CN103604673B - 模型试验用可调流固耦合相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模型试验用可调流固耦合相似材料及其制备方法，由以下重量份比的原料组成：标准砂1份，碳酸钙0.05～0.16份，重晶石粉0.05～0.18份，水泥0.02～0.08份，水0.1～0.14份，硅油0～0.04份，氯化石蜡0.07～0.15份。标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀，加水搅匀，将氯化石蜡加热至45℃～60℃加入混料中，加入调节剂硅油，搅拌均匀。本发明能通过调节材料配比，在不影响材料的整体性质的前提下，可以调控水理性指标和力学性质指标，为模拟不同类别、不同渗透系数的岩体提供了可能；能在较大范围内调节相似材料的强度和渗透性，可模拟中、低强度的各类岩体。

Description

模型试验用可调流固耦合相似材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种模型试验用可调流固耦合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，多数学者采用地质力学模型试验来研究地下工程建设中遇到问题，进行施工过程力学规律的探索。但现在的地下工程模型试验存在明显的不足，现有技术中的相似材料大部分仅考虑物理力学相似，绝大多数相似材料会遇水崩解，无法应用到流–固耦合模型试验中。对于流–固耦合相似模型试验，主要存在两方面问题：①流–固耦合相似理论研究还不够成熟；②试验对相似材料要求较高，必须同时满足固体变形和渗透性两类相似条件，以往的流–固耦合相似材料注重解决材料的遇水崩解问题，忽略了对材料固体力学性质和水理性的有效控制，相似模拟度较差，不能反映岩体和水耦合作用下的实际情况，并不是真正的流–固耦合相似模拟因此，有必要对流–固耦合相似材料做进一步研究。

专利CN102557551A公开了一种用于模型试验的流-固耦合相似材料，由以下重量份的原料组成的：标准砂1份，重晶石粉0.05～0.15份，滑石粉0.05～0.15份，水泥0.05～0.125份，凡士林0.04～0.12份，硅油0～0.15份，拌合水0.05～0.1份。该专利的抗压强度及渗透系数可调范围小，适用范围小。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足而提供一种模型试验用可调流固耦合相似材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模型试验用可调流固耦合相似材料，由以下重量份比的原料组成：标准砂1份，碳酸钙0.05～0.16份，重晶石粉0.05～0.18份，水泥0.02～0.08份，水0.1～0.14份，硅油0～0.04份，氯化石蜡0.07～0.15份。

所述的模型试验用可调流固耦合相似材料，优选由以下重量份比的原料组成：标准砂1份，碳酸钙0.11份，重晶石粉0.08份，水泥0.06份，水0.13份，硅油0.02份，氯化石蜡0.14份。

所述标准砂的粒径小于6mm，且级配均匀；碳酸钙的粒径小于6μm；重晶石粉的细度为200目；水泥为抗压强度为32.5MPa的优质白色硅酸盐水泥。所述水为普通的饮用水。

所述硅油为常温下粘度1000cSt的甲基硅油。所述氯化石蜡类型为氯化石蜡52。

上述模型试验用可调流固耦合相似材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

7）室温下冷却3～5min，即得。

本发明选用标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥、水、硅油和氯化石蜡为组成成分，其中，水泥作为主要胶结剂，遇水粘结性好，同时随时间的推演可以发生缓慢的变化；重晶石粉、碳酸钙和标准砂作为骨料，主要是调节相似材料的重度，辅助调节材料的弹性模量，使相似材料满足相似原理的要求；氯化石蜡作为塑性胶结剂，主要是调节相似材料的渗透性以及强度和弹性模量；硅油作为调节剂，保证了材料的非亲水性，使材料中的拌合水能与水泥充分反应，降低材料对养护条件的要求，而且硅油可以实现在基本不影响材料力学性质的基础上，对材料的水理性指标进行调节，大大提高了材料水理性方面的相似模拟度，扩展了该流–固耦合相似材料的应用范围；调节重晶石粉、碳酸钙和标准砂的比重，可以调节材料的内摩擦角和粘聚力。本发明的流–固耦合模型试验相似材料，采用不亲水的胶凝材料，材料遇水不软化崩解，同时满足固体变形和渗透性相似等条件，不受温度和湿度条件影响。

