一種基於巖石‑砂漿界面氣體滲透試驗的巖石與砂漿組合試樣製備方法與流程

2023-04-30 02:35:06

本發明涉及一種巖石試樣製作方法，具體涉及一種基於巖石-砂漿界面氣體滲透試驗的巖石與砂漿組合試樣製備方法，該巖石與砂漿組合試樣可用於試驗研究不同溫度、滲流、應力以及化學環境多場耦合作用下巖石-砂漿界面氣體滲透特性。

背景技術：

目前高放廢物處置較為切實可行的方案是深地質處置，並通常採用「多重屏障系統」設計，將放射性廢物與外界環境進行永久隔離。其中工程屏障包括回填材料、水泥質填充材料及巷道混凝土襯裡，天然屏障指核廢料處置庫的主巖。

我國目前將甘肅北山花崗巖作為候選主巖。由於放射性物質的衰變放熱，地下處置場地的開挖與建造，以及地下水的存在，放射性廢物地下處置安全性研究必須考慮各種不同的工況。作為工程屏障的混凝土經過漫長的時間會衰退分解產生高鹼性溶解物，與地下水的接觸形成高鹼性孔隙水。在混凝土與花崗巖界面處，花崗巖中的二氧化矽在高鹼性環境下加速溶解，導致圍巖局部礦物組分的破壞，減弱天然屏障防護作用。核廢料在處置過程中會放出熱量，作為在較高地應力作用下的花崗巖體和混凝土屏障，由於高放廢物處置庫的開挖而引起的微裂隙及區域的破碎過程以及由此而引起的巖體滲透率、裂隙張開度及混凝土熱裂隙的出現，通過工程屏障的氣體最終會通過花崗巖地質屏障，發生滲漏。

針對核廢料地質處置圍巖和混凝土屏障結構的安全性問題，無法直接研究，通過製造模擬最真實的交界面狀態，可用於研究花崗巖裂隙及混凝土介質各自的多場耦合作用，同時也可用於對混凝土和花崗巖的接觸界面的物理、力學、化學及滲透性耦合作用進行試驗研究，對於提高圍巖和混凝土屏障結構的安全性以及我國能源的可持續發展具有重要的科學價值和實際意義。

技術實現要素：

本發明的目的就是要研究巖石與砂漿界面的氣體滲透特性以用於上述的工程背景中，提供一種可以用於不同圍壓、滲透壓、溫度、溼度以及酸鹼度條件下滲透性研究的特殊試樣，它是一種更為全面，更好地模擬了實際工程環境的實驗試樣。

本發明的內容為：一種基於巖石-砂漿界面氣體滲透試驗的巖石與砂漿組合試樣的製備方法，通過以下技術措施實現：步驟1，初始巖石試樣的製備；步驟2，對巖石進行二次取芯得到中空的特殊巖石試樣；步驟3，對取芯後的試樣內壁進行粗糙度處理；步驟4，進行水泥砂漿的配合比設計，拌合砂漿；步驟5，砂漿澆築；步驟6，對試樣進行養護，試樣整體置於水中養護足夠的時間使其處於穩定狀態。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：

一種基於巖石-砂漿界面氣體滲透試驗的巖石與砂漿組合試樣製備方法，其特徵在於：包括步驟：

步驟一、初始的巖石試樣製備，對花崗巖巖體中進行切割、鑽芯、磨平得到巴西盤圓柱體試樣；

步驟二、二次鑽芯，在巴西盤圓柱體試樣上進行二次取芯，得到中間有圓孔的空心試樣；

步驟三、對二次取芯後的空心試樣的內壁進行表面處理，使空心試樣的內壁表面粗糙度均一，模擬真實交界面特徵；

步驟四、對水泥砂漿按照設計要求配料混合，並拌和均勻；

步驟五、在對內壁進行表面處理後空心試樣的底部放置硬質塑料布，並用膠帶固定形成模具，然後對空心試樣中間的圓孔用步驟四中的水泥砂漿進行澆築，澆築應緩慢、均勻進行，並防止空心試樣上下表面處砂漿溢出，澆築完成後，對空心試樣外表面進行抹平，上表面覆蓋並固定一層硬質塑料膜，硬化拆模後得到巖石與砂漿組合試樣。

作為改進，在步驟五得到巖石與砂漿組合試樣之後，將巖石與砂漿組合試樣在水中進行養護，以保證其整體穩定性，養護時間為3～6個月。

作為優選，步驟二中，在巴西盤圓柱體試樣上進行二次取芯採用水切法，所述水切法是採用數控工具機的水刀，水刀所用水中摻金剛砂加壓至360mpa以上切割，得到空芯試樣的內外圓形的同心度偏差不大於1mm。

作為優選，步驟三中、對二次取芯後的空心試樣的內壁進行表面處理包括依次進行拋光、切口和噴砂處理。

作為優選，採用手工拋光的方法對空心試樣內壁進行處理，使用球面手工拋光器，球面手工拋光器的曲率半徑比二次取芯後空心試樣內壁曲率半徑小3mm，保證每個試樣內壁粗糙程度相同或相近，必要時採用粗糙度檢測儀進行篩選淘汰粗糙度差距過大的空心試樣。

作為優選，步驟四中，水泥砂漿中水泥、砂和水的配合比例為0.8-1.2:2.5-3.5:0.4-0.8。

作為優選，製備巴西盤圓柱體試樣使用的設備為巖石切割機型號為jkcb-300型巖石切割機，二次取芯鑽孔機型號為yn30e型巖石鑽孔機，對空心試樣內壁拋光採用的是scm-200巖石雙端面磨平機。

