CN105890950A - 一种模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，包括确定试样尺寸、制备模具，裂隙与孔洞统计、确定裂隙与孔洞密度、记录裂隙与孔洞尺寸及空间位置，制备锡条、锡球模拟裂隙与孔洞，定位锡条、锡球模拟裂隙与孔洞，模拟岩石材料的称量、拌合与浇铸，添加细目彩色石英砂、锡条或锡球后拌合、除泡处理，烘焙、冷冻循环制备试样。本发明的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，操作方便、系统性强，本发明制作的模拟岩石的透明试样可直观分析内部裂隙与孔洞的扩展情况，可信度高。

Description

一种模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法
技术领域
本发明涉及模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，属于岩石工程领域。
背景技术
工程岩体从力学上看，与其他工程材料的主要差别在于它的不连续性、不均匀性和多孔隙性，常常分布大量的三维裂隙和孔洞等缺陷，而且多数是中空的。因此，造成了实验室获得的有关岩石试样的力学性能、参数和破坏规律不能直接用于工程岩体。
岩石作为一种经历了漫长的地质构造作用并隐含了复杂的应力、变形及损伤历史的地质体，其内部存在着大量的裂隙和孔洞等缺陷，这些大小不等,位置随机、非随机的裂隙、孔洞等缺陷的存在，改变了岩石的力学性能，降低了岩石的极限承载能力。因此开展含裂隙、孔洞等缺陷介质破坏行为的研究，具有重要的学术和工程意义。在研究工程岩体的变形特征和破坏规律时，采用人工制备的含裂隙或孔洞等缺陷的岩石试样模型来代替天然岩石试样，进行相关室内试验是非常有效的研究方法，采用脆性好的材料能较准确的反应像岩石这样的固体的受力特性，而选用透明度高的材料可便于观测内部裂隙或孔洞等缺陷的扩展演化过程。
下面将具有代表性的模拟岩石内部裂隙或孔洞等缺陷材料制作方法简介如下：
(1)2014年01月，公开号为CN103773056A的中国发明专利申请《高脆性透明类岩石材料试样制备方法》中，给出了一种材料脆性度较高的透明的内含非随机裂隙材料的制作方法，用云母片模拟内置裂隙，用CY-39型树脂和YS-T31型固化剂模拟岩石材料，用恒温鼓风箱养护的方法制样。
(2)2014年02月，公开号为CN103822808A的中国发明专利申请《一种随机裂隙岩石试样的制作方法》中，给出了一种不透明的内含随机三维裂隙岩石试样的制作方法，用锡条模拟内置随机裂隙，用砂浆材料模拟岩石材料。
(3)2014年03月，公开号为CN103837390A的中国发明专利申请《一种含孔洞缺陷岩石试样的制作方法》中，给出了一种不透明的内含随机孔洞缺陷岩石试样的制作方法，用锡球模拟内置随机孔洞缺陷，用砂浆材料模拟岩石材料。
(4)2014年10月，公开号为CN104327472A的中国发明专利申请《一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法》中，给出了一种较好的满足岩石的脆性特性和单轴压缩下剪胀特性的透明的内含非随机裂隙材料的制作方法，用云母片模拟内置裂隙，用不饱和聚酯树脂材料模拟岩石材料，用烘焙-冷冻循环的方法制样。
(5)2015年03月，公开号为CN104833556A的中国发明专利申请《裂隙网络岩体试样的制作方法及其制样模具》中，给出了一种不透明的内含非随机三维裂隙网络岩石试样的制作方法，用水溶纸模拟内置裂隙网络，用水溶线定位裂隙网络，用煮沸法饱和试样。
上述代表性的模拟岩石内部裂隙或孔洞等缺陷材料制作方法在一定程度上解决了含复杂裂隙、孔洞等缺陷模拟岩石材料的制作问题，但仍存在如下不足：
(1)已有研究成果系统性不足，已有岩石试样的制作方法没有完全涵盖随机与非随机、裂隙(含裂隙网络)与孔洞缺陷(含孔洞缺陷网络)、透明与非透明岩石材料等关键技术要求。
