一種用于地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗的巖體相似材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地質(zhì)力學(xué)模型試驗材料及制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于地質(zhì)力學(xué) 物理模型試驗的巖體相似材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們需要越來越多的建(構(gòu))筑物來滿足日 常生活的需求，如水電站、住宅、工業(yè)廠房、隧道等。在這些工程中有的需要在工程地質(zhì)條件 不良的地方修建，當(dāng)在面臨實際工程中的許多力學(xué)問題時，室內(nèi)地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗是 重要研究手段之一。
[0003] 模型試驗是一種按照一定的相似原理對特定的工程地質(zhì)問題進行縮尺試驗的研 究方法，目的是通過模型試驗來得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，再用以推測原型中可能發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象 和規(guī)律，從而解決實際工程問題。在模型試驗中運用相似材料來制作模型，因此是否能研制 出一種滿足物理力學(xué)性能相似關(guān)系的相似材料是模型試驗的基礎(chǔ)。
[0004] 相似材料是模型試驗成敗的關(guān)鍵，因此巖體相似材料的選擇應(yīng)該滿足以下要求：
[0005] 1)材料的主要物理力學(xué)性質(zhì)與模擬的巖體符合相似比；
[0006] 2)模擬試驗過程中材料的力學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定；
[0007] 3)改變材料配比可使材料力學(xué)性質(zhì)變動范圍較大，以適應(yīng)相似條件的需要；
[0008] 4)骨料應(yīng)選用性質(zhì)穩(wěn)定的大比重物質(zhì)，并按一定的級配組成，以使模型處于密實 狀態(tài)，獲得最大容重。
[0009] 5)原料來源廣泛，成本低廉，且凝固時間適宜，便于制作模型；
[0010] 6)材料比較環(huán)保，無毒，對人體健康無副作用。
[0011] 7)均質(zhì)、各向同性。
[0012] 目前，地質(zhì)力學(xué)模型實驗中巖體的相似材料開發(fā)研制較多，如以重晶石粉、石灰 石、環(huán)氧樹脂為材料的混合料；以加膜鐵粉、加膜石英砂、重晶石粉和松香酒精溶液為材料 的混合物；以磁鐵礦粉、河砂、石膏或水泥，水為材料的混合物；以不同粒徑級配的石英砂、 石膏、水泥和水為材料的混合物等，這些材料在模擬巖體的密度、抗拉壓強度方面比較成 熟，但對變形模量模擬方面卻一直缺乏，同時也存在適用范圍較窄，不能模擬ι-iv各類巖體 的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的提供一種用于地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗的巖體相似材料及其制備方 法可控制巖體變形模量，同時也能模擬Ι-IV各類巖體的地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗相似材料及 其配制工藝。
[0014] -種用于地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗的巖體相似材料，所述材料包括按重量份計的以 下組分：
[0015] 重晶石45-50份，水泥1.5-3.9份，水2.4-4.5份，46號廢液壓油1-5份，橡膠粉0.5- 1.5份。
[0016] 其中重晶石作為材料的骨料存在，為材料提供很強的抗壓強度;水泥和水反應(yīng)生 成的水化產(chǎn)物具有很強的粘結(jié)作用，可以作為膠凝材料，為材料提供較強的抗壓強度和變 形模量;利用橡膠粉主要可以調(diào)節(jié)材料的變形模量;46號廢棄液壓油可降低材料的抵抗變 形能力。
[0017] 優(yōu)選的，所述材料包括按重量份計的以下組分：
[0018] 重晶石46-48份，水泥1.7-3.6份，水2.8-4份，46號廢液壓油1-3份，橡膠粉1份。 [0019] 所述材料制成容重為25.5-26.7KN/V、尺寸為lOcmX 10cmX 10cm的試樣測得的變 形模量為25.1 -128.9Mpa，抗壓強度為0.13-1.04Mpa。
[0020] 所述重晶石粒徑< 5mm。
[0021] 選擇此粒徑范圍的重晶石有三個優(yōu)點，第一是在試驗中不需要篩選可以節(jié)省人 力；第二是能更好的使重晶石的表面與其他材料充分接觸;第三是能更好的滿足模型在整 體澆筑過程中對不同巖體模擬的需要，方便具體施工要求。
[0022]所述橡膠粉粒徑為80目。
[0023]選擇粒徑為80目的橡膠粉，是為了使材料整體具有更好的級配，以達到較高的密 實程度。另外，橡膠粉在材料成分中起到調(diào)節(jié)變形模量的作用，在大型模型整體澆筑過程 中，利用此種材料不需要二次處理，可以節(jié)約時間、方便施工。
