CN108069651B - 一种模拟岩体的相似材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩体模拟材料及其制备方法，其含有重晶石粉、水泥、水、32号液压机油以及本发明特有的式I聚合物。该相似材料具有敏感性，可以直接获得模型试验的变形信息，无需额外的测试仪器，大大方便了试验中的测试工作；可用于模拟岩土相似材料；非常易于加工、不需养护，且可以实现重复利用，大大减少了试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种相似材料及其制备方法，特别是一种适用于模拟岩体的地质力学模型相似材料及其制备方法。
背景技术
相似模拟试验是按一定的几何、物理关系，用模型代替原型进行测试研究，并将研究结果用于原型的试验方法。它是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题。这种研究方法具有直观、简便、经济、快速以及试验周期短等优点。而且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究实际工程中的应力随时间的变化规律，这些都是在现场条件下难以实现的。
岩土工程科学研究中，经常涉及到相似材料的相关理论研究，而具有理想的相似材料应力-应变曲线关系、或是具有应力强化的应力-应变曲线关系的相似材料都是进行理论研究的重要试验材料，因此，研制出这种材料是必要的。
相似材料是相似试验成功与否的关键，而在进行相似模型试验时，对模型变形信息的测试又是根本任务，试验的数据是进行科学研究的根本依据。目前，用于相似试验的相似材料有很多种，按其胶结材料不同，分为石蜡、石膏、松香、水泥等相似材料。而这些相似材料基本都是抗压强度较大，且在测试中都需要安装专门的测试仪表来测试相关变形
的。至今，还未有将相似材料制作成敏感性相似材料的，所以在模型试验时，都需专门设有测试仪器进行相关的测试，而往往又由于测试仪器的原因不能得到一些关键数据，如模型内部变形等。
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，试验的主要目的是研究各种建筑物在外荷载作用下的的极限承载能力、破坏形态、破坏机理和变形分布特性。地质力学模型试验的研究内容不仅限于已知荷载下的某一状态，更重要的是研究在渐增荷载作用下直至破坏的整个变化过程，它采用真实的物理实体，在满足材料相似，尤其是在力学相似条件下，能真实反映地质构造与工程建筑之间的关系，能模拟工程建筑对岩体所产生的影响，且能更直观地显示出工程建筑对岩体影响以及岩体变形变形对建筑物结构的影响所产生的结果。因此，在地质力学模型试验研究过程中，满足物理力学性能相似关系的模型材料是模型试验的基础，是模型试验是否成功的关键。
目前，我国正在建设和即将兴建的水电工程地域中的地质构造复杂，影响整体稳定的不同类别的岩体性能差异较大，因此在地质力学模型试验研究过程中，需要制备出满足相似关系的模型材料来模拟不同性能的岩体，以了解工程建筑对岩体所产生的影响。而目前正在使用的地质力学模型材料主要有以下几种：以环氧树脂为胶凝剂的重晶石粉和石灰石的混合料(Oberti G, Fumagalli E.Static-geomechanical model of theRidracoliarch-grabity dam, 4th ISRM, 1979)。此类材料由于具有较高的强度和和变形模量，因而主要用来模拟较完整、较坚硬的岩石。但这类材料在配制过程不仅存在需要高温固化，耗能的问题，且环氧树脂价格较贵，在固化过程中散发的有毒气体会危害人体健康。武汉水利电力大学韩伯鲤研制的MIB材料(韩伯鲤，陈霞龄，宁一乐等。岩体相似材料的研究[J]。武汉水利电力大学学报，1997，30(2)：6-9)。该材料是以松香酒精溶 液为胶结剂，加膜铁粉和加膜石英砂为粗骨料，重晶石粉为细骨料。文中虽称MIB材料具有高容重、高绝缘性和砌块易粘结、易干燥、可切割、原材料易得等优点，但根据该材料的组成来看，其不仅存在着诸如给铁粉、石英砂加膜带来的工艺复杂，使得制作成本增加，且还存在给铁粉加膜所用的氯丁胶粘剂中含有甲苯，会对人体产生毒害作用的问题。另外，在使用中铁粉外膜一旦脱落很容易生锈，影响材料性质的稳定性，容易导致试验失败等缺点。清华大学研制的NIOS相似材料(马芳平，李仲奎，罗光福。NIOS模型材料及其在地质力学模型试验中的应用，水力发电学报，2004，23(1)：48-51)。该模型材料中含有主料磁铁矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂，不仅可以模拟较大的容重，其弹性模量和抗压强度等主要力学指标可以在较大的范围内进行调整，配制也比较方便，而且其物理化学性质稳定，成本低廉，没有毒性，对操作人员的身体健康和环境也没有危害。但从其实验给出的弹性模量与胶凝材料含量关系曲线中可看出，在加石膏粘结剂的条件下，所制备试件的弹性模量最小值都在80MPa，很显然，如果粘结剂采用水泥的话，还会大幅度地提高试件的最小弹性模量值。而在地质力学模型试验中，根据不同岩体的相似比要求，常常需要制备模拟材料的弹性模量在80Mpa以下的，因而该技术方案不能满足模拟不同性能岩体的需要，尤其是无法制备出弹性模量在80Mpa以下的相似材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述模型材料的缺点，提供一种新的、强度和变形模量可在较大范围内变化的且可用于模拟岩体的地质力学模型相似材料。
本发明的另一目的是提供一种上述可用于模拟岩体的地质力学模型相似材料的制备方法。
本发明提供的用于模拟岩体的地质力学模型相似材料按质量份计是由以下组分构成：
重晶石粉 100份
水泥 0.1~0.3份
式I聚合物 0.01~0.02份
水 2~3份
32号液压机油 2~6份
