CN106840829B - 一种致密无填充裂隙岩体试样的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,包括如下步骤:(1)模拟实际裂隙岩体中裂隙的结构、形态,确定待制备试样中各种裂隙的三维数字空间模型、并采用锡材料进行3D打印,得到不同类型的裂隙模拟构件;(2)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆,并将其分两次倒入模具中,其间置入裂隙模拟构件;(3)待试样固化成型后脱模、初次养护;(4)对试样进行低温处理,直至裂隙模拟构件变成粉末、裂隙形成;(5)再次养护、加工处理,即得。本发明采用锡材料制作裂隙模拟构件,其在低温下可变为粉末、形成裂隙,试样制备完成后无需取出,避免对试样造成破坏;通过分时段浇筑试样能够准确地确定裂隙构件的位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩体试样的制备方法,具体涉及一种致密无充填的裂隙岩体试样的制备方法,属于岩石力学领域。
背景技术
岩石是组成地壳的基本物质,它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚齐而成的自然体,岩石经受了各种地质作用,并在地应力的长期作用下,在内部保留了各种永久变形的形象和各种各样的地质构造形迹,例如褶皱,节理,断层,劈理,细微裂隙等。目前缺乏一种既能精确定位裂隙位置同时对裂隙形状又模拟较好的方法,基于这样的背景下,因此迫切需要一种比较完备的制备致密性裂隙岩体试样的方法。
申请号为201410052815.4的中国发明专利申请《一种随机裂隙岩石试样的制作方法》公开了一种制备类裂隙岩石试样的方法。但该方法存在以下几个问题:(1)锡条形状发生变形(2)数量多的锡条可能贴在一起(3)不能对裂隙位置进行模拟。
申请号为201510101158.2的中国发明专利申请《断续无充填裂隙岩石试样模型的制作方法》公开了一种将薄片水溶纸用水溶线固定在模具中然后倒入水泥砂浆,试样成型后用采用煮沸法饱和试样的制备类裂隙岩石试样的方法。该方法中薄片水溶纸在倒入砂浆的过程中容易损害,同时这种薄片水溶纸只能模拟单一的裂隙。
申请号为201510735920.2的中国发明专利申请《用于制作不同倾角类裂隙岩石试件的模具及其制作方法》公开了一种在模具内安装旋转插槽,在插槽之间夹有裂隙模拟框,通过调整插槽角度来制作不同倾角类裂隙岩石试件的制备方法。该方法虽然可以比较灵活的调整裂隙角度,但用于不同类型的裂隙时插槽需要按要求另行制作,另外槽板需要拆除容易对试样产生损害。
申请号为200610042132.6的中国发明专利申请《用于裂隙岩石试验的陶瓷试件三维内置裂隙制造方法》公开了一种利用陶瓷材料代替砂浆,用钢杆模拟裂隙形状插入到陶瓷材料内,同时用青稞纸填充裂隙成型后窑内烧制的裂隙试样制造方法。该方法实用的陶瓷材料虽然对于之后的烧制试样有很大的用处,但是否能够代替砂浆模拟岩体还不能确定,再用青稞纸填充裂隙后在窑内烧制会产生较多的附加物可能对无充填的裂隙模拟效果不好,同时模拟其他类型的裂隙时模拟裂隙的钢杆也要再重新制作,比较麻烦。
发明内容
发明目的:本发明的针对现有技术中存在的问题,提供一种致密无填充裂隙岩体试样的制备方法。
技术方案:本发明所述的一种致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,包括如下步骤:
(1)模拟实际裂隙岩体中裂隙的结构、形态,确定待制备试样中各种裂隙的三维数字空间模型、并采用锡材料进行3D打印,得到不同类型的裂隙模拟构件;
(2)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆作为制备试样的原料,将水泥砂浆分两次倒入模具中,其间置入裂隙模拟构件;
(3)待试样固化成型后脱模,对试样进行初次养护、直至其满足预期的强度要求;
(4)对试样进行低温处理,直至裂隙模拟构件变成粉末、裂隙形成;
(5)再次养护、使试样恢复正常温度,加工处理后得到致密无填充裂隙岩体试样。
上述步骤(2)中,将水泥砂浆分两次倒入包括:先将水泥砂浆倒至模具内1/2~2/3体积处,待裂隙模拟构件置入后,继续倒入水泥砂浆、直至其填满模具内空间。
进一步的,第一次将水泥砂浆倒入模具中后,在常温25℃下放置60~80min,插入裂隙模拟构件,静置、待该裂隙模拟构件不发生垂直位移时,倒入剩余的水泥砂浆。
较优的,用于制作试样的模具通过3D打印制得;更优的,该模具底部设有密封的气孔,脱模时,将该气孔解除密封,自气孔向模具内鼓入空气,使试样从模具中脱出。
优选的,步骤(3)中,初次养护是将试样在室外恒温条件下固化成型后,放入烘箱中恒温养护、直至其满足预期的强度要求。
