mmol/100g;總比表面積570m2/g;陽離子交換能力為77.30mmol/100g;主要交換陽離子為Na+43.36 mmol/100g、Ca2+29.14 mmol/100g，Mg2+12.33 mmol/100g、K+2.51 mmol/100g;主要礦物為蒙脫石75.4% 、石英11.7%、長石4.3%、方英石7.3%.數(shù)據(jù)表明，高廟子膨潤土具有較強(qiáng)的陽離子交換能力、強(qiáng)吸附能力、良好的分散性和水化能力.

試驗用砂為安徽鳳陽石英砂.化學(xué)成份主要包括SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，其中SiO2含量為99.20%，粒徑0.075 ～0.1mm，比重2.65 Mg/m3，pH值7.5，莫氏硬度6.7.

2 試驗方法

2.1 瞬時截面法

Daniel(1982)［5］提出用瞬時截面法來測定非飽和土的滲透系數(shù). 試驗過程中，采用在圓柱形試樣一端施加連續(xù)水流，另一端通向大氣，同時測定試樣不同位置上的相對濕度隨時間的變化曲線，并結(jié)合試樣的土水特征曲線求取滲透系數(shù).具體計算步驟參見文獻(xiàn)［6］.

圖1 20℃不同吸力狀態(tài)下孔徑分布曲線

圖2 60℃不同吸力狀態(tài)下孔徑分布曲線

2.2 非飽和滲透試驗

將石英砂和GMZ01 膨潤土按3:7 比例充分?jǐn)嚢柚辆鶆驙顟B(tài)，并將混合物的初始含水量調(diào)整至9%.采用特制的壓實模具，使用0.1mm/min 壓實速率，分3 層將攪拌均勻的石英砂-膨潤土混合物壓實至高150mm，直徑50mm，干密度1. 9Mg/m3的圓柱體試樣，以保證壓實試樣的均勻性.

本文試驗采用葉為民等人(2009)［6］的非飽和滲透儀.將壓實至目標(biāo)感密度的試樣從壓實模具中取出，并迅速推入非飽和滲透儀中. 將完成安裝的試樣靜置數(shù)周，并通過安裝在滲透儀側(cè)壁的4 只(均布)和試樣頂端1 只、共5 只傳感器記錄試樣中濕度變化，待試樣中濕度變化達(dá)到穩(wěn)定、即試樣中吸力達(dá)到平衡后，從滲透儀底端進(jìn)水并正式開始非飽和滲透試驗.試驗過程中，通過壓力-體積控制器記錄注水體積，5 只傳感器記錄濕度隨時間變化.待靠近進(jìn)水端的濕度傳感器接近飽和時，終止試驗.

2.3 微觀結(jié)構(gòu)(壓汞)試驗

壓汞(MIP)法作為一種常用的微觀結(jié)構(gòu)試驗方法被廣泛應(yīng)用于非飽和土的研究當(dāng)中.MIP 技術(shù)是通過對不浸潤的液體(汞)加壓以使其進(jìn)入孔隙，來探測多孔固體的微觀結(jié)構(gòu)特征. 汞不會浸潤被它壓入的大多數(shù)材料，只有在外力作用下，汞才能壓入多孔固體中微小的孔內(nèi). 因此，孔徑分布可由汞侵入孔中的量與施加的壓力的關(guān)系得出.20，60℃條件下的滲透試驗結(jié)束后，分別在距土樣底端6，9，12，15cm 和0，6，9，15cm 位置處取樣進(jìn)行壓汞試驗.試樣被取出后迅速放入盛有液氮的鋁盒中，試驗樣品在-196℃的液氮中被迅速冷凍，使孔隙水直接變成不具膨脹性的晶體，之后將盛有土樣和液氮的鋁盒放入冷凍干燥機(jī).冷凍干燥機(jī)在-50℃條件下抽真空干燥.

圖3 20℃條件下各型孔隨吸力的變化關(guān)系

圖4 60℃條件下各型孔隨吸力的變化關(guān)系

3 試驗結(jié)果與討論

20℃?zhèn)认逎B透試驗結(jié)束后，在距土樣底端6，9，12，15cm 位置處的吸力分別為6.39，22.06，32.69，41.8MPa.圖1 為20℃不同吸力狀態(tài)下的孔徑分布曲線.可以看出膨潤土-砂混合物的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，其中集合體間的大孔隙主要集中在500nm 孔徑左右，集合體內(nèi)孔隙主要集中在20nm 孔徑左右，分界點在100 -200nm 之間.

同時根據(jù)不同吸力下曲線的變化可以看出，隨著吸力的降低集合體間孔隙量有減小的趨勢，而集合體內(nèi)孔隙量變化有限，使得樣品的平均孔徑逐漸減小.雖然本次試驗發(fā)現(xiàn)混合物的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，但國外很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)混合物微觀結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)三峰的情況，即在大孔隙孔徑范圍內(nèi)有兩個峰值.通過進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)其中較大的峰值應(yīng)該是砂顆粒間的孔隙.本次試驗之所以沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于選用的砂粒徑較小(0.075 ～0.1mm)，摻砂量(30%)有限加之拌合較為均勻，使砂顆粒被膨潤土完全包裹，砂顆粒間直接接觸較少出現(xiàn).

