CN103454127B - 用于中小型固流耦合模型试验的相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于中小型固流耦合模型试验的相似材料及其制备方法，其采用的各原料组分重量百分比为：砂71.7%～79.2%，水泥2.4%～8.1%，高岭土2.4%～11.0%，凡士林2.0%～9.0%，水4.6%～6.7%，制备方法步骤：按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水；将砂、水泥、高岭土在搅拌机中搅拌形成第一混合材料，静置于25℃的室内；将水和凡士林置容器中搅拌均匀形成第二混合材料；将第一混合材料和第二混合材料在常温下搅拌3～5分钟形成第三混合材料，后入成型模具，夯实成型，脱模后在室温下放置24小时等步骤，其制备出的相似材料单轴抗压强度为0.3～0.8Mpa，弹性模量为130～223Mpa，渗透系数为7.45×10^-7～9.37×10^-5厘米/秒，粘聚力为54～87Kpa，摩擦角为34～46度，适用于模拟不同力学性能和渗透性的岩石的模型试验。

Description

用于中小型固流耦合模型试验的相似材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种耦合模型试验相似材料及其制备方法，尤其涉及一种用于中小型固流耦合模型试验的相似材料及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

目前，常见的地质力学模型试验相似材料领域的研究，一般局限在让材料遇水不发生崩解和如何提高抗压强度的问题这两个方面，由于忽略了材料制作过程中材料受温度影响导致力物理力学性质不稳定的问题，往往无法准确应用于固流耦合模型试验中。

以往的研究通常由于没有划定相似材料使用的条件，使得研究结果在大型的模拟实验中的实际效果不明显，并不能反映岩体在工程状态下的实际情况，缺乏代表性，因此也不是真正意义上的固流耦合相似模拟。

发明内容

本发明的目的是，提供一种适用于中小型的相似模拟试验的固流耦合模型试验相似材料及其制备方法，其不受制作温度影响，能较好地保持模型试验相似材料的物理和力学性质，制备出的模型试验相似材料同时满足固体变形和渗透性相似两个条件。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和蒸馏水的步骤；

将上述砂、水泥、高岭土在搅拌机中搅拌至混合均匀形成第一混合材料后静置于25℃的室内的步骤；

将上述蒸馏水和凡士林置于容器中搅拌均匀形成第二混合材料的步骤；

将第一混合材料与第二混合材料用搅拌机进行混合搅拌，常温下搅拌3～5分钟形成第三混合材料的步骤；

将第三混合材料放入成型模具，夯实成型的步骤；

将脱模后的成型材料在室温下放置24小时的步骤。

上述各原料组分的重量比为：砂71.7%～79.2%，水泥2.4%～8.1%，高岭土2.4%～11.0%，凡士林2.0%～9.0%，水4.6%～6.7%。

上述各原料组分的重量比优选为：砂75%，水泥5.5%，高岭土5.5%，凡士林7.5%，水6.5%。

优选方式之一，上述砂的粒径小于6mm；

优选方式之一，上述水泥强度等级为32.5Mpa；

优选方式之一，上述高岭土为4000目高岭土，其二氧化硅含量为45%；

该高岭土的平均膨胀率为28.5%。

优选方式之一，上述凡士林为工业级凡士林。

上述制备方法制备出的固流耦合模型试验的相似材料，其单轴抗压强度为0.3～0.8Mpa，弹性模量为130～223Mpa，渗透系数为7.45×10^-7～9.37×10^-5厘米/秒，粘聚力为54～87Kpa，摩擦角为34～46度。

为更好地理解本发明，现从理论上作进一步的分析与说明如下：

固流耦合相似材料在突水试验中，由于受高承压水影响，在受突水通道变化的影响下，固流耦合相似材料的脆性变化往往比较明显，且与实际岩石力学性质受高围压影响导致力学性质由脆性向延性发生变化的规律存在不相符或不一致。

为使固流耦合模型试验相似材料与实际岩石在力学性质和变化规律上具备较好的相似性和一致性，本发明通过在制备材料中引入高岭土，利用高岭土良好的膨胀性，特别是其在高压水条件下产生一定的体积膨胀的性质，进而使相似材料在固流耦合模型试验中能够将试验装置的边界压实，从而阻止水的溢出；同时高岭土加水后形成具有一定延性的软泥，使材料内部的突水通道进一步受到挤压，以提高相似材料的抗破坏能力；