(2)在模拟岩石裂隙时，常用的薄云母片、薄塑料片等材料可能会增强岩石试样的强度，影响制备试样的试验效果。
(3)原位岩石试样中裂隙或孔洞的典型统计分布规律是威布尔分布，现有研究成果直接套用此分布规律制备特性数目与尺寸裂隙或孔洞模拟材料，缺乏科学依据。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，可制备内置随机与非随机的裂隙(含裂隙网络)或孔洞缺陷(含孔洞网络)的透明材料，该透明材料脆性较高、透明度高、易于加工成型。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，包括以下步骤：
(1)确定所需制备透明岩石试样尺寸，有机玻璃板材制备模具，在模具上留设小孔；
(2)通过扫描装置扫描岩石的裂隙和孔洞，确定模拟裂隙、孔洞的数目及各自分布规律，记录裂隙与孔洞尺寸及空间位置；
(3)按照步骤(2)裂隙与孔洞尺寸与密度制备锡条、锡球，按照步骤(2)中裂隙与孔洞的空间位置，在制作模拟含非随机裂隙或孔洞透明材料时，定位锡条或锡球以模拟裂隙与孔洞；在制作模拟含随机裂隙或孔洞透明材料时，不定位的锡条或锡球以模拟裂隙与孔洞，不定位的锡条或锡球在步骤(5)中与细目彩色石英砂一起搅拌；在制作模拟即含非随机裂隙或孔洞又包含随机裂隙或孔洞透明材料时，先定位一部分锡条或锡球以模拟裂隙与孔洞，然后另一部分不定位的锡条或锡球在步骤(5)中与细目彩色石英砂一起搅拌；
(4)向模具中加入模拟岩石材料；
(5)加入模具的模拟岩石材料在15℃-40℃下静置20分钟待混合液将要胶凝时加入细目彩色石英砂后拌合，除泡处理；
(6)对模具进行烘焙、冷冻循环后制备试样。
作为优选，所述步骤(1)中采用有机玻璃板材制作上部敞开、下部封闭的圆柱体、立方体或非规则柱体模具，在模具的适当位置留设小孔，改变小孔位置可调整非随机裂隙的倾斜方向、倾角与裂隙或孔洞的空间位置等。
作为优选，所述步骤(2)中通过CT扫描试验研究原样岩石裂隙的几何特征与分布规律，利用极射赤平投影法与玫瑰花图对裂隙进行统计分析，基于三维制图软件按照统计特征与各自分布规律的概率密度函数构建岩石三维裂隙结构模型；通过CT扫描岩石孔洞缺陷的几何特征与分布规律，利用Monte Carlo法和随机算法生成具有统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟孔洞位置、数量和孔径的随机分布，基于三维制图软件按照随机数序列分布分配的孔洞位置和统计特征构建岩石三维孔洞结构模型。
作为优选，在制作模拟含非随机裂隙透明材料时，所述步骤(3)中在15℃-40℃范围内机械切割金属锡，加工成尺寸和数目不等的锡条，锡条的尺寸和密度分布符合CT扫描裂隙统计分布规律，按照三维制图软件中标注的裂隙位置，将模拟裂隙网络的锡条进行穿插组合，形成裂隙网络，通过细棉线穿过有机玻璃板材模具预留的小孔将锡条固定在模具内部，并在模具外层将小孔密封。
作为优选，在制作模拟含非随机孔洞透明材料时，所述步骤(3)中在15℃-40℃范围内机械切割金属锡，加工成尺寸和数目不等的锡球，锡球的尺寸和密度分布符合CT扫描孔洞统计分布规律，按照三维制图软件中标注的孔洞位置，将模拟孔洞网络的锡球进行穿插组合，形成孔洞网络，通过细棉线穿过有机玻璃板材模具预留的小孔锡球固定在模具内部，并在模具外层将小孔密封。
作为优选，所述步骤(4)中模拟岩石材料由液体不饱和聚酯树脂、氧化钾乙酮和环烷酸钴组成，采用单位体积作为份数，用透明容器取100份液体不饱和聚酯树脂，加入1-2份过氧化钾乙酮，沿同一方向均匀缓慢搅拌3-5分钟，待其混合均匀后，加入0.5-1.5份环烷酸钴再均匀搅拌3-5分钟使其混合均匀，其实混合液的颜色应色泽一致且无气泡聚集，否则应继续缓慢搅拌直至符合前述要求为止。
