碱溶液对GMZ膨润土膨胀性和渗透性的影响
陈宝，张会新，陈萍
(同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海，200092)
摘 要：
溶液入渗的膨胀渗透仪，对不同初始干密度的高压实高庙子(GMZ)膨润土进行膨胀、渗透试验，试验中用NaOH溶液模拟碱性孔隙水。试验结果表明：在碱溶液入渗作用下，各试样的膨胀力均呈现双峰变化形态；相同初始干密度试样的膨胀力随入渗碱溶液浓度的增大而减小，渗透系数则随着溶液浓度的增大而增大；碱溶液浓度相同时，试样的膨胀力随初始干密度的增大而增大，渗透系数随干密度的增大而减小；碱性孔隙水的长期入渗会减小高压实GMZ膨润土的膨胀性、提高其渗透性，最终降低膨润土的缓冲性能。
关键词：
中图分类号：P619.25+5 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)02-0737-06
Performance alteration of compacted GMZ bentonite submitted to hyper-alkaline solution
CHEN Bao, ZHANG Huixin, CHEN Ping
(Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,
Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Using swelling-permeameter suitable to hyper-alkaline infiltration, an experimental study was carried out on compacted Gaomiaozi (GMZ) bentonite with different initial dry densities, where the NaOH solution was used to simulate hyper-alkaline pore water. The results show that the swelling pressure curves show a two-peak shape; with the same initial dry density, the swelling pressure of samples decreases with the concentration of the solution, while the permeability increases; with the same concentration of NaOH solution, the swelling potential of samples increases with the dry densities, while the permeability decreases; therefore, the high expansion and low permeability of densely compacted GMZ bentonite will be reduced after having been submitted to long-term infiltration of hyper-alkaline pore water.
Key words: bentonite; swelling pressure; permeability; hyper-alkaline; dry density
因膨润土具有高膨胀性和低渗透性，所以被许多国家选为核废物处置库的缓冲回填材料。处置库的设计使用年限在千年以上，因此在膨润土使用期间其性能的长期稳定性非常重要。然而，由于处置库的建设中将使用大量的混凝土，混凝土中主要成分水泥经过漫长的时间会衰退分解产生pH很高(pH＞12)的碱性物质，将随地下水的迁移扩散到与之接触的膨润土人工屏障中，并与膨润土发生复杂物理化学反应，有可能影响膨润土的膨胀性和渗透性[1-5]。因此，研究碱性溶液对膨润土膨胀性和渗透性的影响对于核废物处置库长期运营的安全性至关重要。Fernández等[6-8]用碱溶液模拟碱性孔隙水，进行不同条件下的膨润土渗透试验。经研究发现：在碱溶液的入渗作用下，膨润土试样的膨胀性和渗透性受到了较大程度的破坏，并且随着碱溶液浓度的升高土样的膨胀性下降越明显。Lehikoinen等[9-11]通过试验发现：水泥衰退产生的碱性溶解物会扩散到膨润土中，造成主要有效成分蒙脱石不断溶解，质量逐渐丢失，使得干密度不断减小、孔隙率不断增大，最终导致膨润土的渗透性增大而膨胀性减小。目前，我国对碱性环境中膨润土的缓冲性能研究尚较少，尤其是针对拟作为我国核废物地质处置库缓冲/回填材料的高庙子(GMZ)钠基膨润土的相关研究还几乎没有。为了研究碱性溶液入渗对GMZ膨润土膨胀性和渗透性的影响，本文作者针对GMZ膨润土，利用自主研发的适用于碱溶液入渗的膨胀渗透仪，对GMZ膨润土试样开展膨胀、渗透试验，据以研究碱溶液长期入渗对高压实GMZ膨润土缓冲性能的影响。
1 试验
1.1 试样制备
