一种基于岩石‑砂浆界面气体渗透试验的岩石与砂浆组合试样制备方法

摘要

本发明公开了一种基于岩石‑砂浆界面气体渗透试验的岩石与砂浆组合试样制备方法，首先花岗岩岩体中进行切割、钻芯得到巴西盘圆柱体试样；然后对巴西盘圆柱体试样进行二次取芯得到中空的空心试样；对取芯后的空心试样内壁进行粗糙度处理；按照设计需求进行水泥砂浆的配合比设计，拌合砂浆，然后对空心试样中间圆孔进行砂浆浇筑，固化脱模后得到岩石与砂浆组合试样；将岩石与砂浆组合试样在水中进行养护即可用于实验研究。本发明能够用于对岩石与砂浆界面气体渗透特性进行研究，能够很好的结合实际的工程地质条件，模拟最佳的交界面状态，对于提高围岩和混凝土屏障结构的安全性以及我国能源的可持续发展具有重要的科学价值和实际意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石试样制作方法，具体涉及一种基于岩石-砂浆界面气体渗透试验的岩石与砂浆组合试样制备方法，该岩石与砂浆组合试样可用于试验研究不同温度、渗流、应力以及化学环境多场耦合作用下岩石-砂浆界面气体渗透特性。

背景技术

目前高放废物处置较为切实可行的方案是深地质处置，并通常采用“多重屏障系统”设计，将放射性废物与外界环境进行永久隔离。其中工程屏障包括回填材料、水泥质填充材料及巷道混凝土衬里，天然屏障指核废料处置库的主岩。

我国目前将甘肃北山花岗岩作为候选主岩。由于放射性物质的衰变放热，地下处置场地的开挖与建造，以及地下水的存在，放射性废物地下处置安全性研究必须考虑各种不同的工况。作为工程屏障的混凝土经过漫长的时间会衰退分解产生高碱性溶解物，与地下水的接触形成高碱性孔隙水。在混凝土与花岗岩界面处，花岗岩中的二氧化硅在高碱性环境下加速溶解，导致围岩局部矿物组分的破坏，减弱天然屏障防护作用。核废料在处置过程中会放出热量，作为在较高地应力作用下的花岗岩体和混凝土屏障，由于高放废物处置库的开挖而引起的微裂隙及区域的破碎过程以及由此而引起的岩体渗透率、裂隙张开度及混凝土热裂隙的出现，通过工程屏障的气体最终会通过花岗岩地质屏障，发生渗漏。

针对核废料地质处置围岩和混凝土屏障结构的安全性问题，无法直接研究，通过制造模拟最真实的交界面状态，可用于研究花岗岩裂隙及混凝土介质各自的多场耦合作用，同时也可用于对混凝土和花岗岩的接触界面的物理、力学、化学及渗透性耦合作用进行试验研究，对于提高围岩和混凝土屏障结构的安全性以及我国能源的可持续发展具有重要的科学价值和实际意义。

发明内容

本发明的目的就是要研究岩石与砂浆界面的气体渗透特性以用于上述的工程背景中，提供一种可以用于不同围压、渗透压、温度、湿度以及酸碱度条件下渗透性研究的特殊试样，它是一种更为全面，更好地模拟了实际工程环境的实验试样。

本发明的内容为：一种基于岩石-砂浆界面气体渗透试验的岩石与砂浆组合试样的制备方法，通过以下技术措施实现：步骤1，初始岩石试样的制备；步骤2，对岩石进行二次取芯得到中空的特殊岩石试样；步骤3，对取芯后的试样内壁进行粗糙度处理；步骤4，进行水泥砂浆的配合比设计，拌合砂浆；步骤5，砂浆浇筑；步骤6，对试样进行养护，试样整体置于水中养护足够的时间使其处于稳定状态。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于岩石-砂浆界面气体渗透试验的岩石与砂浆组合试样制备方法，其特征在于：包括步骤：

步骤一、初始的岩石试样制备，对花岗岩岩体中进行切割、钻芯、磨平得到巴西盘圆柱体试样；

步骤二、二次钻芯，在巴西盘圆柱体试样上进行二次取芯，得到中间有圆孔的空心试样；

步骤三、对二次取芯后的空心试样的内壁进行表面处理，使空心试样的内壁表面粗糙度均一，模拟真实交界面特征；

步骤四、对水泥砂浆按照设计要求配料混合，并拌和均匀；

步骤五、在对内壁进行表面处理后空心试样的底部放置硬质塑料布，并用胶带固定形成模具，然后对空心试样中间的圆孔用步骤四中的水泥砂浆进行浇筑，浇筑应缓慢、均匀进行，并防止空心试样上下表面处砂浆溢出，浇筑完成后，对空心试样外表面进行抹平，上表面覆盖并固定一层硬质塑料膜，硬化拆模后得到岩石与砂浆组合试样。

作为改进，在步骤五得到岩石与砂浆组合试样之后，将岩石与砂浆组合试样在水中进行养护，以保证其整体稳定性，养护时间为3～6个月。

作为优选，步骤二中，在巴西盘圆柱体试样上进行二次取芯采用水切法，所述水切法是采用数控机床的水刀，水刀所用水中掺金刚砂加压至360MPa以上切割，得到空芯试样的内外圆形的同心度偏差不大于1mm。

作为优选，步骤三中、对二次取芯后的空心试样的内壁进行表面处理包括依次进行抛光、切口和喷砂处理。

作为优选，采用手工抛光的方法对空心试样内壁进行处理，使用球面手工抛光器，球面手工抛光器的曲率半径比二次取芯后空心试样内壁曲率半径小3mm，保证每个试样内壁粗糙程度相同或相近，必要时采用粗糙度检测仪进行筛选淘汰粗糙度差距过大的空心试样。

