CN109679291A - 一种透明硬岩相似模型试验材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明硬岩相似模型材料，所述材料原料按重量份包括以下组分：环氧树脂25份、改性固化剂25份、饱和酒精松香溶液0～5份；通过简单合理的配比调配，满足模型试验所需的高透明度要求，具有硬岩应力‑应变特性；材料的单轴抗压强度、弹性模量等强度与变形参数均具有较大的变化范围；该材料力学性能稳定。其原材料来源广，非常易于加工、养护方便，力学性能在室温下较稳定，可用于模拟硬岩材料，有利于解决岩体工程生产中的实际问题；其制备方法简单、价格低廉、实用性强。

Description

一种透明硬岩相似模型试验材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种透明硬岩相似模型试验材料及其制备方法，尤其是一种适用 于模拟硬岩的透明相似模型试验材料。

背景技术

随着我国地下工程的深度不断加大，地质条件趋于复杂，深部岩体力学问 题已经成为关系国家财产和人民生命安全的重大课题，也是国内外岩体力学与地 下工程领域研究的焦点问题。在深部资源开采过程中，受高地应力的影响，深部 围岩在爆炸动荷载作用下的裂纹萌生和扩展规律尚不明确。现有现场测试手段也 很难探测深部高应力围岩内爆后裂纹的扩展规律。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。

因此，恰当选择相似材料，开展深部岩体爆破的相似模拟试验是研究岩体 爆破裂纹扩展规律的一种可行办法。模型试验要求可以对爆后模型体内部裂隙的 发生、扩展及其演变过程进行全面细致的“直接观测”，因而需要模型相似材料 透明且具有岩石特性。近年来，国内外许多单位对透明硬岩模型相似材料的研究 都十分重视，研制出了很多模型材料，但是现有研究中利用透明材料模拟岩石进 行爆破模型试验未曾考虑诸如强度相似等条件，不能对爆破之后模型表面产生的 裂纹以及内部损伤进行定量分析，因此，研制出这种材料是必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种透明硬岩相似模型材料及其制备方 法，所用材料与原型材料具有非常相似的物理、力学性质，能更好的模拟深部围 岩力学性能，无毒副作用不会对人体造成伤害，原材料易得，价格低廉，制作方 便。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

本发明的透明硬岩相似模型材料，所述材料原料按重量份包括以下组分：

环氧树脂25份、改性固化剂25份、饱和酒精松香溶液0～5份；

进一步，所述材料原料按重量份包括以下组分：

环氧树脂25份、改性固化剂25份、饱和酒精松香溶液5份；

进一步，所述环氧树脂的型号为#618；

进一步，所述固化剂的型号为改性固化剂；

进一步，所述饱和酒精松香溶液的浓度为100％。

本发明还公开一种透明岩石相似模型材料的制备方法，包括以下步骤：

上述透明硬岩相似模型试验材料的制备方法，步骤如下：

a.根据试验要求，选择相应尺寸的模具，并在其表面粘贴防粘膜；

b.按质量配比称取环氧树脂、改性固化剂和饱和酒精松香溶液；

c.首先，将环氧树脂、固化剂放在50℃烘箱中加热，饱和松香溶液则放在 50℃水浴锅中加热；然后，待环氧树脂和固化剂中的气泡全部排除时，将二者混 合并搅拌均匀，此时混合溶液中不可避免的再次出现气泡，仍将其置于50℃烘 箱中继续加热直至气泡消除后拿出；最后，取出水浴锅中的饱和松香溶液倒入环 氧树脂体系中，并在混合物被搅拌均匀后将其导入模具中。

d.将倒满树脂混合溶液的模具平稳的放在恒温烘箱内进行养护，常温下干 燥约28天，硬化即得透明硬岩相似模型试验材料。

进一步，步骤a中，模具贴膜，先在模具表面涂一薄层凡士林，然后用防 粘薄膜粘贴在其表面；

进一步，步骤b中，调制饱和酒精松香溶液，将松香块打成粉末状并过 100目筛子，然后将松香粉末融进适量的无水酒精溶液，直到溶液达到饱和状态 时停止加入，并密封静置2～3天；

本发明的有益效果：本发明的透明硬岩相似模型材料及其制备方法，通过 简单合理的配比调配，满足模型试验所需的高透明度要求，具有硬岩应力-应变 特性；材料的单轴抗压强度、弹性模量等强度与变形参数均具有较大的变化范围； 该材料力学性能稳定。其原材料来源广，非常易于加工、养护方便，力学性能在 室温下较稳定，可用于模拟硬岩材料，有利于解决岩体工程生产中的实际问题； 其制备方法简单、价格低廉、实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例1的透明度表征图；

