CN109704708A - 一种固流耦合模拟实验用的断层带相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固流耦合模拟实验用的断层带相似材料，涉及相似材料技术领域，原材料包括基础材料、添加材料和融合剂，基础材料为河沙、石膏、碳酸钙，添加材料为椰壳粉和食盐，其中，河沙：碳酸钙：石膏：椰壳粉：食盐的质量比为8：6：4：0.5～1.5：0.5～1，融合剂为液压油，液压油的添加量占上述基础材料总质量的20～30％；本发明还公开了该断层带相似材料的制备方法。本发明河沙、石膏、碳酸钙为基础材料，椰壳粉、食盐为添加材料，液压油为融合剂，制得的断层带相似材料能够满足室内模拟实验对相似材料的高渗透性、高吸水性、高膨胀性、高孔隙率和低强度的要求。

Description

一种固流耦合模拟实验用的断层带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断层带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断层突水灾害机理，再现断层突水过程的重要手段之一，根据实验要求断层围岩体室内相似材料需要满足以下条件：高渗透性、高吸水性、高膨胀性、高孔隙率和低强度。

断层带室内固-流耦合相似材料当前主要以云母粉掺杂松散材料为主，实验证明其效果不能较好满足室内实验的基本要求，材料遇水后迅速崩解并压实，吸水率能力弱、基本无膨胀能力、渗透性降低、且基本无强度，不能满足断层带固流耦合相似材料的基本实验要求。

基于上述原因，有必要研制一种满足室内相似模拟实验对断层带相似材料特性的基本要求的新材料。

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断层带相似材料及其制备方法，该断层带相似材料能满足室内相似模拟实验对相似材料的高渗透性、高吸水性、高膨胀性、高孔隙率和低强度的要求。

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断层带相似材料，原材料包括基础材料、添加材料和融合剂，基础材料为河沙、石膏、碳酸钙，添加材料为椰壳粉和食盐，其中，河沙：碳酸钙：石膏：椰壳粉：食盐的质量比为8：6：4：0.5～1.5：0.5～1，融合剂为液压油，液压油的添加量占上述基础材料总质量的20～30％。

优选地，河沙作为骨料，粒径为1～3mm，级配均匀。

优选地，所述椰壳粉选用粒径小于1mm，级配均匀。

优选地，所述食盐选用粗粒食用盐，粒径1～5mm。

优选地，所述液压油选用工业耐磨液压油。

一种固流耦合模拟实验用的断层带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、椰壳粉和食用盐；

步骤二、先将上述固体材料放置于搅拌机中充分混合；

步骤三、再加入液压油，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72h后脱模，测试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断层带相似材料，单轴抗压强度0.0275～0.055MPa，渗透系数9.43×10^-4～4.55×10^-3cm/s；吸水率28.5％～50.5％。

为更好的理解该发明，以下从机理上做进一步详细说明：

在河沙、石膏、碳酸钙基础材料中，添加轻质椰壳粉和食盐，以液压油作融合剂压实形成的相似材料，满足断层带固-流耦合相似材料低强度的要求；遇水后，椰壳粉具有快速和强大的吸水能力，吸水后体积膨胀，产生一定的膨胀力，能够满足强吸水性和高膨胀性的要求；食盐遇水溶解，溶解后产生的NaCl离子对材料性质无实质影响，食盐溶解后能够增加和增大材料内部的空隙和裂隙，能够满足高孔隙率和高渗透性的要求；遇水后石膏和碳酸钙进一步充分发生反应，胶结能力增强，防止材料遇水崩解及强度降低，保证材料始终满足低强度的要求。

本发明的有益效果是，

1、河沙、石膏、碳酸钙为基础材料，椰壳粉、食盐为添加材料，液压油为融合剂，制得的断层带相似材料能够满足室内模拟实验对断层带固流耦合相似材料的基本要求：高渗透性、高吸水性、高膨胀性、高孔隙率和低强度，尤其满足高渗透性、高吸水性和低强度的要求；

2、满足强透水性和低强度的要求，制得的断层带相似材料的单轴抗压强度0.0275～0.055MPa，渗透系数9.43×10^-4～4.55×10^-3cm/s；吸水率28.5％～50.5％；

3、本发明制得的断层带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为本发明的断层带相似材料制成的试件在单轴抗压条件下典型的应力-应变曲线；

图2为本发明的断层带相似材料制成的试件典型的在不同时间测量的渗透系数变化曲线；

图3为本发明的断层带相似材料制成的试件典型的在不同时间测量的吸水率变化曲线。

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1～3mm，级配均匀；选取轻质碳酸钙和工业用石膏；选取椰壳粉粒径小于1mm，级配均匀；食盐选用粗粒食用盐，粒径1～5mm；液压油选用工业耐磨液压油。

