賈 迪,孫德安,張 龍

(上海大學(xué)土木工程系,上海200444)

核電具有能量密度大、穩(wěn)定性好、燃料運輸量少、綜合經(jīng)濟(jì)效益好和幾乎不污染環(huán)境等優(yōu)點[1].目前核技術(shù)在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,隨之而產(chǎn)生的高水平放射性核廢料(簡稱高放廢物)也在不斷增加,因此對于高放廢物處置方法的研究至關(guān)重要.內(nèi)蒙古高廟子膨潤土已被首選為我國核廢料處置庫中緩沖/回填材料的基質(zhì)材料[2],同時已確定甘肅北山地區(qū)為修建高放廢物深層處置庫的首選地區(qū).該地區(qū)的地下水含鹽量較高[3],而已有研究表明地下水的化學(xué)成分會嚴(yán)重影響膨潤土的工程性質(zhì)[4],摻砂率以及鹽濃度對膨潤土的有效熱傳導(dǎo)性以及滲透性也有較大的影響[5].因此,有必要對高廟子膨潤土及其摻砂混合物在鹽溶液飽和下的強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗研究.

對于鹽溶液飽和下的膨潤土及其摻砂混合物的強(qiáng)度特性,國內(nèi)外已有的研究成果比較少.如Di Maio等[6-7]研究了鹽溶液濃度對于Ponza膨潤土強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明隨著鹽溶液濃度的增加,膨潤土殘余強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角增大;Tiwari等[8]研究了鹽溶液對含有蒙脫石成分的黏土殘余強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明鹽溶液可以提高土樣的殘余強(qiáng)度;Gueddouda等[9]研究了膨潤土與砂混合物的抗剪強(qiáng)度特性,結(jié)果表明在膨潤土含量小于15%的條件下,隨著膨潤土含量的增加,混合物的黏聚力增大,而內(nèi)摩擦角減小.以上這些研究只是說明了鹽溶液濃度以及摻砂對膨潤土的強(qiáng)度有較大影響,但是缺少從微觀機(jī)理上對其原因的分析.目前為止,還沒有學(xué)者在不同鹽溶液濃度飽和條件下對GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的強(qiáng)度進(jìn)行試驗研究.

本工作對不同NaCl濃度下的GMZ07膨潤土及其摻砂混合物進(jìn)行了直剪試驗,研究摻砂率及NaCl濃度對膨潤土及其摻砂混合物強(qiáng)度特性的影響;在摻砂混合物中引入膨潤土有效干密度概念,并結(jié)合掃描電鏡試驗結(jié)果,從微觀機(jī)理上分析了NaCl濃度對膨潤土及其摻砂混合物強(qiáng)度的影響.

1 試驗材料

本試驗所采用的高廟子膨潤土產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣,其主要成分為蒙脫石,伴生礦物為石英、方解石等[10],主要礦物成分以及物理特性參數(shù)如表1所示,其中液塑限用聯(lián)合測定儀測得.我國已確定在甘肅北山地區(qū)修建高放廢物深層處置庫,該地區(qū)地下水中溶解固體的陽離子主要是Na+,陰離子主要為Cl-[3].本試驗采用NaCl作為鹽溶液的溶質(zhì),以模擬該地區(qū)地下水中的鹽溶液.本試驗中混合物所用的砂為福建標(biāo)準(zhǔn)砂,去除了粒徑大于0.5 mm的顆粒.砂比重為2.66,圖1為GMZ07膨潤土的粉末狀及其飽和壓實試樣.

表1 GMZ07膨潤土的主要礦物成分和物理參數(shù)Table 1 Main mineralogical composition and physical parameters of GMZ07 bentonite

圖1 GMZ07膨潤土及其飽和試樣Fig.1 GMZ07 bentonite and its saturated specimen

2 試驗

2.1 直剪試驗

GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的初始干密度(ρd0)為1.5 g/cm3.將砂與混合物的干土質(zhì)量之比定義為摻砂率(Rs).將膨潤土與砂按照Rs為0%,30%,50%的比例混合配制成不同摻砂率試樣.根據(jù)北山地區(qū)地下水溶解固體含量范圍[3],配制NaCl溶液摩爾濃度(以下簡稱濃度)分別為0,0.5,1.0 mol/L.利用不同濃度NaCl溶液將GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣進(jìn)行飽和.對每種NaCl濃度的飽和試樣各施加200,400,800 kPa豎向荷載,固結(jié)完成后進(jìn)行慢剪試驗.

