CN102390961A - 用于模拟岩体的地质力学模型相似材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的用于模拟岩体的地质力学模型相似材料按质量份计是由以下组分构成：重晶石粉100份，水泥0.5-7份，水0.5～1.5份，半精炼石蜡2-6份，32号液压机油2-6份经混合构成，且该材料制成容重为28kN/m3、尺寸为10cm×10cm×10cm的试样测得的变形模量为29.5～109.1MPa，抗压强度为0.33～1.21MPa；将该材料制成容重为24kN/m3、尺寸为10cm×10cm×5cm的试样测得的变形模量为26.4～94.7MPa，抗压强度为0.30～1.02MPa。本发明还公开了该材料的制备方法。由于本发明提供的岩体模拟材料中不仅因同时含有水泥、水、石蜡和液压机油，因而可方便地通过调节各自的掺入量来使岩体模拟材料的抗压强度和变形模量在较大范围内变化，以满足模拟不同性能岩体的需要，且制备过程简单，耗能低，效率高，成本低。
Description
技术领域
本发明属于地质力学模型试验用材料及制备技术领域，具体涉及一种用于模拟岩体的地质力学模型相似材料及其制备方法。
背景技术
由于近代生产建设及科学技术的发展，越来越多的建筑物，如大坝、厂房、隧洞、地下电站等都需要修建在具有复杂地质构造的岩基上或者岩体内，因而使这类建筑物的抗滑稳定、基础变形对建筑物结构的影响等问题成为了地质力学模型试验所研究的主要内容。
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，试验的主要目的是研究各种建筑物在外荷载作用下的的极限承载能力、破坏形态、破坏机理和变形分布特性。地质力学模型试验的研究内容不仅限于已知荷载下的某一状态，更重要的是研究在渐增荷载作用下直至破坏的整个变化过程，它采用真实的物理实体，在满足材料相似，尤其是在力学相似条件下，能真实反映地质构造与工程建筑之间的关系，能模拟工程建筑对岩体所产生的影响，且能更直观地显示出工程建筑对岩体影响以及岩体变形变形对建筑物结构的影响所产生的结果。因此，在地质力学模型试验研究过程中，满足物理力学性能相似关系的模型材料是模型试验的基础，是模型试验是否成功的关键。
目前，我国正在建设和即将兴建的水电工程地域中的地质构造复杂，影响整体稳定的不同类别的岩体性能差异较大，因此在地质力学模型试验研究过程中，需要制备出满足相似关系的模型材料来模拟不同性能的岩体，以了解工程建筑对岩体所产生的影响。
而目前正在使用的地质力学模型材料主要有以下几种：
1、以环氧树脂为胶凝剂的重晶石粉和石灰石的混合料【Oberti G，Fumagalli E.Static-geomechanical model of the Ridracoliarch-grabity dam，4th ISRM，1979】。此类材料由于具有较高的强度和和变形模量，因而主要用来模拟较完整、较坚硬的岩石。但这类材料在配制过程不仅存在需要高温固化，耗能的问题，且环氧树脂价格较贵，在固化过程中散发的有毒气体会危害人体健康。
2、武汉水利电力大学韩伯鲤研制的MIB材料【韩伯鲤，陈霞龄，宁一乐等。岩体相似材料的研究[J]。武汉水利电力大学学报，1997，30(2)：6-9】。该材料是以松香酒精溶液为胶结剂，加膜铁粉和加膜石英砂为粗骨料，重晶石粉为细骨料。文中虽称MIB材料具有高容重、高绝缘性和砌块易粘结、易干燥、可切割、原材料易得等优点，但根据该材料的组成来看，其不仅存在着诸如给铁粉、石英砂加膜带来的工艺复杂，使得制作成本增加，且还存在给铁粉加膜所用的氯丁胶粘剂中含有甲苯，会对人体产生毒害作用的问题。另外，在使用中铁粉外膜一旦脱落很容易生锈，影响材料性质的稳定性，容易导致试验失败等缺点。
3、清华大学研制的NIOS相似材料【马芳平，李仲奎，罗光福。NIOS模型材料及其在地质力学模型试验中的应用，水力发电学报，2004，23(1)：48-51】。该模型材料中含有主料磁铁矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂，不仅可以模拟较大的容重，其弹性模量和抗压强度等主要力学指标可以在较大的范围内进行调整，配制也比较方便，而且其物理化学性质稳定，成本低廉，没有毒性，对操作人员的身体健康和环境也没有危害。但从其实验给出的弹性模量与胶凝材料含量关系曲线中可看出，在加石膏粘结剂的条件下，所制备试件的弹性模量最小值都在80MPa，很显然，如果粘结剂采用水泥的话，还会大幅度地提高试件的最小弹性模量值。而在地质力学模型试验中，根据不同岩体的相似比要求，常常需要制备模拟材料的弹性模量在80Mpa以下的，因而该技术方案不能满足模拟不同性能岩体的需要，尤其是无法制备出弹性模量在80Mpa以下的相似材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述模型材料的缺点，提供一种新的、强度和变形模量可在较大范围内变化的且可用于模拟岩体的地质力学模型相似材料。
本发明的另一目的是提供一种上述可用于模拟岩体的地质力学模型相似材料的制备方法。
本发明提供的用于模拟岩体的地质力学模型相似材料按质量份计是由以下组分构成：
其中重晶石粉的粒径为200目，且将该材料制成容重为28KN/m3、尺寸为10cm×10cm×10cm的试样测得的变形模量为29.5～109.1MPa，抗压强度为0.33～1.21MPa；将该材料制成容重为24KN/m3、尺寸为10cm×10cm×5cm的试样测得的变形模量为26.4～94.7MPa，抗压强度为0.30～1.02MPa。
上述水泥优选标号为425、525或625的硅酸盐水泥；半精炼石蜡优选熔点为54-60℃的。
本发明提供的制备上述可用于模拟岩体的地质力学模型相似材料方法的工艺步骤和条件如下：
1)先将100份粒径为200目的重晶石粉和2-6份半精炼石蜡混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温；
2)将2-6份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；
3)将0.5-7份水泥加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；
4)最后将0.5～1.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可，