具体的,步骤(4)中,低温处理是将试样置于低于-13.2℃的温度条件下。
上述步骤(5)中,再次养护是将低温处理后的试样先置于室内,待试样温度与室内温度相近时,将其拿到室外或对其进行加热处理,直至试样达到正常温度。
其中,对试样进行加工处理是将再次养护后的试样进行切割、打磨。
有益效果:与现有技术相比,本发明的显著优点在于:
(1)本发明采用3D打印技术制作模拟裂隙的构件,可以模拟多种形态的裂隙,并可精确控制裂隙的大小,空间形态,同时,采用锡材料制备裂隙模拟构件,在温度低于-13.2℃时可变为粉末、形成裂隙,试样制备完成后无需取出,避免对试样造成破坏;
(2)本发明将水泥砂浆分两次倒入模具,其间放入裂隙模拟构件,通过分时间段浇筑试样能够准确地确定裂隙构件的位置;而且,第一次倒入水泥砂浆后,先使其凝固到一定程度,然后插入裂隙模拟构件,通过改变模具底面与水平面的角度可实现对裂隙模拟构件的位置、角度的控制,从而可较为精确地模拟出裂隙的位置;
(3)通过在模具底部预留小孔,在脱模时,通过自小孔向模具内鼓入空气,将试样部件顶出模具,快速脱模,同时不会破坏试样或其中的裂隙结构。
附图说明
图1为本发明的一种致密无填充裂隙岩体试样的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1,本发明的一种致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,包括如下步骤:
(1)模拟实际裂隙岩体中裂隙的结构、形态,确定待制备试样中各种裂隙的三维数字空间模型、并采用锡材料进行3D打印,得到不同类型的裂隙模拟构件;
以制备50×50×50mm的致密无填充裂隙岩体试样为例,制备包含不同裂隙构件形态的多个试样;裂隙的结构尺寸多种多样,其中,裂隙的宽度包括4mm、8mm、12mm、15mm、20mm五种,裂隙厚度包括0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm五种,制作的不同试样中,裂隙数量包括1个、2个、4个、6个、8个五种。
采用锡材料打印成不同结构尺寸的锡条、作为裂隙模拟构件:选用厚度为1mm的锡条模拟不同宽度的裂隙,每种宽度选用6跟锡条模拟;选用宽度为15mm的锡条模拟不同厚度的裂隙,每种厚度选用6跟锡条模拟;选用宽度为15mm厚度为1mm的锡条模拟不同数量的裂隙。
用于打印形成裂隙模拟构件的锡材料必须为纯锡,不可为混合锡材料或含有锡的其他金属材料。用于形成裂隙的锡条制作完成后放置在干燥地方保存。
(2)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆作为制备试样的原料,将水泥砂浆分两次倒入模具中,其间置入裂隙模拟构件;可先将水泥砂浆倒至模具内1/2~2/3体积处,待裂隙模拟构件置入后,继续倒入水泥砂浆、直至其填满模具内空间。
先制作模具:根据待制备试样的形态结构,确定用于制作试样的模具的三维数字空间模型,并在对应模具底部中央位置处预留一个直径为5mm的小圆孔;采用石英纤维通过3D打印技术制得模具,模具的整体外部尺寸为60×60×55mm;其中,用于形成试样部分的尺寸为50×50×50mm,且模具底部中央处具有一个直径为5mm的小圆孔。
然后配制水泥砂浆,水泥砂浆由沙子、水泥、水、减水剂和减气泡剂配制而成,其中,沙子、水泥、水、减水剂和减气泡剂的质量比为1:0.5:0.3:0.2%:0.2%,此配比是经过严格试验所得,能很好的反映致密岩石的力学性质。
将配制好的水泥砂浆倒入模具内2/3体积处,在常温25℃左右情况下放置60~80分钟,插入用于形成裂隙的锡片,插入时不能破坏水泥砂浆的凝固状态,放置完成后再在室外放置30分钟,锡片不再发生垂直位移,然后倒入剩余的水泥砂浆,将模具内填满。
本步骤中将水泥砂浆分两次倒入模具,其间放入裂隙模拟构件,通过这种分时间段浇筑的方式制备试样,能够准确地确定试样中裂隙模拟构件的位置;具体来说,先将水泥砂浆倒入模具内2/3体积处是考虑了锡片下沉的可能性,以保证裂隙的形成位置在允许的误差内。虽然在实验中间已经有足够的时间观察锡片是否下沉,但考虑到人的肉眼可能存在微小的误差。而且,第一次倒入水泥砂浆后,先使其凝固到一定程度,然后插入裂隙模拟构件,此时还可通过改变模具底面与水平面的角度来实现对裂隙模拟构件的位置、角度的控制,从而更精确地模拟出裂隙的位置。
(3)待试样固化成型后脱模,然后进行初次养护、直至其满足预期的强度要求;
待水泥砂浆完全凝固、试样固化成型后,将试样脱模;脱模时,先将其放到烤箱50℃烘烤1小时,可在倒入水泥砂浆前在模具内壁涂抹凡士林,然后通过模具下方的小孔往模具内充气,试样很容易即从模具内脱出。脱模后要检查试样是否合格,如果脱模后的试样表面有明显的裂隙或者试验中部脱层,则视为试样不合格,需要重新制备,本次制得的试样的标准重量为250g,此数字也可以看作试样合格率的标准。
