粉末粒径对压实高庙子膨润土持水特征的影响
高庙子（GMZ）膨润土是我国拟建高放废物深地质处置库首选的缓冲/回填材料，随着核技术广泛应用和核电工业快速发展，预计膨润土作为缓冲/回填材料将被大量使用[1] 。为满足处置库工程要求，亟待寻找更为简便的膨润土土块的制作工艺。
就同一种膨润土而言，粉末粒径的大小不仅可能影响膨润土作为高放废物地质处置库缓冲/回填材料的工程屏障性能，而且还影响其制作工艺及加工成本。一般来说，膨润土粉末粒径越小，其制作工艺就越复杂，加工成本也越高。为简化膨润土材料的制备工艺、提高产量及节省加工成本，有必要寻求一种既能满足高放废物地质处置要求、又具有较合理性价比的膨润土材料。
土壤当中吸力和含水率之间的关系，常用持水特征描述，有时也被称为土水特征。持水特征是高庙子膨润土工程性质的一项重要参数，膨润土的渗透系数、变形特性和抗剪强度有直接影响[2]。近年来，很多学者对膨润土的持水特征进行了室内试验研究[3-8]。总的看来，根据持水特征曲线可以预测土的渗透和强度，在持水特征曲线的确定过程中也可以用来分析土的体积与微结构变化，并可以通过持水特征曲线结合土的渗透试验推算其渗透系数，因而其研究意义和重要性越来越受到学术界的重视。然而，有关分析比较不同粉末粒径对压实膨润土持水特征影响的研究还寥寥无几，因此很有必要在此方面开展深入研究。
目前，膨润土粉末的粒度分析方法一般有筛分法、淘析法和激光衍射法等三种。筛分法使用的设备是标准筛，它只能测量特定点上的筛余量，不能给出连续的粒度分布曲线[9]。淘析法虽然能测得详细的粒度分布，但膨润土的主要成分蒙脱石具有在水中水化、膨胀的现象，且形成胶凝状团聚，使得其测试结果粒度偏大、甚至错误[10]。激光衍射法是一种间接测量的方法，无法从信号上区分颗粒的投影宽度和投影长度，测试所得的颗粒的粒径相当于相同衍射角的球体直径，它是颗粒截面积的函数[11]。Jonasz[12]指出, 相同体积非球形颗粒的截面积大于球形颗粒的截面积。因此, 对于不规则颗粒可能存在分析结果比实际偏大的情况。
动态数字成像技术是近年来开发出来的测试粉体粒度分布的新技术，它具操作简单、测量时间短、并能在粉末干燥条件下对易团聚的颗粒进行很好的分散，在粉体加工和测试行业已经得到广泛应用[13-15]。
本文拟针对两种不同粉末粒径的高庙子膨润土，采用动态数字成像技术对膨润土颗粒分布情况进行测试；并基于非饱和土力学理论，对膨润土在恒体积条件下的持水特征进行研究，为高庙子膨润土作为我国高放废物地质处置中缓冲/回填材料的选型和制备技术提供有益的参考。
试验材料
试验研究对象为在内蒙古高庙子膨润土矿床取得的钠基膨润土原状样品，在天然晾晒场自然风干后，经充分混合并研磨粉碎为200目的GMZ001样品和80目的GMZ06样品，其主要矿物成分为：蒙脱石、方英石、石英、长石，对应的质量含量约为：74%、9.0%、8.9%、5.8%[16]。其他参数为：比重2.66，碱性系数1.14，pH值8.68~9.86，液276%，塑限37%[17]。
粒度粒形分析测试
粒度分析仪
本文采用动态数字成像技术测试高庙子膨润土的粒度分布，使用的设备是Camsizer XT粒度分析仪（Retsch Technology，德国），该设备是一款干湿两用的粒径粒形分析仪，拥有两个高分辨率 CCD 摄像机，可实时捕捉测试腔内的样品，聚焦镜头（Z-CCD）主要分析小颗粒，基准镜头（B-CCD）主要分析大颗粒，能测量从1 
m到3mm的颗粒整体分布和形态信息[18, 19]。
2.2 动态数字成像技术
