CN105503092A - 一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料及其制备方法 Download PDF

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程圣国
赖坡
陈勇
覃茂森
陈晓虎
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    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C04B28/04—Portland cements

Abstract

本发明涉及地质研究领域，特别涉及一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料及其制备方法。所述材料包括按重量份计的以下组分：重晶石45-50份，水泥1.5-3.9份，水2.4-4.5份，46号废液压油？1-5份，橡胶粉0.5-1.5份。将重晶石、橡胶粉混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温，加入水泥继续拌合均匀，将46号废液压油加入拌合均匀，再加入水搅拌均匀得到所述材料。本发明方法的制备过程简单，其制备过程都是在常温下进行混合，因而耗能低，制备效率高，成本低。

Description

一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及地质力学模型试验材料及制备技术领域，特别涉及一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料及其制备方法。
背景技术
随着现代经济和科学技术的快速发展，人们需要越来越多的建(构)筑物来满足日常生活的需求，如水电站、住宅、工业厂房、隧道等。在这些工程中有的需要在工程地质条件不良的地方修建，当在面临实际工程中的许多力学问题时，室内地质力学物理模型试验是重要研究手段之一。
模型试验是一种按照一定的相似原理对特定的工程地质问题进行缩尺试验的研究方法，目的是通过模型试验来得到相关的数据，再用以推测原型中可能发生的力学现象和规律，从而解决实际工程问题。在模型试验中运用相似材料来制作模型，因此是否能研制出一种满足物理力学性能相似关系的相似材料是模型试验的基础。
相似材料是模型试验成败的关键，因此岩体相似材料的选择应该满足以下要求:
1)材料的主要物理力学性质与模拟的岩体符合相似比；
2)模拟试验过程中材料的力学性质比较稳定；
3)改变材料配比可使材料力学性质变动范围较大，以适应相似条件的需要；
4)骨料应选用性质稳定的大比重物质，并按一定的级配组成，以使模型处于密实状态，获得最大容重。
5)原料来源广泛，成本低廉，且凝固时间适宜，便于制作模型；
6)材料比较环保，无毒，对人体健康无副作用。
7)均质、各向同性。
目前，地质力学模型实验中岩体的相似材料开发研制较多，如以重晶石粉、石灰石、环氧树脂为材料的混合料；以加膜铁粉、加膜石英砂、重晶石粉和松香酒精溶液为材料的混合物；以磁铁矿粉、河砂、石膏或水泥，水为材料的混合物；以不同粒径级配的石英砂、石膏、水泥和水为材料的混合物等，这些材料在模拟岩体的密度、抗拉压强度方面比较成熟，但对变形模量模拟方面却一直缺乏，同时也存在适用范围较窄，不能模拟Ⅰ-Ⅳ各类岩体的问题。
发明内容
本发明的目的提供一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料及其制备方法可控制岩体变形模量，同时也能模拟Ⅰ-Ⅳ各类岩体的地质力学物理模型试验相似材料及其配制工艺。
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料，所述材料包括按重量份计的以下组分：
重晶石45-50份，水泥1.5-3.9份，水2.4-4.5份，46号废液压油1-5份，橡胶粉0.5-1.5份。
其中重晶石作为材料的骨料存在，为材料提供很强的抗压强度；水泥和水反应生成的水化产物具有很强的粘结作用，可以作为胶凝材料，为材料提供较强的抗压强度和变形模量；利用橡胶粉主要可以调节材料的变形模量；46号废弃液压油可降低材料的抵抗变形能力。
优选的，所述材料包括按重量份计的以下组分：
重晶石46-48份，水泥1.7-3.6份，水2.8-4份，46号废液压油1-3份，橡胶粉1份。
所述材料制成容重为25.5-26.7KN/m3、尺寸为10cm×10cm×10cm的试样测得的变形模量为25.1-128.9Mpa，抗压强度为0.13-1.04Mpa。
所述重晶石粒径≤5mm。
选择此粒径范围的重晶石有三个优点，第一是在试验中不需要筛选可以节省人力；第二是能更好的使重晶石的表面与其他材料充分接触；第三是能更好的满足模型在整体浇筑过程中对不同岩体模拟的需要，方便具体施工要求。
所述橡胶粉粒径为80目。
选择粒径为80目的橡胶粉，是为了使材料整体具有更好的级配，以达到较高的密实程度。另外，橡胶粉在材料成分中起到调节变形模量的作用，在大型模型整体浇筑过程中，利用此种材料不需要二次处理，可以节约时间、方便施工。
所述水泥为32.5级复合硅酸盐水泥。
选择此种水泥是因为其抗压强度低，水化热低(由于是整体浇筑，减小温差应力裂缝的产生)，和易性和耐热性好。
制作所述材料的方法，所述方法包括以下步骤：
1)将重晶石、橡胶粉混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温，得到物料1；
2)将水泥加入到物料1中，继续拌合均匀，得到物料2；
3)将46号废液压油加入到物料2在，再拌合均匀得到物料3；
4)将2.8-4份水加入到物料3中，搅拌均匀；
完成所述材料的制作。
先将粒径为80目的橡胶粉与重晶石混合，为了使橡胶粉附着在重晶石表面，再加入水泥，使其附着在上述混合物的表面利于与水进行化学作用。先加46号废液压油然后再加水，是为了防止加水后水和水泥产生化学反应，导致液压油不能与材料均匀混合，影响材料性质。
在应用之前，先按质量份比和单块体积尺寸将以上材料称重,然后放入模具中夯压成型，成型后在室内自然干燥28天后进行力学性能测试，符合要求即可作为地质力学模型试验的相似材料使用。
本发明所提出的一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料及其制备方法，有益效果如下：
1、本发明提供的岩体模拟相似材料中同时含有水泥、水和橡胶粉，其中水泥虽然本身并不具备粘结特性，但是水泥和水反应生成的水化产物，如水化硅酸钙，却具有较高的强度和胶凝特性，该特性使得水泥在整个材料的组成中，成为了影响抗压强度和变形模量的最敏感性组分，并为材料贡献着较高的抗压强度和变形模量，适当加入橡胶粉可有效的降低材料抗压强度和变形模量。因此可以通过调节水泥、水和橡胶粉的掺入量来使岩体模拟材料的抗压强度和变形模量在较大范围内变化，以满足模拟不同级别岩体的需要；
2、本发明提供的岩体模拟材料中还使用了具有润滑特性的46号废液压油，而该液压油可降低材料的抵抗变形能力，因而可以通过调节其加入量来进一步方便地调节材料变形模量与抗压强度，以满足模拟不同级别岩体的需要；
3、本发明所使用的材料不易受外界环境影响，因此使所得相似材料在自然条件下的物理力学性能能够保持稳定，是一种较理想的岩体模拟材料；
4、本发明所用原材料来源广泛，无毒副作用，且可以对废料进行再利用，因而可以提高材料的利用率；
5、本发明方法的制备过程简单，其制备过程都是在常温下进行混合，因而耗能低，制备效率高，成本低；
6、本发明材料制作的模型是整体浇筑的，方便施工需要；
7、本发明选取的是重晶石，不需要大量的筛选，减少人力成本；
8、本发明用的橡胶粉，能很好的调节材料的变形模量，不需要二次加工；
9、本发明采用46号废弃液压油能废料再利用，可以降低成本。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
本发明材料的参数范围如表1：
表1：相似材料的参数范围表
材料参数 抗压强度(MPa) 变形模量(MPa) 容重(KN/m3)
变化范围 0.13-1.04 25.1-128.9 25.5-26.7
