CN104446297A - 一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，该替代材料包括裂石剂CaO、Ti-CaO、Co-CaO、Zn-CaO或Ni-CaO，强度大于32.5的硅酸盐水泥和/或高铝水泥的混合物，β型半水石膏，草酸、柠檬酸或苯磺酸与过氧化氢或过氧化钠的混合物，及减水剂中的聚氨酯、聚乙烯醇或木质磺酸盐组成。将材料在10-25℃的温度下加水搅拌，制得浆液，继续搅拌至浆液凝固，并控制该凝固物的膨胀率为9%，该凝固物的弹性为500-550MPa，即为裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，并应用于冻涨裂化含裂隙岩石上。将该混合物凝固体与冰的弹性模量相近，浆液凝固后将会对岩石产生与水结成冰时对岩石相同的劣化作用。使得替代材料变形破坏参数能保证在膨胀率为9%的条件下，膨胀材料不会发生自身的压裂破坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，并将其应用于裂化含裂隙岩石冻涨等效模拟上。
背景技术
岩石冻涨循环是常见的自然现象，冻涨对岩石的物理化学性质具有很大的影响，而岩石常常被作为实际工程的基础，因此，研究岩石的性质随冻涨循环的变化规律具有极重要的意义。
常规冻涨试验，仅能在实验室进行标准试件的冻涨试验，而对现场岩体，进行野外大块体岩体的试验却难以实现，主要原因有：（a）较大裂隙的存水问题不易解决，难以达到裂隙保水下的冻胀效果。（b）现场难以找到大型设备对大体量的岩体进行冷冻，保证其大尺寸裂隙结冰。
这些难点导致了目前还没有针对大型裂隙岩体的原位冻胀试验的仪器和方法。
因此，急需找出一种替代试验方法，以解决上述问题。而本实验所配制的混合料恰能解决上述问题。
发明内容
本发明为解决目前常规冻涨试验采用冷冻，多次循环时间长，效果不明显，无法在野外大体积岩石原位冻涨等问题，配制一种由裂石剂和水泥组成的混合物，通过膨胀率试验绘制不同配合比的膨胀率曲线，选取不同膨胀率的混合物，进而对含裂隙岩石进行加速劣化（膨胀率大于9%的混合物）的试验。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，该替代材料包括如下重量份的原料
组成：裂石剂10-50份，水泥35-48份、石膏15-28份、抑制剂1-8份及减水剂2-10份。
该替代材料包括如下重量份的原料组成：裂石剂12份，水泥50份、石膏22
份、抑制剂6份及减水剂8份。
所述的裂石剂为CaO或改性CaO，所述的改性CaO为Ti-CaO、Co-CaO、
Zn-CaO、Ni-CaO中的任意一种。
所述的水泥为强度大于32.5的硅酸盐水泥和/或高铝水泥的混合物。
所述的抑制剂为草酸、柠檬酸或苯磺酸与过氧化氢或过氧化钠以质量比为
5.8-12.5:0.5-2.5的混合物。
所述的减水剂为聚氨酯、聚乙烯醇、木质磺酸盐中的任意一种。
本发明的另一目的在于裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料制备方法是将裂石
剂，水泥、石膏、抑制剂及减水剂依次加入反应器中，在10-25℃的温度下加水搅拌，制得浆液，继续搅拌该浆液至浆液凝固，并控制该凝固物的膨胀率为9%，该凝固物的弹性为500-550MPa。
本发明的又一目的在于将裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料应用于加速裂化含裂隙岩石冻涨循环
通过监测膨胀率分析裂化材料的加速裂化效果。
本发明的优点在于：裂石剂和其他材料（水泥，石膏等）配比而成的混合物，调节不同混合物的掺量，并用水调成浆液，使得浆液凝固后膨胀率与水结成冰的膨胀率相同，即膨胀率为9%，同时满足混合物凝固体与冰的弹性模量相近，约530Mpa，将此混合物浆液填充于裂隙岩体中，浆液凝固后将会对岩石产生与水结成冰时对岩石相同的劣化作用。在上述条件满足的条件下，由于替代材料加入水泥，且其受力环境多为多向受压，使得替代材料变形破坏参数能保证在膨胀率为9%的条件下，膨胀材料不会发生自身的压裂破坏。
替代材料经过配合比设计试验，使用易于配制，凝固后稳定性好，所用设备简单，易于操作，无需冰箱等电力设备，因此，比常规冻涨试验简单经济。
替代材料浆液可以通过小导压浆或振动使混合料浆液充分填满岩石裂隙，具有较好的流动性和稳定性，可明显加快试验进度，使替代实验具有明显的时间效应，使实验效果更明显。
替代试验方法还可用于现场的原位野外试验，试验不受时间，季节，温度的影响，对大体积岩体试验的优势更加明显
