CN104387012B - 一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料，该相似材料采用粗骨料和细骨料为骨料；以无水偏硅酸钠为胶结剂、氟硅酸钠为固化剂，水为调和剂，经混合均匀搅拌后，迅速装模养护，获得具有所需物理力学参数的岩石相似材料；本发明偏硅酸钠胶结岩石相似材料的原材料来源广泛，价格低廉，无毒无害；本发明提出的相似材料的物理力学参数具可调整范围大，调节方便，可以模拟大部分工程围岩的变形破坏过程；本发明偏硅酸钠胶结岩石相似材料的制备方法简单，浇筑成型，操作方便，制成品无需特殊条件养护，强度发展较快，性质稳定。

Description

一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料及其制备方法

技术领域

本发明属于地质力学模型试验技术领域，尤其涉及一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料及其制备方法。

背景技术

地质力学模型试验是岩石力学和地下工程稳定性研究中的常用手段，在相关研究中，经常需要开展地下工程开挖围岩变形破坏过程或诱发工程灾害的模拟试验。模型试验采用适当的相似材料制成与原型相似的试验模型，观测由相似材料建造的模型在外界作用下的变形破坏情况，并根据相似原理推算原岩工作状态，从而为岩石地下工程的设计及诱发工程灾害的防控提供科学依据。

由于相似模型是由相似材料制作而成的，因而相似材料是地质力学模型试验的基础和关键。根据相似理论和实践经验，对相似材料的要求主要有：（1）和原岩的重要物理力学参数满足相似条件；（2）力学行为特点和原岩定量的相似；（3）保证具有能够再现模型结构的强度，并易于干燥和成型；（4）原材料易获取、性能稳定、经济实惠。

目前常见的相似材料主要分为两大类：一类是浇筑成型相似材料，如水泥砂浆、石膏砂浆等；另一类是加压成型相似材料，如以松香酒精溶液拌合的相似材料。两类材料各有优缺点，适用情况不尽相同，但仍不能完全满足模型试验的需要。研制一种具备围岩变形破坏特点，参数调节范围较大，组成相对简单的相似材料，对于能源、交通、水利、 矿山、国防等领域的岩石工程地质力学模型试验研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供了一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料，该相似材料采用粗骨料和细骨料为骨料；以无水偏硅酸钠为胶结剂、氟硅酸钠为固化剂，水为调和剂，经混合均匀搅拌后，迅速装模养护，获得具有所需物理力学参数的岩石相似材料，该相似材料由以下组分构成：

粗骨料和细骨料质量比为2:8~5:5；

无水偏硅酸钠的用量占骨料质量的1%~5%，氟硅酸钠的用量为无水偏硅酸钠用量的60%，调和剂为洁净的水，水的用量为骨料质量的10%~15%。

进一步的，所述粗骨料由20~40目的砂构成；细骨料由粒径为300~400目的重晶石粉构成。

优选的，所述粗骨料由石英砂、重晶石砂中的至少一种，粗骨料不局限于仅此两种，其他相似材料也可以。

一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）按各组分用量配比称取粗骨料、重晶石粉、无水偏硅酸钠、氟硅酸钠、水；

（2）将无水偏硅酸钠放入容器内，倒入水，充分溶解形成偏硅酸钠溶液；

（3）将粗骨料、重晶石粉及氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成固体混合料；

（4）再次搅拌固体混合料，同时缓慢均匀的将步骤（2）中的偏硅酸钠溶液倒入固体混合料中，充分拌合均匀；

（5）将拌合好的混合料置入模具中，振实，浇筑成型；

（6）将试件置于通风干燥处5~7天，脱模，即可得到偏硅酸钠胶结岩石相似材料的试件。

硅酸钠胶结岩石相似材料的强度形成机理为无水偏硅酸钠水溶液与氟硅酸钠发生化学反应，生成不溶于水的氟化钠和单正硅酸，其中单正硅酸随着反应进程的不断增加，逐步转化为环四硅酸，最终产生缩聚物使偏硅酸钠固化，化学反应式如下：

本发明的有益效果：本发明偏硅酸钠胶结岩石相似材料的原材料来源广泛，价格低廉，无毒无害；本发明提出的相似材料的物理力学参数具可调整范围大，调节方便，可以模拟大部分工程围岩的变形破坏过程；本发明偏硅酸钠胶结岩石相似材料的制备方法简单，浇筑成型，操作方便，制成品无需特殊条件养护，强度发展较快，性质稳定。

