堿金屬離子及堿溶液對膨潤土性能影響的研究進(jìn)展

葉為民， 鄭賑濟(jì)，陳 寶， 陳永貴

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.教育部城市環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合研究中心，上海 200092）

堿金屬離子及堿溶液對膨潤土性能影響的研究進(jìn)展

葉為民1，2， 鄭賑濟(jì)1，陳 寶1， 陳永貴1

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.教育部城市環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合研究中心，上海 200092）

基于前人有關(guān)膨潤土在堿性環(huán)境下的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究結(jié)果，重點(diǎn)闡述了堿金屬離子及堿溶液對膨潤土礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、膨脹性和滲透性等方面的影響，討論了溫度、pH值與溶液濃度等對上述過程的影響。堿金屬離子及堿性溶液不僅可交換膨潤土中蒙脫石層間陽離子，而且可溶解膨潤土中的蒙脫石，生成非膨脹性礦物，并隨著溫度和pH值升高，蒙脫石被溶解程度增加，從而導(dǎo)致了膨潤土膨脹力減小，且隨著溫度、溶液濃度及pH值的增加，膨脹力削弱程度加強(qiáng)；同時，膨潤土與堿金屬離子及堿溶液接觸時孔隙增多，進(jìn)而滲透性增強(qiáng)，隨著溫度和溶液濃度增加，滲透性也明顯增強(qiáng)。數(shù)值模擬可實(shí)現(xiàn)膨潤土與堿性溶液長期接觸時發(fā)生的礦物成分及滲透性變化的預(yù)測。高溫、不同pH值的低堿性溶液及其耦合作用對膨潤土的礦物化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、膨脹力和滲透性的影響及機(jī)理研究應(yīng)該是今后研究的重點(diǎn)。

堿金屬離子；堿溶液；膨潤土；礦物成分；膨脹力

自20世紀(jì)90年代中國的第一座核電站——秦山核電站投產(chǎn)以來，我國核電事業(yè)在十幾年間獲得了飛速發(fā)展。根據(jù)核工業(yè)部門的最新資料，2002年中國核電總裝機(jī)容量已達(dá)540萬kW，預(yù)計到2005年，中國核電發(fā)電量將占全國總發(fā)電量的3%左右。同世界上先進(jìn)的國家一樣，核電站的運(yùn)行在使我國東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)能源短缺的巨大壓力得到了有效緩解的同時，也產(chǎn)生了大量的核廢料。我國目前運(yùn)行的11個核電機(jī)組（截至收稿日期）每年約產(chǎn)生370 t乏燃料。根據(jù)2007年10月國務(wù)院批準(zhǔn)的《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005～2020年）》中的核電規(guī)模，我國大陸到2020年投入運(yùn)行的核電裝機(jī)容量將達(dá)到4 000萬kW，在建裝機(jī)容量1 800萬kW。以此為基礎(chǔ)計算，到2020年我國將累積約有10 300 t HM乏燃料?！逗穗娭虚L期發(fā)展規(guī)劃（2005～2020）》中于2020年之前建成的反應(yīng)堆，加上屆時在建的18座反應(yīng)堆，全壽命最終共將產(chǎn)生82 630 t乏燃料［1］。如何安全處置這些核廢物尤其是高放廢物（HLW）成為擺在人類面前的嚴(yán)峻問題。目前國際上主要傾向于采用深地質(zhì)處置的方法，即將高放廢物封存在距地表以下500～1 000 m深的合適巖體中的地下處置庫內(nèi)，通過人為設(shè)置多重屏障來阻止核素的泄漏與遷移，以實(shí)現(xiàn)對高放廢物的安全處置［2］。