试验所用的GMZ膨润土为取自我国内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床的钠基膨润土，具有较强的阳离子交换能力、强吸附能力、良好的分散性和水化能力，其基本物理化学性质见表1。
表1 GMZ膨润土的基本物理化学性质[12]
Table 1 Basic physico-chemical properties of GMZ bentonite[12]
根据国外的实际工程经验，用于核废物地质处置库建设的膨润土，干密度为1.65~1.75 g/cm3，为了便于今后能与其他膨润土材料开展对比研究，本文选用初始干密度为1.50，1.60和1.70 g/cm3的试样为研究对象。
将GMZ膨润土粉末倒入特制的不锈钢模具中，用CSS-44300型300 kN微机控制电子万能试验机，以垂向压实速率为0.1 mm/min的速度压缩制备试样，尽量使试样得到均匀压缩。压制成型的试样为圆饼形，直径为5 cm，高度为1 cm，初始干密度分别为1.70，1.60和1.50 g/cm3。试样压制完成后，静置24 h，以减小其回弹量。
1.2 试验仪器
本文采用适用于碱性溶液入渗的膨胀渗透仪开展试验，用GDS(Geotechnical Digital System)液压控制器提供入渗溶液压力，但由于GDS控制器不能储存碱性溶液，为此设计了中间转换装置，该装置材料为有机玻璃，中间过渡介质选用既不溶于水也不与碱发生反应的硅油，可以起到隔离水和碱溶液的作用。试验过程中，用GDS水压控制器逐级施加水压至1 MPa，用无纸记录仪实时记录膨胀力变化，用GDS记录溶液流量的变化。
整套装置示意图如图1所示。
图1 适用于碱性溶液入渗的膨胀-渗透仪示意图
Fig.1 Sketch map of swelling-permeameter suitable to hyper-alkaline infiltration
整个试验装置中最主要的部件为多功能膨胀-渗透仪(见图2)，由底座、试样套环、透水石、密封垫圈、不锈钢活塞、压力传感器以及上部钢套筒等组成。经水压试验检验，该膨胀-渗透仪的整个系统能在1.5 MPa水压下保持正常工作。
图2 多功能膨胀-渗透仪示意图
Fig.2 Sketch map of multifuctional swelling-permeameter
1.3 试样方案
因GMZ钠基膨润土和我国核废物处置库预选址地下水的阳离子主要为钠离子[13]，在一定时间期限内，渗入膨润土缓冲层的阳离子以钠离子为主，故本文选用NaOH溶液模拟高碱性孔隙水，分别选用浓度为0.1，0.3和0.6 mol/L的溶液，对不同初始干密度试样分别开展渗透试验，并设置经蒸馏水入渗试样为参照。试样编号及其对应溶液的pH见表2。
表2 试样编号和溶液的pH
Table 2 Sample number and pH of solution used in tests
将制备好的试样装入多功能膨胀-渗透仪，依次将水碱转换器、GDS水压控制器接入多功能膨胀-渗透仪，如图1所示。首先打开底部的2个阀门，将溶液从一端注入，排出底座水槽中的气泡，待底座充满液体后关闭底座排水阀门；然后，用GDS水压控制器逐级施加水压至1 MPa，压力通过水碱转换器推动碱溶液，并使指碱溶液从多功能膨胀-渗透仪底座的进水口进入膨润土样，因土样体积膨胀变形受到限制，膨润土样在溶液入渗的情况下将产生膨胀力。在试验过程中，同步记录膨胀力和水体积的变化。每施加一级水压，水体积会快速增加，待变化速率趋于平稳时，可认为试样完全饱和且达到渗透稳定，此时对应的膨胀力为试样在此条件下的最终膨胀力，通过GDS流量变化计算得到的渗透系数即为试样在相应条件下的饱和渗透系数。
2 试验结果与讨论
2.1 碱溶液入渗对膨润土膨胀性的影响
各试样的膨胀力随时间变化曲线如图3~5所示。GMZ膨润土经溶液入渗会产生膨胀力，在不同溶液浓度条件下，各试样的膨胀力均随着时间呈现出双峰增长形态；在试验初期膨胀力迅速增大，达到第一个峰值后，膨胀力出现微小回落，一般在10~15 h时间点降到峰谷；随后再次逐渐增大，但增长速率明显小于第一阶段增长速率，最终趋于稳定。
尽管每个试样膨胀力增长时的双峰型态有所差别，但所有试样的膨胀力变化基本相同，符合双峰变化趋势，并且相同初始干密度试样对比，均是在蒸馏水入渗作用下的膨胀力最大，在0.6 mol/L碱溶液入渗作用下膨胀力最小。
图3 干密度为1.70 g/cm3试样膨胀力随时间变化曲线
Fig.3 Curves of swelling pressure vs time for samples with dry density of 1.70 g/cm3
图4 干密度为1.60 g/cm3试样膨胀力随时间变化曲线
Fig.4 Curves of swelling pressure vs time for samples with dry density of 1.60 g/cm3
图5 干密度为1.50 g/cm3试样膨胀力随时间变化曲线
Fig.5 Curves of swelling pressure vs time for samples with dry density of 1.50 g/cm3
