CN109708938A - 一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩及其制备方法，其制备原料包括以下重量份含量的组成：熔融石英砂150～190份，UV无影胶60～100份；制备方法为：按比例称取熔融石英砂和UV无影胶，并将熔融石英砂分成3～6份；浇筑：向透明模具中加入一份熔融石英砂，再加入UV无影胶将熔融石英砂淹没，搅拌透明模具中的物料进行排气后用真空泵对物料抽真空处理；采用相同的浇筑步骤将剩余熔融石英砂和UV无影胶逐份浇筑到透明模具中；用紫外灯照射混合物料使熔融石英砂和UV无影胶固结在一起；对透明模具进行拆模，得到人工透明岩。与现有技术相比，本发明具有产品透明度高、制备工艺简单、制备效率高等优点。

Description

一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩及其制备方法

技术领域

本发明涉及地质工程、岩土工程、隧道与地下建筑工程、水利工程、采矿工程技术领域，尤其是涉及一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩及其制备方法。

背景技术

目前，在天然岩体或相似材料模型试验中直观观测岩体内部变形破坏的过程存在很大困难。但早在20世纪80年代，就已有研究人员开始尝试用透明材料模拟特定的土体，从而进行模型试验研究相应的土体性质。基于透明土研究成果，前人通常采用玻璃、树脂(PMMA)、矿物油或其他有机材料探索透明岩。但已采用的透明岩相似材料，在试验过程中均有自身的缺陷，例如硅粉用作骨料、矿物油用作胶结剂时，硅粉粒径很大或很小都将使透明岩体相似材料的透明度大打折扣，即使选择了合适的硅粉级配，由于矿物油本身的胶结性不强，需要对配比完成的混合材料施加高强荷载排油固结，势必会使相似材料透明度降低甚至变得不透明。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，其制备原料包括以下重量份含量的组成：

熔融石英砂 150～190份；

UV无影胶 60～100份。

本发明选取熔融石英砂(硅粉)材料作为骨料，选用UV无影胶作为胶结剂来合成一种新型透明岩相似材料，石英砂主要成分为二氧化硅，是由天然石英砂加工而成。其化学性质稳定，无毒的乳白色或半透明的固体。石英砂经高温熔炼处理得到的石英制品称为熔融石英，熔融石英经过破碎或进一步超细粉磨后得到的产品即为熔融石英砂或熔融石英粉。由于通过高温处理，其分子结构排列由有序排列转为无序排列。石英砂由于其稳定的化学性质、较好的透明性，在透明相似材料中得到较多学者的青睐。UV无影胶又称光敏胶、紫外光固化胶，它是指必须通过紫外线光照射才能固化的一类胶粘剂，它可以作为粘接剂使用，也可作为油漆、涂料、油墨等的胶料使用。UV胶固化原理是UV固化材料中的光引发剂(或光敏剂)在紫外线的照射下吸收紫外光后产生活性自由基或阳离子，引发单体聚合、交联和接支化学反应，使粘合剂在数秒钟内由液态转化为固态。

优选地，该人工透明岩的制备原料包括以下重量份含量的组成：

熔融石英砂 170份；

UV无影胶 80份。

所述熔融石英砂的折射率为1.41～1.46；所述UV无影胶的折射率为1.47～1.52，优选为1.486。

所述熔融石英砂的粒径为2～8mm，优选为5mm。

不同粒径石英砂(粉)和胶结剂混合起来透明度是有差异的，为了保证获得的人工透明岩的透明效果，本发明通过实验优选了所用石英砂的粒径以及石英砂颗粒和无影胶的配比，得出当石英砂颗粒为3目(粒径为5mm左右时)，合成透明岩相似材料透明效果最好。

本发明还提供了一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取熔融石英砂150～190份，UV无影胶60～100份；

(2)分批次浇筑：将步骤(1)中的熔融石英砂分批次加入透明模具中，每批次的熔融石英砂加入透明模具后，加入UV无影胶将熔融石英砂淹没，搅拌透明模具中的物料进行排气后用真空泵对所述物料抽真空处理；