材料主要参数范围如表1所示，在单轴抗压条件下的应力应变曲线如图1所示。

表1

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1.材料引入了常温常压下为浅黄色至黄色的透明粘稠状液体的氯化石蜡如氯化石蜡52，通过调节其在材料中的含量来调节材料的单轴抗压强度，与水泥起反向调节的作用，在水泥整体控制材料单轴抗压强度的同时，氯化石蜡52对材料的强度起辅助调节作用。与此同时，通过调整氯化石蜡52与材料中另一种成分硅油的比例，来调节材料的渗透性。

2.材料还引入了碳酸钙作为细骨料，与重晶石粉一起调节材料的重度与弹性模量，碳酸钙质轻，且化学性质稳定，可以在调节材料重度与弹性模量时不影响材料其他的力学特性和水理特性。

3.材料的主要参数“单轴抗压强度”和“渗透系数”可调节范围更大，单轴抗压强度变化范围为0.2～1.7Mpa，渗透系数变化范围是1.97×10^-3～8.96×10^-8cm/s，材料的两种主要技术参数可调控范围较之其他材料更广，可模拟的的岩石类型更多。

4.材料的配制过程中，先加入加热到45℃～60℃的氯化石蜡，再加入硅油，使材料在大规模拌制过程中搅拌更加均匀，同时也缩短了材料的拌制时间。

本发明能实现相似材料在水的作用下不会迅速发生软化崩解，而是随着时间的推演力学性质和渗流特性逐渐发生变化，模拟岩石材料在渗流作用下的流–固耦合特性；能通过调节材料配比，在不影响材料的整体性质的前提下，可以调控水理性指标和力学性质指标，为模拟不同类别、不同渗透系数的岩体提供了可能；能在较大范围内调节相似材料的强度和渗透性，可模拟中、低强度的各类岩体。

附图说明

图1为本发明材料的试样在单轴抗压条件下的全应力应变曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

本发明所用的碳酸钙的粒径一般为6μm；标准砂粒径小于6mm，且级配均匀；重晶石粉的细度为200目；硅油为常温下粘度1000cSt的甲基硅油；氯化石蜡为氯化石蜡52。

实施例1 制备模型试验用可调流固耦合相似材料

原料组成为：标准砂1份，碳酸钙0.11份，重晶石粉0.08份，水泥0.06份，水0.13份，硅油0.02份，氯化石蜡0.14份。

制备方法为：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量拌合水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃，使其粘度降低，易于搅拌；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

7）室温下冷却3min，即得模型试验用新型流固耦合相似材料。

该配比的相关参数：密度2.01g/cm³，抗压强度0.42MPa，抗拉强度0.05MPa，弹性模量35MPa，渗透系数3.14×10^-6cm/s。

所得材料在单轴抗压条件下的应力应变如图1所示。反应了试件在加载过程中随着荷载的增加，应变的变化过程，符合相似条件对相似材料的要求。

实施例2 制备模型试验用可调流固耦合相似材料

原料组成为：标准砂1份，碳酸钙0.07份，重晶石粉0.07份，水泥0.07份，水0.12份，硅油0.026份，氯化石蜡0.07份。

制备方法为：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量拌合水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃，使其粘度降低，易于搅拌；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

7）室温下冷却3min，即得模型试验用新型流固耦合相似材料。

该配比的相关参数：密度2.05g/cm³，抗压强度0.91MPa，抗拉强度0.11MPa，弹性模量90MPa，渗透系数4.43×10^-5cm/s。

实施例3 制备模型试验用可调流固耦合相似材料

原料组成为：标准砂1份，碳酸钙0.08份，重晶石粉0.07份，水泥0.06份，水0.12份，硅油0.032份，氯化石蜡0.14份。

制备方法为：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量拌合水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃，使其粘度降低，易于搅拌；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