2.1.2 試驗儀器

試驗所使用的直剪儀是美國Geocomp公司生產(chǎn)的氣動加壓直剪儀(見圖2).該儀器豎向荷載和水平荷載最大可達(dá)10 kN,水平剪切位移和豎向位移以及水平力和豎向力均可自動記錄.試樣的剪切斷面有兩種:10 cm×10 cm的正方形和直徑為5.0 cm的圓形.本工作采用直徑5.0 cm的剪切斷面進(jìn)行試驗.

圖2 HUS-25 sixty Shear直剪儀Fig.2 HUS-25 sixty Shear direct shear apparatus

2.1.3 試驗步驟

按照預(yù)配制NaCl溶液的濃度計算所需蒸餾水和NaCl顆粒的質(zhì)量,將NaCl顆粒與蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?配制成濃度分別為0,0.5,1.0 mol/L的NaCl溶液.

根據(jù)初始干密度和試樣體積以及摻砂率推算出所需土料的質(zhì)量.稱取一定質(zhì)量的GMZ07膨潤土和烘干標(biāo)準(zhǔn)砂混合攪拌均勻,利用千斤頂壓實,得到初始干密度為1.5 g/cm3的GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣.將試樣裝入固結(jié)儀中,并把配制好的不同濃度NaCl溶液加入固結(jié)儀中進(jìn)行固結(jié)飽和.待試樣飽和后,用千斤頂將試樣取出,稱取質(zhì)量及量測試樣體積,裝入直剪儀的剪切盒進(jìn)行剪切試驗.控制剪切速率為0.01 mm/min,最大剪切位移為5 mm.在直剪試驗結(jié)果中,當(dāng)剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線出現(xiàn)峰值時,定義峰值應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度;當(dāng)沒有峰值強(qiáng)度時,根據(jù)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[11],定義當(dāng)剪切位移達(dá)到4 mm時對應(yīng)的剪切應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度.

2.2 掃描電鏡試驗

制樣方法與供直剪試驗用試樣的制樣方法相同.先將壓實后的GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣用3種濃度NaCl溶液飽和,再將試樣切成小塊后冷凍干燥.然后利用高精度掃描電鏡對不同濃度NaCl的飽和試樣進(jìn)行測試,得到不同濃度NaCl飽和試樣的微觀結(jié)構(gòu).

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 直剪試驗

直剪試驗所用的試樣為人工制備,在整個試驗過程中嚴(yán)格控制試樣狀態(tài).為了驗證試驗的精確性,進(jìn)行了重復(fù)試驗.圖3為純水飽和下純膨潤土試樣的平行試驗結(jié)果.由圖3可知,兩次直剪試驗結(jié)果非常接近,因此在其他試驗中不再進(jìn)行重復(fù)試驗.

綜上所述,微信群護(hù)理人員培訓(xùn)手段的應(yīng)用,是近幾年來臨床上新興的一種護(hù)理理論培訓(xùn)措施,其主要是通過對需要培訓(xùn)的護(hù)理人員在工作后的業(yè)余時間,配合完成各項護(hù)理理論知識的培訓(xùn),確保護(hù)理工作有序開展,也是一種培養(yǎng)優(yōu)秀護(hù)理人才的好的培訓(xùn)方法。同時在培訓(xùn)過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗,探討改進(jìn)措施,完善培訓(xùn)方法,努力提高培訓(xùn)質(zhì)量。

圖 3 重復(fù)試驗結(jié)果(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.3 Results of repeated tests(ρd0=1.5 g/cm3)

3.1.1 純水飽和下?lián)缴盎旌衔锏膹?qiáng)度

圖4為在純水飽和狀態(tài)下不同摻砂率混合物的剪應(yīng)力與位移關(guān)系.由圖可知,純膨潤土出現(xiàn)了應(yīng)變軟化現(xiàn)象,而摻砂混合物只有應(yīng)變硬化現(xiàn)象;純膨潤土的抗剪應(yīng)力大于摻砂混合物的抗剪應(yīng)力,并且摻砂率越高,抗剪應(yīng)力越小.當(dāng)剪切位移達(dá)到5 mm時,純膨潤土強(qiáng)度與摻砂混合物強(qiáng)度幾乎相等.