其中重晶石粉的粒径为300目，且将该材料制成容重为46KN/m3、尺寸为6cm×6cm×6cm的试样测得的变形模量为15.6～138.5MPa，抗压强度为21.2～36.8MPa，抗拉强度为2.89～4.12MPa。所述式I聚合物如下所示，其中Mw为5.68×104，Mn为2.03×104，分子量分布指数为2.8：
上述水泥优选标号为425、525或625的硅酸盐水泥。
本发明提供的制备上述可用于模拟岩体的地质力学模型相似材料方法的工艺步骤和条件如下：
1)先将100份粒径为300目的重晶石粉和0.01~0.02份式I聚合物混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温；
2)将2～6份32号液压机油加入到烘干的步骤1)混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；
3)将0.1～0.3份水泥加入到步骤2)的混合物中，继续混合均匀；
4)最后将2～3份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可，
以上各物料的份数均为质量份。
上述方法中所用的水泥优选标号为425、525或625的硅酸盐水泥。
使用时，先按容重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21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。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、由于本发明提供的岩体模拟材料中同时含有水泥、水和式I聚合物，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，水化铁酸钙等，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，而式I聚合物的粘结特性与水泥水化产物的粘结特性相比要低的多，因此可以通过调节水泥、水和式I聚合物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，以满足模拟不同性能岩体的需要。
2、由于本发明提供的岩体模拟材料中还使用了具有润滑特性的32号液压机油，而该机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，使所得材料更容易满足模拟性能差异较大的不同岩体的需要。
3、由于本发明材料中所使用的各组成不易受外界环境影响，因而使所得材料在自然条件下的物理力学性能能够保持稳定，不至于因组成的原因导致材料在试验过程发生变化而影响试验结果，是一种较理想的岩体模型材料。
4、由于本发明中使用了式I聚合物，使得最终形成的材料具有更大范围的变形模量以及更高的抗压强度。
5、由于本发明方法的制备过程简单，且只对原料进行常规的烘干，其它制备都是在室温下进行混合，因而耗能低，制备效率高，成本低。
附图说明
图1为本发明式I聚合物的氢核磁数据。
实施例
下面通过实施例对本发明作进一步说明。应该理解的是，本发明实施例所述方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。实施例中用到的所有原料和溶剂均购自Sigma Biochemical and Organic Compounds for Research and Diagnostic ClinicalReagents公司。另外，以下实施例各物料的份数均为质量份；以下实施例2～8所得材料的抗压强度和变形模量值是将该材料制成容重为46KN/m3、尺寸为6cm×6cm×6cm的试样测得的。
实施例1：
1)向250 mL三颈烧瓶中加入3,8-二溴菲(0.01 mol)，在氮气气氛下加入DMSO溶解固体。将溶有0.01 mol 的3-二甲基氨基丙基氯的盐酸盐溶液滴加到混合物中，室温下搅拌6 小时，停止反应。向反应液中加入水，用来溶解所有的盐。萃取，合并有机层，分别用的NaOH 溶液，水和浓盐水洗涤。洗涤后的溶液用无水MgSO4干燥，减压过滤，旋蒸蒸除溶剂，得到黄色固体粗产物，粗产品在甲醇/水中重结晶，得到白色晶体。
2)向100 mL 三颈烧瓶中加入N-溴代琥珀酰亚胺(NBS) 0.02 mol和0.001 g 过氧化苯甲酰，在氮气气氛中加入1,4-二甲基联苯(0.01 mol)和CCl4。磁力搅拌，以溶解所有的固体。在油浴条件下加热回流。停止反应后，过滤，洗涤沉淀，冷却后析出白色固体，重结晶，得到白色针状晶体。
3)向100 mL三颈烧瓶中加入4.94 g步骤2)的产物和18.0 g三苯基磷，在氮气气氛下向烧瓶中加入DMF，油浴条件下加热回流10小时，趁热过滤，洗涤沉淀，得到白色粉末状固体。将该白色粉末状固体转移到250 mL 的三颈烧瓶中，向三颈烧瓶中加入100 mL 的CH2Cl2和50 mL的HCHO 溶液。控制温度，磁力搅拌，同时向反应溶液中逐滴滴加10%的NaOH溶液，并控制滴加速率。室温搅拌反应过夜，停止反应。萃取并洗涤产物。减压蒸除溶剂，得到白色针状固体。
4) 向100 mL 三颈烧瓶中依次加入2.93 g步骤1)的产物，0.29 g步骤3)的产物，2.5 mg醋酸钯，0.03 g的三苯基磷，60 mL 溶剂和8 mL 三乙胺，安装好冷凝管，控制温度120℃，搅拌反应36 h 后停止反应，得到棕褐色溶液(稀释后溶液呈淡黄色，有黄绿色荧光)。将粗产品进行分离提纯，得到橙黄色溶液，旋蒸蒸除溶剂，真空干燥器干燥，得到1.1 g黄褐色固体的式I聚合物。Mw为5.68×104，Mn为2.03×104，分子量分布指数为2.8，经测定熔点为61~68℃。
1HNMR (300 MHz, DMSO), δ: 1.95 (m, 4H, CH2); 2.15 (m, 12H, 4CH3); 2.46(m, 4H, 2CH2); 3.07 (m, 4H, CH2); 5.44~7.10 (m, 5H, H); 7.62~8.98 (m, 13H,CH).
