不同尺度下水化过程中压实Ca/Mg膨润土的膨胀行为

本研究通过不同尺度实验（元素试验与柱状试验）系统考察了德国Ca/Mg膨润土（Calcigel）的水力-力学耦合行为，发现其膨胀压力呈现空间异质性，底部区域垂直应力增量显著（0.8-0.9 MPa），而顶部区域仅累积0.3 MPa应力。湿度与水含量监测显示，底部湿度在80天内达到饱和（96%），但水含量梯度在柱状试验中更为明显（底部28%、顶部17%）。密度分布验证了膨胀引起的孔隙重构，底部密度降低至1.46 g/cm3，顶部因压缩增至1.70 g/cm3。实验数据为工程屏障系统（EBS）设计提供了关键参数支撑。

　　
### 实验研究：Ca/Mg膨润土在柱状试验中的水力-力学耦合行为分析

#### 1. 研究背景与意义
膨润土因其低渗透性、优异的遇水膨胀特性和化学稳定性，被广泛用于核废料地质处置中的工程屏障系统（EBS）。然而，实际工程中材料内部的水分迁移、孔隙结构变化及应力分布的时空异质性，对工程安全性和长期性能评估具有重要影响。本研究通过实验室柱状试验与小型元件试验的对比，揭示了Ca/Mg膨润土在不同尺度下的水力-力学行为规律，为地下实验室的原位试验设计和工程模型验证提供了关键依据。

#### 2. 材料与方法
**试验材料**：德国巴伐利亚产Calcigel膨润土（Ca/Mg型），其矿物成分以二八型蒙脱石为主（占比61%），阳离子交换容量（CEC）为60 cmol(+)/kg，初始干密度为1.55 g/cm3，初始含水率约12%-15%，接近2W型膨胀状态。

**试验设计**：
- **柱状试验（30 cm高，15 cm直径）**：采用分层垂直压实工艺制备，每层压实压力约6 MPa。试验通过底部注水模拟地下处置中的单向饱和过程，持续370天。关键监测参数包括：
- **湿度与吸力**：通过时间域反射法（TDR）实时监测垂直与径向分布的含水率，结合湿度传感器和压力计推导吸力。
- **应力场**：在柱体顶部、底部及中间位置布置压力传感器，同步记录垂直与径向应力变化。
- **温度控制**：维持实验室恒温20°C，避免热应力干扰。
- **元件试验（5 cm直径，2 cm高）**：在恒容条件下进行膨胀压力测试和水分保持曲线（SWRC）测定，作为柱状试验的基准数据。

**数据校正**：
- TDR传感器需通过四步标定（不同温度、湿度下的标准介质校准）消除测量误差，最终通过烘干法验证含水率数据的准确性。
- 干密度梯度修正：试验后对柱状样本进行分层采样，发现底部干密度降低约5%（因孔隙水填充），顶部因应力转移增加约4%，以支持后续的水力梯度计算。

#### 3. 主要发现
**3.1 湿度与水分迁移的时空异质性**
- **湿度分布**：底部传感器最快达到饱和（95% RH在80天内），中间层滞后约10天，顶层持续吸湿至370天结束仍仅达84% RH。湿度梯度与水分迁移方向一致，表明水从底部向顶部渗透。
- **含水率变化**：底部含水率从初始12%快速上升至28%，而顶部仅从15%增至17%。TDR测量的含水率与烘干法验证误差小于3%，证明设备可靠性。
- **吸力梯度**：底部吸力降至6 MPa，中间层8 MPa，顶层24 MPa。计算水力梯度（i=Δh/Δl）显示底部为12.6，中间4.4，顶层2.8，表明水分迁移速度在顶部显著减缓。

**3.2 干密度与孔隙结构演化**
- **干密度分布**：底部因膨胀导致干密度从1.55 g/cm3降至1.46 g/cm3，中间层因压缩增至1.70 g/cm3，顶层达1.72 g/cm3。密度梯度在15 cm高度处转折，可能与水分迁移路径相关。
- **孔隙率变化**：底部孔隙率增加约8%（因膨胀形成微孔隙），中间层减少2%（因压缩闭合大孔隙），顶层无显著变化。通过CT扫描和图像分析验证了微观孔隙结构从层状分散向三维网状结构的转变。

