0.   引言

核能已成为世界重要能源支柱之一^[1]。目前，中国核能供电份额仅为4.9%，远低于国际平均水平^[2]，预计2035年中国核电份额将达到22%^[3]。核电的高速发展必将产生大量的高放射性废物，如何处置高放射性废物已成为核工业全面发展的关键。目前，国际上公认深地质处置是最为可行及可靠的方法^[4]，即利用天然屏障和工程屏障多重屏障系统，将高放废物封存在距地表500~1000 m深的稳定岩体中，使其与生物圈长久隔离。其中，高压实膨润土因具有低渗透性、高膨胀性以及良好的化学吸附性，被认为是最合适的缓冲/回填材料^[5]。同时，大量混凝土用于堵塞裂隙和回填密封处置孔^[6-7]。处置库运行过程中，混凝土材料在地下水与核衰变热的长期耦合作用下发生衰解。研究表明，混凝土早期衰解持续释放可溶性氢氧化物，形成pH值> 13的溶液，称为早期混凝土衰解液；随后，混凝土衰解持续释放Ca(OH)₂并形成沉淀，溶液中OH^-减少而pH降低，形成pH值> 12的后期混凝土衰解液^[8-10]。这些高碱性溶液渗入高压实膨润土，引起蒙脱石矿物溶解，进而影响膨润土膨胀性能发挥，危及处置库运行安全^[11]。因此，研究混凝土衰解作用导致的高压实膨润土膨胀特性具有重要意义。

国内外学者对碱溶液作用下膨润土的膨胀特性开展了研究，结果表明OH^-与蒙脱石反应生成非膨胀性次生矿物，削弱膨胀性能。碱性条件下蒙脱石溶解包括两个阶段^[12]，即结合位点处羟基的去质子化和蒙脱石晶层的溶解。一方面，膨润土中蒙脱石矿物随着OH^-入渗而溶解，溶解量随溶液浓度升高而增大^[13-15]，导致膨胀变形率和膨胀力快速降低。另一方面，碱性条件下不同阳离子对膨胀性能的影响不同，相同浓度NaOH入渗时的膨胀力大于KOH入渗的膨胀力^[16]，K⁺与蒙脱石反应强烈^[17-18]；而Ca(OH)₂溶液入渗时，仅发生阳离子交换^[19]，矿物成分无明显改变。

中国已选定甘肃北山为处置库预选场地，内蒙古高庙子（GMZ）膨润土为首选缓冲/回填材料。本文通过人工配制3种化学溶液，分别模拟北山地下水（BSW）、早期混凝土衰解液（YCW）和后期混凝土衰解液（ECW），开展高压实GMZ膨润土的一维膨胀变形试验，研究盐碱演化环境下高压实膨润土的膨胀变形特性，分析膨润土初始干密度和上覆荷载对膨胀性能演化的影响，并借助压汞试验揭示相应的微观机理。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

GMZ膨润土产自内蒙古兴和县高庙子地区，浅灰白色粉末。主要矿物为蒙脱石，含量为58%，其次包括石英（21%）、斜长石（7%）、方英石（6%）及钠长石（8%），此外黏土矿物中含有微量高岭石、伊利石等^[20]，GMZ膨润土的XRD图谱见图 1，粒径分布见图 2。

图  1  GMZ膨润土XRD图谱^[23]

Figure  1.  XRD of GMZ bentonite^[23]

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图  2  GMZ膨润土粒径分布^[23]

Figure  2.  Grain-size distribution curves of GMZ bentonite^[23]

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根据郭永海、Berner等研究^[21-22]，确定BSW、YCW和ECW 3种地下水的主要化学成分及浓度，采用相应的分析纯化学试剂进行人工配制，分别模拟地下水盐碱演化环境，见表 1。

表  1  3种模拟地下水化学组成及指标^[20]

Table  1.  Components and indices of synthetic chemical solutions^[20]