上述固流耦合模型试验相似材料制备原料中，由于引入了砂、水泥和凡士林成分，制得的固流耦合模型试验相似材料渗透系数较高；而高岭土成分具有较好地膨胀性和可塑性，并且高岭土成分遇水后将形成渗透性较差的小颗粒，这些小颗粒充满在相似材料内部透水通道；通过调节高岭土的含量进而可大范围调节材料的渗透系数，因而使得制备出的固流耦合模型试验相似材料具有更贴近实际岩石受水作用力学性质变化的规律的物理力学特性。

实验证明，采用本发明的固流耦合模型试验相似材料制备方法制备出的固流耦合模型试验相似材料，其与实际岩石力学性质受高围压影响导致力学性质由脆性向延性发生变化的规律具有较好的近似性和一致性，适用于模拟不同力学性能和渗透性的岩石的模型试验，尤其适用于中小型的原岩相似模拟试验。

采用上述技术方案制备出的固流耦合模型试验相似材料，其抗压强度和渗透性模拟范围广泛，其单轴抗压强度可达0.3～0.8Mpa，渗透系数可达2.87×10^-7～9.37×10^-5厘米/秒。

采用上述技术方案制备出的固流耦合模型试验相似材料主要参数如表1，在单轴抗压条件下相似材料的应力-应变曲线如附图1，在不同时间点对相似材料测量的渗透系数曲线如附图2。

附图说明

图1为本发明的固流耦合模型试验相似材料在单轴抗压条件下的应力应变曲线；

图2为本发明的固流耦合模型试验相似材料在不同时间点测量的渗透系数曲线。

具体实施方式

下面将结合具体实验对本发明作进一步的清楚完整的说明：

原料来源：本实验所用的砂，粒径小于6mm；水泥的强度等级为32.5Mpa；高岭土选用二氧化硅的含量为45%的4000目高岭土，凡士林选用工业级凡士林；水使用蒸馏水；实验温度为室温25℃。

一、相似材料单轴抗压强度的测量：

实验仪器：材料试验机、游标卡尺。

试验原理：

试件的应力：F为试件破坏载荷，N；S为试件底面积m²；Rc为单轴抗压强度，Pa；

试件的应变：△x为单轴压缩位移变化量，mm；L为试件原始长度，mm；ε为试件应变；

通过测量的材料应力应变绘制材料应力-应变曲线。

试验方法及步骤：

用游标卡尺测量成型后在室温下放置24小时的材料的高和地面直径；

将试件置于试验机承压板中心，调整球形座，使试件两端面接触均匀；

以每秒0.2mm的速度加荷直至破坏，记录破坏荷载及加载过程中出现的现象；

试验结束后，记录试件的破坏形态，导出试验数据，绘制应力-应变曲线。

二、相似材料渗透系数的测量：

实验仪器：用于测量固液耦合相似材料渗透系数测量仪。

试验原理：

$K=\frac{\mathrm{aL}}{\mathrm{At}}\ln \frac{{\mathrm{\Δh}}_1}{{\mathrm{\Δh}}_2}$

式中：K为渗透系数，cm/s；a为玻璃管断面积，mm²；A试样断面积，mm²；L为试样长度，cm；Δh₁为起始水头差，cm；Δh₂为时间t后终了水头差，cm。

试验方法及步骤：

将试件置于水中浸泡48h，达到饱和状态；

把浸泡好的标准试件放入模具，把水从漏斗中导入导管内，平卧模具并打开放气孔直至放完模具内的空气，将装置放置一段时间直至有水从材料表面渗出；

测量时模具顶部倒满水，导水管加入一定量的水，通过刻度尺记录导水管水位与模具水位的高度差Δh₁,经过一段时间t后水从模具的导水槽溢出，记录Δh₂；

测量多个时间段的K值，最后取平均值。

实施例1

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂750克，水泥60克，高岭土65克，凡士林70克，水55克；

实验结果：单轴抗压强度为0.6Mpa，渗透系数为3.87×10^-6厘米/秒；弹性模量为178Mpa，粘聚力为76Kpa，摩擦角45度。

实施例2

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂792克，水泥50克，高岭土55克，凡士林55克，水48克；