本次试验采用的动态数字成像技术原理示意图见图1，采用X-Jet模块测量，该模块采用压缩空气分散进样，利用压缩空气的剪切作用把颗粒分散，避免了用水做分散剂时膨润土与水接触后的体积膨胀。由于颗粒间的静电效应和范德华力使小颗粒更容易团聚，因此对GMZ001和GMZ06分别采用80kPa和40kPa的分散气压，分散后的颗粒通过带有脉冲LED的光源通道，颗粒的投影被数字镜头捕捉。zui后通过Camsizer XT自带的分析软件得到粒度分布和颗粒粒形的信息。
图 1 Camsizer XT粒度分析仪工作原理示意图[13]
粒度粒形试验结果与分析
表1为GMZ001和GMZ06高庙子膨润土的粒径特征参数，图2 ~图4分别为两种膨润土的粒径分布曲线、各粒径段质量百分含量分布图和颗粒宽长比分布图。由表1和图2可见，在颗粒分布方面（图2），GMZ001的粒度分布曲线范围更窄，表明有更多的细颗粒。在各粒径段质量百分含量方面（图3），GMZ001膨润土里粒径60μm以下的颗粒含量高于GMZ06，而粒径60μm以上的颗粒含量则低于GMZ06，当粒径大于140μm时，两种膨润土的大颗粒含量都很少，说明GMZ001膨润土的颗粒更细，GMZ06膨润土则含有更多的大颗粒。在粒形方面（图4），两种膨润土试样的宽长比集中在0.7-0.9之间，属于不规则的非球形颗粒。累计含量为50%时的宽长比GMZ001为0.776，GMZ06为0.783；累计含量为90%时的宽长比GMZ001为0.842，GMZ06为0.837，两者差异很小，说明研磨加工对这两种GMZ膨润土的粒形影响不大。
表 1 高庙子膨润土的粒径特征参数
材料 | 参数 | 粒径 |
GMZ001 | D10, um | 9.24 |
D50, um | 31.24 | |
D90, um | 69.05 | |
GMZ06 | D10, um | 10.63 |
D50, um | 37.74 | |
D90, um | 112.88 |
试验采用动态数字成像技术快速准确地对同一产地的两种GMZ膨润土试样的粒度、粒形进行了分析，不仅能定量地测得GMZ001膨润土的粒径小于GMZ06膨润土，而且还直观地显示了各粒径段具体的差异，对从微观角度全面了解膨润土粉末材料的颗粒组成性质提供了有益参考，这是传统筛分法、激光衍射法都无法做到的。
图 2 高庙子膨润土的粒径分布曲线
图 3 高庙子膨润土各粒径段质量百分含量分布图
图 4 高庙子膨润土颗粒宽长比分布图
持水特征试验
试样制备
使用微机控制电子压力机将膨润土粉末压密至干密度为1.30g/cm3 的直径20 mm、厚6 mm的圆饼形试样，因受粉末粒径的影响，GMZ001和GMZ06膨润土的初始含水率分别为7.69%和9.72%。设置压力机以0.1mm/min的速度将试样压制到目标高度，以使土样得到均匀压缩，然后保持1h以减少试样的回弹。压实完成后将土样装入恒体积环（图5）中，试样环的作用是维持膨润土试样在吸力变化过程中不会因吸湿而发生体积膨胀变形。
图5 装入恒体积试样环的膨润土试样
3.2 吸力控制方法
对于持水特征的试验研究，因吸力控制范围很大（0~300MPa）,仅使用某一种方法无法实现，所以本文采用两种吸力控制方法，对于高吸力段（>2MPa）为气相法，低吸力段（<2MPa）为渗析法。
3.2.1 气相法
高吸力段的吸力控制采用气相法，其基本原理是在干燥器中放置饱和盐溶液，在盐溶液提供的渗透吸力的作用下，容器内相对湿度（吸力）将逐渐达到平衡，然后将试样放入该容器中静置一段时间，试样中的吸力将与容器内空气的吸力达到平衡。本文试验采用的盐溶液及其对应的吸力值见表2。该方法所需的平衡时间很长，平衡时间一般为20天左右。
图 5 气相法控制吸力示意图