浆液凝固后膨胀率与水结成冰的膨胀率相同，即膨胀率为9%，同时满足混合物凝固体与冰的弹性模量相近，约530Mpa，将此混合物浆液填充于裂隙岩体中，浆液凝固后将会对岩石产生与水结成冰时对岩石相同的劣化作用。在上述条件满足的条件下，由于替代材料加入水泥，且其受力环境多为多向受压，使得替代材料变形破坏参数能保证在膨胀率为9%的条件下，膨胀材料不会发生自身的压裂破坏。
能够进行野外现场大体积岩体的冻胀替代试验，且不受季节，温度的影响，操作方便，加入多种无损检测手段，使结果更加可靠，试验无需大型设备，简单经济，具有很好的实用性。
能对不同尺度的岩体进行冻胀劣化模拟，而常规冻胀因设备，取样麻烦，难以测量等各方面困难难以做到。
该替代材料和试验方法可用于含有裂隙的混凝土渠道，管道等大体积（面积）构筑物的原位冻胀劣化试验，对研究含有混凝土渠道，管道等的冻胀作用具有重要的意义，同时原位测试具有较好的准确性。
附图说明
图1为不同氧化钙含量膨胀率随时间增长曲线。
图2为图1前25小时的膨胀率增长曲线。
图3为增长率随氧化钙含量增长的变化曲线。
图4为膨胀率为9%的混合料膨胀率增长曲线。
具体实施方式
实施例1
一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，该替代材料包括如下重量份的原料
组成：CaO 10份或20份或30份或40份或50份、强度大于32.5的硅酸盐水泥和高铝水泥的混合物50份、石膏22份、苯磺酸5.85份与过氧化氢1.25份、木质磺酸盐8份。将上述材料依次加入反应器中，在25℃的温度下加水搅拌，制得浆液，继续搅拌该浆液至浆液凝固，并控制该凝固物的膨胀率为9%，该凝固物的弹性为500MPa，即为裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料。
图1为不同氧化钙含量膨胀率随时间增长曲线。从图中可以看出，随着时间
的增加，在不同的氧化钙条件下，其膨胀率也逐级增加，但，随着氧化钙含量的增加，其膨胀率增加的程度不同，氧化钙含量为50%时，膨胀率随之增加的程度越大。图3为增长率随氧化钙含量增长的变化曲线。从图中可以看出，随着氧化钙含量的增加，膨胀率持续增加，应征了图1。
裂隙岩石冻胀等效替代试验方法可采用两种方式：
采用图3所示，控制替代材料最终膨胀率为9%进行等效模拟，无需控制时间，膨胀率利于把握。
采用图2所示，控制替代材料膨胀率达到9%的时间，采用不同的配比，所用时间不同，可明显缩短试验时间，具有较大的时间效应。
所述替代材料为氧化钙和其他材料（水泥石膏）的混合物调成的浆液，所用氧化钙为过烧氧化钙。将不同配比的混合物按不同的用水量调成浆液状，用水量与混合料的质量比值按照如下公式计算：
W%=L*30%+S*50%。
W：用水量与混合料的质量比值；
L：混合料中氧化钙含量百分比；
S：混合料中水泥、石膏总量的百分比。
其他材料中，水泥与石膏的含量调整，其膨胀率变化很小，调整二者比例，可得弹性模量为530Mpa混合物，用水量的取值根据混合物水化需水量以及考虑到调制后浆液的流动性，并经试配后综合取定。
含裂隙岩石冻胀劣化的等效替代试验方法，通过上述的膨胀率增长曲线，得出膨胀率为9%的混合料配合比为氧化钙含量12份，其他材料含量，配成混合物用水量W%为12%*30%+88%*50%=47.6%,将上述混合物和所需用水量调成浆液待用。膨胀率为9%的混合料其膨胀率增长曲线如下图4所示。
从图中可以看出，膨胀率随着时间的延长而逐渐增大，在54-55小时时，增长率达到最大，为9%，之后膨胀率趋于稳定。
所述含裂隙岩石冻胀劣化的等效替代试验方法，用2只相同型号容量为25ml左右的薄塑料瓶，一只A充满混合物浆液，另一只B充满水，然后拧紧盖子封闭。
精确测量充满混合物浆液的A试样初始体积，装满水B试样的体积VA1，VB1。将A试样室温放置，放置时间为膨胀率达到9%为止，其时间可由以上图2查得，为60h。B试样放入冷柜中冷冻，冷冻时间与A放置时间相同。将膨胀后的A，B组试样在冰水中测量膨胀后的体积VA2/ml，VB2/ml。
所述含裂隙岩石冻胀劣化的等效替代试验效果对比，测试为有压测试（即瓶子对二者的围压），所以测试的膨胀率要比自由膨胀率数值偏小，但二者所受的围压相同，满足平行对比的要求。结果如下表所示：
| 试验次数 | VA1/ml | VB2/ml | VA2/ml | VB2/ml | PA | PB | 试验用时 |
| 1 | 26.40 | 26.40 | 28.40 | 28.60 | 7.58 % | 8.33 % | 62h |
| 2 | 26.00 | 26.00 | 28.00 | 28.20 | 7.69 % | 8.46 % | 62h |
| 3 | 26.20 | 26.20 | 28.20 | 28.40 | 7.63 % | 8.40 % | 62h |