深地質(zhì)處置庫建造與運(yùn)營過程中，一方面，處置庫圍巖中的地下水與處置庫屏障中的緩沖回填材料要發(fā)生相互作用，如堿金屬離子將與膨潤土中的礦物所吸附的陽離子進(jìn)行交換等，影響后者屏障性能的發(fā)揮。我國目前確定的高放廢物處置庫預(yù)選場地之一的甘肅省北山野馬泉預(yù)選區(qū)的地下水中富含K＋、Na＋、Ca2＋和 Mg2＋等堿金屬離子， pH 值為 7.1～8.8［3-7］。

另一方面，研究表明，在處置庫長期運(yùn)營中，處置庫建造時使用的水泥構(gòu)筑物將發(fā)生老化，釋放出Na＋、K＋和OH－，所產(chǎn)生堿性溶液pH值可高達(dá)13［8］，放射性核素衰變將釋放出大量的熱量，加快水泥老化，使水泥孔隙溶液的pH值更高［9］。當(dāng)高堿性溶液滲入到緩沖回填材料（膨潤土）時，將溶解膨潤土中的礦物質(zhì)，改變緩沖回填材料的性能［10-12］。

因此，國內(nèi)、外學(xué)者針對堿金屬離子溶液及堿溶液對膨潤土的礦物成分、微結(jié)構(gòu)、膨脹性和滲透性等方面的影響開展了大量的研究工作［13-29］。本文在上述研究工作的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了堿金屬離子溶液及堿溶液對膨潤土礦物成分、膨脹和滲透性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響，對其研究趨勢進(jìn)行了分析展望。

1 堿性溶液對膨潤土礦物成分的影響

處置庫長期運(yùn)營過程中，水泥老化產(chǎn)生高堿性孔隙溶液，pH值最高可達(dá)13.5［13］，與膨潤土接觸時溶解膨潤土的原有礦物并產(chǎn)生新的次生礦物，引起膨潤土自身化學(xué)成分發(fā)生改變，且這一過程受到pH值、溫度等外部因素的影響。

Ramírez［13］為了研究膨潤土與堿溶液接觸時礦物成分的變化，對膨潤土在溫度35、60、90℃下與堿性溶液（pH＝10～13.5）發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在整個試驗(yàn)過程中觀察到沸石結(jié)晶，且蒙脫石薄片中鎂的含量在增加，隨著反應(yīng)時間的延長，該變化不斷加??；隨著溫度的升高，沸石結(jié)晶及蒙脫石薄片中鎂含量的增加在加快；膨潤土在溶液pH值小于12.6的條件下是穩(wěn)定的，在溶液pH值大于12.6時，蒙脫石礦物開始溶解，發(fā)生質(zhì)變。

Sánchez［14］采用 X 射線衍射分析方法試驗(yàn)研究了FEBEX膨潤土分別放入裝有濃度為0.1 mol/L和 0.5 mol/L的 NaOH 溶液（pH＞12.9）的密閉儀器中，在溫度25、75、125、200℃下，進(jìn)行18個月反應(yīng)，獲得了不同濃度和溫度下蒙脫石減少量和次生礦物形成量（圖1），反應(yīng)后次生礦物包括沸石、水化硅酸鈣礦物和皂石等。結(jié)果表明，堿溶液濃度越大，溫度越高，蒙脫石量減少得越多，次生礦物生成量也越多。蒙脫石含量在0.1 mol/L NaOH、溫度25℃情況下減少2%，而在 0.5 mol/L NaOH、200℃情況下減少了25%。皂石含量在0.5 mol/L NaOH、75℃情況下增加約5%，而在0.5 mol/L NaOH、200℃情況下增加約25%。

圖1 溫度為540℃時，反應(yīng)后的膨潤土X衍射分析標(biāo)準(zhǔn)圖［14］Fig.1 Normalized XRD background pattern（random powder） of altered bentonites at 540℃（NaOH 0.5 mol/L）［14］

Fernández［15］研 究 了 60℃情 況 下 ， 堿 溶液（K—Na—OH 和 Ca（OH）2， pH＝8～8.5）對FEBEX-膨潤土擴(kuò)散性能的影響。結(jié)果顯示，在膨潤土與堿性溶液接觸面上，蒙脫石被溶解，氫氧鎂石產(chǎn)生。堿溶液中的K＋與蒙脫石晶層間陽離子交換，進(jìn)而在膨潤土中迅速擴(kuò)散。

