CN107631919A - 一种n2红土相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种N₂红土相似材料及其制备方法，属于岩土工程相似材料技术领域，该相似材料采用骨料、胶结物和调节剂制成，所述骨料与胶结物的质量比为5:1‑8:1，所述调节剂占相似材料总质量的15％‑16％；所述骨料包括膨润土、石英砂；所述胶结物包括凡士林、硅油和石膏；所述调节剂为水。本发明以膨胀率、抗压强度和粘聚力为衡量指标，可实现相似材料膨胀率50％‑190％，抗压强度13kPa‑55kPa，粘聚力22kPa‑41kPa的配比要求，该相似材料可以准确满足模型试验最主要力学参数要求，同时可以很好的模拟N₂红土或类似性质土受采动影响开裂，遇水后裂隙自动弥合的重要水理性质。

Description

一种N2红土相似材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种N₂红土相似材料及其制备方法，属于岩土工程相似材料技术领域。

背景技术

陕北地处号称能源“金三角”的能源资源富集区，是干旱半干旱的沙漠化地区，水资源短缺，生态环境脆弱。据统计我国的矿井水流失总量为4.96×10⁹t/a，其流失的主要形式是矿井水外排地表而蒸发，这个问题在该地尤为突出。该区第四系更新统砂层潜水含水层(Q₃萨拉乌苏含水层，富水性中等到强)、沟谷径流水、湖泊(海子)等浅表层水，是维系西北干旱-半干旱区工农业发展、饮用水、生态环境平衡的珍贵水资源。陕北侏罗系煤层之上，普遍发育有新近系上新统N₂红粘土层，由于其塑性较强，无裂隙，隔水性能好，所以这一层红土为良好的相对隔水层，在采动中起着隔水保水的重要的作用。

随着我国西部煤炭资源开采规模不断扩大，侏罗系煤层开采突水及其诱发的次生地质灾害日趋严重，影响范围不断扩大，已对区域经济和社会发展产生了重要影响。基于实验室相似模拟试验是研究这一类问题的重要手段，而相似材料的配比及正确选择是保证模型试验准确性的重要因素。

N₂红土是一种硬塑、饱和、低压缩性、弱透水、中等膨胀的低液限粘土或粉质粘土，对“两带”高度的发育会起到较明显抑制作用，其中弱透水-极弱透水性和膨胀特性是其重要性质，除此之外，还应满足以下要求：

①相似材料的主要力学性质应与模拟的岩土层的结构相似；

②材料的力学性能稳定，不易受外界条件的影响；

③改变材料的配比，可使材料的力学性能发生改变，以适应相似条件的需要；

④容易成型，方便制作，凝固时间短；

⑤材料来源广，成本低廉。

我国现在常用的模型试验的主要材料包括重晶石粉、砂、石膏、加膜铁粉及铜粉等，常用的胶结剂有机油、石蜡油、松香等，也可加入锌粉、铁粉、铅粉、石英砂、尾砂、膨润土、硅藻土、高岭土粉等作为辅助材料。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种N₂红土相似材料及其制备方法，能满足其物理力学性能相似要求。

为了实现上述目的，本发明采用的一种N₂红土相似材料，该相似材料采用骨料、胶结物和调节剂制成，所述骨料与胶结物的质量比为5:1-8:1，所述调节剂占相似材料总质量的15％-16％；

所述骨料包括膨润土、石英砂；所述胶结物包括凡士林、硅油和石膏；所述调节剂为水。

作为改进，所述骨料中膨润土与石英砂的质量比为1:2-1:8。

作为改进，所述胶结物中凡士林与硅油的质量比为1:1-4:1，所述石膏占相似材料总质量的0％-9％。

作为改进，所述膨润土为纳基膨润土，所述石英砂采用不大于32目、磨圆度好的石英砂，所述凡士林为工业凡士林，所述硅油为二甲基硅油。

另外，本发明还提供了一种N₂红土相似材料的制备方法，先确定N₂红土相似材料力学参数，然后根据土砂比与膨胀率的关系、土砂比与抗压强度的关系和土砂比与粘聚力的关系，确定相似材料中各原料的比例，最后按照确定的比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。