膨润土的膨胀性主要源于矿物成分蒙脱石。经碱溶液入渗作用的试样，选择干密度为1.70 g/cm3的1号~4号试样进行X线衍射(XRD)试验，分析GMZ膨润土的主要有效成分蒙脱石含量的变化，如图6和图7所示。蒙脱石的衍射强度峰值随着碱溶液浓度的增大而降低，这说明膨润土中的主要有效成分蒙脱石与碱溶液发生反应，不断溶解，最终导致膨润土试样膨胀性的降低[9-11]。
由此可见：碱溶液的入渗会造成膨润土中蒙脱石的溶解，进而破坏膨润土的膨胀性；碱溶液的浓度越大，膨润土的膨胀性降低程度越大。
对比不同初始干密度试样，在相同碱溶液浓度入渗作用下，当碱溶液浓度从0(蒸馏水)增大到0.6 mol/L时，1.70 g/cm3膨润土的最终膨胀力从4.43MPa下降到3.10 MPa；1.60 g/cm3膨润土的最终膨胀力从3.30 MPa下降到1.59 MPa；1.50 g/cm3膨润土的最终膨胀力从2.02 MPa下降到1.18 MPa。不同初始干密度试样最终膨胀力随溶液浓度变化曲线如图8所示。对于不同初始干密度试样，GMZ膨润土的最终膨胀力均随着碱溶液浓度的增大而减小。因此，干密度一定时，碱溶液浓度是膨润土膨胀性变化的主要影响因素。
图6 不同试样的XRD谱
Fig.6 XRD patterns of different samples
图7 试样中蒙脱石的XRD谱
Fig.7 XRD patterns of smectite composition of samples
图8 最终膨胀力随溶液浓度变化曲线
Fig.8 Curves of final swelling pressure vs solution concentration
2.2 碱溶液入渗对膨润土渗透性的影响
用GDS控制器逐渐施加水压力至1 MPa，逐级加压过程一般在48 h内完成。受进水压力变化的影响，试验初期的流量变化紊乱，此后单位时间内流经试样的溶液体积随着时间逐步减小，一般在100 h后逐渐趋于稳定，此时可认为试样已饱和且达到渗流稳定。
渗流稳定后，相同初始干密度试样的单位时间流量随着碱溶液浓度的增大而增大；在不同浓度碱溶液作用下，各试样单位流量随时间变化的曲线如图9~11所示。
图9 干密度为1.70 g/cm3试样的流速曲线
Fig.9 Flow velocity of samples with dry density of 1.70 g/cm3
图10 干密度为1.60 g/cm3试样的流速曲线
Fig.10 Flow velocity of samples with dry density of 1.60 g/cm3
图11 干密度为1.50 g/cm3试样的流速曲线
Fig.11 Flow velocity of samples with dry density of 1.50 g/cm3
根据达西定律，结合图9~11中所示的渗透流速的试验结果，分别计算得到各试样的渗透系数，计算结果见表3。
由图9~11和表3可知：试样的渗透系数变化规律和试样单位时间流量变化规律一致。由此可见：相同初始干密度试样，其渗透性随着碱溶液浓度的增大而增大，并且碱溶液的浓度越大，渗透性增大的程度越大。因此，碱溶液的入渗会破坏膨润土的渗透性；干密度一定时，碱溶液的浓度是膨润土渗透性变化的主要影响因素。根据Villiar[7]的报道，碱溶液的入渗作用，使试样颗粒间流通管道的总体尺寸增大，从而导致试样中溶液流通量增大，渗透性变大。
表3 碱溶液在膨润土中的渗透系数
Table 3 Permeabilities of alkaline in GMZ bentonite
3 结论
(1) 在碱性溶液的入渗作用下，具有相同初始干密度的GMZ膨润土的膨胀性降低。干密度为1.70 g/cm3的试样的最终膨胀力从4.43 MPa降低到3.10 MPa；干密度为1.60 g/cm3的试样的最终膨胀力从3.30 MPa降低到1.59 MPa；干密度为1.50 g/cm3的试样的最终膨胀力从2.02 MPa降低到1.18 MPa。
(2) 膨润土的膨胀性主要源于矿物成分蒙脱石。在碱性溶液的入渗作用下，膨润土的主要有效成分蒙脱石会与碱溶液发生反应，不断溶解，最终降低了膨润土的膨胀性。
(3) 在碱性溶液的入渗作用下，具有相同初始干密度的GMZ膨润土的渗透性增大。干密度为1.70 g/cm3试样的渗透系数从2.23×10-13 m/s，增大到4.90×10-13 m/s；干密度为1.60 g/cm3试样的渗透系数则从5.69×10-13 m/s，增大到8.76×10-13 m/s；干密度为1.50 g/cm3的试样的渗透系数则从1.101×10-12 m/s，增大到1.533×10-12 m/s。
(4) GMZ膨润土膨胀性和渗透性的变化程度受碱性溶液浓度的影响。相同初始干密度试样，碱溶液浓度越大，其膨胀力的双峰变化形态越不明显，膨胀力和渗透系数的变化程度越大。
参考文献：
[1] Glasser F P, McCulloch C. Characterization of radioactive waste forms[R]. Luxembourg: Commission of the European Communities, 1988: 107-125.