對于混合物試樣來說,不單是膨潤土之間的作用產(chǎn)生強(qiáng)度,也有可能是砂顆粒之間的接觸產(chǎn)生強(qiáng)度.為了判斷混合物中粗顆粒是否接觸,引入砂骨架孔隙比es的概念[12],其定義為混合土中砂以外成分的體積Vother與砂顆粒體積Vsand之比:

本試驗所用試樣的砂骨架孔隙比如表2所示.試驗所用砂的最大孔隙比emax=0.96,由表2中在純水條件下的數(shù)據(jù)可知,試樣的砂骨架孔隙比均大于砂的最大孔隙比.由此可以說明本試驗的3種摻砂率混合物中都沒有砂顆粒之間的全面接觸.圖5為混合物試樣中砂與膨潤土顆粒的分布情況,可見砂顆粒懸浮在膨潤土之間,混合物試樣剪切強(qiáng)度絕大部分由膨潤土承擔(dān).

圖4 純水飽和下不同摻砂率混合物的剪應(yīng)力與位移關(guān)系Fig.4 Shear stress-displacement relation of mixtures with different mixing ratios saturated by pure water

表2 摻砂混合物中的砂骨架孔隙比Table 2 Sand skeleton void ratio in the mixture

圖5 摻砂混合物中砂與膨潤土顆粒的分布Fig.5 Distribution of bentonite and sand in the mixture

試樣的干密度也會對試樣強(qiáng)度產(chǎn)生影響,由圖5可知,混合物試樣的強(qiáng)度主要是由膨潤土承擔(dān).純膨潤土試樣的干密度為1.5 g/cm3,而在摻砂混合物試樣中,膨潤土的干密度可用膨潤土有效干密度ρb的概念[13]進(jìn)行計算:

式中,Vb為膨潤土體積,Va為孔隙體積,Mb為膨潤土干土質(zhì)量,Rs為摻砂率,ρd為干密度,Gss為砂比重.

表3是純水飽和狀態(tài)下3種摻砂率試樣在剪切前的膨潤土有效干密度ρb的數(shù)值.由表中數(shù)據(jù)可知,純膨潤土的有效干密度要大于摻砂混合物.同時,摻砂率為30%的混合物中膨潤土有效干密度大于摻砂率為50%的混合物,因此純膨潤土試樣的強(qiáng)度要大于摻砂混合物試樣的強(qiáng)度,摻砂率為30%的混合物強(qiáng)度要大于摻砂率為50%的混合物強(qiáng)度.結(jié)合表3和圖4還可以得出,有效干密度ρb大于1.5 g/cm3的試樣出現(xiàn)了應(yīng)變軟化現(xiàn)象,而ρb小于1.5 g/cm3的試樣只出現(xiàn)了應(yīng)變硬化現(xiàn)象.

表3 在純水飽和下剪切試驗中的試樣密度Table 3 Specimen densities in shear test in pure water

3.1.2 鹽溶液對膨潤土及其摻砂混合物強(qiáng)度的影響

圖7 不同摻砂率試樣的剪應(yīng)力與位移關(guān)系(ρd0=1.5 g/cm3,NaCl=1.0 mol/L)Fig.7 Shear stress-displacement relation of mixtures with different mixing ratios(ρd0=1.5 g/cm3,NaCl=1.0 mol/L)

圖6和7分別為在NaCl濃度為0.5以及1.0 mol/L的鹽溶液條件下,GMZ07膨潤土及其>摻砂混合物試樣的剪應(yīng)力與位移關(guān)系.由圖可知,在鹽溶液飽和條件下,純膨潤土試樣的剪應(yīng)力與位移關(guān)系呈應(yīng)變軟化,而摻砂混合物的剪應(yīng)力與位移關(guān)系呈應(yīng)變硬化,后者與純水飽和條件下的試驗結(jié)果相同,同樣可利用砂骨架孔隙比以及膨潤土有效干密度的概念解釋這一現(xiàn)象.砂骨架孔隙比數(shù)值如表2所示,而膨潤土有效干密度數(shù)值如表3所示.由圖6和7可看出,當(dāng)豎向壓力較小時,摻砂混合物的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線在純膨潤土的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線的下方.但是,隨著豎向壓力的增大,摻砂混合物的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線移至純膨潤土的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線的上方(見圖6(c)).當(dāng)豎向壓力不是很大(如400 kPa)時,不管溶液濃度大小和摻砂率多少,剪切位移5 mm時混合物的剪切阻力均大于純膨潤土的剪切阻力(見圖6(b)和圖7(b)).而當(dāng)豎向壓力為800 kPa時,不管溶液濃度大小和摻砂率多少,混合物的強(qiáng)度均大于純膨潤土的強(qiáng)度,這與3.1.1節(jié)提到的純水飽和條件下的試驗結(jié)果相反.

