CN107966340B - 含几何损伤类岩石材料试件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含几何损伤类岩石材料试件的制备方法，它包括模具的组装和试件制作两大步骤，其中试件制作包括含有大量随机分布的孔隙类岩石材料试件的制作，和含有一定数量的、形状可控的、分布形式呈一定规律的孔隙类岩石材料试件的制作。利用本发明方法做出的岩石试件能模拟岩体中的原生孔隙，从而更好的进行岩石损伤力学试验。

Description

含几何损伤类岩石材料试件的制备方法

技术领域

本发明属于混凝土、石膏等类岩石材料试件制备技术领域，具体涉及一种含几何损伤类岩石材料试件的制备方法。

背景技术

岩石(或混凝土等)是一种典型的脆性材料，表现出与金属、合金和聚合物不同的特性，根本原因在于它是一种内部含有许多宏观、微观裂隙的多孔介质。从本质上讲，岩石是自然界的产物，由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成，经过亿万年的地质演变和多期复杂的构造运动，岩石内部含有不同阶次随机分布的孔隙和裂纹。在实际工程中，这些含有随机孔隙和裂纹的岩体受到爆破、加载、开挖、卸荷等工程扰动的影响，又不可避免地会在原岩基础上产生新的损伤裂隙，其内部裂纹、孔隙、滑移、错位等缺陷的形成、发展和演化会严重影响到岩石的宏观力学效能，对工程应用带来重大困难。

在矿山、土木、水利、交通、国防、能源等众多岩体工程中，岩石损伤力学研究仍是一个热门课题，它主要针对如何评价围岩的稳定性，进行合理的支护决策，以保证工程的安全建设和长期使用，对大量含预制损伤的岩石试件从裂纹的萌生、扩展、演化到断裂、破坏全过程进行多物理场实验模拟和观测，旨在建立岩石损伤本构模型和损伤演化方程，评价岩体的损伤程度，进而评估其稳定性。在进行岩石损伤力学试验研究之前，首先要制备出合理的损伤试件，因此如何在室内通过人工方法制备内部含定量随机损伤孔隙及损伤孔隙在其内部成规律分布的岩石相似材料试件成为岩石损伤特性研究中的一个难题。

目前，国内外学者对含初始损伤裂隙岩石试件的制作方法进行了大量探索，具体可分为以下几类：

①采用预埋薄金属片、硬纸片、塑料圆管法在类岩石材料中制造穿透裂隙。

②采用线切割、水利切割法或利用车床进行钻孔、磨制，在真实岩石中预制裂隙。

③其他方法。如采用预压致裂法，形成裂隙试件，专利(CN104330291A)；采用在水泥砂浆中加椭圆形聚酯薄膜片的方式，在混凝土中形成非连续面，以模拟岩体中的非贯通单裂隙；将熔融石英块、熔融石英砂、矿物油、云母片等材料内置于树脂等透明材料内，模拟岩体中的原生裂隙等。

上述方法中，①②为国内外学者普遍认可的预制裂隙类岩石试件的方法，所制造的裂隙一般为贯通裂隙，裂隙数目较少，尺寸较大，与实际工程中许多裂隙为非贯通小型孔隙的情况不符。方法③中所列举的几种裂隙试件特殊制作方法，各自均有一定的研究对象和目的，其适用范围受局限。

随着类岩石材料及岩石损伤研究的进一步拓展，例如研究初始损伤、损伤演变对岩石承载力、长期强度的影响(弱化效用)、评估岩体的损伤程度和稳定性、探究裂隙尖端应力及变形场及裂隙扩展分布规律，裂隙的形态不应局限于圆形或椭圆形，岩石内部的孔隙数目应适当增多且其分布形式应当是多种多样的，尤其是利用类岩石材料进行研究时，应尽可能地做到与岩石内部实际的裂隙形态及分布形式相符。因此如何在类岩石材料试件的内部预制出相当数目的微小孔隙(裂隙)、且孔隙的几何形态及分布形式多样，是本发明的关键技术所在。