以上各物料的份数均为质量份。
上述方法中所用的水泥优选标号为425、525或625的硅酸盐水泥；半精炼石蜡优选熔点为54-60℃的。
使用时，先按容重和单块体积尺寸将以上材料称重，然后放入模具中夯压成型，成型后在室内自然干燥21天后进行力学性能测试，符合要求即可作为地质力学模型试验的相似材料使用。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、由于本发明提供的岩体模拟材料中同时含有水泥、水和石蜡，其中水泥虽然本身并不具备粘结特性，但是水泥和水反应生成的水化产物，如水化硅酸钙，水化铁酸钙等，却具有较高的强度和胶凝特性，该特性使得水泥在整个材料的组成中，成为了影响抗压强度和变形模量的最敏感性组分，并为材料贡献着较高的抗压强度和变形模量，而石蜡的粘结特性与水泥水化产物的粘结特性相比要低的多，因此可以通过调节水泥、水和石蜡的掺入量来使岩体模拟材料的抗压强度和变形模量在较大范围内变化，以满足模拟不同性能岩体的需要。
2、由于本发明提供的岩体模拟材料中还使用了具有润滑特性的32号液压机油，而该机油可降低材料的抵抗变形能力，因而可以通过调节其加入量来进一步方便地调节材料变形模量，使所得材料更容易满足模拟性能差异较大的不同岩体的需要。
3、由于本发明材料中所使用的各组成不易受外界环境影响，因而使所得材料在自然条件下的物理力学性能能够保持稳定，不至于因组成的原因导致材料在试验过程发生变化而影响试验结果，是一种较理想的岩体模型材料。
4、由于本发明所用原材料来源广泛，且无毒副作用，因而所得材料在制备和使用中都不会对人体造成伤害。
5、由于本发明方法的制备过程简单，且只对原料进行常规的烘干，其它制备都是在室温下进行混合，因而耗能低，制备效率高，成本低。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，且该领域的技术熟练人员根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
另外，值得说明的是，1)以下实施例各物料的份数均为质量份；2)以下实施例1～9所得材料的抗压强度和变形模量值是将该材料制成容重为28KN/m3、尺寸为10cm×10cm×10cm的试样测得的；而实施例10～17所得材料的抗压强度和变形模量值是将该材料制成容重为24KN/m3、尺寸为10cm×10cm×5cm的试样测得的。
实施例1
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为54℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥7份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为1.17MPa，变形模量为108.2MPa。
实施例2
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为54℃的半精炼石蜡2份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.33MPa，变形模量为29.5MPa。
实施例3
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为54℃的半精炼石蜡6份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将0.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.79MPa，变形模量为52.2MPa。
实施例4
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为58℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥3份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.69MPa，变形模量为64.1MPa。
实施例5
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为58℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥0.5份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.38MPa，变形模量为35.6MPa。
实施例6
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为58℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将2份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.71MPa，变形模量为50.4MPa。
实施例7
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为58℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将6份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.50MPa，变形模量为33.2MPa。
实施例8
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为60℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为525的水泥7份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为1.21MPa，变形模量为109.1MPa。
实施例9
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为60℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为525的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.61MPa，变形模量为41.9MPa。
实施例10
