近年來，隨著核廢料處置庫建設(shè)中工程問題的增多，工程屏障中的緩沖回填材料膨潤土,其工程性質(zhì)逐漸受到重視?，F(xiàn)階段，無論是緩沖材料回填材料還是襯墊材料，國際上公認(rèn)的最優(yōu)選擇是壓實(shí)的膨潤土或者膨潤土－骨料混合物。這主要是因?yàn)榕驖櫷林泻写罅康酿ね恋V物蒙脫石，相對普通黏土礦物，蒙脫土比表面極大，外表面為50-120m2/g，內(nèi)表面為700-840 m2/g，陽離子交換容量為80-154meq/100g，使得膨潤土具有低滲透性、高膨脹性、高吸附性和較好的力學(xué)性能。另外，膨潤土材料不僅具備滿足緩沖和回填雙重功能的重要特性，而且其造價(jià)低、分布廣泛、易于開采和加工，因此成為世界各國優(yōu)選的緩沖回填材料。當(dāng)緩沖/回填材料回填完成時(shí)，膨潤土處于非飽和狀態(tài)。在核廢料處置庫的運(yùn)營期間，膨潤土將遭受長期的擴(kuò)散核輻射熱和圍巖中的析出的水分使得膨潤土含水量與孔隙水溫度發(fā)生較大的變化，極大的改變膨潤土的水力性質(zhì)。在此過程中處置罐一旦腐蝕并發(fā)生泄漏，核素就會(huì)隨著膨潤土中吸附水發(fā)生遷移與擴(kuò)散，最終影響人類的生存環(huán)境。因此為了更深入理解孔隙水含量與溫度對膨潤土水力性質(zhì)的影響，從微觀的角度探測土水相互作用顯得十分必要。

　　核磁共振技術(shù)是一項(xiàng)研究單位體積中質(zhì)子（即氫核）含量與分布的快速、無損探測技術(shù)。核磁共振響應(yīng)可以反映客體分子附近局部分子水平的結(jié)構(gòu)信息，因?yàn)楹舜殴舱癯谠ヅc波動(dòng)的磁相互作用直接相關(guān)，這取決于分子內(nèi)和分子間的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，使得核磁共振技術(shù)為表征孔隙水的物理和化學(xué)環(huán)境提供了一種方法。由于水中1H的核磁信號較強(qiáng)，且廣泛存在于大自然中，目前基于1H探測的核磁共振技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地質(zhì)找水、巖土工程、食品和生物分析等領(lǐng)域。

　　基于核磁共振在表征孔隙水水分狀態(tài)上的優(yōu)勢，武漢巖土所韋昌富研究團(tuán)隊(duì)研究了脫濕過程中溫度變化對膨潤土孔隙水狀態(tài)的影響，同時(shí)利用土體顆粒表面離子-質(zhì)子自旋耦合和水分子二維擴(kuò)散模型得到膨潤土T1-T2譜，獲得孔隙水微觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)，解釋了含水量與溫度對膨潤土土水作用的影響。并根據(jù)計(jì)算得到的吸附水?dāng)U散系數(shù)和有效活化能預(yù)測了膨潤土滲透系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。聯(lián)合壓汞實(shí)驗(yàn)與核磁共振弛豫時(shí)間譜分析了脫濕過程中膨潤土孔徑分布的變化過程。

　　以上工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、青年基金（51939011、51639008、41502301）的資助，相關(guān)研究成果發(fā)表在Water Resources Research上。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1029/2020WR027537

（a）0 MPa                                                  (b) 3.29 MPa

(c) 12.7 MPa                                                 (d) 71 MPa

圖1 膨潤土脫濕過程中的孔隙水狀態(tài)變化

圖2 溫度對膨潤土孔隙水活化能的影響

（文/圖 圖動(dòng)力學(xué)組）