(3)按照步骤(2)中的步骤将步骤(1)中的剩余熔融石英砂和UV无影胶逐份浇筑到所述透明模具中；

(4)用紫外灯照射步骤(3)得到的混合物料使所述熔融石英砂和UV无影胶固结在一起；

(5)对透明模具进行拆模，得到所述人工透明岩。

所述步骤(2)中将所述熔融石英砂分为3～6批次加入所述透明模具中，优选分为3批次。

所述步骤(2)中的抽真空的时间为15～30分钟，优选为20分钟，抽真空时的压力为60～100kPa，优选为90kPa。

所述步骤(4)中紫外灯的功率为140～180W，优选为150W。

步骤(4)中紫外灯照射步骤(3)得到的混合物料时，转动所述透明模具使所述混合物料均匀受光照。

所述透明模具内壁上紧贴有透明塑料薄膜。

将熔融石英砂和UV分多次添加到透明模具中进行浇筑抽真空，可以保证熔融石英砂和UV混合均匀，避免物料发生离析；抽真空处理充分排除混合物料中的气泡，如果材料中存在气泡，会大大降低制备得到的人工透明岩的透明度；试样浇模前，在模具内壁贴一层透明塑料薄膜，可以防止拆模对试样表面平整度造成破坏，导致透明岩体试样透明度下降；采用UV无影胶作为胶结剂，通过紫外灯进行照射固结，相比于现有工艺采用石蜡或者矿物油作为胶结剂，采用加载固结的方式，光照固结时间短，模具中的每部分物料同时受到光照，同时进行固结，得到的透明岩材料质地均匀、透明度高，并且有利于提高材料强度，增加所制备的人工透明岩与实际岩石的相似性，更好的模拟实际岩石的物理性质。

制备过程中，熔融石英砂和UV无影胶的配比、石英砂粒径和紫外灯功率的选择是关键参数。UV无影胶含量过多，经紫外线照射后，大量无影胶固结不彻底，样品不具备岩石强度特性；UV无影胶含量过少，样品内部存在空隙，空气和岩样折射率存在差异，透明度大打折扣。若石英粒径过大，颗粒棱角太过明显，若石英粒径太小，则不容易去除杂质，两种情况均会导致岩样透明度降低。若紫外线功率过大，会导致样品表面部分UV无影胶迅速固结，而内部UV无影胶保持液体状态，岩样整体呈流固耦合状态，且无法人为控制固液界面范围；若紫外线功率太小，同样导致无影胶固结不彻底，影响样品最终力学特性和透明特性。

与现有技术相比，本发明制备得到的人工透明岩石透明度高，强度和常用的普通岩石接近，可用于模拟岩石内部变形破坏的过程的试验，试验过程便于观察，并且获得的试验数据准确，为岩石力学与工程物理模拟提供新材料和新思路；本发明的透明岩石制备方法简单易操作，生产效率高，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的制备和测试过程流程图；

图2为本发明与天然纯盐岩应力应变曲线对比图；

图3为破坏后的人工透明岩照片；

图4为破坏后的人工透明岩亮度云图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，具体制作步骤如图1所示，首先通过室内试验探索透明岩相似材料的透明性和类岩性，选取熔融石英砂(粉状物)为骨料，UV无影胶为胶结剂来合成透明岩相似材料，在此基础上选择3目、30目和300目三种不同粒径左右的石英砂(粉)和UV无影胶进行混合试验，最终选取最佳配比效果材料，即3目左右的熔融石英砂和UV无影胶混合来进行透明岩标准试样制备。试样制作时，首先用电子天平称取3目左右熔融石英砂170g，然后称取UV无影胶80g至烧杯；然后进行标准试样浇筑，采用分多次浇筑的方法，浇筑模具为采用直径为50mm、高度为100mm的可拆卸圆柱体有机玻璃模具进行标准试样制备，试验前将模具擦拭干净后，在模具内壁紧贴一层塑料薄膜，用以保证试样透明度和方便试样的拆模；具体浇筑步骤为向圆柱体模具中加入三分之一左右称取的石英砂，将烧杯中UV无影胶缓慢倒入模具至淹没石英砂，用玻璃棒不断搅拌并轻轻晃动模具直到无明显气泡,；继续向模具加入同前一次等量石英砂，接着缓慢倒入UV无影胶，同样搅拌排气，重复本步骤直至称取材料混合完全；浇模后都用真空泵进行抽真空，抽真空的压力为90kPa，每次大约需要20分钟左右，直至表面无任何气泡产生为止；试样浇模抽真空完成后采用150w紫外灯进行照射固结，固结时应注意转动模具，使试样均匀受光照完成固结；拆模，得到试样。获得人工透明岩后进行物理特性测试实验，包括单轴压缩试验测量单轴抗压强度、弹性模量以及变形监测试验测量透明度、内部变性破坏过程，最终得到新型透明相似材料参数。