作为优选，所述步骤(5)中细目彩色石英砂为10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份。
作为优选，所述步骤(5)拌合后将模具放入真空箱中做除泡处理20-25分钟。
作为优选，所述步骤(6)模具中的混合液在15℃-40℃下放置30-36小时后固化成型为具有一定强度的试件，进行脱模处理，将脱模后的试件用磨光机打磨，保持试件上下表面平行，将脱模后的试件放入烘箱中在70℃-90℃温度条件下烘焙20分钟，再将试件取出放入冷冻箱中保持-60℃低温冷冻1小时，之后脱模后的试件放入烘箱中在70℃-90℃温度条件下烘焙20分钟，再将试件取出放入冷冻箱中保持-60℃低温冷冻1小时，如此反复3-4次后将试件放入冷冻箱在-50℃保温12小时，处理后的试件即是可模拟含随机、非随机裂隙或孔洞的透明岩石材料。
作为优选，在制作含随机裂隙或孔洞透明模拟岩石材料时，所述步骤(3)中不定位锡条或锡球，仅按照CT扫描孔洞统计分布规律加工锡条或锡球，重复步骤(4)，在进行步骤(5)时，将加工好的锡条或锡球混合细目彩色石英砂共同加入后拌合均匀，重复步骤(6)制备成含随机裂隙或孔洞透明模拟岩石材料。
有益效果：本发明的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，具有以下优点：
(1)该发明方法制备的内置随机与非随机的裂隙(含裂隙网络)或孔洞(含孔洞网络)等缺陷的透明材料，可在15℃～40℃室温条件下进行实验，所选择的模拟岩石材料在-50℃下的拉压比可达到1/5.2，所制备的模拟岩石材料接近真实岩石材料的脆性，所制备试样可用于拉压试验、三轴剪切压缩试验、直接剪切试验等物理力学试验；
(2)该发明方法制备的试样脆性较高、透明度高、易于加工成型、可直观展现裂隙或孔洞等缺陷的扩展演化过程；
(3)该发明方法系统性强，操作方法简单、高效；
(4)该发明方法可应用于坝基、岩质边坡、地下硐室等含裂隙、孔洞等缺陷介质变形特性与破坏行为的研究。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为含裂隙及裂隙网络的标准圆柱试样示意图。
图3为含孔洞缺陷及孔洞缺陷网络的标准圆柱试样示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本实施例中，拟制备直径为50mm，高度为100mm的标准三轴试样,或者岩石真三轴试样、可模拟岩块的非规则柱体试样，采用有机玻璃板材制作上部敞开、下部封闭的圆柱体、立方体或非规则柱体模具，在模具的适当位置留设小孔，改变小孔位置可调整非随机裂隙1的倾斜方向、倾角与裂隙1或孔洞3的空间位置等。
如图1所示，本发明的一种模拟含随机、非随机裂隙1或孔洞透明材料制作方法，包括以下步骤：
(1)确定所需制备透明岩石试样尺寸，有机玻璃板材制备模具，在模具上留设小孔；
(2)通过CT扫描试验研究原样岩石裂隙1的几何特征与分布规律，利用极射赤平投影法与玫瑰花图对裂隙1进行统计分析，基于三维制图软件按照统计特征与各自分布规律的概率密度函数构建岩石三维裂隙1结构模型。
(3)通过CT扫描岩石孔洞缺陷3的几何特征与分布规律，利用Monte Carlo法和随机算法生成具有统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟孔洞3位置、数量和孔径的随机分布，基于三维制图软件按照随机数序列分布分配的孔洞3位置和统计特征构建岩石三维孔洞结构模型。
(4)在制作模拟含非随机裂隙1透明材料时，在15℃-40℃范围内机械切割金属锡，加工成尺寸和数目不等的锡条，锡条的尺寸和密度分布符合步骤(2)统计分布规律，按照步骤(2)标注的裂隙位置，将模拟裂隙网络的锡条进行穿插组合，形成裂隙网络2，通过细棉线穿过有机玻璃板材模具预留的小孔将锡条固定在模具内部，并在模具外层将小孔密封。