中国专利公开号CN104327472A公开了一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，包括模具制作、预制裂隙制作、混合液制作以及将固化试件反复进行烘焙、冷冻等步骤，最终制备得到模拟岩石内部裂纹扩展透明材料。该方法虽然解决了岩石内部裂纹无法直观观察的问题，但是还存在以下缺陷：一是，材料内部所预埋的云母片等物，无法从成型后的试件里取出，则试件不免成为一种复合体，在一定程度上影响了试件的力学性能；二是，该制作方法是将云母片内置于石英砂，利用云母片刚度较小，比石英砂更容易变形的原理，用云母片代表裂隙，所以它无法形成大量随机的中空孔隙以及含水的孔隙，无法模拟天然形成的含大量中空孔隙和微小裂隙的岩石以及含水的试件，导致制作的试件和岩石内部实际的孔隙形态及分布形式不相符；三是，当需要模拟软弱岩石、混凝土及其他柔软带孔试件时，由于预制的试件本身强度较低，植入试件的云母片刚度大于试件刚度，那么此时不能将云母片视为裂隙或损伤，导致该方法失效，适用范围受限。

发明目的

为了克服现有技术无法在试件内部制作大量随机的中空孔隙以及含水的孔隙，以及不能模拟多孔隙软弱岩石、混凝土及其他柔软带孔试件的技术缺陷，本发明提出一种含几何损伤类岩石材料试件的制备方法，使得做出的岩石试件能模拟岩体中的原生孔隙，从而更好的进行岩石损伤力学试验。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种含几何损伤类岩石材料试件的制备方法，其特征在于，它包括两种情况，一是含有大量随机分布的孔隙类岩石材料试件的制作，二是含有一定数量的、形状可控的、分布形式呈一定规律的孔隙类岩石材料试件的制作；具体如下：

第一步：试验模具的组装

所述的模具是一个由底板、前后左右挡板通过插接方式组成的试验槽，在试验槽的前后挡板上设有定位小孔，在试验槽的前后挡板内表面贴有塑料薄膜，防止材料从前后挡板上的定位小孔渗出；

第二步：试件的制作，包括两种试件的制作：

第一种：含有大量随机分布的中空孔隙岩石材料试件的制作，具体如下：

第1.1：根据待作试件中所需的孔隙的大小形状，将膨胀球浸水膨胀至所需孔隙的大小，从水中取出，一边缓慢晃动一边喷洒石膏浆液，直至在膨胀球表面形成脆性包覆层，石膏浆液是按照水：石膏＝1：0.5～1.0的质量比配制而成；

第1.2：制作试件浇筑液，浇筑液是按照水：石膏＝1：1.4～1.8的质量比配制而成；

第1.3：将浇筑液和带有脆性包覆层的膨胀球均匀混合，倒入模具浇筑成型；

第1.4：待材料成型后拆模，将拆模后的成型试件放入干燥箱，温度设置为80°，充分干燥48小时后取出，即完成试件制作；

第二种：含有一定数量的、形状可控的、分布形式呈一定规律的中空孔隙类岩石材料试件的制作，具体如下：

第2.1：根据待作试件中所需的孔隙的大小、数量和形状，将膨胀球(椭球或其他几何形状)浸水膨胀至所需孔隙的大小、数量和形状，从水中取出，一边缓慢晃动一边喷洒石膏浆液，直至在膨胀球表面形成脆性包覆层，石膏浆液是按照水：石膏＝1：0.5～1.0的质量比配制而成；

第2.2：在模具中纵横布置多条穿有膨胀球的细线，每根细线的两端拉直并穿透前后立板上的塑料薄膜再从前后立板的定位小孔穿出，细线两端的定位小孔中塞入橡胶扣钉；

上述每根细线的倾角应与待作试件中中空孔隙的分布形式一致；

第2.3：制作试件浇筑液，浇筑液是按照水：石膏＝1：1.4～1.8的质量比配制而成；

第2.4：将调制好的浇筑液倒入模具浇筑成型，要求应在浇筑液硬化前拔掉橡胶扣钉，将细线拉出，以避免在试件内部产生一条细缝；

第2.5：待材料成型后拆模，将拆模后的成型试件放入干燥箱，温度设置为80°，充分干燥48小时后取出，即完成试件制作。

下面根据本发明孔隙的形成机理说明其有益效果：

1、本发明所用的膨胀球为市售产品，它是一种彩色水晶泥，该种材料晶莹透明，酷似水晶珠，较容易获取，其主要成份是一种海藻酸钠添加剂，经加工处理后形成水晶般的水晶粒状，并能呈现多彩色品种。用所述彩色水晶泥制作的膨胀球的重要特性为吸水性强，充分吸水后重量可达自身重量的40-80倍，而体积可以长到200倍甚至600倍，将吸水后的膨胀球包裹脆性包覆层后浇筑到试件内部，待膨胀球干燥失水后便在包覆层内形成一个孔隙，通过改变膨胀材料的大小、形状就可以相应地形成裂隙和断层。

