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度的控制機理研究石英砂摻量對混合型緩沖回填材料抗剪強度的控制機理研究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、化學吸附性能、熱傳導性能、可施工性能，還必須具有足夠的強度。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，明顯提高熱傳導性能及力學強度。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].關于膨潤土與其它土質(zhì)材料形成的混合物的抗剪強度，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力條件下的吸力和強度特性。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)排水剪切強度。B.E.Lingnau[9]等人研究了溫度對膨潤土砂混合物的抗剪強度和壓縮性能的影響。國內(nèi)學者對膨脹土的抗剪性質(zhì)進行了大量的研究。例如，繆林昌[10]等人研究了膨脹土強度與含水量的關系，楊慶[11]等人研究了重塑非飽和膨脹土抗剪強度特性。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，發(fā)現(xiàn)干密度的增大會大幅度提高土的峰值強度，

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。應當看到，現(xiàn)有的試驗研究中，試樣的干密度和含水率并沒有得到完全相同的控制，因此，從實測的抗剪強度不能區(qū)分出石英砂摻量對膨潤土砂混合物強度的貢獻。因而，從這個意義上講，粗粒成分對混合物強度的控制機理并沒有得到闡明。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，試驗研究抗剪強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)化設計提供基礎資料。2試驗材料與方法2.1試驗材料試驗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準砂，產(chǎn)自我國石英砂巖六大儲藏地之一的甘肅永登縣獎俊埠，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%的比例混合后充分攪拌，根據(jù)

6、含水量計算所需加水質(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型標準擊實儀，擊實筒內(nèi)徑102mm、容積947.4cm3、錘重2.5kg、落距305mm進行擊實制樣備用。高廟子膨潤土石英砂擊實試驗中，最大干密度隨摻砂率和壓實能的增大而提高。為了分析摻砂率對混合物抗剪強度的獨立影響，本研究參考文獻[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膨潤土砂混合物的抗剪強度特性，具有重要參考價值。4.1界限摻砂率及其與膨潤土砂混合物抗剪強度的關系砂和粘土組成的混合土具有獨特的結(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?；旌蠒r，細顆粒充填在粗顆粒孔隙之中。從邏輯上講，應當存在某

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

9、態(tài)。此時混合物的強度幾乎完全由粘土控制，砂顆粒間因為不接觸，幾乎不提供摩擦力。已有的抗剪強度試驗結(jié)果表明，混合土臨界摻砂率不是一個點，而是一個區(qū)間。Miller和Sowers[18]選用最優(yōu)含水率下最大干密度擊實樣通過固結(jié)不排水三軸試驗研究了摻砂率在0%到100%范圍內(nèi)變化時重塑粘土砂混合物抗剪強度指標隨摻砂率的變化。研究結(jié)果表明，當摻砂率小于67%時，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；當摻砂率在67%到74%范圍

10、內(nèi)時，粘聚力急劇減小而內(nèi)摩擦角急劇增大；當摻砂率大于74%時，粘聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角緩慢增大但變化趨于平緩。從抗剪試驗結(jié)果出發(fā)，Miller和Sowers認為，隨摻砂率的增加，粘土砂混合物的抗剪強度存在一個明顯的轉(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，抗剪強度的變化趨勢截然不同。Vallejo和Zhou[19]通過直剪試驗研究了粘土砂混合物在150kPa垂直壓力下的抗剪強度特性。研究結(jié)果表明，粘

11、土砂混合物抗剪強度轉(zhuǎn)化界限為sR=50%80%.并進一步對三個區(qū)間的強度控制機理進行了解釋。Vallejo認為，當摻砂率小于50%時，混合物的強度幾乎完全由粘土提供；當摻砂率在50%到80%之間時，混合物的抗剪強度部分由粘土提供，部分由砂提供；當摻砂率大于80%時，混合物的抗剪強度主要由砂顆粒的摩擦強度提供。Vallejo和Mawby[17]從兩種粒徑相互組合的角度計算混合土的孔隙度，又對粘土砂混合物抗剪強度試驗結(jié)果進行了分析，認為界限

12、摻砂率應該修正為40%和75%.匯總了不同學者對粘土砂混合土抗剪強度研究的結(jié)果。控制粘土砂混合土抗剪強度的界限摻砂率區(qū)間平均值為s1R=56%和s2R=76%.當摻砂率小于s1R時，混合物的強度幾乎完全由粘土的強度提供；當摻砂率在s1R與s2R之間時，混合物的抗剪強度部分由粘土提供，部分由砂的摩擦強度提供；當摻砂率大于s2R時，混合物的抗剪強度主要由砂顆粒的摩擦強度提供。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，抗剪強度應當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度的控制在膨潤土砂混合體系中，膨潤土具有強烈的吸水、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。盡管用于抗剪強度試驗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