**3.3 应力场的不均匀性**
- **垂直应力**：底部压力传感器记录到初始瞬时膨胀压力（6 MPa）后逐渐稳定，顶部传感器最终压力（0.9 MPa）低于底部（0.8 MPa）。这表明膨胀压力在柱体内部通过应力转移机制重新分布。
- **径向应力**：底部径向应力与垂直应力几乎同步增长（比值为1:1），而中间层（1:0.4）和顶层（1:0.3）显著降低。应力比（σ_h/σ_v）在底部接近1，中间层为0.4，顶层0.3，显示膨胀压力在垂直方向主导。

**3.4 与元件试验的对比分析**
- **膨胀压力**：柱状试验底部测得膨胀压力为3.8 MPa，与元件试验中相同干密度（1.55 g/cm3）的膨胀压力（3.9 MPa）高度吻合。但顶部未饱和状态（S_r=0.79）的膨胀压力仅为1.0 MPa，与元件试验中S_r=1的膨胀压力（3.8 MPa）存在显著差异。
- **水分保持曲线（SWRC）**：柱状试验的SWRC路径与元件试验在相同干密度下（1.55 g/cm3）的曲线斜率一致（ΔS_r/Δs=0.01 MPa?1），表明大尺度下材料的水分保持特性与小尺度一致。但顶部因干密度升高（1.72→1.72 g/cm3）导致SWRC向高饱和区偏移，与元件试验的压缩性趋势吻合。

#### 4. 关键机制解析
**4.1 水分迁移与相变主导的膨胀**
- **初始阶段（0-80天）**：底部因快速吸水导致孔隙水饱和，膨胀压力迅速上升（日增速约0.2 MPa），同时产生塑性变形（含水量提升率>5%/天）。
- **中期阶段（80-200天）**：湿度梯度消失后，水分以结合水形式向中间层迁移，干密度差异导致应力重新分布（中间层压缩释放的应力约占总应力的30%）。
- **后期阶段（200-370天）**：顶部因应力压缩（干密度增加4%）形成封闭孔隙系统，水分迁移速度降低至底部1/5，含水率增长速率下降至1%/天。

**4.2 应力场演化的物理机制**
- **应力传递模型**：底部膨胀产生的垂直应力通过颗粒间的剪切传递向上层扩散。实测应力比（σ_h/σ_v）从底部1.0逐渐减小至顶层0.3，表明颗粒间摩擦力（τ=σ_h×μ）随深度增加而降低。
- **孔隙结构调控**：微观孔隙结构（直径<2 μm的层状孔隙占比从初始的60%降至底部的40%）显著影响吸力传递效率。XRD分析显示蒙脱石层间距在饱和状态下从初始的2.2 nm扩展至3.5 nm。

#### 5. 工程应用启示
- **设计验证**：柱状试验证实元素试验中观察到的膨胀压力与干密度的指数关系（σ_v=1.2ρ_d-1.8）在宏观尺度同样成立，但需考虑初始湿度梯度的影响。
- **施工工艺优化**：分层压实应控制每层厚度≤10 cm，以避免大孔隙贯通导致的应力集中。底部建议采用超固结压力（>8 MPa）以抑制早期膨胀。
- **长期稳定性评估**：顶部长期未饱和状态（S_r<0.8）可能导致应力松弛速率降低，需在数值模型中引入湿度阈值（如S_r>0.9时触发二次膨胀）。

#### 6. 研究局限性及改进方向
- **尺度效应未完全量化**：柱状试验顶部未达到完全饱和（S_r=0.79），无法验证完全饱和状态下的应力比极限值（理论值约1.2，实测0.9）。
- **温度波动影响**：实验室温度波动（±2°C）导致吸力计算误差约5%，需开发自适应温控系统。
- **微观结构表征不足**：未采用同步辐射CT实时观测孔隙结构演变，建议后续结合原位表征技术。

#### 7. 结论
本研究首次通过全尺度柱状试验（30 cm高）揭示了Ca/Mg膨润土在恒容条件下的水力-力学耦合演化规律：
1. **湿度梯度主导迁移**：底部→顶部湿度梯度（ΔS_r=0.11）与干密度梯度（Δρ_d=0.26 g/cm3）形成负反馈，抑制了顶部膨胀压力的释放。
2. **应力场异质性**：垂直应力主导（σ_v>σ_h），但底部应力比（σ_h/σ_v=1.0）表明膨胀压力的各向同性特征，与元件试验一致。
3. **膨胀压力阈值效应**：当S_r>0.85时，膨胀压力增速降低50%，建议在EBS设计中设置湿度控制上限。

该成果为 sandwich型密封系统的优化设计提供了关键数据支撑，特别是在深部地下库的长期应力松弛预测中，需考虑材料密度梯度对水分迁移的抑制作用。