离子与pH	BSW/(mmol·L-1)	YCW/(mmol·L-1)	ECW/(mmol·L-1)
Al3+	—	0.34	0.009
Na+	62.96	68	10.77
K+	3.16	119.9	0.31
Ca2+	8.06	0.03	6.68
Mg2+	10	0.02	0.005
SiO2(溶液)	—	4	0.03
SO42-	29.85	—	—
Cl-	72.39	0.4	6.69
OH-	0.003	184	11.05
pH	8.5	13.0	12.0
渗透吸力π/MPa	0.47	0.75	0.09
TDS/(g·L-1)	7.57	9.61	0.95

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1.2   试样制备

通过气相法吸力控制技术对膨润土粉末进行吸力平衡（K₂CO₃饱和盐溶液）。吸力平衡后，烘干法测定膨润土粉末初始含水率为10.7%。

根据试样尺寸和目标初始干密度，称取相应质量的膨润土粉末，采用DDL-200型200 kN数控万能压力机静压成不同干密度（1.50，1.60，1.70，1.80 g/cm³）、直径50 mm与高10 mm圆饼状试样。压实过程中，压实速率为0.5 mm/min，压杆到预定位置后静置60 min，确保试样均匀性。

1.3   试验仪器

一维膨胀变形试验仪包括固结仪、溶液入渗系统、加载系统和数据采集系统4个部分，见图 3。试验中，通过法兰将膨润土试样与透水石和活塞固定于固结仪内。溶液瓶中的入渗溶液通过软导管与固结仪底座连接，经过虹吸作用渗入膨润土试样，使其水化膨胀。同时，砝码重量通过加压框架和加压杆，作用于膨润土试样，可通过调整砝码控制膨润土试样上覆荷载。随着溶液入渗，膨润土试样产生膨胀变形，数据采集系统实时记录并存储。

图  3  一维膨胀变形试验仪

Figure  3.  Schematic diagram of one-dimension swelling deformation apparatus

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1.4   试验方法

将压制好的膨润土试样装入膨胀变形仪，在荷载条件下，基于虹吸原理依次通入BSW、YCW和ECW，膨润土受底端溶液入渗不断水化膨胀，产生膨胀变形，同步记录变形值。试验中，当膨胀变形值小于0.01 mm/24 h时，认为本阶段水化膨胀过程完成^[24]，更换下一阶段的溶液继续试验，以此类推至试验结束。

膨胀变形率计算为

式中：ε为试样的膨胀变形率（%）；$\Delta H$为试样膨胀变形值（mm）；H₀为试样初始高度（mm）。

设置平行试验组，分别研究试样初试干密度和上覆荷载对变形特性的影响。变形试验结束后，对两组试样开展冷冻干燥后的压汞试验，测定微观孔隙结构特征。试验方案见表 2。

表  2  试验方案

Table  2.  Test schemes

编号	干密度/(g·cm-3)	荷载/MPa	入渗溶液	试验类型
T1	1.70	0.1	BSW→YCW→ECW	变形，压汞
T2	1.70	0.2	BSW→YCW→ECW	变形
T3	1.70	0.4	BSW→YCW→ECW	变形
T4	1.70	0.1	BSW	变形，压汞
T5	1.50	0.1	BSW→YCW→ECW	变形
T6	1.60	0.1	BSW→YCW→ECW	变形
T7	1.80	0.1	BSW→YCW→ECW	变形

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2.   试验结果

2.1   盐碱演化条件下膨胀变形规律

试验T1膨润土的膨胀变形时程曲线见图 4。第一阶段BSW盐溶液入渗时，膨润土膨胀变形时程曲线在时间对数坐标系中呈现“S”型变化，分为先缓慢增加、再快速增加、最后趋于稳定3个发展过程，与前人研究基本一致^[25-26]。第二阶段YCW碱溶液入渗后，膨润土的膨胀变形略有发展，稳定膨胀变形率由32.07%缓慢增加至33.47%，增加值为1.40%。第三阶段ECW碱溶液继续入渗，膨润土的膨胀变形率增加至34.27%，增加值为0.80%。由此可见，随着三种溶液的相继入渗，膨润土膨胀变形率不断增加后趋于稳定，且增加值随YCW、ECW入渗而不断减小。

图  4  盐碱演化条件下膨胀变形时程曲线

Figure  4.  Swelling evolution curves of GMZ bentonite with infiltration of saline-alkali solutions