图2是本发明实施例2的强度变化曲线；

图3是本发明实施例3的微观断口形貌；

图4是本发明实施例4的应力-应变曲线；

图5是本发明实施例5的宏观破裂模式。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明， 但本发明的要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

先根据质量配比称取环氧树脂30g、30g、30g；改性固化剂30g、30g、30g； 饱和酒精松香溶液0g、1.2g、6g；

再将环氧树脂、固化剂放在50℃烘箱中加热，饱和酒精松香溶液则放在 50℃水浴锅中加热；

然后，待环氧树脂和固化剂中的气泡全部排除时，将二者混合并搅拌均匀， 此时混合溶液中不可避免的再次出现气泡，仍将其置于50℃烘箱中继续加热直 至气泡消除后拿出；

最后，取出水浴锅中的饱和酒精松香溶液倒入环氧树脂体系中，并在混合 物被搅拌均匀后将其分别导入三个烧杯中。

图1为三种不同配比的混合溶液。假设无色透明的水的透光率为100％，根 据分光光度计的测试结果可知，图1-a中溶液的透过率为99.9％；图1-b中溶液 的透过率为98.5％；图1-c中溶液的透过率为97.2％。由此可见，随着饱和酒精 松香溶液占比的增加，透明岩石相似材料透光率呈降低趋势。另外，从图1可以 清晰地看到印在垫于杯底的纸张上的0％RSS，2％RSS，10％RSS字样，且用肉眼无 法辨别其清晰度是否降低。因此可以得到，随着饱和酒精松香溶液的增加并没有 对透明环氧树脂体系的透明度造成较大影响，从而间接表明添加有色松香满足透 明岩石相似材料的对透光度的研制要求。

实施例2

先准备20×20×20mm³三块小立方体模具，并且在其表面粘贴防粘膜；

再根据质量配比称取环氧树脂30g、30g、30g、30g、30g、30g；改性固化 剂30g、30g、30g、30g、30g、30g；饱和酒精松香溶液0g、1.2g、2.4g、3.6g、 4.8g、6g；

再将环氧树脂、固化剂放在50℃烘箱中加热，饱和酒精松香溶液则放在 50℃水浴锅中加热；

然后，待环氧树脂和固化剂中的气泡全部排除时，将二者混合并搅拌均匀， 此时混合溶液中不可避免的再次出现气泡，仍将其置于50℃烘箱中继续加热直 至气泡消除后拿出；

接着，取出水浴锅中的饱和酒精松香溶液倒入环氧树脂体系中，并在混合 物被搅拌均匀后将其导入模具中。

最后，将倒满树脂混合溶液的模具平稳的放在恒温烘箱内进行养护，常温 下干燥约28天，硬化即得透明硬岩相似模型试验材料。

图2为不同配比的透明硬岩模型相似材料的单轴抗压强度。在树脂混合溶 液中加入饱和酒精松香溶液，降低了环氧树脂体系中的交联密度，致使得其强度 降低，即材料单轴抗压强度减小。因此，透明岩样的静态单轴抗压强度随着饱和 酒精松香溶液占比的增大，透明岩样的单轴抗压强度逐渐降低，并趋于稳定。

所研制的透明硬岩模型相似材料符合模型相似材料强度可调的要求。

实施例3

选取实施例2中分别含有0％，6％，10％饱和酒精松香溶液的透明岩样断口 进行扫描电镜(SEM)试验，拍得照片如图3所示。

从图3可见，随着RSS含量的增加，透明岩样的断口趋于平整、光滑，且 裂纹走向逐渐沿直线发展，应力分散现象逐渐消失，呈典型的脆性断裂条纹。

未加入RSS(图3a,b)，透明岩样断面十分粗糙不平，破坏不在一个平面内 进行，发生明显的断层和沟壑，在裂纹线附近可观察到明显的韧窝和撕裂形貌， 并产生了很多根须状的细小分支，当受到外力作用时，这些裂纹分叉有效地分散 外应力，从而使得材料在破坏时吸收了较多的能量。

加入RSS后，透明岩样破坏面表现出不同程度的脆性特征。当加入6％RSS 时(图3c,d)，透明岩样断口开始发生变化，断裂发生在同一平面内，断面较为 粗糙，裂纹变得稀疏、粗大，应力条纹数量减少，部分地方甚至出现分层。当加 入10％RSS时(图3e,f)，透明岩样断口发生较大变化，断裂仍然发生在同一平面 内，但是断面十分光滑，应力条纹较稀疏、笔直，无明显的应力分散现象。