Fernández［8］發(fā) 現(xiàn) 在 25、 60℃ 的 條 件 下，NaOH溶液會使La Serrata膨潤土中的蒙脫石礦物發(fā)生少量的相變，而在120℃的條件下，則會使蒙脫石礦物表面生成了大量的水化硅酸鈣礦物。

Bauer［16］研 究 了 濃 度 為0.5、1、 2、 3、4 mol/L的KOH溶液在35、80℃情況下對兩種蒙脫石的礦物性質(zhì)和礦物溶解度的影響。結(jié)果顯示：第1階段，蒙脫石開始溶解，晶體形狀發(fā)生改變，溶液中溶解的Si和Al含量不斷增加；第2階段，蒙脫石中伊利石的含量不斷增大，隨后的反應(yīng)中，還形成了沸石、長石和石英等礦物，蒙脫石中Si和Al含量持續(xù)減小。在蒙脫石含量為40%的蒙脫石-伊利石階段，溶液中離散的伊利石晶體呈有序排列；溫度35℃時，蒙脫石中伊利石的含量超過了40%。溫度80℃時，伊利石的含量約達(dá)到了90%。初始溫度明顯影響蒙脫石初始反應(yīng)速率。

Horst-Juergen［17］通過長達(dá) 3 a 的室內(nèi)試驗(yàn)對MX-80膨潤土與7種離子種類和濃度不同的溶液反應(yīng)后膨潤土膨脹性能的變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程中蒙脫石溶解以及溶液中Si和Mg的含量均隨著試驗(yàn)時間的持續(xù)而增加，待試驗(yàn)結(jié)束時，Si的最大濃度達(dá)到約100 mmol/L，Mg的最大濃度達(dá)到約2 000 mmol/L。

Ola Karnland［18］將 0.1、 0.3、 1.0 mol/L 的NaCl/NaOH溶液 （pH值分別為 12.9、13.3、13.8）與飽和CaCl2/Ca（OH）2溶液通入 MX-80膨潤土、純鈉基蒙脫石和純鈣基蒙脫石，反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)NaCl/NaOH溶液與飽和CaCl2/Ca（OH）2溶液中均含有Si和Al元素，而且隨著溶液濃度的增加，溶液的pH值增大，Si和Al元素的含量增多。

Savage D［19］用反應(yīng)-轉(zhuǎn)變模型（PRECIP）對膨潤土與水泥孔隙水發(fā)生反應(yīng)的程度進(jìn)行了模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水泥孔隙水與膨潤土反應(yīng)初期，在膨潤土與水泥接觸面接觸的部位有水化硅酸鈣礦物形成，后期有沸石、白云母、方解石和白榴石生成。在模擬進(jìn)行1 000 a之后，距水泥與膨潤土接觸面60 cm的蒙脫石礦物完全消失。在水泥與膨潤土接觸1～2 cm寬的狹窄區(qū)域處，觀察到最大孔隙率的增長達(dá)到了80%～90%，如圖2所示。在模擬運(yùn)行到最大的周期3 200 a時，水泥與膨潤土接觸面以上幾厘米處的孔隙被水化硅酸鈣礦物完全充填。Eric［20］采用PHREEQC程序?qū)λ嗬匣a(chǎn)生的堿性溶液導(dǎo)致膨潤土發(fā)生化學(xué)變化進(jìn)行了10×104a的模擬。結(jié)果顯示，膨潤土中Na＋通過陽離子交換改變?yōu)镵＋和Ca2＋，隨后蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，沸石與伊利石在膨潤土與水泥接觸面上析出。最后，沸石在膨潤土與水泥接觸面上轉(zhuǎn)變?yōu)樗唷?/p>

