CN109704707B - 一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料及其制备方法 - Google Patents

一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料,涉及相似材料技术领域，原材料包括固体材料和融合剂，固体材料为骨料、胶结材料和添加材料的混合物，其中，固体材料中的骨料：胶结材料：添加材料的质量比为7：10：0.1～7：10：1.5，融合剂为水，水的添加量占固体材料总质量的15～20％；本发明还公开了该承压含水层相似材料的制备方法。本发明以河沙为骨料，石膏、碳酸钙为胶结材料，锯末为添加材料，水为融合剂，按照一定比例制备出的相似材料能够满足室内模拟实验对承压含水层相似材料强透水性、低膨胀性、低强度、高完整性等要求。

Description

一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及相似材料技术领域，尤其涉及一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料及其制备方法。
背景技术
室内相似材料模拟实验是研究工程突水灾害机理的重要手段之一，作为模拟关键围岩体的承压含水层相似材料需要满足以下条件：具有强透水性能；材料遇水后收缩、膨胀程度小，以减弱对模型的影响；材料需具有低强度，且遇水后保持高完整性的特性。
目前，承压含水层固流耦合相似材料普遍采用沙、石膏、碳酸钙和高压水组合，或直接以高压水代替，实验证明其效果不能较好的满足室内模拟实验对底板承压含水层模拟材料特性的基本要求：强透水性、低膨胀性、低强度、高完整性。
基于上述原因，有必要研制一种能满足室内固流耦合模拟实验对承压含水层相似材料特性要求的新材料。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料及其制备方法，该承压含水层相似材料能满足室内相似模拟实验对相似材料的强透水性、低膨胀性、低强度、高完整性的要求。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料，原材料包括固体材料和融合剂，固体材料为骨料、胶结材料和添加材料的混合物，其中，固体材料中的骨料：胶结材料：添加材料的质量比为7：10：0.1～7：10：1.5，融合剂为水，水的添加量占所述固体材料总质量的15～20％。
优选地，骨料为河沙，粒径小于3mm且级配均匀。
优选地，所述胶结材料为石膏和碳酸钙，且石膏与碳酸钙的质量比为1：1。
优选地，添加材料为普通的杨木锯末，选用直径小于1mm，长度5～20mm。
一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤一、常温下，按比例称取河沙、石膏、碳酸钙和杨木锯末；
步骤二、先将河沙、石膏和碳酸钙放置于搅拌机中充分混合；
步骤三、再加入锯末和水，快速搅拌5～10min，混合均匀后放入标准岩石试件试模中，压实制成成型的试件；
步骤四、静置48h后脱模，测试制得试件的物理力学性能。
采用上述方法制得的固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料，单轴抗压强度0.235～0.625MPa，渗透系数2.75×10-4～4.24×10-3cm/s。
本发明中，以河沙为骨料，石膏和碳酸钙为胶结材料，水为融合剂混合搅拌后，能够形成具有高强度、高完整性和低渗透性的基础相似材料，但遇水后，容易发生崩解和破坏，不能满足室内模拟实验的要求；为满足室内模拟实验对承压含水层相似材料的基本要求(强透水性、低膨胀性、低强度、高完整性)，在基础模拟材料中添加锯末，锯末能够加强材料吸水性和透水性，而不产生较大体积膨胀；添加锯末后能够大大降低基础材料的强度；同时，锯末成丝状能够加强各材料间的相互联结，增加材料遇水后的完整性和抗崩解性。
本发明的有益效果是，
1、河沙为骨料，石膏、碳酸钙为胶结材料，锯末为添加材料，水为融合剂按照一定比例制备出的相似材料能够满足室内模拟实验对承压含水层相似材料的基本要求，如强透水性、低膨胀性、低强度、高完整性等；
2、满足强透水性和低强度的要求，制得的固流耦合相似材料的单轴抗压强度0.235～0.625MPa，渗透系数2.75×10-4～4.24×10-3cm/s；
3、本发明制得的固流耦合相似材料适用于相似比为1：100～1：300的承压含水层固-流耦合室内模拟实验。
附图说明
图1为本发明的固流耦合相似材料试件在单轴抗压条件下典型的应力-应变曲线；
图2为本发明的固流耦合相似材料试件典型的在不同时间测量的渗透系数变化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
原料要求：选用纯净优质河沙，粒径小于3mm，级配均匀；选取轻质碳酸钙和工业用石膏；锯末为普通杨木锯末，直径小于1mm，长度5～20mm。
河沙：碳酸钙：石膏：锯末的质量比为7：5：5：0.1～7：5：5：1.5，融合剂为水，水的添加量占上述固体材料总质量的15～20％