作为优选，步骤四中，水泥砂浆中水泥、砂和水的配合比例为0.8-1.2:2.5-3.5:0.4-0.8。

作为优选，制备巴西盘圆柱体试样使用的设备为岩石切割机型号为JKCB-300型岩石切割机，二次取芯钻孔机型号为YN30E型岩石钻孔机，对空心试样内壁抛光采用的是SCM-200岩石双端面磨平机。

本发明的有益效果是：

采用本发明方法制成的岩石与砂浆组合试样，能够用于对岩石与砂浆界面气体渗透特性进行研究，能够很好的结合实际的工程地质条件，模拟最佳的交界面状态。另外，本发明制成的岩石与砂浆组合试样还能够适用于不同围压、渗透压、温度、湿度、等不同条件作用下的岩石-砂浆界面气体渗透特性研究，对于提高围岩和混凝土屏障结构的安全性以及我国能源的可持续发展具有重要的科学价值和实际意义。

附图说明

图1为本发明岩石与砂浆组合试样的制备方法流程图。

图2是二次取芯后空芯试样示意图。

图3是岩石与砂浆组合试样俯视图。

1-空心试样，2-水泥砂浆，3-岩石-砂浆界面。

具体实施方式

下面结合附图和本发明一较佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种基于岩石-砂浆界面气体渗透试验的岩石与砂浆组合试样制备方法，包括步骤：

步骤一、初始的岩石试样制备，选自甘肃北山花岗岩，属于芝麻白系列，其矿物成分主要有钠长石(NaAlSi₃O₈)，钾长石(KAlSi₃O₈)，石英(SiO₂)等，花岗岩岩块进行通过切割，钻芯，磨平，制取得到的常规渗透试验用50mmx25mm的巴西盘圆柱体试样，试样在常温下保存，并保持洁净干燥；

步骤二、二次钻芯，在巴西盘圆柱体试样上进行二次取芯，得到中间有圆孔的空心试样1，在巴西盘圆柱体试样上进行二次取芯采用水切法，所述水切法是采用数控机床的水刀，水切割机型号为ZX50C，水切过程使用数控机床操控，其切割精度可达到0.5mm，用水掺金刚砂加压至360MPa以上，从一根0.8mm的喷嘴里喷出进行切割，将数据输入电脑，数字化控制切割过程，提高了效率，缩短了制样周期。由此得到内外圆同心度误差不大于1mm的空心试样1，对空心试样1进行择优筛选，淘汰同心偏差过大的试样，最优选择内外圆同心度误差不大于0.5mm的空心试样1；

步骤三、对二次取芯后的空心试样1的内壁进行表面处理，对二次取芯后的空心试样1的内壁进行表面处理包括依次进行抛光、切口和喷砂处理；使空心试样1的内壁表面粗糙度均一，模拟真实交界面特征；采用手工抛光的方法对空心试样1内壁进行处理，使用球面手工抛光器，球面手工抛光器的曲率半径比二次取芯后空心试样1内壁曲率半径小3mm，保证每个试样内壁粗糙程度相同或相近，必要时采用粗糙度检测仪进行筛选淘汰粗糙度差距过大的空心试样1，由于接触面的粗糙程度会影响岩石与砂浆界面的粘结程度，进而影响其界面的稳定性，为了减小误差，试样均使用相同程度的粗糙处理，在不影响其稳定性的前提下，尽量保持粗糙度的一致，必要时可采用粗糙度检测仪器进行筛选。

步骤四、对水泥砂浆2按照设计要求配料混合，并拌和均匀，水泥砂浆2中水泥、砂和水的配合比例为0.8-1.2:2.5-3.5:0.4-0.8，最佳的配比为1：3：0.6，即1重量水泥和3重量砂以及0.6重量的水配合；在此实施例中，进行水泥砂浆2的配合比设计，水泥使用P·O42.5级普通硅酸盐水泥和P·O 32.5级符合硅酸盐水泥，制样用砂选自武汉长江的河砂，细度模数2.3，属于中砂，配合比为1：3：0.6，即1重量水泥和3重量砂以及0.6重量的水配合，选用水泥、砂用量通过计算确定，用水量应适当根据试拌情况增加，并拌和均匀。考虑砂浆配合比对界面稳定性影响很大，在此过程要严格按规范计算相关骨料的用量；

步骤五、在对内壁进行表面处理后空心试样1的底部放置硬质塑料布，并用胶带固定形成模具，利用中空的空心试样1作为模具，然后对空心试样1中间的圆孔用步骤四中的水泥砂浆2进行浇筑，浇筑时使用漏斗浇筑应缓慢、均匀进行，并防止空心试样1上下表面处砂浆溢出，浇筑完成后，对空心试样1外表面进行抹平，并擦拭保持交界面砂浆的均匀分布。上表面覆盖并固定一层硬质塑料膜，砂浆浇筑后24小时，硬化拆模后得到岩石与砂浆组合试样。

在步骤五得到岩石与砂浆组合试样之后，将岩石与砂浆组合试样在水中进行养护，水桶中灌入足够体积的水，将浇注后空心试样1整体完全淹没水中，并置于水中养护3个月，使所述交界面处于较为稳定的状态，经过试验经验确定，该养护时间不应小于3个月。

本发明的方法能够能够用于对岩石与砂浆界面气体渗透特性进行研究，用于后期试验能够很好的结合实际的工程地质条件，模拟最佳的交界面状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的方法做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰、使用材料的变化均仍属于本发明的技术方案的范围内。