圖2 25℃時，蒙脫石與水泥孔隙水反應(yīng)1 000 a后的礦物成分模擬圖［12］Fig.2 Simulated mineral composition plots for cement pore fluid at 25℃ after reaction for 1 ka［12］

Raúl［10］對 膨 潤 土 與水泥孔隙溶液反應(yīng)在60、90℃的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并通過CrunchFlow程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示堿溶液的pH值為13時，蒙脫石在25℃的情況下部分溶解，在60、90℃的情況下，硅酸鎂、水滑石和氫氧鎂石在膨潤土與水泥接觸面上析出。

Stewart［21］以膨潤土膨脹性指標(biāo)、 滲透系數(shù)和砂顆粒的壓縮系數(shù)、孔隙度為參數(shù)建立模型模擬了不同鹽溶液滲入到膨潤土/砂混合物時，膨潤土/砂混合物膨脹性能和滲透系數(shù)的變化，模擬結(jié)果顯示：當(dāng)作用在膨潤土/砂混合物上的豎向應(yīng)力增加時，孔隙比明顯減小，膨脹性能減弱；孔隙比減小時，滲透系數(shù)明顯增加。模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

總之，國外學(xué)者對膨潤土與堿金屬離子及堿性溶液接觸時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)做了比較深入的試驗(yàn)研究，明確了膨潤土與堿金屬離子及堿性溶液接觸時，蒙脫石會溶解并生成非膨脹性礦物，溫度和pH值是影響蒙脫石溶解的主要因素；蒙脫石與堿溶液接觸時溫度及pH值越高，蒙脫石溶解越多，次生礦物也越多。但在高溫條件下，pH值低于12.6的低堿性溶液與膨潤土接觸時，溶解蒙脫石及生成次生礦物的關(guān)系研究不足；數(shù)值模擬結(jié)果的適用性也有待驗(yàn)證。

2 堿金屬離子及堿溶液對膨潤土膨脹性能的影響

膨潤土中的蒙脫石在堿性溶液中溶解，并析出非膨脹性礦物，因此，堿金屬離子溶液及堿溶液會影響膨潤土的膨脹性能，并最終影響到緩沖回填材料空隙的自封閉性能。為此，許多學(xué)者展開了堿金屬離子溶液（Mg2＋、Ca2＋、 K＋和 Na＋）及堿溶液（NaOH 和 Ca（OH）2）對膨潤土膨脹性能的研究［12，17-18，22-25］。

Savage［12］研究發(fā)現(xiàn)， 水泥中產(chǎn)生的孔隙溶液能與膨潤土發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致蒙脫石的溶解并產(chǎn)生沒有膨脹能力的次生礦物，從而使膨潤土膨脹能力削弱。

Ola Karnland［18］發(fā) 現(xiàn) ， 將 0.1、 0.3 和 1.0 mol/L的NaCl/NaOH溶液 （pH值分別為12.9、13.3和13.8）和飽和CaCl2/Ca（OH）2溶液通入MX-80膨潤土、純鈉基膨潤土和純鈣基膨潤土100 d后，0.1 mol/L NaOH溶液和飽和CaCl2/Ca（OH）2溶液對MX-80膨潤土、鈉基膨潤土和鈣基膨潤土的膨脹力沒有影響；1.0 mol/L的NaOH溶液將會使MX-80膨潤土和純鈉基膨潤土的膨脹力持續(xù)降低，且使膨潤土的質(zhì)量和密度減??；0.3 mol/L的NaOH溶液使MX-80膨潤土膨脹力明顯減弱，而對純鈉基膨潤土影響不明顯；0.3 mol/L和1.0 mol/L的NaCl溶液明顯削弱MX-80膨潤土、鈉基膨潤土的膨脹力，0.1 mol/L的NaCl溶液對兩種膨潤土膨脹力影響均不明顯；鹽溶液中膨潤土膨脹力減小的主要原因是溶液中的陽離子與蒙脫石中的陽離子進(jìn)行了交換，而堿性溶液使膨潤土膨脹力減小的主要原因是蒙脫石礦物被溶解（圖3）。

