本文的主要作者为Meng Wang、Bing Chen、Jiwei Xu、Yu’an Gong、Xinyi Gao、Xuekai Li、Mengtian Li及Rentai Liu，研究单位包括山东大学土木工程学院、山东大学岩土与结构工程研究中心及山东大学齐鲁交通学院。该研究发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上，论文于2024年5月7日投稿，2024年8月22日收到修改稿，2024年9月14日接受，并于2025年正式在线发表。

本研究属于深部岩体工程与地下能源储存交叉领域，主要关注废弃煤矿改建压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage, CAES）设施中混凝土封堵结构与围岩之间界面的气体渗透演化问题。压缩空气储能技术为风电、光伏等可再生能源的大规模利用提供了新的路径，而地下储气空间是CAES电站能否成功建设的关键环节。废弃煤矿巷道具备良好的稳定性、配套基础设施以及较低的改造成本，因此被认为是未来CAES技术发展的重要方向。然而，在频繁的充气、储气、放气循环过程中，混凝土封堵体与围岩之间的界面可能发生张开、闭合和疲劳损伤，成为高压气体泄漏的主要通道。此前关于岩—混凝土界面在高应力循环条件下渗透性演化规律的研究较少，尤其是对高压气体渗流过程中瞬时流量变化及界面微观结构演变的认识仍不清晰。该研究的目标是通过室内氮气渗透试验和CT扫描分析，揭示循环荷载作用下岩—混凝土界面的渗透性演化机制，为废弃煤矿高压储气库的长期安全运行提供理论依据。

研究工作的详细流程可分为试样制备、循环荷载渗透试验、CT扫描以及数据分析四个主要环节。试验所用的岩石材料取自山东莱芜煤田鄂庄煤矿，包括中粒砂岩、细粒砂岩和石灰岩，混凝土为C45等级。研究者将岩块加工为直径50 mm、高100 mm的标准圆柱试样，再沿纵向切割成两个半圆柱体，用于模拟岩—混凝土界面的非胶结接触状态。对于胶结界面试样，研究者对岩石切割面进行了不同规格的凹槽加工，分别设置为2×4和3×6两种粗糙度规格，凹槽宽度与深度均为3 mm。粗糙度通过灌砂法进行量化，2×4规格界面粗糙度为0.61~0.80 mm，3×6规格界面粗糙度为0.88~1.03 mm。加工后的岩石半圆柱体被放入圆柱模具中，另一侧浇筑C45混凝土，形成胶结界面试样，并在标准养护条件下养护28天。制备完成后，利用立式显微镜对试样表面接缝状态进行初步筛选。

渗透试验采用自主研发的三轴岩心渗透测试系统进行，该系统包括岩心夹持器、轴压系统、围压系统、渗流系统和监测系统，最大注入压力为25 MPa，能够独立控制轴压与围压加载，并可实现最高30 MPa的循环加载。试验气体为氮气，轴向压力设定为0.5 MPa，围压循环通过“应力下降—应力保持—应力增加—应力保持”的完整循环实现，加载和卸载速率为1 MPa/min，保载时间为10 min。针对界面缝隙小于100 μm的试样，设计围压循环范围为2.5~7.5 MPa、10~15 MPa和15~20 MPa，注入压力分别为0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa和2 MPa；对于缝隙大于100 μm的试样，围压循环范围为15~20 MPa和10~20 MPa，注入压力为0.2 MPa。在整个循环过程中持续记录流量和轴向位移变化，并根据达西定律计算渗透率。渗透率归一化采用初始渗透率为基准，以渗透率比值反映循环加载过程中界面渗透性的相对变化。CT扫描采用GE v|tome|x设备，最高分辨率为1 μm，扫描电压为130 kV，电流为150 mA，获得灰度图像像素尺寸为26 μm×26 μm。扫描在渗透试验前后分别进行，利用ImageJ软件对截面图像进行二值化处理并计算孔隙率，以对比循环加载前后界面内部孔隙、裂隙和胶结状态的变化。

