工程師論文7

1、石英砂摻量對混合型緩沖回填材料抗剪強(qiáng)度的控制機(jī)理研究石英砂摻量對混合型緩沖回填材料抗剪強(qiáng)度的控制機(jī)理研究1引言高放廢物深部地質(zhì)處置工程中，緩沖回填材料填充在廢物容器與地質(zhì)體之間，阻截放射性核素向周圍環(huán)境的遷移。理想的緩沖回填材料不僅需要良好的防滲性能、化學(xué)吸附性能、熱傳導(dǎo)性能、可施工性能，還必須具有足夠的強(qiáng)度。膨潤土是緩沖回填材料的首選材料[14].向膨潤土中添加一定比例的石英砂，形成膨潤土砂混合物（即所謂的混合型緩沖回填材料），可以在

2、不顯著降低膨潤土主料的防滲性能、吸附性能和膨脹自愈性能的前提下，明顯提高熱傳導(dǎo)性能及力學(xué)強(qiáng)度。對于石英砂的添加量，不同國家和地區(qū)根據(jù)膨潤土和石英砂性質(zhì)得到了各自的添加比例[5].關(guān)于膨潤土與其它土質(zhì)材料形成的混合物的抗剪強(qiáng)度，國內(nèi)外已經(jīng)取得了一定的研究成果。GaryX.Tang等人[6]研究了非飽和膨潤土砂混合物在一系列應(yīng)力條件下的吸力和強(qiáng)度特性。M.K.Gueddouda[7]等人以垃圾填埋場襯里為原型，研究了膨潤土砂混合物的抗剪強(qiáng)度

3、和滲透系數(shù)特性。L.H.Mollins[8]等人研究了膨潤土改性砂土的固結(jié)排水剪切強(qiáng)度。B.E.Lingnau[9]等人研究了溫度對膨潤土砂混合物的抗剪強(qiáng)度和壓縮性能的影響。國內(nèi)學(xué)者對膨脹土的抗剪性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。例如，繆林昌[10]等人研究了膨脹土強(qiáng)度與含水量的關(guān)系，楊慶[11]等人研究了重塑非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度特性。譚羅榮[12]等人通過對不同干密度、不同初始含水量重塑膨脹土的直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干密度的增大會大幅度提高土的峰值強(qiáng)度，

4、特別是粘聚力的提高，龔壁衛(wèi)[13]也得出了相近的結(jié)論。應(yīng)當(dāng)看到，現(xiàn)有的試驗(yàn)研究中，試樣的干密度和含水率并沒有得到完全相同的控制，因此，從實(shí)測的抗剪強(qiáng)度不能區(qū)分出石英砂摻量對膨潤土砂混合物強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。因而，從這個(gè)意義上講，粗粒成分對混合物強(qiáng)度的控制機(jī)理并沒有得到闡明。本文選用高廟子膨潤土為主料，加入不同比例的石英砂，調(diào)整動力擊實(shí)次數(shù)，制成干密度和含水率相同的膨潤土砂混合物試樣，試驗(yàn)研究抗剪強(qiáng)度隨摻砂率變化的本質(zhì)，為我國混合型緩沖回填材料的

5、配比優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。2試驗(yàn)材料與方法2.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)所用高廟子膨潤土主料由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提供，簡稱GMZ001膨潤土產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣高廟子地區(qū)。石英砂骨料為人工加工的標(biāo)準(zhǔn)砂，產(chǎn)自我國石英砂巖六大儲藏地之一的甘肅永登縣獎(jiǎng)俊埠，由富隆石英砂廠出品[14].2.2試樣制備定義石英砂與膨潤土石英砂混合物的干重之比為摻砂率（sR）。將烘干膨潤土與石英砂按摻砂率為0%、10%、20%、30%、40%、和50%的比例混合后充分?jǐn)嚢?，根?jù)

6、含水量計(jì)算所需加水質(zhì)量，按噴霧法將蒸餾水噴入樣品均勻濕化，將土樣置于保濕器中密封潤濕60h備用。采用JDS2型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀，擊實(shí)筒內(nèi)徑102mm、容積947.4cm3、錘重2.5kg、落距305mm進(jìn)行擊實(shí)制樣備用。高廟子膨潤土石英砂擊實(shí)試驗(yàn)中，最大干密度隨摻砂率和壓實(shí)能的增大而提高。為了分析摻砂率對混合物抗剪強(qiáng)度的獨(dú)立影響，本研究參考文獻(xiàn)[14]的數(shù)據(jù)，調(diào)整錘擊次數(shù)，力求獲得含水率和干密度相同的平行試樣。表2是剪切試樣的初始狀態(tài)。從表2

7、可知，不同摻砂率試樣的干密度在1.45gcm3附近，已經(jīng)積累了大量的研究成果。這些成果對本研究粒徑相對較細(xì)膨潤土砂混合物的抗剪強(qiáng)度特性，具有重要參考價(jià)值。4.1界限摻砂率及其與膨潤土砂混合物抗剪強(qiáng)度的關(guān)系砂和粘土組成的混合土具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征：粗粒徑的砂形成骨架，只提供摩擦力，不提供粘聚力；細(xì)粒徑的粘土充填在砂?？紫吨校纬烧惩粱|(zhì)，主要提供粘聚力，摩擦力很小。兩種不同粒徑的顆粒混合時(shí)，細(xì)顆粒充填在粗顆粒孔隙之中。從邏輯上講，應(yīng)當(dāng)存在某