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2.2   初始干密度影响

试验T1，T5，T6和T7第一阶段BSW入渗时的膨胀变形时程曲线见图 5。可以看出，初始干密度对膨润土第一阶段膨胀变形影响显著。随着试样初试干密度增加，膨胀变形时程曲线直线段逐渐左移，对应斜率不断增大，主膨胀阶段的变形率越大，到达次膨胀阶段所需的试验时间越长，最终膨胀变形率也相应增大。

图  5  初始干密度对BSW入渗阶段变形时程曲线的影响

Figure  5.  Effects of dry density on swelling evolution curves of GMZ bentonite with infiltration of BSW

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根据膨润土膨胀变形时程曲线形态，可以将高压实膨润土的水化膨胀划分为初始膨胀、主膨胀和次膨胀等3个阶段，分别用主膨胀系数和次膨胀系数描述相应的膨胀变形速率^[27-28]：

式中：${C_{{\text{PS}}}}$和${C_{{\text{SS}}}}$分别为主膨胀系数和次膨胀系数；$\Delta {H_{\text{P}}}$为主膨胀量（mm）；${H_0}$为试样初始高度（mm）；$\Delta \lg t_{\mathrm{P}}=\lg t_{\mathrm{P} 1}-\lg t_{\mathrm{P} 2}$，t_P1为主膨胀开始时间（d），t_P2为主膨胀结束时间（d）；$\Delta {H_{\text{S}}}$为次膨胀量（mm），$\Delta \lg t_{\mathrm{S}}=\lg t_{\mathrm{S} 1}-\lg t_{\mathrm{S} 2}$，t_S1为次膨胀开始时间（d），t_S2为次膨胀结束时间（d）。

采用式（2），（3），分别计算图 5中膨胀变形时程曲线的主、次膨胀系数，结果见表 3。显然，随着初试干密度增加，膨润土的主膨胀系数和次膨胀系数均不断增大。

表  3  干密度对BSW入渗阶段主次膨胀系数的影响

Table  3.  Effects of dry density on coefficients of primary and second swelling of GMZ bentonite with infiltration of BSW

干密度/(g·cm-3)	主膨胀系数CPS	次膨胀系数CSS
1.50	0.095	0.011
1.60	0.114	0.015
1.70	0.149	0.020
1.80	0.154	0.021

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试验T1，T5，T6和T7在3种溶液入渗的盐碱演化条件下膨胀变形时程曲线见图 6，各阶段变形率增加值见表 4。可以看出，盐碱演化环境下，膨润土最终膨胀变形率随着干密度增加而不断增加。当试样干密度由1.50 g/cm³增加到1.70 g/cm³时，随着入渗溶液演化为YCW和ECW，稳定膨胀变形率不断增加，而增加值不断减小。但是，当干密度增加到1.80 g/cm³时，随着入渗溶液演化为YCW和ECW，其稳定膨胀变形率增加值显著增加至2.31%和2.74%，明显高于其它干密度试样的变形率增加值。

图  6  干密度对膨胀变形时程曲线的影响

Figure  6.  Effects of dry density on swelling evolution curves of GMZ bentonite with infiltration of saline-alkali solutions

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表  4  干密度对稳定膨胀变形率增加值的影响

Table  4.  Effects of dry density on stable swelling strain increase values of GMZ bentonite

干密度/(g·cm-3)	稳定膨胀变形率增加值/%
	BSW	YCW	ECW
1.50	20.75	2.21	2.00
1.60	25.86	1.80	1.50
1.70	32.07	1.40	0.80
1.80	35.48	2.31	2.74

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2.3   荷载影响

试验T1，T2和T3第一阶段BSW入渗时的膨胀变形时程曲线见图 7。可以发现，上覆荷载对膨润土第一阶段膨胀变形影响较大。随着上覆荷载增加，膨胀变形时程曲线直线段逐渐右移，对应斜率不断减小，主膨胀阶段的变形率降低，到达次膨胀阶段所需的试验时间越短，最终膨胀变形率也相应减小。根据式（2），（3），分别计算图 7中膨胀变形时程曲线的主、次膨胀系数，结果见表 5。从表 5可知，随着上覆荷载增加，膨润土的主膨胀系数和次膨胀系数均不断减小。