试样脱模后,对其进行初次养护,即将试样在室外条件下恒温养护28天,让水泥砂浆自然凝固,但为了节省时间在室外恒温凝固一定程度时可选择在烤箱中40℃养护,缩短养护时间;初次养护的目的在于使成型后的试样在适宜的条件下不断硬化,强度不断增长,直至满足预期的强度要求。
(4)将试样置于-13.2℃以下、对其进行低温处理,直至裂隙模拟构件变成粉末、裂隙形成;
本实施例中,将初次养护后的试样放置在冷冻仪器内,设置温度为零下80℃,放置3个小时后取出试样,此时,锡片已完全变成粉末状,裂隙形成;在冷冻前要保证试样完好、养护充分,放入冷冻仪器内的试样之间要间隔一定距离,避免两个试样相接触,一旦发生接触两个试样很容易粘结在一起,对试样进行分离容易对试样造成破坏。
(5)再次养护、加工处理,得到致密无填充裂隙岩体试样。
在试样低温冷冻之后,取出试样,对其进行再次养护,使其恢复至正常温度。由于试样低温处理后温度较低,若将其直接置于温度较高的室外或直接对其进行烘烤,试样内部很容易产生温度应力。可将试样先在室内放置一段时间,待试样内大部分温度与室温相近时再将其拿到室外,使试样逐渐恢复至正常温度。为了节省时间也可以在试样温度与室内温度一致时将其拿到烤箱低温烘烤。
本实验在夏季进行,温差太大,冷冻完成后先在恒温25℃的室内放置3小时,一般情况下在1小时左右试样外部温度已经接近室温了,但内部温度不易升高,所以一般放置越久越好,本实验3小时即可。
再次养护后,对试样进行加工处理,包括对试样上下两个底面打磨平整,对试样边角处进行打磨处理,较完美的体现试样的外部构造;然后将试样应放在干燥通风处,试样潮湿会对影响试验精确度,同时对试样进行编号以便于进行后面的渗透试验;最终得到致密无填充裂隙岩体试样。
Claims (8)
1.一种致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)模拟实际裂隙岩体中裂隙的结构、形态,确定待制备试样中各种裂隙的三维数字空间模型、并采用锡材料进行3D打印,得到不同类型的裂隙模拟构件;
(2)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆作为制备试样的原料,将水泥砂浆分两次倒入模具中,其间置入裂隙模拟构件;第一次将水泥砂浆倒入模具中后,在常温25℃下放置60~80min,插入裂隙模拟构件,静置、待该裂隙模拟构件不发生垂直位移时,倒入剩余的水泥砂浆;
(3)待试样固化成型后脱模,对试样进行初次养护、直至其满足预期的强度要求;
(4)对试样进行低温处理,直至裂隙模拟构件变成粉末、裂隙形成;
(5)再次养护、使试样恢复正常温度,加工处理后得到致密无填充裂隙岩体试样。
2.根据权利要求1所述的致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述将水泥砂浆分两次倒入包括:先将水泥砂浆倒至模具内1/2~2/3体积处,待裂隙模拟构件置入后,继续倒入水泥砂浆、直至其填满模具内空间。
3.根据权利要求1所述的致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述模具通过3D打印制得。
4.根据权利要求1所述的致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述模具底部设有密封的气孔,脱模时,将该气孔解除密封,自气孔向模具内鼓入空气,使试样从模具中脱出。
5.根据权利要求1所述的致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述初次养护是将试样在室外恒温条件下固化成型后,放入烘箱中恒温养护、直至其满足预期的强度要求。
6.根据权利要求1所述的致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述低温处理是将试样置于低于-13.2℃的温度条件下。
7.根据权利要求1所述的致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述再次养护是将低温处理后的试样先置于室内,待试样温度与室内温度相近时,将其拿到室外或对其进行加热处理,直至试样达到正常温度。
8.根据权利要求1所述的致密无填充裂隙岩体试样的制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述加工处理是将再次养护后的试样进行切割、打磨。
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