2、本发明通过上述方法，可以在试件内部预制出大量随机分布的孔隙，并且孔隙总数目及体积已知，其特征更加符合天然岩石内部损伤裂隙的形态及发展形式，如果所用膨胀球大小、形状一致，那么可认为一个孔隙并不比另一个孔隙在裂纹萌生及扩展上占有优势，用此试件模拟含初始损伤的岩石及混凝土进行断裂或损伤力学研究具有一定意义。

3、通过上述方法，在类岩石材料试件内部可根据试验目的预制特定孔隙，例如一个形状复杂的孔隙、裂缝，几个呈特殊形态分布的孔隙，一列呈特殊角度的孔隙，几列在空间上复杂分布的孔隙等，也可通过CT扫描出岩石内部真实孔隙的形状，在类岩石材料试件中模拟出来进行研究，总之在前人研究的基础上，可以使裂缝的形态多样化，空间分布情况复杂化，以满足不同层次的岩石、混凝土断裂、损伤力学研究。

4、本发明的孔隙是膨胀球失水后自动形成的，试件内孔隙在一定程度上是中空无杂质的，用这种方法可以预制出能够模拟软弱、松散岩石、混凝土的含孔隙脆弱试件，扩大了适用范围。

5、所用装置结构简单可靠，应用范围较广，所需材料经济实惠，便于获取，能够在短时间内预制出大量含初始几何损伤的试件。

6、利用本发明方法，可以延展到通过改变浸水或其他液体的膨胀球的包覆层，在膨胀球表面喷洒一层防水涂料，如透明罩面漆、有机硅防水剂，将液体锁在膨胀球内，再利用上述方法浇筑试件，然后将试件自然晾干，最终包覆层内液体被保留在试件内部，由于液体占膨胀球这一结构物(包括液体、水晶泥、包覆层)质量的绝大部分，故可认为该试件为只含水(或不同颜色其他液体)的孔隙试件。利用这种试件便于进行流固耦合岩石损伤、断裂研究，观测流体对岩体力学性能的影响及其相互作用关系，也可以借助CT试验实时监测液体在试件内部随着裂纹扩展运移情况及记录扩展路径。若制作试件的原材料为透明材料，如环氧树脂类试件(或专利CN104327472A所公开的石英砂试件)，其内部孔隙分别含有不同颜色液体，则更容易观察和记录裂隙扩展路径及流固相互作用规律。

附图说明

图1是预制含大量随机分布孔隙的试件实施例示意图，图中示出了拆模前的状态；

图2是图1拆模后形成的含大量随机分布孔隙的试件示意图；

图3是预制含两条平行孔隙的试件实施例示意图，图中示出了拆模前的状态；

图4是图3拆模后形成的含两条平行孔隙的试件示意图。

图中：1-试件，2-膨胀球，3-塑料薄膜，4-前后挡板，5-左右挡板，6-螺纹柱，7-蝶形螺母，8-底板，9-定位小孔，10-橡胶扣钉。

具体实施方式

下面结合附图说明并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

本发明的试验模具结构见图1和图2，是在底板8四个边框设有槽，通过槽插入左右挡板5和前后挡板4，前后挡板设有外沿，前后挡板4的外沿部位通过螺纹柱6和蝶形螺母7固定，从而形成尺寸为100×100×200mm的长方体盒子。在试验槽的前后挡板4上设有定位小孔9，在前后挡板4内表面均贴有塑料薄膜3，防止材料从前后挡板4上的定位小孔渗出。

下面通过两个实施例说明利用本发明的试验模具实施例制作试件的方法。

实施例一：随机分布几何损伤石膏试件的制备过程

第一步：根据待作试件中所需的孔隙的大小形状，将膨胀球2浸水膨胀至所需孔隙的大小，从水中取出，一边缓慢晃动一边喷洒石膏浆液，直至在膨胀球2表面形成脆性包覆层，石膏浆液是按照水：石膏＝1：0.5～1.0的质量比配制而成；