单轴压缩试验具体操作流程与试验结果分析：

(1)试验设备

设备采用上海华龙测试仪器有限公司研制的数字控制式WDW-700C多功能岩石试验系统

(2)参数设置

试验控制方式为位移控制，力量程为600kN，位移量程为10.00mm，设置位移速率为0.18mm/min，位移极限为8.00mm。

(3)试验流程

①将试样放置在底座上，用电脑控制压力台上下移动，使试样与加压板刚好接触，设置好预应力为0.1kN，开始测试。

②当轴向应力读数出现峰值时，继续进行3％-5％的应变后停止试验；当读数无峰值时，试验应进行到应变达20％为止。

③试验结束，取下试样，描述试样破坏后的形状。

④以轴向应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制轴向应力与轴向应变关系曲线。取曲线上最大轴向应力作为无侧限抗压强度。当曲线上峰值不明显时，取轴向应变15％所对应的轴向应力作为无侧限抗压强度。

变形监测试验具体操作流程与试验结果分析：

(1)试验模型

基于透明土模型试验的研究方法，建立了透明岩材料加载条件下变形的光学测量系统(加载系统、高速相机、激光器等)，对由3目石英砂配置的尺寸为55.0mm*55.0mm的透明岩样在单轴加载过程中进行非插入式测量，得到一系列图像，经过PIV(粒子图像测速法)软件技术处理后得到目标观察切面变形前后的岩样裂隙形变特征。

(2)透明效果

调整激光照射面在方形岩样的相对位置，观察拍摄图像的透明效果，发现光斑的强度和广度随激光照射面到相机的距离变近而增加，因此通过光斑观察到透明岩岩样内部变形破坏，激光面与相机之间透明岩厚度最好不高于25.0mm。

(3)试验设备

试验加载系统同样设备采用上海华龙测试仪器有限公司研制的数字控制式WDW-700C多功能岩石试验系统。高速相机型号为尼康D7000，具体参数为分辨率4928×3274，曝光时间125μs～30s，连拍最高支持6张每秒。激光采用638nm超高亮度可调焦距红光激光器，管芯功率为700mW，配有点光源和线光源互换器，线光源可调光线宽度。

(4)参数设置

试验控制方式采用位移控制，力量程为600kN，位移量程为10.00mm，设置位移速率为0.2mm/min，位移极限为3.00mm。

(5)PIV技术原理

PIV技术是基于图像匹配技术发展起来的一种流体速度测量技术，其图像匹配的标准关联函数为：

式中M，N为图像块的长、宽；f为t1时刻图像中，某图像块中心点坐标(m，n)处的灰度值分布函数；g为t2时刻图像中，该图像块中心点坐标(m+Δx,n+Δy)处的灰度值分布函数；Δx，Δy分别为x，y方向的位移增量。

通过关联函数得到该图像块从t1时刻到t2时刻的位移，通过各个小图像块的位移便可得出整个图像的位移场。为了提高位移场的精度，图像分析时图像尽可能的要小，但是图像块越小，计算量越大，速度也越慢。

(6)试验流程

试验过程中保证相机镜头轴线垂直于激光穿透透明岩样形成的切面，调节光圈和焦距，使视场宽度大约为透明岩样的1.5倍；未加载前，拍摄初始模型灰度图像作为参考图像，此后相机的位置及焦距等不可改变；相机通过计算机控制，间隔2s自动拍摄一张图片，整个过程保持所处空间光线均匀，以减少光线对试验结果的影响，直至加载结束。

实施例2

一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，所需要的主要仪器有：烧杯、玻璃棒、电子称、搅拌机、真空泵、150w紫外灯等。试验前将模具擦拭干净后，在模具内壁紧贴一层塑料薄膜，用以保证试样透明度和方便试样的拆模，具体其制备过程如下：

(1)用电子天平称取熔融石英砂170g，称取UV无影胶80g至烧杯，并将所述熔融石英砂分成3份；其中，熔融石英砂的粒径范围为2～4mm，UV无影胶的折射率为1.486。

(2)浇筑：向透明模具中加入一份熔融石英砂，再加入UV无影胶将熔融石英砂淹没，用玻璃棒不断搅拌并轻轻晃动模具直到无明显气泡；用真空泵进行抽真空，每次大约需要20分钟左右，直至表面无任何气泡产生为止，抽真空的压力为90kPa。