(5)在制作模拟含非随机孔洞透明材料时，在15℃-40℃范围内机械切割金属锡，加工成尺寸和数目不等的锡球，锡球的尺寸和密度分布符合步骤(3)统计分布规律，按照步骤(3)中标注的孔洞位置，将模拟孔洞网络的锡球进行穿插组合，形成孔洞网络4，通过细棉线穿过有机玻璃板材模具预留的小孔锡球固定在模具内部，并在模具外层将小孔密封。
(6)向模具中加入模拟岩石材料时，模拟岩石材料由液体不饱和聚酯树脂、氧化钾乙酮和环烷酸钴组成，采用单位体积作为份数，用透明容器取100份液体不饱和聚酯树脂，加入1-2份过氧化钾乙酮，沿同一方向均匀缓慢搅拌3-5分钟，待其混合均匀后，加入0.5-1.5份环烷酸钴再均匀搅拌3-5分钟使其混合均匀，其实混合液的颜色应色泽一致且无气泡聚集，否则应继续缓慢搅拌直至符合前述要求为止。
(7)加入模具的模拟岩石材料在15℃-40℃下静置20分钟待混合液将要胶凝时加入10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份，以及锡条或锡球后拌合，拌合后将模具放入真空箱中做除泡处理20-25分钟；
(8)混合液在15℃-40℃下放置30-36小时后固化成型为具有一定强度的试件，进行脱模处理，将脱模后的试件用磨光机打磨，保持试件上下表面平行，将脱模后的试件放入烘箱中在70℃-90℃温度条件下烘焙20分钟，再将试件取出放入冷冻箱中保持-60℃低温冷冻1小时，之后脱模后的试件放入烘箱中在70℃-90℃温度条件下烘焙20分钟，再将试件取出放入冷冻箱中保持-60℃低温冷冻1小时，如此反复3-4次后将试件放入冷冻箱在-50℃保温12小时，处理后的试件即是可模拟含非随机裂隙1或孔洞的透明岩石材料。
(9)在制作含随机裂隙1、2或孔洞3、4透明模拟岩石材料时，所述步骤(4)与步骤(5)中不定位锡条或锡球，仅按照步骤(2)与步骤(3)统计分布规律加工锡条或锡球，重复步骤(6)，在进行步骤(7)时，将加工好的锡条或锡球混合细目彩色石英砂共同加入后拌合均匀，重复步骤(8)制备成含随机裂隙或孔洞透明模拟岩石材料。
本发明中，还可以制作模拟即含非随机裂隙或孔洞又包含随机裂隙或孔洞的透明模拟岩石材料，先按照步骤(4)和(5)先定位一部分锡条或锡球以模拟裂隙与孔洞，重复步骤(6)，在进行步骤(7)时，将加工好的锡条或锡球混合细目彩色石英砂共同加入后拌合均匀，重复步骤(8),制备成即含非随机裂隙或孔洞又包含随机裂隙或孔洞透明模拟岩石材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定所需制备透明岩石试样尺寸，利用有机玻璃板材制备模具，在模具上留设小孔；
(2)通过扫描装置扫描岩石的裂隙和孔洞，统计分析确定模拟裂隙、孔洞的数目及各自分布规律，记录裂隙与孔洞尺寸及空间位置；
(3)按照步骤(2)裂隙与孔洞尺寸与密度制备锡条、锡球，按照步骤(2)中裂隙与孔洞的空间位置，在制作模拟含非随机裂隙或孔洞透明材料时，定位锡条或锡球以模拟裂隙与孔洞；在制作模拟含随机裂隙透或孔洞透明材料时，不定位的锡条或锡球以模拟裂隙与孔洞，不定位的锡条或锡球在步骤(5)中与细目彩色石英砂一起搅拌；在制作模拟即含非随机裂隙或孔洞又包含随机裂隙或孔洞透明材料时，先定位一部分锡条或锡球以模拟裂隙与孔洞，然后另一部分不定位的锡条或锡球在步骤(5)中与细目彩色石英砂一起搅拌；
(4)向模具中加入模拟岩石材料；
(5)加入模具的模拟岩石材料在15℃-40℃下静置20分钟待混合液将要胶凝时加入细目彩色石英砂后拌合，除泡处理；
(6)对模具进行烘焙、冷冻循环后制备试样。
2.根据权利要求1所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用有机玻璃板材制作上部敞开、下部封闭的圆柱体、立方体或非规则柱体模具，在模具的适当位置留设小孔。