实验结果：单轴抗压强度为0.5Mpa，渗透系数为9.37×10^-5厘米/秒；弹性模量为144Mpa，粘聚力为67Kpa，摩擦角40度。

实施例3

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂717克，水泥81克，高岭土110克，凡士林44克，水48克；

实验结果：单轴抗压强度为0.4Mpa，渗透系数为8.54×10^-6厘米/秒；弹性模量为130Mpa，粘聚力为56Kpa，摩擦角34度。

实施例4

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂735克，水泥45克，高岭土75克，凡士林85克，水60克；

实验结果：单轴抗压强度为0.8Mpa，渗透系数为8.56×10^-7厘米/秒；弹性模量为203Mpa，粘聚力为87Kpa，摩擦角47度。

实施例5

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂760克，水泥60克，高岭土24克，凡士林90克，水66克；

实验结果：单轴抗压强度为0.5Mpa，渗透系数为8.64×10^-5厘米/秒；弹性模量为198Mpa，粘聚力为54Kpa，摩擦角35度。

实施例6

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂770克，水泥54克，高岭土110克，凡士林20克，水46克；

实验结果：单轴抗压强度为0.3Mpa，渗透系数为7.37×10^-5厘米/秒；弹性模量为130Mpa，粘聚力为40Kpa，摩擦角41度。

实施例7

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂780克，水泥24克，高岭土96克，凡士林50克，水50克；

实验结果：单轴抗压强度为0.6Mpa，渗透系数为5.37×10^-6厘米/秒；弹性模量为223Mpa，粘聚力为78Kpa，摩擦角36度。

实施例8

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水，总重量为1000克，各组分重量分别为：砂750克，水泥50克，高岭土60克，凡士林78克，水62克；

实验结果：单轴抗压强度为0.7Mpa，渗透系数为7.45×10^-7厘米/秒；弹性模量为189Mpa，粘聚力为87Kpa，摩擦角46度。

上述实施例1-8的实验结果如下表；

从上表中，可以看出，制备出的相似材料单轴抗压强度为0.3～0.8Mpa，弹性模量为130-223Mpa，渗透系数为7.45×10^-7～9.37×10^-5厘米/秒，粘聚力为54-87Kpa，摩擦角为34-46度。

图1为本发明的固流耦合模型试验相似材料在单轴抗压条件下的应力-应变曲线，示出了本发明的固流耦合模型试验相似材料在自然状态和水中浸泡状态1-3天，其在单轴抗压条件下的应力与应变变化的规律；

图2为不同时间点对固流耦合模型试验相似材料测量的渗透系数曲线，该曲线图示出了本发明的固流耦合模型试验相似材料的渗透系数，从初始的峰值至20000秒左右之后，基本趋于稳定的变化规律。

Claims (7)

1.一种用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和水的步骤；

将上述砂、水泥、高岭土在搅拌机中搅拌至混合均匀形成第一混合材料后静置于25℃的室内的步骤；

将上述水和凡士林置于容器中搅拌均匀形成第二混合材料的步骤；

将第一混合材料与第二混合材料用搅拌机进行混合搅拌，常温下搅拌3～5分钟形成第三混合材料的步骤；

将第三混合材料放入成型模具，夯实成型的步骤；

将脱模后的成型材料在室温下放置24小时的步骤；

各原料组分重量百分比为：砂71.7％～79.2％，水泥2.4％～8.1％，高岭土2.4％～11.0％，凡士林2.0％～9.0％，水4.6％～6.7％。

2.根据权利要求1所述的用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，所述砂的粒径小于6mm。

3.根据权利要求1所述的用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，所述水泥的强度等级为32.5Mpa。

4.根据权利要求1所述的用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，所述高岭土为4000目高岭土，其二氧化硅含量为45％。

5.根据权利要求1所述的用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，所述凡士林为工业级凡士林。

6.根据权利要求1所述的用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，所述水为蒸馏水。

7.根据权利要求1所述的制备方法制备出的固流耦合模型试验的相似材料，其特征在于，单轴抗压强度为0.3～0.8Mpa，弹性模量为130～223Mpa，渗透系数为7.45×10^-7～9.37×10^-5厘米/秒，粘聚力为54～87Kpa，摩擦角为34～46度。