实施例1
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将46份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将3.6份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将4份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为25.63KN/m3，抗压强度为1.04Mpa，变形模量为128.9Mpa。
实施例2
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将46份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将3.4份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将4份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为25.78KN/m3，抗压强度为0.86Mpa，变形模量为121.6Mpa。
实施例3
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将48份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将3.2份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将4份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为25.94KN/m3，抗压强度为0.566Mpa，变形模量为69.9Mpa。
实施例4
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将46份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将3份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将4份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为25.88KN/m3，抗压强度为0.375Mpa，变形模量为87.4Mpa。
实施例5
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将46-48份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将3份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2.4份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将4份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为25.85KN/m3，抗压强度为0.343Mpa，变形模量为47.8Mpa。
实施例6
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将48份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将3份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将3份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将4份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为25.62KN/m3，抗压强度为0.13Mpa，变形模量为25.03Mpa。
实施例7
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将46份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将2.6份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将3.8份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为26.07KN/m3，抗压强度为0.28Mpa，变形模量为52.3Mpa。
实施例8
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将46份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将2.2份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将3.6份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为26.01KN/m3，抗压强度为0.32Mpa，变形模量为54.5Mpa。
实施例9
一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料按质量份比：
先将48份粒径为5mm以下的重晶石和1份的橡胶粉混合均匀，然后于105℃下烘干3小时除水，取出冷却至室温；将2份水泥加入到重晶石粉、橡胶粉的混合物中，继续拌合均匀；将2份46号废液压油加入到上述的混合物中再拌合均匀；最后将2.8份水加入到以上的混合物中，再拌合均匀即可。
该材料的容重为26.10KN/m3，抗压强度为0.15Mpa，变形模量为40.2Mpa。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料，其特征在于：所述材料包括按重量份计的以下组分：
重晶石45-50份，水泥1.5-3.9份，水2.4-4.5份，46号废液压油1-5份，橡胶粉0.5-1.5份。
2.根据权利要求1所述用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料，其特征在于：所述材料包括按重量份计的以下组分：
重晶石46-48份，水泥1.7-3.6份，水2.8-4份，46号废液压油1-3份，橡胶粉1份。
3.根据权利要求1或2所述用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料，其特征在于：所述材料制成容重为25.5-26.7KN/m3、尺寸为10cm×10cm×10cm的试样测得的变形模量为25.1-128.9Mpa，抗压强度为0.13-1.04Mpa。
4.根据权利要求1或2所述用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料，其特征在于：所述重晶石粒径≤5mm。
5.根据权利要求1或2所述用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料，其特征在于：所述橡胶粉粒径为80目。
6.根据权利要求1或2所述用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料，其特征在于：所述水泥为32.5级复合硅酸盐水泥。
7.制作权利要求1或2所述用于地质力学物理模型试验的岩体相似材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）将重晶石、橡胶粉混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温，得到物料1；
2）将水泥加入到物料1中，继续拌合均匀，得到物料2；
3）将46号废液压油加入到物料2在，再拌合均匀得到物料3；
4）将2.8-4份水加入到物料3中，搅拌均匀；
完成所述材料的制作。
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