[2] Anderson K, Allard B, Bengtsson M, et al. Chemical composition of cement pore solutions[J]. Cement and Concrete Research, 1989, 19(3): 327-332.
[3] Berner U R. Evolution of pore water chemistry during degradation of cement in a radioactive waste repository environment[J]. Waste Management, 1992, 12(2/3): 201-219.
[4] Savage D, Walker C, Arthur R. Alteration of bentonite by hyperalkaline fluids: A review of the role of secondary minerals[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2007, 32(1/2/3/4/5/6/7): 287-297.
[5] Deneele D, Cuisinier O, Hallaire V, et al. Micostructural evolution and physic-chemical behavior of compacted clayey soil submitted to an alkaline PLUME[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2010, 2(2): 169-177.
[6] Fernández R, Cuevas J, Sa′nchez L. Reactivity of the cement–bentonite interface with alkaline solutions using transport cells[J]. Applied Geochemistry, 2006, 21: 977-992.
[7] Villar M V. Infiltration tests on a granite/bentonite mixture: Influence of water salinity[J]. Applied Clay Science, 2006, 31(1/2): 96-109.
[8] Karnland O, Olsson S, Nilsson U. Experimentally determined swelling pressures and geochemical interactions of compacted Wyoming bentonite with highly alkaline solutions[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2007, 32(1/2/3/4/5/6/7): 275-286.
[9] Lehikoinen J, Carlsson T, Muurinen A, et al. Evaluation of factors affecting diffusion in compacted bentonite[C]// Murphy W M, Knecht K A. Scientific Basis for Nuclear Waste Management XIX. Pittsburgh: Materials Research Society Symp Proc, 1996: 675-682.
[10] Nakayama S, Sakamoto Y, Yamaguchi T. Dissolution of montmorillonite in compacted bentonite by highly alkaline aqueous solutions and diffusivity of hydroxide ions[J]. Applied Clay Science, 2004, 27(1/2): 53-65.
[11] Yamaguchi T, Sakamoto Y, Akai M. Experimental and modeling study on long-term alteration of compacted bentonite with alkaline groundwater[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2007, 32(1/2/3/4/5/6/7): 298-310.
[12] 温志坚. 中国高放废物处置库缓冲材料物理性能[J]. 岩石力学工程学报, 2006, 25(4): 794-800.
WEN Zhijian. Physical property of China’s buffer material for high-level radioactive repositories[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(4): 794-800.
[13] 郭永海, 王驹, 吕川河, 等. 高放废物处置库甘肃北山野马泉预选区地下水化学特征及水-岩作用模拟[J]. 地学前缘, 2005, 12(增刊): 117-123.
GUO Yonghai, WANG Ju, L
Chuanhe, et al. Chemical characteristics of groundwater and water-rock interaction: Modeling of Yemaquan preselected area for China’s high level radioactive waste repository[J]. Earth Science Frontiers, 2005, 12 (Suppl): 117-123.
(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-02-19；修回日期：2012-04-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(40802069)
通信作者：陈宝(1973-)，男，上海人，副教授，博士生导师，从事地下工程及岩土力学研究；电话：021-65982252；E-mail：chenbao@tongji.edu.cn
摘要：利用适用于碱性溶液入渗的膨胀渗透仪，对不同初始干密度的高压实高庙子(GMZ)膨润土进行膨胀、渗透试验，试验中用NaOH溶液模拟碱性孔隙水。试验结果表明：在碱溶液入渗作用下，各试样的膨胀力均呈现双峰变化形态；相同初始干密度试样的膨胀力随入渗碱溶液浓度的增大而减小，渗透系数则随着溶液浓度的增大而增大；碱溶液浓度相同时，试样的膨胀力随初始干密度的增大而增大，渗透系数随干密度的增大而减小；碱性孔隙水的长期入渗会减小高压实GMZ膨润土的膨胀性、提高其渗透性，最终降低膨润土的缓冲性能。
