CN110196185A - 一种固液耦合物理相似模拟实验材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固液耦合物理相似模拟实验材料，该固液耦合物理相似模拟实验材料按照重量份数其主要由下述原料制备而成：河沙100份、水泥8‑10份、大白粉2‑4份、淀粉2‑4份和液态石蜡2‑4份。本发明还公开了该固液耦合物理相似模拟实验材料的制备方法。本发明的固液耦合物理相似模拟实验材料的原材料来源广泛，成本低，环保无毒害；制作方便，容易成型，凝固时间短，力学性能稳定；具有较好的脆性和非亲水性；调节材料配比即可改变材料力学性质和水理性，能模拟大范围岩石的性质，能同时满足固体力学性质和渗透性，模拟相似度高。

Description

一种固液耦合物理相似模拟实验材料及其制备方法
技术领域
本发明属于相似材料技术领域，具体是涉及一种固液耦合物理相似模拟实验材料及其制备方法。
背景技术
多年来矿井水害一直影响着煤矿安全高效开采，给煤炭企业带来严重的经济损失，研究煤矿突水机理和水资源破坏并对其进行防治具有重大的现实意义和长远意义。但由于地质环境条件及岩体结构的复杂性，过去的研究还存在较大的局限性，不能很好地掌握浅埋煤层潜水运移规律，缺乏有效的模拟研究手段和方法。固液耦合相似模拟实验研究手段是突破该研究领域的关键之一，其具有独特的优点，可以人为的控制和改变实验条件，从而确定单因素或多因素对矿山压力的影响规律，效应清楚、结果直观、周期短、成效大，能对影响因素进行重复分析，再与实地观测和理论研究相配合。固液耦合相似模拟可以非常直观的观测到随采动影响，隔水层内裂隙出现的位置、大小、及扩展贯通等规律，而物理相似模拟的模型与原型越相似，其实验结论的可靠性就越高。因此制作物理性和水理性与原型相似的固液耦合相似材料就显得尤为重要，而以往在用于矿山领域的固液耦合相似材料较少，这些材料很难同时满足固液两相性质、模拟相似度低、制作过程复杂且制作过程中存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种固液耦合物理相似模拟实验材料，该固液耦合物理相似模拟实验材料的原材料来源广泛，成本低，环保无毒害；制作方便，容易成型，凝固时间短，力学性能稳定；具有较好的脆性和非亲水性；调节材料配比即可改变材料力学性质和水理性，能模拟大范围岩石的性质，能同时满足固体力学性质和渗透性，模拟相似度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述固液耦合物理相似模拟实验材料按照重量份数主要由以下原料制备而成：河沙100份、水泥8-10份、大白粉2-4份、淀粉2-4份和液态石蜡2-4份。
上述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述河沙的粒径≤0.8mm且级配均匀。
上述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述水泥为525号优质灰色硅酸盐水泥。
上述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述淀粉为马铃薯淀粉。
上述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述液体石蜡为医用轻质液状石蜡。
本发明还提公开了一种上述固液耦合物理相似模拟实验材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的主材料为河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡均来源广泛，成本低，对人体无毒害。
2、本发明采用河沙作为骨料，水泥和大白粉为胶结剂，容易成型，凝固时间短，养护简单。
3、本发明采用河沙作为骨料，水泥和大白粉为胶结剂，淀粉和液体石蜡为调节剂，试件制作方便，力学性能稳定，遇水不崩解，能同时满足物理力学和水理性质，模拟相似度高。
4、本发明通过调节材料配比即可改变材料力学性质和水理性，能模拟大范围岩石的性质。
下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1中天然状态应力与应变的曲线图。
图2为本发明实施例2中天然状态应力与应变的曲线图。
图3为本发明实施例3中天然状态应力与应变的曲线图。
图4为本发明实施例4中天然状态应力与应变的曲线图。
图5为本发明实施例5中天然状态应力与应变的曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明：
实施例1：
试件制备过程如下：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；本实施例中，称取：河沙100份，水泥8份，大白粉2份，淀粉2份，液态石蜡2份。即称取河沙100g，水泥8g，大白粉2g，淀粉2g，液态石蜡2g。
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；这里加入的水主要起融合和调配各物料的作用，所加水的比例一般占步骤一中称取物料总质量的5％-10％；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
然后，对制备的固液耦合物理相似模拟实验材料试件进行物理力学性能测试。这里的试件的物理力学性能包括密度、天然抗压强度、饱和抗压强度、天然抗拉强度、饱和抗拉强度、天然弹性模量、饱和弹性模量、吸水率和渗透系数。
测试过程：
