CN104568548A - 岩石硬性结构面模型材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实验模拟材料，具体为岩石硬性结构面模型材料，由水泥、砂、水、3mm～6mm碎石、减水剂、复合早强剂、微硅粉、绿碳化硅微粉制成。以石蜡在岩芯硬性结构面上制得石蜡结构面模具，然后用岩石硬性结构面模型材料浇注得到岩石硬性结构面模型。发明提供的岩石硬性结构面模型材料，材料强度调整范围大，可以覆盖中等以下强度、中等强度及中等以上强度部分岩体硬性结构面模拟试验的需要。利用该材料制作模型，利用石蜡易于加热为液体，可以很好地“读取”硬性结构面的微小凸起、下凹等起伏形态信息，对结构面进行细观的、精确的模拟，真实还原结构面的完整形态。

Description

岩石硬性结构面模型材料及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种实验模拟材料，具体为岩石硬性结构面模型材料及其使用方法。

背景技术

结构面力学模型试验是研究岩体结构面力学特征和剪切破坏机制的重要手段。为了能够获取试验样品，需要人工制作与原岩结构面具有相似物理力学性质，形似表面形态的模型，这样就可以对结构面进行重复的直剪试验，获取可靠的结构面抗剪强度参数。

为满足以上迫切的工程需求，必须要求制作的物理力学模型的参数与原岩尽可能接近，其中有两个方面尤为重要，一是模型材料的力学参数，二是结构面的精确表面形态。

现有技术铁粉、重晶石粉为骨料、铁粉或者铁粉与重晶石粉、黏结剂、石膏制的岩石结构面模型材料，抗压强度分布在0.26～3.735MPa之间。不能覆盖中等及30MPa以上的硬岩，例如砂岩、灰岩、花岗岩，不能满足绝大多数岩体结构面的物理试验模拟，这限制了物理模拟试验的开展，不利于对结构面剪切力学机制及特征的研究。

现有的结构面模型制作方法，主要是将原岩结构面凿平，并作表面清洁处理，在上表面绘制10cm×10cm的方格网。然后，根据结构面模型的制作尺寸，在确定的具体位置上涂脱模剂，铺设隔离膜。岩石结构面模型材料搅拌均匀，倒入下盘模具内，利用平板振动器和振动棒振捣均匀，并使底部隔离膜不发生褶皱。浇筑完毕后抹平上表面，并使试样的上表面保持水平。试样保持水平后，把下盘结构面试样连同下盘模具一起翻转，清除隔离膜并清洁下盘模型结构面表面。在制得的下盘结构面试样表面上涂刷脱模剂，并铺设隔离膜，然后将上盘模具对中放在下盘模具上，在上盘模具的内侧壁涂刷脱模剂，最后调平上盘模具；再次将搅拌均匀的混合料倒入上盘模具内，振捣、抹平调平；对上盘结构面模型进行养护。对上下盘结构面进行脱模处理，并继续养护，即可制得与原岩结构面表面形态一致，且上、下盘吻合度高的模型结构面。

结构面模型制作方法复杂，操作要非常仔细，而且易于出现失败，混合岩石结构面模型材料在浇筑过程中不允许隔离膜产生褶皱及破裂，薄膜褶皱会导致模型结构面起伏度的改变，薄膜破裂会使混合料拌合物粘在岩石结构面上，破坏原岩结构面。因此，浇筑过程中需要采用分层浇筑，底部混合料采用平板振动器轻微振捣，而上部混合料则采用振动棒振动均匀。采用该种方法要保证隔离膜不产生褶皱和破裂是异常困难的，因为混合料拌合物密度较大，且表面很粗糙，很容易使隔离膜受摩擦而破裂。更重要的一点是，采用隔离膜会由于隔离膜在岩石结构面上的展布，产生拉张支撑作用，从而使水泥砂浆很难填充结构面表面的细部结构，导致形态无法被完整塑造，从而改变了结构面的实际表面形态，造成模拟结构面的形态失真，并且使结构面上下盘的咬合度下降，影响试验参数的准确性。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种新型岩石模拟材料的配制方案，解决目前模拟材料无法满足高强度岩石结构面，并在此基础上，对真实硬性结构面表面形态进行细观的、精确的表达，以此达到岩体硬性结构面“三维重绘”的目的。具体的技术方案为：

岩石硬性结构面模型材料，由以下原料组成，按照重量份数，水泥30份，砂40份，水10份，3mm～6mm碎石10.2份，减水剂0～0.4份，复合早强剂0.6份，微硅粉0～4份，绿碳化硅微粉0～9份。

其中砂为中细砂和粗砂组成，重量比例为1∶1。

水泥为42.5R普通水泥，作为胶凝集料及骨料；中细砂和粗砂，结合使用作为集料，可以增强材料的强度，降低脆性；细骨料3-6mm碎石可以增强材料制成的试件强度；复合早强剂缩短养护时间，绿色碳化硅、微硅粉、减水剂的助剂使用，主要是为了增强材料强度。