图  7  荷载对BSW入渗阶段变形时程曲线的影响

Figure  7.  Effects of vertical stress on swelling evolution curves of GMZ bentonite with infiltration of BSW

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表  5  荷载对BSW入渗阶段主次膨胀系数的影响

Table  5.  Effects of vertical stress on coefficients of primary and second swelling of GMZ bentonite with infiltration of BSW

荷载/MPa	主膨胀系数CPS	次膨胀系数CSS
0.1	0.149	0.020
0.2	0.113	0.013
0.4	0.097	0.009

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试验T1，T2和T3在3种溶液入渗的盐碱演化条件下膨胀变形时程曲线见图 8，各阶段变形率增加值见表 6。对比发现，盐碱演化环境下，膨润土最终膨胀变形率随着荷载增加而不断减小。当荷载由0.1 MPa增加到0.4 MPa时，随着入渗溶液由BSW演化为YCW和ECW，稳定膨胀变形率不断增加，但增加值不断减小。

图  8  荷载对膨胀变形时程曲线的影响

Figure  8.  Effects of vertical stress on swelling evolution curves

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表  6  荷载对膨胀变形率增加值的影响

Table  6.  Effects of vertical stress on swelling strain increase values

荷载/MPa	膨胀变形率增加值/%
	BSW	YCW	ECW
0.1	32.07	1.40	0.80
0.2	26.10	1.51	0.50
0.4	21.12	0.60	0.20

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3.   分析与讨论

3.1   初始干密度对膨胀变形的影响

试验T1，T5，T6和T7在BSW入渗阶段膨润土最终膨胀变形率见图 9（a）。可以发现，膨润土最终膨胀变形率和初始干密度呈线性增加关系，与Komine等^[29]研究结果基本一致。这是因为，膨润土膨胀变形来源于蒙脱石矿物的水化膨胀，初始干密度增加使蒙脱石含量增多，进而增大了膨润土膨胀能力。膨润土最终膨胀变形率与干密度的关系可以用式（4）表达，式（4）可变换为式（5），得到膨润土中蒙脱石的最终膨胀变形率与初始干密度的关系。Kmonie等^[29]认为蒙脱石最终膨胀变形率与初始干密度比值为恒值，因此膨润土最终膨胀变形率与初始干密度近似为线性关系。

图  9  初始干密度对最终膨胀变形率的影响

Figure  9.  Effects of dry densities on finial swelling stress of bentonite and montmorillonite

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式中：${\varepsilon _{\text{u}}}$为膨润土最终膨胀变形率（%）；$\varepsilon _{{\text{sv}}}^{}$为蒙脱石最终膨胀变形率（%）；${C_{\text{M}}}$为膨润土中蒙脱石的质量百分比（%）；${\rho _{{\text{d0}}}}$为膨润土初始干密度（g/cm³）；${\rho _{\text{s}}}$为膨润土颗粒密度（g/cm³）。

根据式（5），计算得到蒙脱石膨胀变形率与膨润土初始干密度的关系曲线，见图 9（b）。由图 9（b）可知，蒙脱石最终膨胀变形率随着初始干密度增加而不断降低。当干密度从1.50 g/cm³增加到1.80 g/cm³时，最终膨胀变形率由197%下降到173%，减小了24%。这是因为试样初始干密度越大，试样孔隙率和孔隙也越小，溶液入渗越慢，进而降低了膨润土的水化程度。

初始干密度增加也会促进膨润土主膨胀变形和次膨胀变形的发展（表 3）。研究表明，高压实膨润土主膨胀阶段主要发生晶层膨胀，次膨胀阶段主要发生扩散双电层膨胀^[11]。因此，初始干密度增加使试样中蒙脱石含量增多，从而促进了膨润土的晶层膨胀量和扩散双电层膨胀量。

对比试样在盐碱演化阶段的稳定膨胀变形率（表 4），当初始干密度从1.50 g/cm³增加到1.70 g/cm³时，YCW和ECW入渗阶段的膨胀变形率增加值逐渐减小；但是，初始干密度从1.70 g/cm³增加到1.80 g/cm³后，稳定膨胀变形率增加值增大。这是因为，一方面试样孔隙率随着初始干密度增加而逐渐减小，渗透系数相应减小，在YCW和ECW入渗过程中膨润土水化膨胀速率减小，使膨胀变形增加缓慢；另一方面，随着初始干密度增加，膨润土中蒙脱石含量不断增多，YCW和ECW入渗后膨润土继续膨胀能力增大。