附图说明

图1是本发明实施例1的单轴压缩应力应变曲线；

图2是本发明实施例2的单轴压缩应力应变曲线；

图3是本发明实施例3的单轴压缩应力应变曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料，该相似材料采用粗骨料和细骨料为骨料；以无水偏硅酸钠为胶结剂、氟硅酸钠为固化剂，水为调和剂，经混合均匀搅拌后，迅速装模养护，获得具有所需物理力学参数的岩石相似材料，该相似材料由以下组分构成：

粗骨料和细骨料质量比为2:8~5:5；

无水偏硅酸钠的用量占骨料质量的1%~5%，氟硅酸钠的用量为无水偏硅酸钠用量的60%，调和剂为洁净的水，水的用量为骨料质量的10%~15%。

所述粗骨料由20~40目的砂构成；细骨料由粒径为300~400目的重晶石粉构成。

所述粗骨料由石英砂、重晶石砂中的至少一种，粗骨料不局限于仅此两种，其他相似材料也可以。

一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）按各组分用量配比称取粗骨料、重晶石粉、无水偏硅酸钠、氟硅酸钠、水；

（2）将无水偏硅酸钠放入容器内，倒入水，充分溶解形成偏硅酸钠溶液；

（3）将粗骨料、重晶石粉及氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成固体混合料；

（4）再次搅拌固体混合料，同时缓慢均匀的将步骤（2）中的偏硅酸钠溶液倒入固体混合料中，充分拌合均匀；

（5）将拌合好的混合料置入模具中，振实，浇筑成型；

（6）将试件置于通风干燥处5~7天，脱模，即可得到偏硅酸钠胶结岩石相似材料的试件。

硅酸钠胶结岩石相似材料的强度形成机理为无水偏硅酸钠水溶液与氟硅酸钠发生化学反应，生成不溶于水的氟化钠和单正硅酸，其中单正硅酸随着反应进程的不断增加，逐步转化为环四硅酸，最终产生缩聚物使偏硅酸钠固化，化学反应式如下：

实施例1：材料配比

石英砂 骨料总重的30%

重晶石粉 骨料总重的70%

无水偏硅酸钠 骨料总重的3%

氟硅酸钠 无水偏硅酸钠总重的60%

水 骨料总重的15%

先将按配比称取的石英砂、重晶石粉、氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀；再将按分用量配比称取的无水偏硅酸钠与水混合，充分溶解；然后将无水偏硅酸钠溶液倒入混合料中，充分拌合均匀；再将拌合好的混合料装入模具中，振动使之密实成型；自然养护5~7天后脱模即可。

制样时使用圆柱形模具，可以制成标准单轴压缩试样、巴西劈裂圆盘试样和直接剪切试样，进行物理力学参数测试。图1是本发明实施例1的单轴压缩应力应变曲线图。

实施例2：材料配比

石英砂 骨料总重的40%

重晶石粉 骨料总重的60%

无水硅酸钠 骨料总重的4%

氟硅酸钠 无水偏硅酸钠总重的60%

水 骨料总重的12%

先将按配比称取的石英砂、重晶石粉、氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀；再将按分用量配比称取的无水偏硅酸钠与水混合，充分溶解；然后将无水偏硅酸钠溶液倒入混合料中，充分拌合均匀；再将拌合好的混合料装入模具中，振动使之密实成型；自然养护5~7天后脱模即可。

制样时使用圆柱形模具，可以制成标准单轴压缩试样、巴西劈裂圆盘试样和直接剪切试样，进行物理力学参数测试。图2是本发明实施例2的单轴压缩应力应变曲线图。

实施例3：材料配比

石英砂 骨料总重的50%

重晶石粉 骨料总重的50%

无水硅酸钠 骨料总重的5%

氟硅酸钠 无水偏硅酸钠总重的60%

水 骨料总重的10%

先将按配比称取的石英砂、重晶石粉、氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀；再将按分用量配比称取的无水偏硅酸钠与水混合，充分溶解；然后将无水偏硅酸钠溶液倒入混合料中，充分拌合均匀；再将拌合好的混合料装入模具中，振动使之密实成型；自然养护5~7天后脱模即可。