圖8為3種不同濃度鹽溶液飽和下?lián)缴奥师裠0=1.5 g/cm3膨潤土的抗剪強(qiáng)度與豎向荷載之間的關(guān)系(強(qiáng)度線).表4為3種混合物試樣在不同NaCl濃度下的強(qiáng)度指標(biāo).由圖8(a)可知,在純水飽和狀態(tài)下,純膨潤土試樣的強(qiáng)度大于摻砂混合物試樣的強(qiáng)度,3種摻砂率試樣的內(nèi)摩擦角(?)相差不大,而純膨潤土試樣的黏聚力(c)明顯大于摻砂混合物試樣,這說明3種混合物試樣強(qiáng)度的不同主要體現(xiàn)在黏聚力上.由圖8(b)和(c)可知,NaCl濃度顯著影響了3種摻砂率混合物試樣之間的強(qiáng)度關(guān)系.首先,鹽溶液飽和下?lián)缴奥?0%混合物試樣的剪切強(qiáng)度大于摻砂率30%的混合物試樣;其次,鹽溶液飽和下混合物試樣的內(nèi)摩擦角變大,并且摻砂率50%的混合物試樣比摻砂率30%的混合物試樣受到NaCl濃度的影響更加明顯,具體強(qiáng)度指標(biāo)的數(shù)值如表4所示;再次,與純水飽和情況相反,豎向壓力為800 kPa和NaCl溶液濃度為1.0 mol/L時的混合物試樣強(qiáng)度大于純膨潤土試樣(見圖8(c)).

圖8 3種濃度鹽溶液下不同摻砂率飽和試樣的強(qiáng)度Fig.8 Strength of saturated specimens with different sand ratios under three salt concentrations

圖9 為在不同濃度鹽溶液飽和下3種摻砂率試樣的強(qiáng)度.由圖9(a)可知,隨著NaCl濃度的增加,純膨潤土試樣的強(qiáng)度明顯增大,同時內(nèi)摩擦角變大,而黏聚力(c)幾乎沒變化,這與Di Maio等[7]的結(jié)論一致.由圖9(b)和(c)可知,在相同豎向荷載條件下,摻砂混合物試樣的剪切強(qiáng)度隨NaCl濃度的增加而增大,并且內(nèi)摩擦角隨NaCl濃度的增加而增大;相對于純膨潤土試樣,摻砂混合物的內(nèi)摩擦角受NaCl濃度的影響更加明顯.剪切強(qiáng)度指標(biāo)如表4所示.

表4 強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 Strength parameters

圖9 3種摻砂率下不同濃度鹽溶液飽和試樣的強(qiáng)度(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.9 Strength of saturated specimens with different salt concentrations under three sand ratios(ρd0=1.5 g/cm3)

上述結(jié)果表明,NaCl濃度對飽和GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的強(qiáng)度有明顯影響.相對于純水,鹽溶液飽和提高了GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的剪切強(qiáng)度,并且試樣的內(nèi)摩擦角增大.隨著NaCl濃度的增加,GMZ07膨潤土及其摻砂混合物試樣的剪切強(qiáng)度以及內(nèi)摩擦角隨之增大.由表2可知,隨著NaCl濃度的增加,砂骨架孔隙比逐漸減小,其最小值已經(jīng)接近砂的最大孔隙比,故在剪切過程中,部分砂顆粒之間會有接觸,強(qiáng)度有所增大.但是混合物試樣中砂骨架還未形成,因此摻砂混合物試樣的強(qiáng)度還是由膨潤土起主要作用.下面通過微觀試驗結(jié)果,分析膨潤土及其摻砂混合物強(qiáng)度的產(chǎn)生機(jī)理.

3.1.3 不同NaCl濃度條件下的掃描電鏡試驗

圖10為純水飽和條件下?lián)缴奥?0%混合物試樣的精度為100μm的掃描電鏡圖.由圖可知,膨潤土顆粒黏附在砂顆粒表面,砂顆粒懸浮在膨潤土顆粒之間,這驗證了圖5中的砂顆粒與膨潤土顆粒在混合物中的分布情況,也再一次說明本試驗中的混合物試樣強(qiáng)度是由膨潤土起主要作用.

