颗粒膨润土在水力-力学路径下的粒径演化及其对工程屏障性能的影响

为解决放射性废物地质处置中工程屏障材料的水力-力学(HM)稳定性问题，研究人员系统研究了颗粒膨润土(GB)在湿化-加载路径下的粒径分布(PaSD)演化规律。通过结合筛分、压汞(MIP)和显微CT技术，揭示了GB颗粒的破碎-团聚机制及其对微观结构和宏观HM行为的影响，为优化屏障施工工艺和长期安全评估提供了理论依据。

　　

在放射性废物地质处置领域，颗粒膨润土(GB)作为工程屏障的关键材料，其水力-力学(HM)性能直接关系到长期安全性。传统研究多关注孔隙尺寸分布(PSD)的演化，而忽视了从微米级到毫米级跨尺度的粒径分布(PaSD)变化对材料性能的影响。实际工程中，GB的初始含水率和压实工艺会显著改变其微观结构，进而影响屏障的渗透性和稳定性。目前对GB在湿化-加载耦合路径下的粒径演化机制及其与宏观行为的关联仍缺乏系统认知，这限制了工程屏障从施工到服役全周期的性能预测能力。

为揭示这一科学问题，Hao Zeng等人在《Applied Clay Science》发表了关于MX80型GB粒径演化的创新研究。团队采用多尺度实验方法，结合筛分法、压汞孔隙测定法(MIP)和X射线显微CT技术，定量表征了不同湿化-加载路径下的PaSD变化。通过建立基于Hardin破碎因子(B_r)和BEST模型的粒径分析体系，系统研究了从松散状态(AP)到压实状态(AC)的转变过程，以及后续加载-饱和路径对微观结构的重塑机制。

材料与方法

研究选用瑞士放射性废物处置概念中采用的MX80型GB，其矿物组成以蒙脱石(85%)为主。通过控制初始含水率(w=7-26%)制备松散(AP)和压实(AC)样品，采用0.05-10 MPa应力范围的oedometer试验模拟不同HM路径。结合筛分法和基于MIP-CT的联合反演技术获取PaSD，引入β_r=0.014的粒径-孔径转换系数，并采用BEST模型拟合单峰粒径密度函数。

粒径演化规律

湿化过程中的粒径变化：在无应力湿化条件下，毫米级高密度颗粒发生解聚，而微米级细颗粒通过水合作用形成更大尺寸、更低密度的聚集体。AP-M样品在w=7-26%范围内，2 mm以上颗粒占比从35%降至5%，同时300 μm以下细颗粒因聚集作用减少40%。

压实过程中的破碎效应：当压实至目标干密度(ρ_d=1.55 Mg/m³)时，w=16%样品需要2.5 MPa压实应力，其B_r达0.57；而w=26%样品需要4.5 MPa应力，B_r降至0.49，表明高含水率下聚集体对颗粒的保护作用减弱了破碎程度。

微观结构特征

压实样品呈现典型的三重孔隙网络：颗粒间孔隙(>10 μm)、聚集体间孔隙(0.6-6 μm)和颗粒内孔隙(<0.5 μm)。随着w增加，颗粒与聚集体尺寸趋同导致前两类孔隙合并，如AC26样品的6 μm以上孔隙体积比AC16减少62%。

HM行为关联机制

在后续加载中，w=16%样品的压缩指数(λ=0.16)显著高于w=26%样品(λ=0.04)，这与干燥状态下颗粒更易破碎的特性一致。饱和过程中，0.2 MPa应力下样品因颗粒解聚产生膨胀(ε_s=18%)，而4 MPa应力下因颗粒破碎导致塌缩，10 MPa应力时聚集体粘接又主导了膨胀行为。

这项研究首次建立了GB粒径演化与HM性能的定量关系，揭示了含水率-压实应力-粒径分布的耦合作用机制。工程实践中，采用较低含水率(如w=12%)可避免现场压实，但需警惕颗粒离析导致的密度不均；而较高含水率(如w>16%)虽能改善均匀性，但需付出更高压实能耗的代价。该成果为放射性废物屏障的优化设计和长期安全评估提供了重要的理论依据和技术支撑。