在保持水泥、中砂、水、碎石的比例不变条件下，调整部分助剂，可以得到不同强度的材料：

仅使用水泥、中砂、水、碎石制成的岩石硬性结构面模型材料，可满足30MPa～45MPa的中等强度岩石；

当微硅粉＜2.5份，减水剂＜0.2份，绿碳化硅微粉＜5份时，材料抗压强度达到45MP，适合模拟较坚硬的岩石。

当4份≥微硅粉≥2.5份，0.4份≥减水剂≥0.2份，9份≥绿碳化硅微粉≥5份时，材料抗压强度达到60MPa，适合模拟坚硬岩石。

岩石硬性结构面模型材料的使用方法为：

(1)获取岩芯硬性结构面，清洗结构面表面，去除污物，编号，标注信息；

(2)在结构面表面均匀涂上脱模剂；

(3)在结构面外围安装防护板制成结构面模具浇注台，防止浇筑石蜡溢流；

(4)将充分融化的石蜡缓慢浇筑在结构面模具浇注台中，待10～15分钟石蜡冷却后脱模，获取石蜡结构面模具；

(5)以石蜡结构面模具为底模，在石蜡结构面模具表面涂上脱模剂，安装外框；

(6)配制好的岩石硬性结构面模型材料，搅拌好浇筑在框内，搅拌并振动；

(7)浇筑完成后，静置24小时后拆模，进行养护，得到结构面模型。

在物理模拟中，必须遵循材料的关键指标相似的原理，因此相似材料必须能在强度上达到要求。另外，材料的三维形貌也必须相似。也就是说对结构面表面微小的凸起，下凹，起伏等用物理模拟的方法尽量精确地表达出来，并使用模型的细观化起伏来加以体现。

本发明提供的岩石硬性结构面模型材料，材料强度调整范围大，最大抗压强度可达108.14MPa，适当调整原材料掺量可以获取不同强度的模拟材料，可以覆盖中等以下强度、中等强度及中等以上强度部分岩体硬性结构面模拟试验的需要。该材料具有制作方法简单，原材料易得，价格便宜，物理力学性质特征与原岩协调性好等优点。利用该岩石硬性结构面模型材料制作模型，利用石蜡易于加热为液体，可以很好地“读取”硬性结构面的微小凸起、下凹等起伏形态信息，对结构面进行细观的、精确的模拟，真实还原结构面的完整形态，而且由于石蜡的密度较小，原岩结构面不会受到任何的影响。

具体实施方式

结合实施例说明本发明具体实施方式。

实施例1

岩石硬性结构面模型材料，由以下原料组成，按照重量份数，水泥30份，砂40份，水10份，3mm～6mm碎石10.2份，复合早强剂0.6份。

其中砂为中细砂和粗砂组成，重量比例为1∶1。

所制得的材料测试，抗压强度为41MPa，可以用于模拟中等强度岩石。

实施例2

岩石硬性结构面模型材料，由以下原料组成，

按照重量份数，水泥30份，砂40份，水10份，3mm～6mm碎石10.2份，减水剂0.4份，复合早强剂0.6份，微硅粉2.8份，绿碳化硅微粉6份。

其中砂为中细砂和粗砂组成，重量比例为1∶1。

所制得的材料测试，强度为64MPa，可以用于模拟坚硬岩石。

实施例3

按照重量份数，水泥30份，砂40份，水10份，3mm～6mm碎石10.2份，减水剂0.1份，复合早强剂0.6份，微硅粉2份，绿碳化硅微粉3份。

其中砂为中细砂和粗砂组成，重量比例为1∶1。

所制得的材料测试，强度为48MPa，可以用于模拟较坚硬的岩石。

实施例4

岩石硬性结构面模型材料，由以下原料组成，

按照重量份数，水泥30份，砂40份，水10份，3mm～6mm碎石10.2份，减水剂0.4份，复合早强剂0.6份，微硅粉4份，绿碳化硅微粉9份。

其中砂为中细砂和粗砂组成，重量比例为1∶1。

所制得的材料测试，强度为86MPa，可以用于模拟坚硬的岩石。

实施例5

利用以上实施例所制得的材料进行制作结构面模型。以岩芯结构面的制作为例。

(1)获取岩芯结构面，为硬性结构面并清洗结构面表面，去除污物，编号，标注尺寸、上下盘等信息。

(2)在结构面表面涂上脱模剂，即润滑油，用纸巾擦去表面过量的油，确保油膜均匀，保证制作结构面模具成型完整。

(3)在结构面外围安装不透水薄纸板，用胶带封闭纸板与结构面之间的缝隙，防止浇筑石蜡过程中石蜡从间隙中流失。

(4)加热石蜡让其充分融化，将充分融化的石蜡缓慢浇筑在上一步制作好的结构面模具浇注台中，待10～15分钟石蜡冷却后脱模，获取石蜡结构面模具。

(5)以上一步制作好的石蜡结构面模具为底模，在其表面涂上脱模剂，安装外框。

(6)采用实施例2配制好的混凝土材料，搅拌好浇筑在框内，轻轻搅拌并振动。浇筑完成后，静置24小时后拆模获取结构面模型，然后进行标准养护到预定时间。5 -->

Claims (3)

1.岩石硬性结构面模型材料，其特征在于：由以下原料组成，按照重量份数，水泥30份，砂40份，水10份，3mm～6mm碎石10.2份，减水剂0～0.4份，复合早强剂0.6份，微硅粉0～4份，绿碳化硅微粉0～9份。

2.根据权利要求1所述的岩石硬性结构面模型材料，其特征在于：其中砂为中细砂和粗砂组成，重量比例为1∶1。

3.根据权利要求1或2所述的岩石硬性结构面模型材料，其特征在于，岩石硬性结构面模型材料的使用方法为：

(1)获取岩芯硬性结构面，清洗结构面表面，去除污物，编号，标注信息；

(2)在结构面表面均匀涂上脱模剂；

(3)在结构面外围安装防护板制成结构面模具浇注台，防止浇筑石蜡溢流；

(4)将充分融化的石蜡缓慢浇筑在结构面模具浇注台中，待10～15分钟石蜡冷却后脱模，获取石蜡结构面模具；

(5)以石蜡结构面模具为底模，在石蜡结构面模具表面涂上脱模剂，安装外框；

(6)配制好的岩石硬性结构面模型材料，搅拌好浇筑在框内，搅拌并振动；

(7)浇筑完成后，静置24小时后拆模，进行养护，得到结构面模型。