CN104503494A - 一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，采用重晶石砂作为增重剂，通过重晶石砂全部或部分替代相似材料中常用的石英砂，使粗骨料混合为不同比例的重晶石砂和石英砂，获得具有所需比重的相似材料；重晶石砂替代率与相似材料比重增加值具有很好的线性关系。本发明提供的方法，避免了使用铁精粉、铅粉等增重剂对相似材料力学性能的不利影响，在不改变相似材料的力学性能的同时，可以在较大范围内调节地质力学模型试验中所用相似材料的比重，以更好的实现对地下工程的相似模拟。除此之外，本发明提供的方法简单易行，成本低廉，实用性强，可大大降低相似材料研发过程的试验工作量。

Description

一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法

技术领域

本发明属于地质力学模型试验技术领域，特别涉及一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法。

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。相似模型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。根据相似理论的要求，相似材料和原型必须满足相似关系，其比重的相似比尺α_γ必须满足下式的限制：

$\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\σ}}}{{\mathrm{\α}}_L{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\γ}}}=1$

其中α_σ为应力的相似比尺，α_L为几何尺寸的相似比尺。

若能令α_γ＝1，则可令应力的相似比尺和几何尺寸的相似比尺一致，从而大大简化模型试验的设计和数据处理。以往采用的以石英砂为骨料的相似材料比重较低，因而岩土工程师和相关科研工作者在开展模型试验及其相似材料研发时，采取了多种增重材料以增加相似材料的比重。如专利02116676.5采用磁铁矿精矿粉，专利200510104581.4和专利201310027623.3采用铁精粉和重晶石粉，以增加相似材料的比重。由于使用磁铁矿精矿粉或铁矿粉同时仍然采用石英砂作为粗骨料，因而相当于增加了一种组分，使相似材料的物理力学性能受到了影响，而增重剂对复合材料力学参数的影响规律也并不明晰，从而大大增加了相似材料试配的试验工作量。

研发一种简单易行的相似材料比重调节方法，实现相似材料在不显著改变力学参数的条件下的比重调整，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一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，能够不影响相似材料力学性能，不显著增加相似材料制备成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，采用重晶石砂作为增重剂，通过重晶石砂全部或部分替代相似材料中常用的石英砂，使粗骨料混合为不同比例的重晶石砂和石英砂，获得具有所需比重的相似材料。

进一步的，重晶石砂和所要替代的石英砂的粒径级配或粒径组成及颗粒形状保持一致。

一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，由以下步骤组成：

(1)按传统方法和配方制备完全使用石英砂作为粗骨料的相似材料，获得其物理力学数据；

(2)根据相似理论选择所需力学参数的相似材料配比，设按该配比制备的相似材料的比重为γ₁；

(3)将该配比中的石英砂完全替换为等重量的重晶石砂，获得其比重数据，设其比重为γ₂；

(4)假设相似材料的目标比重为γ，则重晶石砂替代率r按下式计算：

$r=\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}$

(5)按照求得的替代率，将相应的石英砂替换成重晶石砂，即可得到比重为目标比重γ的相似材料，且该材料的力学指标与原完全使用石英砂的相似材料保持一致。

优选的，一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，其适用范围为粗骨料用量不大于材料总重的50％。

本发明的有益效果是：本发明采用了重晶石砂作为增重剂，通过重晶石砂替代相似材料中常用的石英砂，使粗骨料混合为不同比例的重晶石砂和石英砂，获得具有所需比重的相似材料，避免了使用铁精粉、铅粉等增重剂对相似材料力学性能的不利影响，在不改变相似材料的力学性能的同时，可以在较大范围内调节地质力学模型试验中所用相似材料的比重，以更好的实现对地下工程的相似模拟。除此之外，本发明提供的方法简单易行，成本低廉，实用性强，可大大降低相似材料研发过程的试验工作量。

附图说明

图1是本发明的实施例中重晶石砂替代率和材料单轴抗压强度的关系；

图2是本发明的实施例中重晶石砂替代率和材料弹性模量的关系；

图3是本发明的实施例中重晶石砂替代率和相似材料比重的关系。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，采用重晶石砂作为增重剂，通过重晶石砂全部或部分替代相似材料中常用的石英砂，使粗骨料混合为不同比例的重晶石砂和石英砂，获得具有所需比重的相似材料。