第二步：制作浇筑液，浇筑液是按照水：石膏＝1：1.4～1.8的质量比配制而成；

第三步：将浇筑液和带有脆性包覆层的膨胀球2均匀混合，倒入模具浇筑成型，见图1；

第四步：待材料成型后拆模，将拆模后的成型试件1放入干燥箱，温度设置为80°，充分干燥48小时后取出，即完成试件制作，见图2。

实施例二：在试件1内制作两条相互平行的非贯通裂隙，裂隙倾角为0°

第一步：根据待作试件中所需的孔隙的大小形状，将膨胀球2浸水膨胀至所需孔隙的大小，从水中取出，一边缓慢晃动一边喷洒石膏浆液，直至在膨胀球2表面形成脆性包覆层，石膏浆液是按照水：石膏＝1：0.5～1.0的质量比配制而成；

第二步：用两根穿有细线的小针通过前挡板的定位小孔9穿透塑料薄膜3而出，然后将第二步制作的适量膨胀球2串联起来，再穿透对侧的塑料薄膜3，从对侧后挡板相应的定位小孔9中穿出，两端定位小孔9中塞入橡胶扣钉10，拉直细线，这样就把两根带有膨胀球2的细线定位在模具的空间内了，两根细线在模具中呈平行状态(见图3)。

第三步：制作浇筑液，浇筑液是按照水：石膏＝1：1.4～1.8的质量比配制而成；

第四步：将第三步调制好的浇筑液倒入模具浇筑成型，需要说明的是，应在石膏浆硬化前拔掉橡胶扣钉10，将细线拉出，以避免在试件内部产生一条细缝；

第五步：拆模，将成型后的试件1放入干燥箱，温度设置为80°，充分干燥48小时后取出，即完成类岩石材料试件制作(见图4)。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，例如参照本发明制备含几何损伤混凝土试件、环氧树脂试件，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种含几何损伤类岩石材料试件的制备方法，其特征在于，它包括两种情况，一是含有大量随机分布的孔隙类岩石材料试件的制作，二是含有一定数量的、形状可控的、分布形式呈一定规律的孔隙类岩石材料试件的制作；具体如下：

第一步：试验模具的组装

所述的模具是一个由底板、前后左右挡板通过插接方式组成的试验槽，在试验槽的前后挡板上设有定位小孔，在试验槽的前后挡板内表面贴有塑料薄膜，防止材料从前后挡板上的定位小孔渗出；

第二步：试件的制作，包括两种试件的制作：

第一种：含有大量随机分布的中空孔隙类岩石材料试件的制作，具体如下：

第1.1. 根据待作试件中所需的孔隙的大小形状，将膨胀球浸水膨胀至所需孔隙的大小，从水中取出，一边缓慢晃动一边喷洒石膏浆液，直至在膨胀球表面形成脆性包覆层，石膏浆液是按照水：石膏=1：0.5~1.0的质量比配制而成；

所述的膨胀球是一种彩色水晶泥，其主要成份是一种海藻酸钠添加剂，吸水后体积膨胀，干燥失水后便在包覆层内形成一个孔隙，通过改变膨胀材料的大小、形状能相应地形成裂隙和断层；

第1.2. 制作试件浇筑液，浇筑液是按照水：石膏=1：1.4~1.8的质量比配制而成；

第1.3. 将浇筑液和带有脆性包覆层的膨胀球均匀混合，倒入模具浇筑成型；

第1.4. 待材料成型后拆模，将拆模后的成型试件放入干燥箱，温度设置为80°，充分干燥48小时后取出，即完成试件制作；

第二种：含有一定数量的、形状可控的、分布形式呈一定规律的中空孔隙类岩石材料试件的制作，具体如下：

第2.1. 根据待作试件中所需的孔隙的大小、数量和形状，将膨胀球浸水膨胀至所需孔隙的大小、数量和形状，从水中取出，一边缓慢晃动一边喷洒石膏浆液，直至在膨胀球表面形成第2.2. 在模具中纵横布置多条穿有膨胀球的细线，每根细线的两端拉直并穿透前后立板上的塑料薄膜再从前后立板的定位小孔穿出，细线两端的定位小孔中塞入橡胶扣钉；

上述每根细线的倾角应与待作试件中中空孔隙的分布形式一致；

第2.3. 制作试件浇筑液，浇筑液是按照水：石膏=1：1.4~1.8的质量比配制而成；

第2.4. 将调制好的浇筑液倒入模具浇筑成型，要求应在浇筑液硬化前拔掉橡胶扣钉，将细线拉出，以避免在试件内部产生一条细缝；

第2.5. 待材料成型后拆模，将拆模后的成型试件放入干燥箱，温度设置为80°，充分干燥48小时后取出，即完成试件制作。

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