本發明的有益效果是：

採用本發明方法製成的巖石與砂漿組合試樣，能夠用於對巖石與砂漿界面氣體滲透特性進行研究，能夠很好的結合實際的工程地質條件，模擬最佳的交界面狀態。另外，本發明製成的巖石與砂漿組合試樣還能夠適用於不同圍壓、滲透壓、溫度、溼度、等不同條件作用下的巖石-砂漿界面氣體滲透特性研究，對於提高圍巖和混凝土屏障結構的安全性以及我國能源的可持續發展具有重要的科學價值和實際意義。

附圖說明

圖1為本發明巖石與砂漿組合試樣的製備方法流程圖。

圖2是二次取芯後空芯試樣示意圖。

圖3是巖石與砂漿組合試樣俯視圖。

1-空心試樣，2-水泥砂漿，3-巖石-砂漿界面。

具體實施方式

下面結合附圖和本發明一較佳實施例對本發明作進一步的詳細說明。

一種基於巖石-砂漿界面氣體滲透試驗的巖石與砂漿組合試樣製備方法，包括步驟：

步驟一、初始的巖石試樣製備，選自甘肅北山花崗巖，屬於芝麻白系列，其礦物成分主要有鈉長石(naalsi3o8)，鉀長石(kalsi3o8)，石英(sio2)等，花崗巖巖塊進行通過切割，鑽芯，磨平，製取得到的常規滲透試驗用50mmx25mm的巴西盤圓柱體試樣，試樣在常溫下保存，並保持潔淨乾燥；

步驟二、二次鑽芯，在巴西盤圓柱體試樣上進行二次取芯，得到中間有圓孔的空心試樣1，在巴西盤圓柱體試樣上進行二次取芯採用水切法，所述水切法是採用數控工具機的水刀，水切割機型號為zx50c，水切過程使用數控工具機操控，其切割精度可達到0.5mm，用水摻金剛砂加壓至360mpa以上，從一根0.8mm的噴嘴裡噴出進行切割，將數據輸入電腦，數位化控制切割過程，提高了效率，縮短了制樣周期。由此得到內外圓同心度誤差不大於1mm的空心試樣1，對空心試樣1進行擇優篩選，淘汰同心偏差過大的試樣，最優選擇內外圓同心度誤差不大於0.5mm的空心試樣1；

步驟三、對二次取芯後的空心試樣1的內壁進行表面處理，對二次取芯後的空心試樣1的內壁進行表面處理包括依次進行拋光、切口和噴砂處理；使空心試樣1的內壁表面粗糙度均一，模擬真實交界面特徵；採用手工拋光的方法對空心試樣1內壁進行處理，使用球面手工拋光器，球面手工拋光器的曲率半徑比二次取芯後空心試樣1內壁曲率半徑小3mm，保證每個試樣內壁粗糙程度相同或相近，必要時採用粗糙度檢測儀進行篩選淘汰粗糙度差距過大的空心試樣1，由於接觸面的粗糙程度會影響巖石與砂漿界面的粘結程度，進而影響其界面的穩定性，為了減小誤差，試樣均使用相同程度的粗糙處理，在不影響其穩定性的前提下，儘量保持粗糙度的一致，必要時可採用粗糙度檢測儀器進行篩選。

步驟四、對水泥砂漿2按照設計要求配料混合，並拌和均勻，水泥砂漿2中水泥、砂和水的配合比例為0.8-1.2:2.5-3.5:0.4-0.8，最佳的配比為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；在此實施例中，進行水泥砂漿2的配合比設計，水泥使用p·o42.5級普通矽酸鹽水泥和p·o32.5級符合矽酸鹽水泥，制樣用砂選自武漢長江的河砂，細度模數2.3，屬於中砂，配合比為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，選用水泥、砂用量通過計算確定，用水量應適當根據試拌情況增加，並拌和均勻。考慮砂漿配合比對界面穩定性影響很大，在此過程要嚴格按規範計算相關骨料的用量；

步驟五、在對內壁進行表面處理後空心試樣1的底部放置硬質塑料布，並用膠帶固定形成模具，利用中空的空心試樣1作為模具，然後對空心試樣1中間的圓孔用步驟四中的水泥砂漿2進行澆築，澆築時使用漏鬥澆築應緩慢、均勻進行，並防止空心試樣1上下表面處砂漿溢出，澆築完成後，對空心試樣1外表面進行抹平，並擦拭保持交界面砂漿的均勻分布。上表面覆蓋並固定一層硬質塑料膜，砂漿澆筑後24小時，硬化拆模後得到巖石與砂漿組合試樣。

在步驟五得到巖石與砂漿組合試樣之後，將巖石與砂漿組合試樣在水中進行養護，水桶中灌入足夠體積的水，將澆注後空心試樣1整體完全淹沒水中，並置於水中養護3個月，使所述交界面處於較為穩定的狀態，經過試驗經驗確定，該養護時間不應小於3個月。

本發明的方法能夠能夠用於對巖石與砂漿界面氣體滲透特性進行研究，用於後期試驗能夠很好的結合實際的工程地質條件，模擬最佳的交界面狀態。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明的方法做任何形式上的限制。凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾、使用材料的變化均仍屬於本發明的技術方案的範圍內。