[0024] 所述水泥為32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥。
[0025] 選擇此種水泥是因為其抗壓強度低，水化熱低（由于是整體澆筑，減小溫差應(yīng)力裂 縫的產(chǎn)生），和易性和耐熱性好。
[0026] 制作所述材料的方法，所述方法包括以下步驟：
[0027] 1)將重晶石、橡膠粉混合均勻，然后烘干除水，取出冷卻至室溫，得到物料1;
[0028] 2)將水泥加入到物料1中，繼續(xù)拌合均勻，得到物料2;
[0029] 3)將46號廢液壓油加入到物料2在，再拌合均勻得到物料3;
[0030] 4)將2.8-4份水加入到物料3中，攪拌均勻；
[0031]完成所述材料的制作。
[0032] 先將粒徑為80目的橡膠粉與重晶石混合，為了使橡膠粉附著在重晶石表面，再加 入水泥，使其附著在上述混合物的表面利于與水進行化學(xué)作用。先加46號廢液壓油然后再 加水，是為了防止加水后水和水泥產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致液壓油不能與材料均勻混合，影響材 料性質(zhì)。
[0033] 在應(yīng)用之前，先按質(zhì)量份比和單塊體積尺寸將以上材料稱重，然后放入模具中夯 壓成型，成型后在室內(nèi)自然干燥28天后進行力學(xué)性能測試，符合要求即可作為地質(zhì)力學(xué)模 型試驗的相似材料使用。
[0034] 本發(fā)明所提出的一種用于地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗的巖體相似材料及其制備方法， 有益效果如下：
[0035] 1、本發(fā)明提供的巖體模擬相似材料中同時含有水泥、水和橡膠粉，其中水泥雖然 本身并不具備粘結(jié)特性，但是水泥和水反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物，如水化硅酸鈣，卻具有較高的 強度和膠凝特性，該特性使得水泥在整個材料的組成中，成為了影響抗壓強度和變形模量 的最敏感性組分，并為材料貢獻著較高的抗壓強度和變形模量，適當(dāng)加入橡膠粉可有效的 降低材料抗壓強度和變形模量。因此可以通過調(diào)節(jié)水泥、水和橡膠粉的摻入量來使巖體模 擬材料的抗壓強度和變形模量在較大范圍內(nèi)變化，以滿足模擬不同級別巖體的需要；
[0036] 2、本發(fā)明提供的巖體模擬材料中還使用了具有潤滑特性的46號廢液壓油，而該液 壓油可降低材料的抵抗變形能力，因而可以通過調(diào)節(jié)其加入量來進一步方便地調(diào)節(jié)材料變 形模量與抗壓強度，以滿足模擬不同級別巖體的需要；
[0037] 3、本發(fā)明所使用的材料不易受外界環(huán)境影響，因此使所得相似材料在自然條件下 的物理力學(xué)性能能夠保持穩(wěn)定，是一種較理想的巖體模擬材料；
[0038] 4、本發(fā)明所用原材料來源廣泛，無毒副作用，且可以對廢料進行再利用，因而可以 提尚材料的利用率；
[0039] 5、本發(fā)明方法的制備過程簡單，其制備過程都是在常溫下進行混合，因而耗能低， 制備效率高，成本低；
[0040] 6、本發(fā)明材料制作的模型是整體澆筑的，方便施工需要；
[0041] 7、本發(fā)明選取的是重晶石，不需要大量的篩選，減少人力成本；
[0042] 8、本發(fā)明用的橡膠粉，能很好的調(diào)節(jié)材料的變形模量，不需要二次加工；
[0043] 9、本發(fā)明采用46號廢棄液壓油能廢料再利用，可以降低成本。
【具體實施方式】
[0044]下面結(jié)合實施例來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施 例表述的范圍。
[0045] 本發(fā)明材料的參數(shù)范圍如表1:
[0046] 表1:相似材料的參數(shù)范圍表
[0048] 實施例1
[0049] -種用于地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗的巖體相似材料按質(zhì)量份比： 重晶石 始份； 水泥 3.6份；
[0050] 水 4 份； 46號廢液壓油 2份； 橡膠粉 1份;
[0051] 先將46份粒徑為5_以下的重晶石和1份的橡膠粉混合均勻，然后于105°C下烘干3 小時除水，取出冷卻至室溫;將3.6份水泥加入到重晶石粉、橡膠粉的混合物中，繼續(xù)拌合均 勻;將2份46號廢液壓油加入到上述的混合物中再拌合均勻；最后將4份水加入到以上的混 合物中，再拌合均勻即可。
[0052] 該材料的容重為25.63KN/m3，抗壓強度為1.04Mpa，變形模量為128.9Mpa。
[0053] 實施例2
[0054] 一種用于地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗的巖體相似材料按質(zhì)量份比： 重晶石 46份；
[0055] 水泥 3.4份； 水 4份；
[0056] 46號廢液壓油 2份； 橡膠粉 1份；
[0057]先將46份粒徑為5mm以下的重晶石和