Horst-Juergen［17］研究發(fā)現(xiàn) 7 種離子種類和濃度不同的溶液（包括： Mg2＋、 Ca2＋、 K＋和Na＋）與干密度為1.6 g/cm3的MX-80膨潤土發(fā)生反應(yīng)后得到的膨脹力均不相同。其中MX-80膨潤土在蒸餾水作用下產(chǎn)生的膨脹力最大（大于4 MPa），與低濃度離子溶液發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的膨脹力明顯衰減（大約2 MPa），且濃度越高，膨潤土的膨脹力越低，MX-80膨潤土與高濃度離子溶液反應(yīng)后產(chǎn)生的膨脹力小于1 MPa。據(jù)此推測出蒙脫石完全高嶺土化或者Si過量化后可能導(dǎo)致高壓實(shí)膨潤土膨脹力最終消散。

圖3 0.1、0.3、1.0 mol/L的NaCl/NaOH溶液中MX-80膨潤土和MX鈉基膨潤土膨脹力變化圖［18］Fig.3 Swelling pressure response of MX-80 （a）and MX-Na samples （b）exposed to 0.1， 0.3 and 1.0 mol/L NaCl/NaOH， respectively［18］

Laird［22］研究了膨潤土在堿性溶液中飽和后，蒙脫石的結(jié)晶膨脹力、雙層膨脹力和布朗膨脹力與蒙脫石晶層間電子的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)蒙脫石晶層間電子的變化對結(jié)晶膨脹力影響很明顯，高密度的晶層間電子會選擇更多的層間高價態(tài)的陽離子，當(dāng)晶層間電子不斷增加時，膨脹力會不斷減小。晶層間電子對雙層膨脹力和布朗膨脹力均影響不明顯。

Hussain［23］研究了蒸餾水、不同濃度的Ca（NO3）2和 NaNO3溶液對干密度為 1.8 g/cm3、 含水量為8%的膨潤土/砂混合物膨脹性的影響，其中 Ca （NO3）2和 NaNO3溶液的濃度為 0.1、0.5、1.0、4.0 mol/L。試驗(yàn)結(jié)果表明，膨潤土/砂混合物的膨脹力、膨脹勢和膨脹時間都隨著溶液濃度的增加而減小，其中溶液濃度達(dá)到1.0 mol/L時，試驗(yàn)后產(chǎn)生的膨脹力最小。

Hideo［24］研究了蒸餾水與合成海水（包括：Mg 、Ca 、K 和Na ）對5種 （Kunigel-V1、Volclay、 Kunibond、 NeoKunibond 和 MX-80膨潤土）常見的膨潤土膨脹性能的影響。結(jié)果表明，合成海水明顯削弱Kunigel-V1、Volclay、Neokunibond和MX-80膨潤土的膨脹力，而對Kunibond的膨脹力影響不明顯；5種膨潤土的膨脹變形呈現(xiàn)與膨脹力一致的規(guī)律；分析認(rèn)為，Kunibond膨潤土屬于Ca2＋膨潤土，合成海水對該類型膨潤土的膨脹性能影響不明顯。

E.Castellanos［25］研 究 了 在不同應(yīng)力（0.5、1、2 MPa）作用下，蒸餾水、0.005 mol/L的花崗巖水溶液（包括： Mg2＋、Ca2＋、 K＋和 Na＋）和濃度為0.5、2.0和5.5 mol/L的 NaCl和CaCl2溶液對干密度1.65 g/cm3的FEBEX高壓實(shí)膨潤土膨脹性能的影響。結(jié)果表明，在0.5 MPa豎向應(yīng)力作用下，膨脹力和膨脹應(yīng)變均隨溶液濃度的增加而減??；而當(dāng)豎向應(yīng)力從1 MPa加載至2 MPa時，膨脹土的豎向變形隨著溶液濃度的增加而增加。