试件密度测试：测试试件密度取用的是直径为5cm、高度为10cm的标准试件，用高精度电子秤称其质量，用游标卡尺量其高度及直径，并记录。计算公式如下：式中，ρ为试件密度(g/cm3)，M为试件质量(g)，V为试件体积(cm3)。试件吸水率测试：取用的是直径为5cm、高度为5cm的试件，首先将其用烘干机烘干并用高精度电子秤称其质量mdr，在将烘干的试件浸入水中48h后，称其质量m0，并记录。计算公式如下：式中，wa为试件吸水率，m0为试件浸水48h后质量(g)，mdr试件烘干后质量(g)。
试件物理力学性质测试：抗压强度、弹性模量、抗拉强度采用C43.504型美特斯微机控制电子万能试验机进行测试，抗压强度取用的是直径为5cm、高度为10cm的试件，抗拉强度取用的是直径为5cm、高度为5cm的试件。通过测试可得到试件天然状态应力—应变曲线图，如图1所示。
试件渗透性测试：采用TST-55型渗透仪对其渗透性进行测试。
最终获得的试件测试结果为：密度1.729g/cm3，天然抗压强度237KPa，饱和抗压强度102.2KPa，天然抗拉强度25KPa，饱和抗拉强度11KPa，天然弹性模量83.212MPa，饱和弹性模量28.371MPa，吸水率16.75％，渗透系数1.27×10-5cm/s。
根据测试结构可绘制试件天然状态应力与应变曲线图，如图2所示。
实施例2：
试件制备过程如下：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；本实施例中，称取：河沙100份，水泥10份，大白粉2份，淀粉2份，液态石蜡2份。即取河沙100g，水泥10g，大白粉2g，淀粉2g，液态石蜡2g。
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；这里加入的水主要起融合和调配各物料的作用，所加水的比例一般占步骤一中称取物料总质量的5％-10％；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
然后，对制备的固液耦合物理相似模拟实验材料试件进行物理力学性能测试。这里的试件的物理力学性能包括密度、天然抗压强度、饱和抗压强度、天然抗拉强度、饱和抗拉强度、天然弹性模量、饱和弹性模量、吸水率和渗透系数。
其试件测试过程与实施例1相同。
该配比下，最终获得的试件测试结果为：密度1.842g/cm3，天然抗压强度509KPa，饱和抗压强度268KPa，天然抗拉强度53KPa，饱和抗拉强度23KPa，天然弹性模量160.427MPa，饱和弹性模量71.371MPa，吸水率14.24％，渗透系数8.48×10-5cm/s。
根据测试结构可绘制试件天然状态应力与应变曲线图，如图2所示。
实施例3：
试件制备过程如下：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；本实施例中，称取：河沙100份，水泥8份，大白粉4份，淀粉2份，液态石蜡2份。即取河沙100g，水泥8g，大白粉4g，淀粉2g，液态石蜡2g。
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；这里加入的水主要起融合和调配各物料的作用，所加水的比例一般占步骤一中称取物料总质量的5％-10％；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
然后，对制备的固液耦合物理相似模拟实验材料试件进行物理力学性能测试。这里的试件的物理力学性能包括密度、天然抗压强度、饱和抗压强度、天然抗拉强度、饱和抗拉强度、天然弹性模量、饱和弹性模量、吸水率和渗透系数。
其试件测试过程与实施例1相同。
该配比下，最终获得的试件测试结果为：密度1.811g/cm3，天然抗压强度324KPa，饱和抗压强度152KPa，天然抗拉强度34KPa，饱和抗拉强度16KPa，天然弹性模量112.464MPa，饱和弹性模量49.801MPa，吸水率14.88％，渗透系数5.26×10-5cm/s。
根据测试结构可绘制试件天然状态应力与应变曲线图，如图3所示。
实施例4：
试件制备过程如下：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；本实施例中，称取：河沙100份，水泥8份，大白粉2份，淀粉4份，液态石蜡2份。即取河沙100g，水泥8g，大白粉2g，淀粉4g，液态石蜡2g。
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；这里加入的水主要起融合和调配各物料的作用，所加水的比例一般占步骤一中称取物料总质量的5％-10％；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
然后，对制备的固液耦合物理相似模拟实验材料试件进行物理力学性能测试。这里的试件的物理力学性能包括密度、天然抗压强度、饱和抗压强度、天然抗拉强度、饱和抗拉强度、天然弹性模量、饱和弹性模量、吸水率和渗透系数。
其试件测试过程与实施例1相同。
该配比下，最终获得的试件测试结果为：密度1.753g/cm3，天然抗压强度178KPa，饱和抗压强度92KPa，天然抗拉强度15.58KPa，饱和抗拉强度8.2KPa，天然弹性模量56.212MPa，饱和弹性模量32.371MPa，吸水率12.68％，渗透系数4.69×10-6cm/s。
根据测试结构可绘制试件天然状态应力与应变曲线图，如图4所示。
实施例5：
试件制备过程如下：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；本实施例中，称取：河沙100份，水泥8份，大白粉2份，淀粉2份，液态石蜡4份。即取河沙100g，水泥8g，大白粉2g，淀粉2g，液态石蜡4g。