河沙：碳酸钙：石膏：椰壳粉：食盐的质量比为8：6：4：0.5～1.5：0.5～1，液压油的添加量占上述固体材料总质量的20～30％

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。

实施例1

一种固流耦合模拟实验用的断层带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：碳酸钙：石膏：椰壳粉：食盐质量比为8：6：4：1：1，液压油占上述基础材料总质量的25％计。

表1各原材料用量

步骤二、先将上述固体材料放置于搅拌机中充分混合；

步骤三、再加入液压油，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72h后脱模，测试制得试件的物理力学性能。

1、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，确定断层带用固流耦合相似材料试件的单轴抗压强度0.0375MPa。

2、渗透系数测定：

测定试件在不同时间点的渗透系数为1.59×10^-3～3.75×10^-3cm/s。

3、吸水率测定：

将试件完全浸入水中，每隔15分钟取出称重一次，计算吸水率，测定最大吸水率变化范围39.5～40.7％。

实施例2

一种固流耦合模拟实验用的断层带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：碳酸钙：石膏：椰壳粉：食盐质量比为8：6：4：0.5：0.5，液压油占上述基础材料总质量的20％计。

表2各原材料用量

步骤二、先将上述固体材料放置于搅拌机中充分混合；

步骤三、再加入液压油，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72h后脱模，测试制得试件的物理力学性能。

1、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，确定断层带用固流耦合相似材料试件的单轴抗压强度0.0545MPa。

2、渗透系数测定：

测定试件在不同时间点的渗透系数为9.57×10^-4～1.34×10^-3cm/s。

3、吸水率测定：

将试件完全浸入水中，每隔15分钟取出称重一次，计算吸水率，测定最大吸水率变化范围29.3～31.2％。

实施例3

一种固流耦合模拟实验用的断层带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：碳酸钙：石膏：椰壳粉：食盐质量比为8：6：4：1.5：0.5，液压油占上述基础材料总质量的30％计。

表3各原材料用量

步骤二、先将上述固体材料放置于搅拌机中充分混合；

步骤三、再加入液压油，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72h后脱模，测试制得试件的物理力学性能。

1、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，确定断层带用固流耦合相似材料试件的单轴抗压强度0.0283MPa。

2、渗透系数测定：

测定试件在不同时间点的渗透系数为2.31×10^-3～4.24×10^-3cm/s。

3、吸水率测定：

将试件完全浸入水中，每隔15分钟取出称重一次，计算吸水率，测定最大吸水率变化范围45.3～50.2％。

图1为本发明制得的断层带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为本发明制得的断层带相似材料试件在不同时间测量的渗透系数变化曲线，看出本发明的断层带相似材料的渗透系数从初始的峰值至2h左右后，基本趋于稳定的变化规律；

图3为本发明制得的断层带相似材料制成的试件典型的在不同时间测量的吸水率变化曲线，看出本发明断层带相似材料的吸水率在45分钟左右基本趋于稳定。

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 (7)

1.一种固流耦合模拟实验用的断层带相似材料，其特征在于，原材料包括基础材料、添加材料和融合剂，基础材料为河沙、石膏、碳酸钙，添加材料为椰壳粉和食盐，其中，河沙：碳酸钙：石膏：椰壳粉：食盐的质量比为8：6：4：0.5～1.5：0.5～1，融合剂为液压油，液压油的添加量占上述基础材料总质量的20～30％。

2.如权利要求1所述的固流耦合模拟实验用的断层带相似材料，其特征在于，河沙作为骨料，粒径为1～3mm，级配均匀。

3.如权利要求1所述的固流耦合模拟实验用的断层带相似材料，其特征在于，所述椰壳粉选用粒径小于1mm，级配均匀。

4.如权利要求1所述的固流耦合模拟实验用的断层带相似材料，其特征在于，所述食盐选用粗粒食用盐，粒径1～5mm。

5.如权利要求1所述的固流耦合模拟实验用的断层带相似材料，其特征在于，所述液压油选用工业耐磨液压油。

6.如权利要求1所述的一种固流耦合模拟实验用的断层带相似材料，其特征在于，单轴抗压强度0.0275～0.055MPa，渗透系数9.43×10^-4～4.55×10^-3cm/s；吸水率28.5％～50.5％。

7.如权利要求1-6任一所述的一种固流耦合模拟实验用的断层带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、椰壳粉和食用盐；

步骤二、先将上述固体材料放置于搅拌机中充分混合；

步骤三、再加入液压油，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72h后脱模，测试试件的物理力学性能。