(3)按照步骤(2)中的步骤将步骤(1)中的剩余两份熔融石英砂和UV无影胶逐份浇筑到所述透明模具中，至称取材料混合完全。

(4)基于UV无影胶的固化原理，全部材料浇模完成并且抽真空完成后采用150w紫外灯进行照射固结，固结时应注意转动模具，使试样均匀受光照完成固结。

(5)对透明模具进行拆模，得到所述人工透明岩。

为了研究其物理力学特性，制样后通过单轴压缩试验研究透明岩样的单轴抗压强度和弹性模量，通过变形观测试验来研究透明岩样的透明度，并与实际岩石进行对比分析，最终得到能用于模拟天然岩石的新型透明相似材料参数，为岩石力学与工程物理模拟提供新材料和新思路。单轴压缩试验和变形观测试验操作过程与实施例1中相同。

实施例3

一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，所需要的主要仪器有：烧杯、玻璃棒、电子称、搅拌机、真空泵、150w紫外灯等。试验前将模具擦拭干净后，在模具内壁紧贴一层塑料薄膜，用以保证试样透明度和方便试样的拆模，具体其制备过程如下：

(1)用电子天平称取熔融石英砂170g，称取UV无影胶80g至烧杯，并将所述熔融石英砂分成3份；其中，熔融石英砂的粒径范围为5～8mm，UV无影胶的折射率为1.486。

(2)浇筑：向透明模具中加入一份熔融石英砂，再加入UV无影胶将熔融石英砂淹没，用玻璃棒不断搅拌并轻轻晃动模具直到无明显气泡；用真空泵进行抽真空，每次大约需要20分钟左右，直至表面无任何气泡产生为止，抽真空的压力为60kPa。

(3)按照步骤(2)中的步骤将步骤(1)中的剩余两份熔融石英砂和UV无影胶逐份浇筑到所述透明模具中，至称取材料混合完全。

(4)基于UV无影胶的固化原理，全部材料浇模完成并且抽真空完成后采用150w紫外灯进行照射固结，固结时应注意转动模具，使试样均匀受光照完成固结。

(5)对透明模具进行拆模，得到所述人工透明岩。

采用单轴压缩试验研究透明岩样的单轴抗压强度和弹性模量，通过变形观测试验来研究透明岩样的透明度，实验过程与实施例1中相同，最后与实际岩石进行对比分析。

首先是单轴压缩试验对比结果，实施例2和实施例3与天然纯盐岩应力应变曲线对比如图2所示，由图2可知，不同石英砂粒径条件下，透明岩样的单轴压缩应力应变曲线与岩样(天然盐岩)具有较好的一致性，并大致可分为三个阶段：线弹性阶段，应力与应变成正比，试样刚度为常数；非线性变形破坏阶段，随着荷载的增加，变形非线性地增长；残余荷载阶段，峰值荷载之后，荷载随变形的增长缓慢减小。说明透明岩样和纯盐岩等塑性软岩的变形破坏特征基本一致，与天然岩石相似，透明岩试样石英颗粒粒径增大时，弹性模量和单轴抗压强度都随之增大

其次是变形观测试验实验结果，由PIV图像编辑软件处理过后，得到实施例3中的样品加载过程中透明岩样观测面的亮度变化云图，如图4所示，并且拍摄了观察面的照片，如图3所示。当透明岩样受到轴向荷载时，透明岩样内部受压力作用发生变形产生微裂缝，透明材料骨架和胶结相互作用的原生胶结结构发生破坏，变形区域的透明度降低。随着荷载逐渐增大，变形区域由方形岩样中上方向下方延展，当轴向荷载增大至岩样的峰值荷载时，透明岩样发生脆性破坏，沿最大应力方向产生裂隙，材料的不连续导致其透明度进一步降低。最终图3中的亮度云图与图2中的透明岩试样破坏特征符合，且与天然岩石方形试样变形破坏过程相似，表明利用本透明岩相似材料方法来模拟岩体是可行的。

实施例4

一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，所需要的主要仪器有：烧杯、玻璃棒、电子称、搅拌机、真空泵、150w紫外灯等。试验前将模具擦拭干净后，在模具内壁紧贴一层塑料薄膜，用以保证试样透明度和方便试样的拆模，具体其制备过程如下：