8、個(gè)界限組合，此時(shí)混合土的孔隙度為最小。砂與粘土混合壓實(shí)時(shí)孔隙模式的理想模式圖。當(dāng)混合土完全由砂組成時(shí)，砂顆粒直接接觸，顆粒之間為空氣孔隙，此時(shí)混合物的抗剪強(qiáng)度為砂顆粒的摩擦強(qiáng)度。當(dāng)粘土含量達(dá)到某一臨界值時(shí)，粘土全部充填在砂顆粒之間的大孔隙，砂顆粒處于準(zhǔn)接觸狀態(tài)，接觸點(diǎn)上存在局部粘土膜，該粘土膜得到強(qiáng)烈壓實(shí)，此時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度受到粘土和砂粒的共同控制。繼續(xù)增大粘土含量，粘土?xí)紦?jù)砂顆粒接觸點(diǎn)之間的空間，砂顆粒將彼此膨脹分離，處于懸浮狀

9、態(tài)。此時(shí)混合物的強(qiáng)度幾乎完全由粘土控制，砂顆粒間因?yàn)椴唤佑|，幾乎不提供摩擦力。已有的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，混合土臨界摻砂率不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)區(qū)間。Miller和Sowers[18]選用最優(yōu)含水率下最大干密度擊實(shí)樣通過固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)研究了摻砂率在0%到100%范圍內(nèi)變化時(shí)重塑粘土砂混合物抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨摻砂率的變化。研究結(jié)果表明，當(dāng)摻砂率小于67%時(shí)，隨摻砂率的增加，粘聚力有小幅度減小，內(nèi)摩擦角幾乎不變化；當(dāng)摻砂率在67%到74%范圍

10、內(nèi)時(shí)，粘聚力急劇減小而內(nèi)摩擦角急劇增大；當(dāng)摻砂率大于74%時(shí)，粘聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角緩慢增大但變化趨于平緩。從抗剪試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，Miller和Sowers認(rèn)為，隨摻砂率的增加，粘土砂混合物的抗剪強(qiáng)度存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)化區(qū)間，即sR=67%74%.在摻砂率小于67%、大于74%和介于二者之間時(shí)，抗剪強(qiáng)度的變化趨勢截然不同。Vallejo和Zhou[19]通過直剪試驗(yàn)研究了粘土砂混合物在150kPa垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度特性。研究結(jié)果表明，粘

11、土砂混合物抗剪強(qiáng)度轉(zhuǎn)化界限為sR=50%80%.并進(jìn)一步對三個(gè)區(qū)間的強(qiáng)度控制機(jī)理進(jìn)行了解釋。Vallejo認(rèn)為，當(dāng)摻砂率小于50%時(shí)，混合物的強(qiáng)度幾乎完全由粘土提供；當(dāng)摻砂率在50%到80%之間時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度部分由粘土提供，部分由砂提供；當(dāng)摻砂率大于80%時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度主要由砂顆粒的摩擦強(qiáng)度提供。Vallejo和Mawby[17]從兩種粒徑相互組合的角度計(jì)算混合土的孔隙度，又對粘土砂混合物抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為界限

12、摻砂率應(yīng)該修正為40%和75%.匯總了不同學(xué)者對粘土砂混合土抗剪強(qiáng)度研究的結(jié)果?？刂普惩辽盎旌贤量辜魪?qiáng)度的界限摻砂率區(qū)間平均值為s1R=56%和s2R=76%.當(dāng)摻砂率小于s1R時(shí)，混合物的強(qiáng)度幾乎完全由粘土的強(qiáng)度提供；當(dāng)摻砂率在s1R與s2R之間時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度部分由粘土提供，部分由砂的摩擦強(qiáng)度提供；當(dāng)摻砂率大于s2R時(shí)，混合物的抗剪強(qiáng)度主要由砂顆粒的摩擦強(qiáng)度提供。本研究的摻砂率變化范圍是0%50%從本研究尚不能揭示出界限摻砂率的

13、具體數(shù)值。但是，根據(jù)綜述結(jié)果可以認(rèn)為，高廟子膨潤土砂混合物在摻砂率sR=0%50%的情況下，抗剪強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)主要由充填在砂顆粒之間的膨潤土基質(zhì)的物理狀態(tài)決定。4.2膨潤土基質(zhì)物理狀態(tài)對膨潤土砂混合物抗剪強(qiáng)度的控制在膨潤土砂混合體系中，膨潤土具有強(qiáng)烈的吸水、持水能力，也具有明顯的變形能力。與此相反，石英砂顆粒幾乎為惰性。盡管用于抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的膨潤土砂混合物試塊具有非常相近的表觀干密度和含水率，但是，從顆粒尺度上講，隨著摻砂率的增加，充填在砂顆