60℃滲透試驗結(jié)束后，分別在0，6，9，15cm 位置處取樣，對應(yīng)的吸力為0，4. 68，19. 31，32.97MPa.

如圖2 所示，60℃時的微觀結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)特征. 其中集合體內(nèi)孔隙峰值出現(xiàn)在20nm 附近，大孔隙峰值出現(xiàn)在550nm 附近，分界點仍在100 ～200nm 范圍內(nèi). 與20℃結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，60℃時水化引起的大孔隙減少更為明顯，在吸力為0MPa 時大孔隙完全消失.

針對樣品中實際的孔隙類型，即晶層間孔隙、集合體內(nèi)孔隙、集合體間孔隙，選取3nm 和150nm作為孔隙類型的分界點. 按此得出20℃各型孔隨吸力的變化關(guān)系，如圖3 所示.

圖3 表明，隨著吸力的降低集合體間的大孔隙數(shù)量顯著減少，無法量測的孔隙量明顯增加，而集合體內(nèi)孔隙量略有減少. 其主要機(jī)理是:吸力較高時水首先進(jìn)入集合體內(nèi)孔隙，導(dǎo)致集合體表面層疊體剝落形成粘土薄片填充大孔隙，形成諸多層間孔隙.而此時水化形成的膨脹力還不足以使小孔隙變形，所以集合體內(nèi)孔隙量變化不明顯.

60℃時各型孔隨吸力的變化趨勢和20℃相同.為了分析溫度對微觀結(jié)構(gòu)的影響，本文對兩種溫度條件下各型孔隨吸力的變化關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，并標(biāo)出了相應(yīng)的斜率以便定量分析，如圖3和圖4 所示. 可以看出直徑大于150nm 孔隙對應(yīng)的斜率隨著溫度升高由0.0013 變?yōu)?.0019，直徑小于3nm 孔隙對應(yīng)的斜率由-0.0017 變?yōu)?0.0023，7nm 到150nm 范圍內(nèi)孔隙斜率沒有變化. 這說明溫度升高加速了土樣中微結(jié)構(gòu)的變化.這主要是由于溫度對鈉基膨潤土水力性能的影響主要體現(xiàn)在強(qiáng)化了膨潤土水化過程中的雙電層作用.而雙電層作用正是膨潤土吸水膨脹的原因，這就導(dǎo)致了層疊體水化剝離現(xiàn)象加劇，進(jìn)而引起直徑大于150nm 和小于3nm 的孔隙量在水化過程中隨溫度升高變化加劇.而3 ～150nm 的集合體內(nèi)孔隙量的明顯變化僅出現(xiàn)在吸力很低的狀態(tài)而且變化總量有限，這就使溫度對其的影響在較大吸力范圍內(nèi)不顯著.

4 結(jié) 論

兩種溫度下不同吸力的孔徑分布曲線都呈現(xiàn)出明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，大孔隙和集合體內(nèi)孔隙的孔徑分界值在100 ～200nm 左右.水化使得集合體間的大孔隙數(shù)量顯著減少，無法量測的孔隙量明顯增加，而集合體內(nèi)孔隙量略有減少. 溫度升高加速了土樣中微結(jié)構(gòu)的變化.這主要是由于溫度對鈉基膨潤土水力性能的影響主要體現(xiàn)在強(qiáng)化了膨潤土水化過程中的雙電層作用.而雙電層作用正是膨潤土吸水膨脹的原因，這就導(dǎo)致了層疊體水化剝離現(xiàn)象加劇.

［1］ Sposito G，Prost R..Structure of Water Adsorbed on Smectites，Chem Rev USA 1982，Vol. 82:552 –573.

［2］ Bird P..Hydration Phase Diagrams and Friction of Montmorillonite under Laboratory and Geologic Conditions with Implications for Shale Compaction［J］. Slope Stability and Strength of Fault Gauge，Tectonophysics，1984(107):235 –260.

［3］ Chen Bao，Qian Lixin，Ye Weimin. Soil - water Characteristic Curve of Gaomiaozibentonite［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(4):788 -793.

［4］ 葉為民，黃雨，崔玉軍，等.自由膨脹條件下高壓密膨脹黏土微觀結(jié)構(gòu)隨吸力變化特征［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(24):4570 -4575.

［5］ Daniel，D.E.Measurement of Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils with Thermocouple Psychrometers. Soil Science Society of America Journal，1982，20 (6):1125 –1129.

［6］ 葉為民，錢麗鑫，等.側(cè)限狀態(tài)下高壓實高廟子膨潤土非飽和滲透性的試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2009(31):105 -108.