3.根据权利要求1所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过CT扫描试验研究原样岩石裂隙的几何特征与分布规律，利用极射赤平投影法与玫瑰花图对裂隙进行统计分析，基于三维制图软件按照统计特征与各自分布规律的概率密度函数构建岩石三维裂隙结构模型；通过CT扫描岩石孔洞缺陷的几何特征与分布规律，利用Monte Carlo法和随机算法生成具有统计参数和概率密度函数的随机数序列来模拟孔洞位置、数量和孔径的随机分布，基于三维制图软件按照随机数序列分布分配的孔洞位置和统计特征构建岩石三维孔洞结构模型。
4.根据权利要求1所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：在制作模拟含非随机裂隙透明材料时，所述步骤(3)中在15℃-40℃范围内机械切割金属锡，加工成尺寸和数目不等的锡条，锡条的尺寸和密度分布符合CT扫描裂隙统计分布规律，按照裂隙位置，将模拟裂隙网络的锡条进行穿插组合，形成裂隙网络，通过细棉线穿过有机玻璃板材模具预留的小孔将锡条固定在模具内部，并在模具外层将小孔密封。
5.根据权利要求1所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：在制作模拟含非随机孔洞透明材料时，所述步骤(3)中在15℃-40℃范围内机械切割金属锡，加工成尺寸和数目不等的锡球，锡球的尺寸和密度分布符合CT扫描孔洞统计分布规律，按照孔洞位置，将模拟孔洞网络的锡球进行穿插组合，形成孔洞网络，通过细棉线穿过有机玻璃板材模具预留的小孔锡球固定在模具内部，并在模具外层将小孔密封。
6.根据权利要求1所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中模拟岩石材料由液体不饱和聚酯树脂、氧化钾乙酮和环烷酸钴组成，采用单位体积作为份数，用透明容器取100份液体不饱和聚酯树脂，加入1-2份过氧化钾乙酮，沿同一方向均匀缓慢搅拌3-5分钟，待其混合均匀后，加入0.5-1.5份环烷酸钴再均匀搅拌3-5分钟使其混合均匀，其实混合液的颜色应色泽一致且无气泡聚集，否则应继续缓慢搅拌直至符合前述要求为止。
7.根据权利要求6所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中细目彩色石英砂为10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份。
8.根据权利要求1所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：所述步骤(5)拌合后将模具放入真空箱中做除泡处理20-25分钟。
9.根据权利要求1所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：所述步骤(6)模具中的混合液在15℃-40℃下放置30-36小时后固化成型为具有一定强度的试件，进行脱模处理，将脱模后的试件用磨光机打磨，保持试件上下表面平行，将脱模后的试件放入烘箱中在70℃-90℃温度条件下烘焙20分钟，再将试件取出放入冷冻箱中保持-60℃低温冷冻1小时，之后脱模后的试件放入烘箱中在70℃-90℃温度条件下烘焙20分钟，再将试件取出放入冷冻箱中保持-60℃低温冷冻1小时，如此反复3-4次后将试件放入冷冻箱在-50℃保温12小时，处理后的试件即是可模拟含非随机裂隙或孔洞的透明岩石材料。
10.根据权利要求3所述的模拟含随机、非随机裂隙或孔洞透明材料制作方法，其特征在于：在制作含随机裂隙或孔洞透明模拟岩石材料时，所述步骤(3)中不定位锡条或锡球，仅按照CT扫描统计分布规律加工锡条或锡球，重复步骤(4)，在进行步骤(5)时，将加工好的锡条或锡球混合细目彩色石英砂共同加入后拌合均匀，重复步骤(6)制备成含随机裂隙或孔洞透明模拟岩石材料。
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