断口形貌特征的分析结果，也从微观的角度间接地解释了RSS占比越大透 明岩石相似材料强度越低的原因。

实施例4

先准备20×20×20mm³三块小立方体模具，并且在其表面粘贴防粘膜；

再根据质量配比称取环氧树脂30g、30g、30g；改性固化剂30g、30g、30g； 饱和酒精松香溶液0g、1.2g、6g；

再将环氧树脂、固化剂放在50℃烘箱中加热，饱和酒精松香溶液则放在 50℃水浴锅中加热；

然后，待环氧树脂和固化剂中的气泡全部排除时，将二者混合并搅拌均匀， 此时混合溶液中不可避免的再次出现气泡，仍将其置于50℃烘箱中继续加热直 至气泡消除后拿出；

接着，取出水浴锅中的饱和酒精松香溶液倒入环氧树脂体系中，并在混合 物被搅拌均匀后将其导入模具中。

最后，将倒满树脂混合溶液的模具平稳的放在恒温烘箱内进行养护，常温 下干燥约28天，硬化即得透明硬岩相似模型试验材料。

从图4中不同配比的透明岩样应力应变曲线可以发现，其总应变均小于 3％，符合脆性岩石的定义的标准。

由于透明岩样的应力-应变曲线为非线性，因此弹性模量的大小与选择的参 考点有关。描述方法有初始模量E_I、割线模量E_s、切线模量E_t和混合模量E等多种。 本文采用混合模量，即曲线上升段上对应压缩强度为峰值强度的20％和80％的两 点连线的斜率。

注：E-混合模量

为使相似模型在几何尺度上能更广泛的模拟原型岩体，要求相似材料具有 高容重、低弹性模量和低强度的特点。

从上表可以看出，透明岩样的弹性模量随着RSS占比的增加而减小，从而 可以根据RSS占比的大小来调节弹性模量的大小，满足低弹性模量的研制要求。

综上可得，本发明研制的透明脆性类岩石材料与自然砂岩试样的应力-应变 曲线相比，具有高度的相似性。

实施例5

对实施例4中透明岩样破坏断面拍得照片如图5所示。

由图5可以看出，试样沿着宏观破裂面，从顶部到底部直接劈开，属于脆 性破坏模式的一种。因此，所研制的透明岩石相似材料与真实岩石的破坏形式一 致，符合研制要求。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而 且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性 的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要 求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的 任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方 式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领 域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组 合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种透明硬岩相似模型试验材料，其特征在于：所述材料原料按重量份包括以下组分：

环氧树脂25份、改性固化剂25份、饱和酒精松香溶液0～5份。

2.根据权利要求1所述的透明硬岩相似模型试验材料，其特征在于：所述材料原料按重量份包括以下组分：

环氧树脂25份、改性固化剂25份、饱和酒精松香溶液5份。

3.根据权利要求2所述的透明硬岩相似模型试验材料，其特征在于：所述环氧树脂的型号为#618。

4.根据权利要求3所述的透明硬岩相似模型试验材料，其特征在于：所述固化剂的型号为改性固化剂。

5.根据权利要求4所述的透明硬岩相似模型试验材料，其特征在于：所述饱和酒精松香溶液的浓度为100％。

6.一种权利要求1所述的透明硬岩相似模型试验材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.根据试验要求，选择相应尺寸的模具，并在其表面粘贴防粘膜；

b.按质量配比称取环氧树脂、改性固化剂和饱和酒精松香溶液；

c.首先，将环氧树脂、固化剂放在50℃烘箱中加热，饱和松香溶液则放在50℃水浴锅中加热；然后，待环氧树脂和固化剂中的气泡全部排除时，将二者混合并搅拌均匀，此时混合溶液中不可避免的再次出现气泡，仍将其置于50℃烘箱中继续加热直至气泡消除后拿出；最后，取出水浴锅中的饱和松香溶液倒入环氧树脂体系中，并在混合物被搅拌均匀后将其导入模具中；

d.将倒满树脂混合溶液的模具平稳的放在恒温烘箱内进行养护，常温下干燥约28天，硬化即得透明硬岩相似模型试验材料。

7.根据权利要求6所述的透明硬岩相似模型试验材料的制备方法，其特征在于：步骤a中，模具贴膜，先在模具表面涂一薄层凡士林，然后用防粘薄膜粘贴在其表面。

8.根据权利要求7所述的透明硬岩相似模型试验材料的制备方法，其特征在于：步骤b中，调制饱和酒精松香溶液，将松香块打成粉末状并过100目筛子，然后将松香粉末融进适量的无水酒精溶液，直到溶液达到饱和状态时停止加入，并密封静置2～3天。