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为54℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥7份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为1.02MPa，变形模量为94.7MPa。
实施例11
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为54℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥0.5份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.30MPa，变形模量为30.8MPa。
实施例12
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为56℃的半精炼石蜡2份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为525的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.37MPa，变形模量为26.4MPa。
实施例13
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为56℃的半精炼石蜡6份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为525的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.66MPa，变形模量为43.8MPa。
实施例14
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为56℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将6份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为525的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.41MPa，变形模量为29.OMPa。
实施例15
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为60℃的半精炼石蜡2份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为625的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.39MPa，变形模量为26.7MPa。
实施例16
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为60℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为625的水泥3份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将1.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.62MPa，变形模量为55.3MPa。
实施例17
先将100份粒径为200目的重晶石粉和熔点为60℃的半精炼石蜡4份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将2份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为625的水泥1份加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将0.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。
该材料的抗压强度为0.72MPa，变形模量为45.5MPa。
Claims (6)
1.一种用于模拟岩体的地质力学模型相似材料，该材料按质量份计是由以下组分构成：
其中重晶石粉的粒径为200目，且将该材料制成容重为28KN/m3、尺寸为10cm×10cm×10cm的试样测得的变形模量为29.5～109.1MPa，抗压强度为0.33～1.21MPa；将该材料制成容重为24KN/m3、尺寸为10cm×10cm×5cm的试样测得的变形模量为26.4～94.7MPa，抗压强度为0.30～1.02MPa。
2.根据权利要求1所述的用于模拟岩体的地质力学模型相似材料，该材料中的水泥为标号425、525或625的硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1或2所述的用于模拟岩体的地质力学模型相似材料，该材料中的半精炼石蜡的熔点为54-60℃。
4.一种权利要求1所述的用于模拟岩体的地质力学模型相似材料的制备方法，该方法的工艺步骤和条件如下：
1)先将100份粒径为200目的重晶石粉和2-6份半精炼石蜡混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温；
2)将2-6份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和半精炼石蜡混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；
3)将0.5-7份水泥加入到重晶石粉、半精炼石蜡和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；
4)最后将0.5～1.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可，
以上各物料的份数均为质量份。
5.根据权利要求4所述的用于地质力学模型试验的岩体相似材料的制备方法，该方法中所用的水泥为标号425、525或625的硅酸盐水泥。
6.根据权利要求4或5所述的用于地质力学模型试验的岩体相似材料的制备方法，该方法中所用的半精炼石蜡的熔点为54-60℃。
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