制样时使用圆柱形模具，可以制成标准单轴压缩试样、巴西劈裂圆盘试样和直接剪切试样，进行物理力学参数测试。图3是本发明实施例3的单轴压缩应力应变曲线。

实施例4：材料配比

重晶石砂 骨料总重的20%

重晶石粉 骨料总重的80%

无水偏硅酸钠 骨料总重的1%

氟硅酸钠 无水偏硅酸钠总重的60%

水 骨料总重的15%

先将按配比称取的重晶石砂、重晶石粉、氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀；再将按分用量配比称取的无水偏硅酸钠与水混合，充分溶解；然后将无水偏硅酸钠溶液倒入混合料中，充分拌合均匀；再将拌合好的混合料装入模具中，振动使之密实成型；自然养护5~7天后脱模即可。

制样时使用圆柱形模具，可以制成标准单轴压缩试样、巴西劈裂圆盘试样和直接剪切试样，进行物理力学参数测试。

实施例5：材料配比

石英砂 骨料总重的10%

重晶石砂 骨料总重的10%

重晶石粉 骨料总重的80%

无水偏硅酸钠 骨料总重的2%

氟硅酸钠 无水偏硅酸钠总重的60%

水 骨料总重的15%

先将按配比称取的石英砂、重晶石砂、重晶石粉、氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀；再将按分用量配比称取的无水偏硅酸钠与水混合，充分溶解；然后将无水偏硅酸钠溶液倒入混合料中，充分拌合均匀；再将拌合好的混合料装入模具中，振动使之密实成型；自然养护5~7天后脱模即可。

制样时使用圆柱形模具，可以制成标准单轴压缩试样、巴西劈裂圆盘试样和直接剪切试样，进行物理力学参数测试。

本发明偏硅酸钠胶结岩石相似材料的原材料来源广泛，价格低廉，无毒无害；本发明提出的相似材料的物理力学参数具可调整范围大，调节方便，可以模拟大部分工程围岩的变形破坏过程；本发明偏硅酸钠胶结岩石相似材料的制备方法简单，浇筑成型，操作方便，制成品无需特殊条件养护，强度发展较快，性质稳定。

一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料及其制备方法，它适用于对不同重度和力学参数的岩石、岩体的相似模拟。

该材料重度和强度可在较大范围内调整，便于模拟不同物理力学参数的中等脆性岩石。该材料原材料来源广泛、价格低廉、无毒无害，易于成型，对养护条件要求低，强度发展快，在室温条件下性质稳定。其制备方法简单，实用性强，可广泛应用于采矿工程和岩土工程地质力学模型试验研究。

上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种偏硅酸钠胶结岩石相似材料，其特征在于：该相似材料采用粗骨料和细骨料为骨料；以无水偏硅酸钠为胶结剂、氟硅酸钠为固化剂，水为调和剂，经混合均匀搅拌后，迅速装模养护，获得具有所需物理力学参数的岩石相似材料，该相似材料由以下组分构成：

粗骨料和细骨料质量比为2:8~5:5；

无水偏硅酸钠的用量占骨料质量的1%~5%，氟硅酸钠的用量为无水偏硅酸钠用量的60%，调和剂为洁净的水，水的用量为骨料质量的10%~15%；

所述粗骨料由20~40目的砂构成，所述细骨料由粒径为300~400目的重晶石粉构成。

2.根据权利要求1所述的偏硅酸钠胶结岩石相似材料，其特征在于；所述粗骨料是石英砂、重晶石砂中的至少一种。

3.一种权利要求1或2所述的偏硅酸钠胶结岩石相似材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）按各组分用量配比称取粗骨料、重晶石粉、无水偏硅酸钠、氟硅酸钠、水；

（2）将无水偏硅酸钠放入容器内，倒入水，充分溶解形成偏硅酸钠溶液；

（3）将粗骨料、重晶石粉及氟硅酸钠倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成固体混合料；

（4）再次搅拌固体混合料，同时缓慢均匀的将步骤（2）中的偏硅酸钠溶液倒入固体混合料中，充分拌合均匀；

（5）将拌合好的混合料置入模具中，振实，浇筑成型；

（6）将试件置于通风干燥处5~7天，脱模，即可得到偏硅酸钠胶结岩石相似材料的试件。