通过表格可以看出，二者测试的膨胀率均比9%要小，符合预期，二者数据极其相近，所用时间均按照前期试验规定时间，且所用时间随着裂石剂含量的增大，达到所需要的膨胀量时用时越短，裂石剂含量12%的用时是裂石剂为含量20%和30%的2.5倍，是是裂石剂为含量40%和50%的4.5倍，说明裂石剂含量越大，加速劣化的效果越明显。
实施例2
一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，该替代材料包括如下重量份的原料
组成：Ti-CaO 15份、强度大于32.5的硅酸盐水泥和高铝水泥的混合物48份、石膏12.5份、草酸10.5份与过氧化氢0.9份、聚乙烯醇4.5份。将上述材料依次加入反应器中，在25℃的温度下加水搅拌，制得浆液，继续搅拌该浆液至浆液凝固，并控制该凝固物的膨胀率为9%，该凝固物的弹性为500MPa，即为裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料。
实施例3
一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，该替代材料包括如下重量份的原料
组成：Ti-CaO18份、高铝水泥的混合物42份、石膏18份、柠檬酸2.8份与过氧化钠1.25份、聚乙烯醇4.5份。将上述材料依次加入反应器中，在25℃的温度下加水搅拌，制得浆液，继续搅拌该浆液至浆液凝固，并控制该凝固物的膨胀率为9%，该凝固物的弹性为500MPa，即为裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料。
实施例4
一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，该替代材料包括如下重量份的原料
组成：Ni-CaO 28份、高铝水泥的混合物46份、石膏12.5份、苯磺酸10.5份与过氧化氢0.9份、聚氨酯5.8份。将上述材料依次加入反应器中，在25℃的温度下加水搅拌，制得浆液，继续搅拌该浆液至浆液凝固，并控制该凝固物的膨胀率为9%，该凝固物的弹性为500MPa，即为裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料。
Claims (9)
1.一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，其特征在于，该替代材料包括如下重量份的原料组成：裂石剂10-50份、水泥35-48份、石膏15-28份、抑制剂0.5-8份及减水剂2-10份。
2.根据权利要求1所述的裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，其特征在于，该替代材料包括如下重量份的原料组成：裂石剂12份、水泥50份、石膏22份、抑制剂6份及减水剂8份。
3.根据权利要求1所述的裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的裂石剂为CaO或改性CaO，所述的改性CaO为Ti-CaO、Co-CaO、Zn-CaO、Ni-CaO中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的水泥为强度大于32.5的硅酸盐水泥和/或高铝水泥的混合物。
5.根据权利要求1所述的裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的石膏为β型半水石膏。
6.根据权利要求1所述的裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的抑制剂为草酸、柠檬酸或苯磺酸与过氧化氢或过氧化钠以质量比为5.8-12.5:0.5-2.5的混合物。
7.根据权利要求1所述的裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的减水剂为聚氨酯、聚乙烯醇、木质磺酸盐中的任意一种。
8.一种裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料的制备方法，其特征在于：将裂石剂，水泥、石膏、抑制剂及减水剂依次加入反应器中，在10-25℃的温度下加水搅拌，制得浆液，继续搅拌该浆液至浆液凝固，并控制该凝固物的膨胀率为9%，该凝固物的弹性为500-550MPa，即为裂隙岩石冻胀裂化的等效替代材料。
9.权利要求1-8中任意一项所述的等效替代材料在冻涨裂化含裂隙岩石上的应用。
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2014
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