作为改进，具体包括以下步骤：

步骤一、根据地层柱状资料确定实际地层的力学参数、尺寸及相似模型尺寸，依据相似理论确定相似材料力学参数，具体如下：

(1)根据相似理论确定相似比尺

几何相似比：C_L＝L_H/L_M；

时间相似比：

容重相似比：C_γ＝γ_H/γ_M；

式中，L_H、L_M、t_H、t_M、γ_H、γ_M分别为原型广义长度、模型广义长度、原型运动所需时间、模型运动所需时间、原型容重、模型容重；

(2)确定相似材料各项参数

相似材料抗压强度：σ_M＝σ_H/(C_r·C_L)；

相似材料粘聚力：C_M＝C_H/(C_r·C_L)；

相似材料膨胀率：D_M＝D_H；

式中，σ_H、C_H、D_H分别为原型的抗压强度、粘聚力、膨胀率；

步骤二、按照步骤一确定的相似材料力学参数，根据土砂比与膨胀率的关系、土砂比与抗压强度的关系和土砂比与粘聚力的关系，确定相似材料中各原料的比例；

步骤三、按照步骤二确定的原料比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。

本发明与现有其它相似材料相比具有如下优点：

1)按照本发明配比方案配制的相似材料，可以准确满足模型试验最主要力学参数要求，得到最接近实际的结果。

2)本发明采用的膨润土具有低渗透性、低扩散性、强膨胀性、强自封闭性和强自愈合能力，硅油具有较大黏度，不错的封闭性，可以很好的模拟N₂红土受采动影响开裂，遇水后裂隙自动弥合的重要水理性质，从而验证红土作为良好的相对隔水层在陕北“保水开采”中的重要作用。

3)本发明配制的相似材料，可通过土砂比、骨胶比与膨胀率的关系图，土砂比、骨胶比与抗压强度的关系图和土砂比、骨胶比与粘聚力的关系图快速确定相似材料的配比，能够显著减少工作量，提高效率。

4)本发明提供的相似材料配比，膨胀率变化范围50％-190％，抗压强度变化范围13kPa-55kPa，粘聚力变化范围22kPa-41kPa，参数变化范围广，可适用于包括红土在内的具有类似性质的相似材料配制。

5)本发明所用材料无毒无害，价格低廉，方便获取，易于推广。

附图说明

图1为本发明相似材料土砂比、骨胶比与膨胀率的关系图；

图2为本发明相似材料土砂比、骨胶比与抗压强度的关系图；

图3为本发明相似材料土砂比、骨胶比与粘聚力的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

一种N₂红土相似材料，该相似材料采用骨料、胶结物和调节剂制成，所述骨料与胶结物的质量比为5:1-8:1，所述调节剂占相似材料总质量的15％-16％；

所述骨料包括膨润土、石英砂；所述胶结物包括凡士林、硅油和石膏；所述调节剂为水。

作为实施例的改进，所述骨料中膨润土与石英砂的质量比为1:2-1:8。

作为实施例的改进，所述胶结物中凡士林与硅油的质量比为1:1-4:1，所述石膏占相似材料总质量的0％-9％。

作为实施例的改进，所述膨润土为纳基膨润土，所述石英砂采用不大于32目、磨圆度好的石英砂，所述凡士林为工业凡士林，所述硅油为二甲基硅油。

一种N₂红土相似材料的制备方法，先确定N₂红土相似材料力学参数，然后根据土砂比与膨胀率的关系、土砂比与抗压强度的关系和土砂比与粘聚力的关系，确定相似材料中各原料的比例，最后按照确定的比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。

作为实施例的进一步改进，该制备方法具体包括以下步骤：

步骤一、根据地层柱状资料确定实际地层的力学参数、尺寸及相似模型尺寸，依据相似理论确定相似材料力学参数，具体如下：

(1)根据相似理论确定相似比尺

几何相似比：C_L＝L_H/L_M；

时间相似比：

容重相似比：C_γ＝γ_H/γ_M；

式中，L_H、L_M、t_H、t_M、γ_H、γ_M分别为原型广义长度、模型广义长度、原型运动所需时间、模型运动所需时间、原型容重、模型容重；

(2)确定相似材料各项参数

相似材料抗压强度：σ_M＝σ_H/(C_r·C_L)；

相似材料粘聚力：C_M＝C_H/(C_r·C_L)；

相似材料膨胀率：D_M＝D_H；

式中，σ_H、C_H、D_H分别为原型的抗压强度、粘聚力、膨胀率；

步骤二、按照步骤一确定的相似材料力学参数，根据土砂比与膨胀率的关系图(如图1)、土砂比与抗压强度的关系图(如图2)和土砂比与粘聚力的关系图(如图3)，确定相似材料中各原料的比例；

步骤三、按照步骤二确定的原料比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。

实施例1

以陕北地区N₂红土相似材料配比及其制备方法为例进行阐述，包括下述步骤：

1)收集原型地层资料及力学参数，基于研究对象及试验条件，采用实验室现有的2500mm×1500mm×300mm相似模拟试验台进行，确定模型几何比C_L＝200、容重比C_γ＝1.0，确定模型力学参数：膨胀率80％，抗压强度56.5kPa，粘聚力30kPa；

2)按照上一步确定的膨胀率、抗压强度和粘聚力参数，根据土砂比、骨胶比与膨胀率的关系图(图1)，土砂比、骨胶比与抗压强度的关系图(图2)和土砂比、骨胶比与粘聚力的关系图(图3)，综合确定相似材料中各组分的比例为：凡硅比(凡士林比硅油)2：1，土砂比(膨润土比石英砂)1：6，骨胶比(骨料比胶结物)8：1，石膏占总质量的9％，水占总质量的15％；