3.2   荷载对膨胀变形的影响

试验T1，T2和T3在BSW入渗的最终膨胀变形率见图 10。可以看出，膨润土的最终膨胀变形率随荷载增加而不断减小。这是因为荷载增加压缩了膨润土内孔隙，影响蒙脱石的水化程度，进而抑制了主膨胀变形和次膨胀变形。Chen等^[25]研究了去离子水和NaCl溶液入渗对高压实GMZ膨润土最终膨胀变形率的影响，建立了最终膨胀变形率与荷载的计算关系：

图  10  上覆荷载对最终膨胀变形率的影响

Figure  10.  Effects of vertical stresses on finial swelling stress

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式中：${\varepsilon _{\text{u}}}$为最终膨胀变形率（%）；P为上覆荷载（MPa）；c，d为无量纲参数。

采用式（6）对试验结果进行拟合，见图 10，表明盐碱演化环境下膨润土最终膨胀变形率与荷载之间的变化符合对数函数关系。

3.3   盐溶液对膨胀变形的影响

初始干密度为1.70 cm³/g，膨润土在去离子水^[25]、NaCl溶液、BSW入渗和0.1 MPa荷载条件下的最终膨胀变形率见图 11。从图 11可以看出，膨润土最终膨胀变形率随着入渗溶液TDS值增大而不断减小，表明入渗溶液TDS值越高，对膨润土水化膨胀的抑制作用越强。

图  11  入渗盐溶液对最终膨胀变形率的影响

Figure  11.  Effects of salt solutions on finial swelling strain

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膨润土水化膨胀包括晶层膨胀和扩散双电层膨胀。其中，晶层膨胀是蒙脱石晶层间Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等可交换阳离子的水化作用引起。一方面，盐溶液入渗带来更多阳离子，使晶层内外存在渗透吸力差，晶层内的水分子会渗透到晶层外去，从而抑制膨润土的膨胀性能^[30]。另一方面，不同离子对晶层膨胀的抑制效果不同，如K⁺进入蒙脱石硅氧四面体空腔产生K⁺联结效应，并使蒙脱石伊利石化^[31]，大幅降低膨润土的膨胀性能^[16]。与0.1 mol/L NaCl溶液相比，BSW中Na⁺略小，但其中的Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺也会对晶层膨胀产生影响。

根据扩散双电层理论，双电层厚度为^[32]

式中：d为双电层厚度；D为介电常数；k为玻尔兹曼常数（k = 1.380649×10^-23 J/K）；n₀为溶液中的电解质浓度；E为单位电荷；v为阳离子电价；T为绝对温度（K）。

从式（7）可知，随着离子浓度增加，扩散双电层厚度减小，双电层膨胀受到抑制；同时，当离子电价增大时，扩散双电层厚度也相应减小，双电层膨胀受到抑制。与0.1 mol/L NaCl溶液相比，BSW中Mg²⁺、Ca²⁺等二价离子降低了双电层厚度，进一步抑制了双电层膨胀，导致最终膨胀率减小。

3.4   盐碱演化对膨胀变形影响的微观机理

对试验T1和T4结束后的膨润土进行了压汞试验，微观孔隙结构测试结果见图 12。通常，将高压实膨润土中孔径大于150 nm的孔隙称为集合体间孔隙（简称大孔，e_M），将孔径小于150 nm的孔隙称为集合体内孔隙（简称小孔，e_m）^[33]。一般认为，膨润土中的最小孔径为1 nm，将累积孔隙比分布曲线小于150 nm的直线段线性延伸至1 nm，获得总孔隙比（e_t）^[33-34]。据此，分别得到BSW和盐碱演化环境下膨润土的孔隙比，见表 7。