试验结果显示，标准中粒砂岩和混凝土试样的渗透率在10⁻¹⁷ m²至10⁻¹⁶ m²量级，混凝土渗透率约为中粒砂岩的4~5倍。不同粗糙度的胶结界面渗透率随围压变化范围为10⁻¹³ m²至10⁻¹² m²，非胶结界面渗透率范围为10⁻¹² m²至10⁻¹¹ m²。在相同围压和气压条件下，标准岩石试样的渗透率比界面试样低3~5个数量级，说明高压气体首先从岩—混凝土接触面发生泄漏。随着注入压力增加，各类型界面的稳态流量近似线性增大；随着围压增大，界面渗透率逐渐减小。在相同粗糙度和外部应力条件下，界面胶结状态对渗透率的影响大于岩石类型的影响。对循环荷载试验结果的分析表明，在每个循环内，气体渗透率在围压卸载阶段增大，在加载阶段减小，但同一荷载水平下渗透率存在差异。在1~2 MPa注入压力条件下，每个循环后渗透率增加约0.5%~2%，且随着循环次数增加呈现近似线性增长趋势。在0.2 MPa注入压力下，渗透率在初始循环阶段先下降，随后随循环次数增加而逐渐增大。循环荷载范围越大，渗透率下降阶段持续越长，相同循环次数下增长率越小。当注入压力为0.5 MPa时，经过40次围压循环后，渗透率增加了约90%，渗透率比值随循环次数呈明显线性增加趋势。流量曲线的波动幅度主要受循环荷载范围控制，而初始流量大小主要受注入压力影响。

CT扫描结果显示，岩—混凝土界面存在大量不均匀分布的孔隙和裂隙，界面孔隙率在2.5%~4%之间，裂隙和孔隙面积约为45~75 mm²。试验后大多数界面裂隙宽度明显减小，孔隙率由3.17%下降至2.98%，孔隙面积范围变为45~70 mm²，裂隙沿试样长度分布更加均匀。虽然CT图像未观察到新裂隙生成，但局部界面位置仍存在孔隙与混凝土内部孔隙连通的现象。这表明循环围压使部分界面孔隙和裂隙闭合，改善了界面孔隙结构，但气体压力与应力耦合作用仍可能导致局部高压区域的存在，使下一循环时渗流通道重新打开，宏观表现为流量随循环次数增加而增大。此外，微小损伤的累积和颗粒重排也可能促使渗透率逐步上升。研究者指出，试验中循环次数和保载时间与实际CAES运行条件仍存在较大差距，且由于混凝土粗骨料和细骨料界面充填效果不均匀，试样不适用于10 MPa以上高压气体的渗透测试，后续研究将考虑采用纯水泥浆替代混凝土，并延长试样长度以更接近实际封堵结构。

该研究的主要结论包括：胶结界面渗透率在10⁻¹³~10⁻¹² m²量级，非胶结界面为10⁻¹²~10⁻¹¹ m²量级，高压气体优先从岩—混凝土接触面泄漏；循环围压作用下，界面渗透率整体随循环次数增加而增大，注入压力越高渗透率增长速度越快；循环荷载范围主要影响流量曲线的波动幅度，而注入压力影响初始流量大小；界面微观结构在循环加载后主要表现为孔隙和裂隙闭合，但局部仍存在气体压力与应力耦合引起的微裂纹扩展。该研究的创新点在于系统揭示了不同粗糙度和胶结状态下岩—混凝土界面在循环围压条件下的气体渗透演化规律，结合宏观渗透试验与CT微观扫描，阐明了循环荷载和气体压力耦合作用下界面渗透性增加的机制。研究成果为废弃煤矿改建压缩空气储能设施中混凝土封堵结构的设计与长期运行安全评价提供了重要的试验依据和理论支持。