3)按照上一步确定的比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。

实施例2

以甘肃庆阳地区N₂红土相似材料配比及其制备方法为例进行阐述，包括下述步骤：

1)收集原型地层资料及力学参数，基于研究对象及试验条件，采用实验室现有的2500mm×1500mm×300mm相似模拟试验台进行，确定模型几何比C_L＝200、容重比C_γ＝1.0，确定模型力学参数：膨胀率130％，抗压强度22.5kPa，粘聚力35.8kPa；

2)按照上一步确定的膨胀率、抗压强度和粘聚力参数，根据土砂比、骨胶比与膨胀率的关系图(图1)，土砂比、骨胶比与抗压强度的关系图(图2)和土砂比、骨胶比与粘聚力的关系图(图3)，综合确定相似材料中各组分的比例为：凡硅比(凡士林比硅油)4：1，土砂比(膨润土比石英砂)1：3，骨胶比(骨料比胶结物)6：1，石膏占总质量的3％，水占总质量的15％；

3)按照上一步确定的比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得该种膨胀性较强土相似材料。

实施例3

以山西石楼地区N₂红土相似材料配比及其制备方法为例进行阐述，包括下述步骤：

1)收集原型地层资料及力学参数，基于研究对象及试验条件，采用实验室现有的2500mm×1500mm×300mm相似模拟试验台进行，确定模型几何比C_L＝200、容重比C_γ＝1.0，确定模型力学参数：膨胀率40％，抗压强度58.5kPa，粘聚力22.5kPa；

2)按照上一步确定的膨胀率、抗压强度和粘聚力参数，根据土砂比、骨胶比与膨胀率的关系图(图1)，土砂比、骨胶比与抗压强度的关系图(图2)和土砂比、骨胶比与粘聚力的关系图(图3)，综合确定相似材料中各组分的比例为：凡硅比(凡士林比硅油)1：1，土砂比(膨润土比石英砂)1：8，骨胶比(骨料比胶结物)8：1，石膏占总质量的9％，水占总质量的15％；

3)按照上一步确定的比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种N₂红土相似材料，其特征在于，该相似材料采用骨料、胶结物和调节剂制成，所述骨料与胶结物的质量比为5:1-8:1，所述调节剂占相似材料总质量的15％-16％；

所述骨料包括膨润土、石英砂；所述胶结物包括凡士林、硅油和石膏；所述调节剂为水。

2.根据权利要求1所述的一种N₂红土相似材料，其特征在于，所述骨料中膨润土与石英砂的质量比为1:2-1:8。

3.根据权利要求1所述的一种N₂红土相似材料，其特征在于，所述胶结物中凡士林与硅油的质量比为1:1-4:1，所述石膏占相似材料总质量的0％-9％。

4.根据权利要求1所述的一种N₂红土相似材料，其特征在于，所述膨润土为纳基膨润土，所述石英砂采用不大于32目、磨圆度好的石英砂，所述凡士林为工业凡士林，所述硅油为二甲基硅油。

5.一种如权利要求1-4任一项所述N₂红土相似材料的制备方法，其特征在于，先确定N₂红土相似材料力学参数，然后根据土砂比与膨胀率的关系、土砂比与抗压强度的关系和土砂比与粘聚力的关系，确定相似材料中各原料的比例，最后按照确定的比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。

6.根据权利要求5所述的一种N₂红土相似材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、根据地层柱状资料确定实际地层的力学参数、尺寸及相似模型尺寸，依据相似理论确定相似材料力学参数，具体如下：

(1)根据相似理论确定相似比尺

几何相似比：C_L＝L_H/L_M；

时间相似比：

容重相似比：C_γ＝γ_H/γ_M；

式中，L_H、L_M、t_H、t_M、γ_H、γ_M分别为原型广义长度、模型广义长度、原型运动所需时间、模型运动所需时间、原型容重、模型容重；

(2)确定相似材料各项参数

相似材料抗压强度：σ_M＝σ_H/(C_r·C_L)；

相似材料粘聚力：C_M＝C_H/(C_r·C_L)；

相似材料膨胀率：D_M＝D_H；

式中，σ_H、C_H、D_H分别为原型的抗压强度、粘聚力、膨胀率；

步骤二、按照步骤一确定的相似材料力学参数，根据土砂比与膨胀率的关系、土砂比与抗压强度的关系和土砂比与粘聚力的关系，确定相似材料中各原料的比例；

步骤三、按照步骤二确定的原料比例称取一定量的各原料，放入搅拌机中搅拌均匀后加水继续搅拌，即得N₂红土相似材料。