实施例2：
先将100份粒径为300目的重晶石粉和式I聚合物0.014份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和式I聚合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为525的水泥0.17份加入到重晶石粉、式I聚合物和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将2份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。该材料的抗压强度为31.6MPa，抗拉强度为2.91MPa，变形模量为132.6MPa。
实施例3：
先将100份粒径为300目的重晶石粉和式I聚合物0.012份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和式I聚合物混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥0.1份加入到重晶石粉、式I聚合物和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将2.5份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。该材料的抗压强度为22.6MPa，抗拉强度为3.12MPa，变形模量为32.8MPa。
实施例4：
先将100份粒径为300目的重晶石粉和式I聚合物0.016份混合均匀，然 后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和式I聚合物混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥0.11份加入到重晶石粉、式I聚合物和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将2.1份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。该材料的抗压强度为29.6MPa，抗拉强度为3.52MPa，变形模量为68.9MPa。
实施例5：
先将100份粒径为300目的重晶石粉和式I聚合物0.017份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和式I聚合物混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥0.3份加入到重晶石粉、式I聚合物和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将2份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。该材料的抗压强度为31.1MPa，抗拉强度为2.57MPa，变形模量为79.6MPa。
实施例6：
先将100份粒径为300目的重晶石粉和式I聚合物0.018份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将4份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和式I聚合物混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为425的水泥0.25份加入到重晶石粉、式I聚合物和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将3份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。该材料的抗压强度为28.8MPa，抗拉强度为4.02MPa，变形模量为16.9MPa。
实施例7：
先将100份粒径为300目的重晶石粉和式I聚合物0.019份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将2份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和式I聚合物混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号为525的水泥0.2份加入到重晶石粉、式I聚合物和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将2份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。该材料的抗压强度为22.5MPa，抗拉强度为3.79MPa，变形模量为58.2MPa。
实施例8：
先将100份粒径为300目的重晶石粉和式I聚合物0.02份混合均匀，然后于90℃下烘3小时除水，取出冷却至室温；将6份32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和式I聚合物混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；将标号 为625的水泥0.3份加入到重晶石粉、式I聚合物和32号液压机油的混合物中，继续混合均匀；最后将2份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可。该材料的抗压强度为36.5MPa，抗拉强度为4.01MPa，变形模量为137.1MPa。
Claims (2)
1.一种用于模拟岩体的相似材料聚合物的应用，该聚合物的特征在于如下式所示：
I,
其Mw为5.68×104，Mn为2.03×104，分子量分布指数为2.8,
该相似材料按质量份计是由以下组分构成：
重晶石粉 100份
水泥 0.1~0.3份
式I聚合物 0.01~0.02份
水 2~3份
32号液压机油 2~6份
其中重晶石粉的粒径为300目，且将该材料制成容重为46KN/m3、尺寸为6cm×6cm×6cm的试样测得的变形模量为15.6～138.5MPa，抗压强度为21.2～36.8MPa，抗拉强度为2.89～4.12MPa。
2.一种模拟岩体的相似材料的制备方法，其中聚合物的特征在于如下式所示：
I，
其Mw为5.68×104，Mn为2.03×104，分子量分布指数为2.8，
该材料按质量份计是由以下组分构成：
重晶石粉 100份
水泥 0.1~0.3份
式I聚合物 0.01~0.02份
水 2~3份
32号液压机油 2~6份
其中重晶石粉的粒径为300目，且将该材料制成容重为46KN/m3、尺寸为6cm×6cm×6cm的试样测得的变形模量为15.6～138.5MPa，抗压强度为21.2～36.8MPa，抗拉强度为2.89～4.12Mpa，
该方法的工艺步骤和条件如下：
1)先将100份粒径为300目的重晶石粉和0.01~0.02份式I聚合物混合均匀，然后烘干除水，取出冷却至室温；
2)将2～6份32号液压机油加入到烘干的步骤1)混合物中再混合均匀，然后将混合好的材料粉碎至其粒径≤1mm；
3)将0.1～0.3份水泥加入到步骤2)的混合物中，继续混合均匀；
4)最后将2～3份水加入到以上的混合物中，再混合均匀即可，
以上各物料的份数均为质量份。
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