因此，堿金屬離子溶液及堿溶液會使膨潤土膨脹力減小，且隨著溫度、溶液濃度及pH值的增加，膨脹力削弱程度加強(qiáng)。然而，相關(guān)研究主要集中在常溫下的鹽溶液和強(qiáng)堿性溶液，而高溫、不同pH值的低堿性溶液對膨脹力影響及其機(jī)理的研究尚有待加強(qiáng)。

3 堿金屬離子及堿溶液對膨潤土滲透性能的影響

由于溶液中高價陽離子與膨潤土間的離子交換，以及膨潤土中的蒙脫石會被堿性溶液溶解而導(dǎo)致的膨潤土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等原因，堿金屬離子溶液及堿溶液與膨潤土接觸后將明顯改變膨潤土的滲透性能。對此，國內(nèi)、外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，結(jié)果表明，堿金屬離子溶液或堿溶液對膨潤土滲透性能影響的主要因素有陽離子類型、溫度、pH值和溶液濃度及鹽度等［25-29］。

E.Castellanos［25］研 究 了 在 不同應(yīng)力（0.5、1和2 MPa）作用下，蒸餾水、0.005 mol/L的花崗巖水溶液 （包括： Mg2＋、 Ca2＋、K＋和 Na＋）和濃度為0.5、2.0、5.5 mol/L的 NaCl和CaCl2溶液對干密度1.65 g/cm3的FEBEX高壓實(shí)膨潤土滲透性能的影響。結(jié)果表明，在0.5 MPa豎向應(yīng)力作用下，膨潤土的滲透系數(shù)隨著NaCl和CaCl2溶液濃度的增加而增大；當(dāng)NaCl和CaCl2溶液濃度相同時，NaCl溶液通入膨潤土中的滲透系數(shù)比CaCl2溶液通入膨潤土的滲透系數(shù)大，因此，Na＋對膨潤土的滲透性影響更明顯。

Andrew［26］研究了在不同強(qiáng)度的堿性溶液（pH＝9和12）中，硅離子和鈣離子對鈉基膨潤土滲透性的影響。結(jié)果顯示，僅改變?nèi)芤簆H值時，鈉基膨潤土的滲透系數(shù)和滲透率僅發(fā)生微小改變；而在堿性溶液中加入少量的鈣離子和硅離子時，隨著溶液pH值增加鈉基膨潤土滲透系數(shù)和滲透率明顯增大，且在溶液中同時加入硅離子和鈣離子時，鈉基膨潤土滲透系數(shù)和滲透率的變化與溶液中僅加入鈣離子時引起的變化相差不大。因此，鈣離子的含量對膨潤土的滲透性有明顯影響，且硅離子與鈣離子的交互作用對膨潤土的滲透性影響明顯。

Cuisinier O［27］研究了 20、 60℃ 的 溫 度 情況下，飽和氫氧鈣石溶液（pH＝12.4）對混有MX-80膨潤土、鈣質(zhì)砂和石灰的壓實(shí)硅質(zhì)黏土巖微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)堿溶液使混有MX-80膨潤土的硅質(zhì)黏土巖的孔隙明顯增加，孔隙率增加了17%；并且溫度越高，孔隙越多；作用時間越長，孔隙越多，如圖4所示。

圖4 堿溶液對混有MX-80膨潤土的硅質(zhì)黏土巖微觀結(jié)構(gòu)的影響［2］Fig.4 Influence of alkaline fluid circulation on compacted Manois argillite mixed with 20%of MX-80 bentonite［2］

Nakayama S［28］對高壓實(shí)膨潤土/砂混合物在強(qiáng)堿性溶液中蒙脫石的溶解速率，氫氧根離子的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溫度為90～170℃，溶液pH值為13～14時蒙脫石的溶解速率與時間呈線性遞減關(guān)系。溶解速率是pH值和溫度的函數(shù)。氫氧根離子的有效擴(kuò)散系數(shù)為10-10～10-11m2/s。并認(rèn)為通過氫氧根離子的擴(kuò)散速率和蒙脫石的溶解速率可以預(yù)測膨潤土/砂混合物的滲透性。