圖10精度100μm下壓實摻砂混合物試樣的掃描電鏡圖(Rs=50%,ρd0=1.5 g/cm3)Fig.10 Scanning electron microscopy of compacted sand-mixture at precision of 100μm(Rs=50%,ρd0=1.5 g/cm3)

圖11 為5μm精度條件下不同濃度鹽溶液飽和的純膨潤土壓實試樣的掃描電鏡圖.如圖11(a)所示,在純水條件下,飽和GMZ07膨潤土中的蒙脫石顆粒表面光滑.而如圖11(b),(c)所示,在鹽溶液飽和下GMZ07膨潤土中的蒙脫石顆粒表面呈現(xiàn)細(xì)粒化,并隨著NaCl濃度的增加,顆粒表面的細(xì)?；潭雀用黠@,比表面積增大,導(dǎo)致蒙脫石顆粒之間的作用力增強(qiáng).該微觀試驗結(jié)果可能與鹽溶液對蒙脫石顆粒的以下兩個影響因素有關(guān):一是由于NaCl離子的作用,增大了蒙脫石顆粒間以及顆粒內(nèi)層疊體間的滲透吸力;二是由于NaCl離子的作用,導(dǎo)致蒙脫石顆粒表面以及顆粒內(nèi)層疊體的雙電層厚度變薄,也會造成蒙脫石顆粒表面形狀發(fā)生變化.以上因素可以解釋NaCl濃度對膨潤土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響的原因.

圖11 精度5μm下壓實GMZ07膨潤土試樣的掃描電鏡圖(ρd0=1.5 g/cm3)Fig.11 Scanning electron microscopy of compacted GMZ07 bentonite(ρd0=1.5 g/cm3)

NaCl濃度使不同摻砂率混合物產(chǎn)生強(qiáng)度差異的原因可以結(jié)合以下3個方面進(jìn)行解釋.首先,摻砂混合物中的砂顆粒親水性較低,鹽溶液中的大部分溶液被膨潤土顆粒所吸收,在一定濃度的鹽溶液飽和條件下,摻砂率不同的混合物中單位質(zhì)量膨潤土所含NaCl質(zhì)量不同,摻砂率越高,其單位質(zhì)量膨潤土所含NaCl質(zhì)量越高;其次,本試驗中的摻砂混合物試樣的強(qiáng)度是由膨潤土起主要作用;再次,在鹽溶液飽和狀態(tài)下,NaCl濃度越大,膨潤土試樣強(qiáng)度越大.因此,可以解釋在鹽溶液飽和條件下,隨著摻砂率的增加,試樣的內(nèi)摩擦角增大,當(dāng)NaCl濃度越高時,這種現(xiàn)象越明顯.

4 結(jié)論

本工作對GMZ07膨潤土及其不同摻砂率混合物的飽和試樣進(jìn)行直剪試驗及掃描電鏡測試,研究試樣用不同濃度鹽溶液飽和時的強(qiáng)度特性,分析和總結(jié)試驗結(jié)果可得到以下結(jié)論.

(1)在純水狀態(tài)下,GMZ07膨潤土試樣的強(qiáng)度高于摻砂混合物試樣的強(qiáng)度,在純膨潤土試樣剪切試驗結(jié)果中呈現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象,而摻砂混合物試樣中呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象.主要原因是試樣中的膨潤土有效干密度不同,摻砂混合物試樣中膨潤土有效干密度低于純膨潤土試樣.

(2)NaCl濃度對飽和GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的強(qiáng)度特性有明顯影響.隨著NaCl濃度的升高,GMZ07膨潤土及其摻砂混合物的抗剪強(qiáng)度會明顯增大,且內(nèi)摩擦角增大.相對于純膨潤土,NaCl濃度對摻砂混合物試樣的強(qiáng)度影響更加明顯.

(3)NaCl會導(dǎo)致蒙脫石顆粒表面以及顆粒內(nèi)層疊體的雙電層厚度變薄,同時NaCl離子會增大顆粒間的滲透吸力,導(dǎo)致蒙脫石顆粒表面呈現(xiàn)細(xì)?；?隨著NaCl濃度的升高,這種顆粒表面細(xì)?；某潭雀用黠@,比表面積增大,顆粒間的相互作用增強(qiáng),導(dǎo)致GMZ07膨潤土試樣的強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角增大.

(4)在不同摻砂率混合物中,摻砂率越高其單位質(zhì)量膨潤土中所含NaCl的質(zhì)量越高;又因為摻砂率30%和50%兩種混合物試樣的強(qiáng)度是由膨潤土起主要作用,同時NaCl濃度越高,膨潤土試樣強(qiáng)度越大.因此,在一定濃度的鹽溶液飽和條件下,不同摻砂率混合物試樣的摻砂率越高,其強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角越大.