图  12  压汞试验结果

Figure  12.  Results of MIP tests

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表  7  膨润土的集合体间和集合体内孔隙比

Table  7.  Macro- and micro-void ratios of GMZ bentonite

入渗溶液	eM	em	et
BSW	0.679	0.345	1.024
BSW→YCW→ECW	0.764	0.346	1.110

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从图 12和表 7可知，盐碱演化环境下，小孔范围内孔隙分布曲线基本重合，说明小孔孔隙比基本不变；大孔范围内汞注入增量峰值增大，对应的峰值孔径减小，表明随着盐碱演化溶液入渗，大孔孔隙比不断增大，而孔径逐渐减小。随着YCW和ECW入渗，OH^-使扩散双电层边缘带负电，导致扩散双电层厚度增加，促进了膨润土的水化膨胀^[35]；另一方面，碱性条件下蒙脱石被溶蚀，形成溶蚀孔隙^[36]，并且溶蚀过程中生成的水化硅酸钙、方沸石等堵塞了集合体间的大孔^[16]，从而使集合体间的大孔孔径减小。

实际上，盐碱演化环境下膨润土经历了3个阶段的膨胀变形过程。第一阶段BSW入渗，膨润土产生晶层膨胀和扩散双电层膨胀^[37]，膨胀过程受BSW中阳离子抑制，降低了膨胀变形性能。第二阶段YCW入渗后，首先高浓度OH^-会使扩散双电层边缘带负电，扩散双电层厚度增加，膨润土继续膨胀^[35]；同时，OH^-与BSW入渗滞留的Ca²⁺离子和Mg²⁺离子反应生成Ca(OH)₂、Mg(OH)₂沉淀，使膨润土体积增加；其次，碱性条件使蒙脱石持续溶蚀，形成溶蚀孔隙^[36]，导致集合体间孔隙比增大，但是溶蚀生成的水化硅酸钙、方沸石等会堵塞集合体间孔隙，导致集合体间孔径减小^[13]；最后，K⁺入渗使蒙脱石伊利石化，减小膨胀性能^[31]。第三阶段ECW入渗，此时高压实膨润土对低浓度溶液表现出化学屏障效应^[38]，矿化度最低的ECW入渗后，膨润土在渗透压作用下继续产生一定的膨胀。同时，第二阶段YCW中的K⁺进入蒙脱石硅氧四面体空腔产生K⁺联结效应，难以被其他离子置换^[16]，导致继续膨胀性能受限。

4.   结论

本文采用一维膨胀变形仪，研究了盐碱演化溶液入渗条件下不同干密度和不同荷载的高压实GMZ膨润土膨胀变形规律，并结合微观试验揭示了膨润土膨胀变形的响应机理，得到以下5点结论。

（1）盐碱演化溶液入渗时，随着BSW、YCW、ECW的入渗，高压实膨润土产生持续膨胀，稳定膨胀变形率增加值逐渐减小。

（2）干密度由1.50 g/cm³增加到1.70 g/cm³时，盐碱演化溶液入渗时最终膨胀变形率随干密度增加而增加，BSW入渗时的稳定膨胀变形率随干密度增加而增加，而YCW和ECW入渗时的稳定膨胀变形率增加值随干密度增大而减小。

（3）盐碱演化溶液入渗时最终膨胀变形率随荷载增大而减小，BSW入渗时的稳定膨胀变形率随荷载增大而降低，YCW和ECW入渗时的稳定膨胀变形率增加值随荷载增大而减小。

（4）相比BSW，随着YCW和ECW入渗，膨润土中集合体间孔隙比不断增加，孔径不断减小。这是由于碱性溶液中OH^-促进了扩散双电层发展，而蒙脱石溶蚀生成的水化硅酸钙、方沸石等堵塞孔隙，减小了集合体间孔径。

（5）BSW入渗时膨润土水化产生晶层膨胀和扩散双电层膨胀；YCW入渗后，高浓度OH^-使膨润土进一步产生扩散双电层膨胀；ECW入渗后，在渗透压作用下膨润土继续膨胀。

实际上，处置库运营过程中高放射性废物持续辐射释放热量，导致近场温度升高，对膨润土膨胀性能产生影响。而且，不同类型混凝土衰解产生的衰解液浓度不同，进而对膨润土膨胀有不同的抑制效果。因此，今后将进一步考虑温度与化学耦合作用，针对不同浓度的混凝土衰解液对高压实膨润土膨胀性能的影响开展研究。