(1)用电子天平称取熔融石英砂150重量份，称取UV无影胶60重量份至烧杯，并将所述熔融石英砂分成6份；其中，熔融石英砂的粒径为2mm，熔融石英砂的折射率为1.41，UV无影胶的折射率为1.47。

(2)浇筑：向透明模具中加入一份熔融石英砂，再加入UV无影胶将熔融石英砂淹没，用玻璃棒不断搅拌并轻轻晃动模具直到无明显气泡；用真空泵进行抽真空，每次大约需要15分钟左右，直至表面无任何气泡产生为止，抽真空的压力为80kPa。

(3)按照步骤(2)中的步骤将步骤(1)中的剩余两份熔融石英砂和UV无影胶逐份浇筑到所述透明模具中，至称取材料混合完全。

(4)基于UV无影胶的固化原理，全部材料浇模完成并且抽真空完成后采用140w紫外灯进行照射固结，固结时应注意转动模具，使试样均匀受光照完成固结。

(5)对透明模具进行拆模，得到所述人工透明岩。

实施例5

一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，所需要的主要仪器有：烧杯、玻璃棒、电子称、搅拌机、真空泵、150w紫外灯等。试验前将模具擦拭干净后，在模具内壁紧贴一层塑料薄膜，用以保证试样透明度和方便试样的拆模，具体其制备过程如下：

(1)用电子天平称取熔融石英砂190重量份，称取UV无影胶100重量份至烧杯，并将所述熔融石英砂分成4份；其中，熔融石英砂的粒径为8mm，熔融石英砂的折射率为1.46，UV无影胶的折射率为1.52。

(2)浇筑：向透明模具中加入一份熔融石英砂，再加入UV无影胶将熔融石英砂淹没，用玻璃棒不断搅拌并轻轻晃动模具直到无明显气泡；用真空泵进行抽真空，每次大约需要30分钟左右，直至表面无任何气泡产生为止，抽真空的压力为100kPa。

(3)按照步骤(2)中的步骤将步骤(1)中的剩余两份熔融石英砂和UV无影胶逐份浇筑到所述透明模具中，至称取材料混合完全。

(4)基于UV无影胶的固化原理，全部材料浇模完成并且抽真空完成后采用180w紫外灯进行照射固结，固结时应注意转动模具，使试样均匀受光照完成固结。

(5)对透明模具进行拆模，得到所述人工透明岩。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，其特征在于，其制备原料包括以下重量份含量的组成：

熔融石英砂 150～190份；

UV无影胶 60～100份。

2.一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，其特征在于，其制备原料具体包括以下重量份含量的组成：

熔融石英砂 170份；

UV无影胶 80份。

3.根据权利要求1所述的一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，其特征在于，所述熔融石英砂的折射率为1.41～1.46；所述UV无影胶的折射率为1.47～1.52，优选为1.486。

4.根据权利要求1所述的一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩，其特征在于，所述熔融石英砂的粒径为2～8mm，优选为5mm。

5.一种如权利要求1所述的基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)称取熔融石英砂150～190份，UV无影胶60～100份；

(2)分批次浇筑：将步骤(1)中的熔融石英砂分批次加入透明模具中，每批次的熔融石英砂加入透明模具后，加入UV无影胶将熔融石英砂淹没，搅拌透明模具中的物料进行排气后用真空泵对所述物料抽真空处理；

(3)按照步骤(2)中的步骤将步骤(1)中的剩余熔融石英砂和UV无影胶逐份浇筑到所述透明模具中；

(4)用紫外灯照射步骤(3)得到的混合物料使所述熔融石英砂和UV无影胶固结在一起；

(5)对透明模具进行拆模，得到所述人工透明岩。

6.根据权利要求5所述的一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中将所述熔融石英砂分为3～6批次加入所述透明模具中，优选分为3批次。

7.根据权利要求5所述的一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的抽真空的时间为15～30分钟，优选为20分钟，抽真空时的压力为60～100kPa，优选为90kPa。

8.根据权利要求5所述的一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中紫外灯的功率为140～180W，优选为150W。

9.根据权利要求5所述的一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩的制备方法，其特征在于，步骤(4)中紫外灯照射步骤(3)得到的混合物料时，转动所述透明模具使所述混合物料均匀受光照。

10.根据权利要求5所述的一种基于无影胶和熔融石英砂的人工透明岩的制备方法，其特征在于，所述透明模具内壁上紧贴有透明塑料薄膜。