重晶石砂和所要替代的石英砂的粒径级配或粒径组成及颗粒形状保持一致。

一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，由以下步骤组成：

(1)按传统方法和配方制备完全使用石英砂作为粗骨料的相似材料，获得其物理力学数据；

(2)根据相似理论选择所需力学参数的相似材料配比，设按该配比制备的相似材料的比重为γ₁；

(3)将该配比中的石英砂完全替换为等重量的重晶石砂，获得其比重数据，设其比重为γ₂；

(4)假设相似材料的目标比重为γ，则重晶石砂替代率r按下式计算：

$r=\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}$

(5)按照求得的替代率，将相应的石英砂替换成重晶石砂，即可得到比重为目标比重γ的相似材料，且该材料的力学指标与原完全使用石英砂的相似材料保持一致。

一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，其适用范围为粗骨料用量不大于材料总重的50％。

实施例：重晶石砂替代石英砂调整松香胶结相似材料的比重

采用松香酒精溶液作为调和剂的相似材料是目前常用的一种相似材料，如专利200510104581.4，以往多采用掺加铁精粉的办法提高相似材料的比重，现采用本专利方法对相似材料比重进行调节。实例共进行4大组试验，每组的重晶石砂替代率水平分为六档，分别是0％，20％，40％，60％，80％和100％。应用实例每种配比和重晶石砂替代率水平下的试件不少于10个，共计24组试验，超过240个试件。

相似材料配比如表1所示。

不同组中重晶石砂替代率水平详情如表2所示。

表1 相似材料配比

备注：在计算用料比例的时候，为便于计算，松香和酒精没有计入分母。

表2 重晶石砂替代方案

备注：x代表1～4之间的阿拉伯数字。

说明书附图中图1是本发明的实施例中重晶石砂替代率和材料单轴抗压强度的关系，图2是本发明的实施例中重晶石砂替代率和材料弹性模量的关系。从图1和图2可以看出，在配比相同的情况下，重晶石砂替代石英砂对相似材料的单轴抗压强度和弹性模量没有显著影响，不同重晶石砂替代率条件下的相似材料的力学参数基本相同。

图3是本发明的实施例中重晶石砂替代率和相似材料比重的关系，从图3中可以看出，在不同配比和重晶石砂替代率条件下，相似材料的比重变化情况。在所测试的4组配比中，相似材料的比重和重晶石砂替代率之间均具有很好的线性关系。

所需相似材料的比重为γ＝25.2KN/m³，试验得到在粗细骨料比为1:1时，粗骨料全部为石英砂时的比重γ₁＝23.1KN/m³，全部为重晶石砂时的比重，γ₂＝27.3KN/m³，则目标相似材料所需的重晶石砂替代率为

$r=\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}=\frac{25.2-23.1}{27.3-23.1}=50\%$

按照求得的替代率，将相应的石英砂替换成重晶石砂，即可得到比重为所需比重γ＝25.2KN/m³的相似材料。该相似材料的力学指标与原完全使用石英砂的相似材料基本一致，只需做少量验证性试验即可。

综上，采用本专利方法可以在不改变相似材料力学参数的条件下，通过少量试验和简单线性插值调整相似材料的比重，将比重和单轴抗压强度、弹性模量等力学参数解耦，从而大大降低相似材料试配工作量。

本发明涉及采矿工程、岩土工程、交通隧道工程等地质力学模型试验技术领域，更具体的涉及一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，它适用于对相似材料比重的调整，以更好的满足相似条件的要求。

本发明采用了重晶石砂作为增重剂，通过重晶石砂替代相似材料中常用的石英砂，使粗骨料混合为不同比例的重晶石砂和石英砂，获得具有所需比重的相似材料，避免了使用铁精粉、铅粉等增重剂对相似材料力学性能的不利影响，在不改变相似材料的力学性能的同时，可以在较大范围内调节地质力学模型试验中所用相似材料的比重，以更好的实现对地下工程的相似模拟。除此之外，本发明提供的方法简单易行，成本低廉，实用性强，可大大降低相似材料研发过程的试验工作量。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，其特征在于：采用重晶石砂作为增重剂，通过重晶石砂全部或部分替代相似材料中常用的石英砂，使粗骨料混合为不同比例的重晶石砂和石英砂，获得具有所需比重的相似材料。

2.根据权利要求1所述的使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，其特征在于：重晶石砂和所要替代的石英砂的粒径级配或粒径组成及颗粒形状保持一致。

3.根据权利要求1所述的使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，其特征在于：由以下步骤组成：

(1)按传统方法和配方制备完全使用石英砂作为粗骨料的相似材料，获得其物理力学数据；

(2)根据相似理论选择所需力学参数的相似材料配比，设按该配比制备的相似材料的比重为γ₁；

(3)将该配比中的石英砂完全替换为等重量的重晶石砂，获得其比重数据，设其比重为γ₂；

(4)假设相似材料的目标比重为γ，则重晶石砂替代率r按下式计算：

$r=\frac{\mathrm{\γ}-{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1}$

(5)按照求得的替代率，将相应的石英砂替换成重晶石砂，即可得到比重为目标比重γ的相似材料，且该材料的力学指标与原完全使用石英砂的相似材料保持一致。

4.根据权利要求书3所述的使用重晶石砂调节相似材料比重的方法，其适用范围为粗骨料用量不大于材料总重的50％。