Villar M V［29］在室溫下，研究了不同試驗(yàn)周期（10～100 d）、 鹽度（每1 000 g海水中溶解無機(jī)鹽類的克數(shù)）為0和1.2%的兩種溶液對干密度為1.7 g/cm3的高壓實(shí)膨潤土/花崗巖混合物滲透性的影響。結(jié)果表明，相比低鹽度的溶液，高鹽度的溶液使膨潤土/花崗巖混合物的滲透性和吸水能力更高。

上述研究成果表明，溫度、陽離子類型和溶液鹽度及濃度是影響膨潤土滲透性的主要因素。溫度越高，膨潤土中的孔隙越多；溶液的鹽度及濃度越高，膨潤土的滲透性變化越大。然而，堿金屬離子溶液及堿溶液對滲透性影響的機(jī)理研究尚有不足，溫度和堿溶液的耦合作用對膨潤土滲透性的影響及機(jī)理有待研究。

4 結(jié)語與展望

膨潤土與堿金屬離子及堿性溶液接觸時，蒙脫石晶層間陽離子與堿金屬離子交換，且蒙脫石被堿溶液溶解，生成非膨脹性礦物；隨著溫度、溶液pH值的升高，溶解的蒙脫石含量增多。數(shù)值模擬可實(shí)現(xiàn)膨潤土與堿性溶液長期接觸發(fā)生的礦物成分及滲透性變化的預(yù)測。

堿金屬離子及堿性溶液一方面可削弱膨潤土的膨脹力，且隨著溫度、溶液濃度及pH值的增加，膨脹力削弱程度加強(qiáng)；另一方面可使膨潤土孔隙增多，滲透性增強(qiáng)，且隨著溫度和溶液濃度增加，滲透性明顯增強(qiáng)。

高溫、不同pH值的低堿性溶液及其耦合作用對膨潤土的礦物化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、膨脹力和滲透性的影響及機(jī)理研究仍將是今后研究的重點(diǎn)。

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Progress of research on the influence of alkaline cation and alkaline solution on bentonite properties

YE Wei-min1，2，ZHENG Zhen-ji1， CHEN Bao1， CHEN Yong-gui1
（1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University， Shanghai 200092， China；2.United Research Center for Urban Environment and Sustainable Development，the Ministry of Education，Shanghai 200092，China）

Based on the previous laboratory studies and numerical simulation on bentonite in alkaline environments， the effectsofalkaline cation and alkaline solution on mineralcomposition，microstructure， swelling capacity and hydraulic properties of bentonite are emphasized in this paper，temperature，pH values and concentration are discussed as main affecting factors.When bentonite is exposed to alkaline cation or alkaline solution，microstructure of bentonite will be changed due to the dissolution of montmorillonite and the formation of secondary minerals，which results in the decreaseof swelling pressure.The amount of the reduction of swelling pressure depends on the concentration of alkaline solution.Temperature， polyvalent cation， salinity and concentration are the main factors affecting hydraulic properties of bentonite under alkaline conditions.Therefore，future research should focus on the mechanism of coupling effects of weak alkaline solutions on the mineral composition，microstructure，swelling capacity and hydraulic properties of bentonite under different temperatures and different pH values.

alkaline cation； alkaline solution； bentonite； mineral composition； swelling pressure

P588.22；TL942

A

1672-0636（2011）04-0221-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2011.04.006

國家自然科學(xué)基金（41030748，40802069，40802064）；國防科工委資助項目（科工計［2007］831號）；上海市地質(zhì)工程重點(diǎn)學(xué)科（B308）

2011-06-13；

2011-07-25

葉為民（1963—），男，安徽樅陽人，博士研究生，主要從事非飽和土力學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:ye_tju@#edu.cn。

注：1?＝0.1 nm。