本次试验采用干燥皿为容器，按表2配置饱和盐溶液，干燥皿中间置放开孔隔板用于支撑装有膨润土的试样环，皿盖抹上凡士林，使其到达密封的效果。然后把干燥皿放置在由空调控制的恒温室内，进行水汽平衡，如图5所示，并定期对试样称重，直到质量恒定为止。试样吸力达到平衡以后，将试样移入安装有下一组吸力较低的饱和盐溶液的干燥皿中，循环上述步骤，共得到七组吸力平衡后的试样含水率。
表 2 饱和盐溶液及与其对应的蒸汽吸力
饱和盐溶液 | 吸力（MPa） |
K2SO4 KNO3 KCl NaCl Mg(NO3)2 Mg(Cl)2 LiCl | 4.2 9.0 21 38 82 150 309 |
3.2.2 渗析法
渗析法zui初在在生物学里被用来进行血液净化，这种方法需同时使用半透膜和聚乙二醇水溶液。聚乙二醇（PEG）的分子很大，由碳氢（C2H4）链组成。其摩尔质量可从1000到20000。鉴于半透膜的孔小而聚乙二醇的分子很大，只有溶液中的水分子可穿过半透膜。当土样被置在半透膜上，膜的另一面是聚乙二醇溶液时，渗透吸力就会作用在土上，PEG溶液的浓度越高，吸力就越大。
本文试验用手持折射计测定PEG溶液浓度，手持折射计可以读出被测溶液的Brix指数。Brix指数 与吸力s（MPa）之间的关系式为[20]：
根据 Brix指数与吸力s的关系为可以算得Brix指数，之后以Brix指数为参照调整PEG溶液的浓度。
本次试验所用的低吸力段的吸力控制点见表3。首先根据吸力算得Brix指数调配吸力为1MPa的PEG溶液，将装好半透膜的试样放入装PEG溶液的烧杯中，烧杯表面用聚乙烯薄膜盖住，周围用脱脂带密封，如图6所示。半透膜的安装方法为：事先将半透膜放入水中浸泡半小时左右，消除半透膜保护层对试验的影响，在试样环盖拧上螺丝之前在试样两侧放上半透膜，使试样通过试样环盖中的小孔和半透膜与外界的PEG溶液进行吸力平衡。在渗透吸力的作用下，膨润土与溶液将发生水的交换。如果土中吸力大于溶液所加吸力，水从溶液向土中渗入；相反如果土中吸力低于所加吸力，水从土中向溶液外渗。为了使交换水份不影响溶液的浓度，须保证溶液浓度维持不变。待十天左右试样吸力平衡后，将试样取出，称重，记录，并用折射计测出土样平衡后的PEG溶液浓度，从而可以得出试样的zui终吸力值。然后，拆解试样环，重新在试土样两侧装入新半透膜，安装好后再放入吸力为0.1MPa的PEG溶液中平衡，重复前述操作。zui后，再在吸力为0.01MPa的PEG溶液中重复试验。
图 6 渗析法控制吸力示意图
表 3 PEG含量与其对应的吸力
Brix指数 | 吸力（MPa） |
20.8 7.8 2.6 | 1 0.1 0.01 |
3.3 持水特征曲线与分析
试验完成后，可以得到GMZ001与GMZ06膨润土在恒体积条件下吸力与含水率之间一一对应的关系，即持水特征曲线，如图7所示。由图7可知，在高吸力段（4.2MPa~309MPa），粉末粒径对压实高庙子膨润土的持水特征影响很小；而在低吸力段（0.01MPa-1MPa），与高吸力段相比两种膨润土的含水率出现较为明显的升高，但随后随吸力的降低而增大的量很小。
图 7 高庙子膨润土的持水特征曲线
比较GMZ001与GMZ06两种膨润土的持水特征曲线，可以发现，粉末粒径对高庙子膨润土的平衡含水率有较大的影响，粉末粒径小的土样（GMZ001），其平衡含水率明显高于粉末粒径大的土样（GMZ06）。究其原因，是由于当吸力较高时，含水率相对较小，膨润土水化现象不明显，随着吸力的降低，水只是进入了集合体间的孔隙中，未能完全充满压实土样的集合体间的孔隙，所以它们之间的含水率相差不大；而当吸力较低时，对于GMZ001膨润土土，其粉末粒径小，颗粒大小相对均匀一些，颗粒间的孔隙大小也相对均匀，膨润土颗粒水化也更为充分，因而在颗粒间孔隙出现瓶颈效应的现象就比较小，所以在低吸力段粉末粒径较小的膨润土其含水率就相对较高。