相似材料的单轴抗压强度测试，参考中国发明专利CN103454127A公开的“用于中小型固流耦合模拟试验的相似材料及其制备方法”说明书中的测定方法。
相似材料的渗透系数测定，参考中国实用新型专利CN201320453934.1公开的“一种相似模拟材料渗透系数的测量装置”中的测定方法。
实验温度：室温25℃。
实施例1
一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤一、称取如下表1所示的各材料，按河沙：石膏：碳酸钙：锯末质量比为7：5：5：0.3，水占上述固体材料总质量的15％计。
表1各原材料用量
Figure BDA0001946761750000031
步骤二、先将河沙、石膏和碳酸钙放置于搅拌机中充分混合；
步骤三、再加入锯末和水，快速搅拌6min，混合均匀后放入标准岩石试件试模中，压实制成成型的试件；
步骤四、静置48h后脱模，测试制得试件的物理力学性能。
单轴抗压强度测定：
通过室内岩石试验机，测试并绘制试件的应力-应变曲线，确定承压含水层用固流耦合相似材料试件的单轴抗压强度0.485MPa。
渗透系数测定：
测定试件在不同时间点的渗透系数为5.75×10-4～1.24×10-3cm/s。
实施例2
一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤一、称取如下表2所示的各材料，按河沙：石膏：碳酸钙：锯末质量比为7：5：5：0.5，水占上述固体材料总质量的16％计。
表2各原材料用量
Figure BDA0001946761750000032
步骤二、先将河沙、石膏和碳酸钙放置于搅拌机中充分混合；
步骤三、再加入锯末和水，快速搅拌8min，混合均匀后放入标准岩石试件试模中，压实制成成型的试件；
步骤四、静置48h后脱模，测试制得试件的物理力学性能。
单轴抗压强度测定：
通过室内岩石试验机，测试并绘制试件的应力-应变曲线，确定承压含水层用固流耦合相似材料试件的单轴抗压强度0.365MPa。
渗透系数测定：
测定试件在不同时间点的渗透系数为6.89×10-4～1.87×10-3cm/s。
实施例3
一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料的制备方法，包括如下制备步骤：
步骤一、称取如下表3所示的各材料，按河沙：石膏：碳酸钙：锯末质量比为7：5：5：1，水占上述固体材料总质量的19％计。
表3各原材料用量
Figure BDA0001946761750000041
步骤二、先将河沙、石膏和碳酸钙放置于搅拌机中充分混合；
步骤三、再加入锯末和水，快速搅拌10min，混合均匀后放入标准岩石试件试模中，压实制成成型的试件；
步骤四、静置48h后脱模，测试制得试件的物理力学性能。
单轴抗压强度测定：
通过室内岩石试验机，测试并绘制试件的应力-应变曲线，确定承压含水层用固流耦合相似材料试件的单轴抗压强度0.284MPa。
渗透系数测定：
测定试件在不同时间点的渗透系数为8.34×10-4～3.17×10-3cm/s。
图1为本发明制得的固流耦合相似材料试件在单轴抗压条件下典型的应力-应变曲线，表示的是自然状态下单轴抗压条件下的应力与应变变化的规律；
图2为本发明制得的固流耦合相似材料试件在不同时间测量的渗透系数变化曲线，看出本发明的固流耦合相似材料的渗透系数从初始的峰值至7h左右后，基本趋于稳定的变化规律。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料，其特征在于，原材料包括固体材料和融合剂，固体材料为骨料、胶结材料和添加材料的混合物，骨料为河沙，胶结材料为石膏和碳酸钙，添加材料为普通的杨木锯末，选用直径小于1mm，长度5～20mm；其中，固体材料中的骨料：胶结材料：添加材料的质量比为7：10：0.1～7：10：1.5，融合剂为水，水的添加量占所述固体材料总质量的15～20％。
2.如权利要求1所述的固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料，其特征在于，选用粒径小于3mm且级配均匀的纯净优质河沙。
3.如权利要求1所述的固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料，其特征在于，石膏与碳酸钙的质量比为1：1。
4.如权利要求1所述的一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料，其特征在于，单轴抗压强度0.235～0.625MPa，渗透系数2.75×10-4～4.24×10-3cm/s。
5.如权利要求1-4任一所述的一种固流耦合模拟实验用的承压含水层相似材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
步骤一、常温下，按比例称取河沙、石膏、碳酸钙和杨木锯末；
步骤二、先将河沙、石膏和碳酸钙放置于搅拌机中充分混合；
步骤三、再加入锯末和水，快速搅拌5～10min，混合均匀后放入标准岩石试件试模中，压实制成成型的试件；
步骤四、静置48h后脱模，测试试件的物理力学性能。
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