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；这里加入的水主要起融合和调配各物料的作用，所加水的比例一般占步骤一中称取物料总质量的5％-10％；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
然后，对制备的固液耦合物理相似模拟实验材料试件进行物理力学性能测试。这里的试件的物理力学性能包括密度、天然抗压强度、饱和抗压强度、天然抗拉强度、饱和抗拉强度、天然弹性模量、饱和弹性模量、吸水率和渗透系数。
其试件测试过程与实施例1相同。
该配比下，最终获得的试件测试结果为：密度1.742g/cm3，天然抗压强度219KPa，饱和抗压强度128KPa，天然抗拉强度23KPa，饱和抗拉强度14KPa，天然弹性模量74.212MPa，饱和弹性模量48.371MPa，吸水率11.65％，渗透系数6.27×10-6cm/s。
根据测试结构可绘制试件天然状态应力与应变曲线图，如图5所示。
实施例6：
试件制备过程如下：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；本实施例中，称取：河沙100份，水泥9份，大白粉3份，淀粉3份，液态石蜡3份。即取河沙100g，水泥9g，大白粉3g，淀粉3g，液态石蜡3g。
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；这里加入的水主要起融合和调配各物料的作用，所加水的比例一般占步骤一中称取物料总质量的5％-10％；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
然后，对制备的固液耦合物理相似模拟实验材料试件进行物理力学性能测试。这里的试件的物理力学性能包括密度、天然抗压强度、饱和抗压强度、天然抗拉强度、饱和抗拉强度、天然弹性模量、饱和弹性模量、吸水率和渗透系数。
其试件测试过程与实施例1相同。
该配比下，最终获得的试件测试结果为：密度1.826g/cm3，天然抗压强度390KPa，饱和抗压强度195KPa，天然抗拉强度38KPa，饱和抗拉强度20KPa，天然弹性模量96.325MPa，饱和弹性模量50.427MPa，吸水率9.65％，渗透系数7.42×10-6cm/s。
上述实施例中，采用河沙作为骨料，水泥和大白粉为胶结剂，淀粉和液体石蜡为调节剂，水为融合剂。其中大白粉、水泥和淀粉对材料力学性质起主要控制作用；其中水泥对材料强度和弹性模量起主要控制作用；其中淀粉和液体石蜡对材料水理性质起主要作用。
本发明的固液耦合物理相似模拟实验材料，其原材料来源广泛，成本低，环保无毒害；其中大白粉可以调节其强度充填孔隙，增加材料的弹性、拉伸性及光滑度；其中水泥因配比变化，其强度变化范围广，试件制作工艺简单，凝结速度快，节约试验时间；其中淀粉性能稳定，可以使材料干化速度更快，可缩短试验周期，而且在混合材料中，淀粉含量越高，材料颗粒胶结越密实，孔隙率越低，其渗透率越低；其中液体石蜡具有保湿和减少干裂，进一步促进了材料的非亲水性，增加材料脆性的作用。使得该相似材料试件制作方便，容易成型，凝固时间短，力学性能稳定；具有较好的脆性和非亲水性；调节材料配比即可改变材料力学性质和水理性，材料的水理性指材料与水接触后表现出的有关性质，即与水分贮容和运移有关的性质称作材料的水理性质。它包括材料的容水性、给水性、持水性、透水性等。申请中主要指材料的吸水率和渗透系数。能模拟大范围岩石的性质，能同时满足固体力学性质和渗透性，模拟相似度高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述固液耦合物理相似模拟实验材料主要由以下按照重量份数计的原料制备而成：河沙100份、水泥8-10份、大白粉2-4份、淀粉2-4份和液态石蜡2-4份。
2.按照权利要求1所述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述河沙的粒径≤0.8mm且级配均匀。
3.按照权利要求1或2所述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述水泥为525号优质灰色硅酸盐水泥。
4.按照权利要求1或2所述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述淀粉为马铃薯淀粉。
5.按照权利要求3所述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述液体石蜡为医用轻质液状石蜡。
6.按照权利要求4所述的一种固液耦合物理相似模拟实验材料，其特征在于：所述液体石蜡为医用轻质液状石蜡。
7.一种制备如权利要求1所述的固液耦合物理相似模拟实验材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用电子秤，按照重量份配比分别称取河沙、水泥、大白粉、淀粉和液态石蜡；
步骤二、将步骤一中所称取的河沙、水泥、大白粉和淀粉放置于容器或搅拌机中混合并搅拌均匀；
步骤三、向步骤二中搅拌均匀的物料中，按照重量份配比加入液体石蜡，再向步骤二中搅拌均匀的物料中加入水，然后手动或通过搅拌机进行充分搅拌；
步骤四、将步骤三中搅拌后的物料装入标准岩石试件模具中，再通过人工捣实成试件或机械压实成试件；
步骤五、脱模，在室温下将试件养护七天。
CN201910556467.7A 2019-06-25 2019-06-25 一种固液耦合物理相似模拟实验材料及其制备方法 Pending CN110196185A (zh)

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