7）室温下冷却3min，即得模型试验用新型流固耦合相似材料。

该配比的相关参数：密度2.07g/cm³，抗压强度0.59MPa，抗拉强度0.07MPa，弹性模量53MPa，渗透系数1.79×10^-7cm/s。

实施例4 制备模型试验用可调流固耦合相似材料

原料组成为：标准砂1份，碳酸钙0.08份，重晶石粉0.07份，水泥0.06份，水0.11份，硅油0.024份，氯化石蜡0.107份。

制备方法为：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量拌合水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃，使其粘度降低，易于搅拌；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

7）室温下冷却3min，即得模型试验用新型流固耦合相似材料。

该配比的相关参数：密度2.2g/cm3，抗压强度0.44MPa，抗拉强度0.05MPa，弹性模量100MPa，渗透系数5.79×10^-5cm/s。

实施例5 制备模型试验用可调流固耦合相似材料

原料组成为：标准砂1份，碳酸钙0.07份，重晶石粉0.06份，水泥0.05份，水0.12份，硅油0.02份，氯化石蜡0.09份。

制备方法为：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量拌合水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃，使其粘度降低，易于搅拌；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

7）室温下冷却3min，即得模型试验用新型流固耦合相似材料。

该配比的相关参数：密度2.3g/cm3，抗压强度0.21MPa，抗拉强度0.02MPa，弹性模量29MPa，渗透系数1.19×10^-4cm/s。

实施例6 制备模型试验用可调流固耦合相似材料

原料组成为：标准砂1份，碳酸钙0.07份，重晶石粉0.08份，水泥0.12份，水0.12份，硅油0.01份，氯化石蜡0.15份。

制备方法为：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量拌合水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃，使其粘度降低，易于搅拌；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

该配比的相关参数：密度2.4g/cm3，抗压强度1.44MPa，抗拉强度0.15MPa，弹性模量89MPa，渗透系数9.79×10^-8cm/s。

实施例7 制备模型试验用可调流固耦合相似材料

原料组成为：标准砂1份，碳酸钙0.09份，重晶石粉0.06份，水泥0.05份，水0.11份，硅油0.06份，氯化石蜡0.12份。

制备方法为：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量拌合水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃，使其粘度降低，易于搅拌；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

该配比的相关参数：密度2.4g/cm3，抗压强度0.54MPa，抗拉强度0.045MPa，弹性模量77MPa，渗透系数8.79×10^-4cm/s。

Claims (6)

1.一种模型试验用可调流固耦合相似材料，由以下重量份比的原料组成：标准砂1份，碳酸钙0.05～0.16份，重晶石粉0.05～0.18份，水泥0.02～0.08份，水0.1～0.14份，硅油0～0.04份，氯化石蜡0.07～0.15份。

2.根据权利要求1所述的一种模型试验用可调流固耦合相似材料，其特征是，由以下重量份比的原料组成：标准砂1份，碳酸钙0.11份，重晶石粉0.08份，水泥0.06份，水0.13份，硅油0.02份，氯化石蜡0.14份。

3.根据权利要求1或2所述的一种模型试验用可调流固耦合相似材料，其特征是，所述标准砂的粒径小于6mm，且级配均匀；碳酸钙的粒径小于6μm；重晶石粉的细度为200目。

4.根据权利要求1或2所述的一种模型试验用可调流固耦合相似材料，其特征是，所述硅油为常温下粘度1000cSt的甲基硅油。

5.根据权利要求1或2所述的一种模型试验用可调流固耦合相似材料，其特征是，所述氯化石蜡类型为氯化石蜡52。

6.权利要求1或2所述的模型试验用可调流固耦合相似材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

1）按比例称取标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥；

2）将称量好的标准砂、碳酸钙、重晶石粉、水泥等四种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）称量水，加入步骤2）所得细粒材料混合，充分搅拌；

4）将氯化石蜡加热至45℃～60℃；

5）将加热后的氯化石蜡与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）加入调节剂硅油，搅拌均匀；

7）室温下冷却3～5min，即得。