CN110204266A - 一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法 - Google Patents

一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110204266A
CN110204266A CN201910569793.1A CN201910569793A CN110204266A CN 110204266 A CN110204266 A CN 110204266A CN 201910569793 A CN201910569793 A CN 201910569793A CN 110204266 A CN110204266 A CN 110204266A
Authority
CN
China
Prior art keywords
analog material
rubber powder
elastic
cement
plastic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910569793.1A
Other languages
English (en)
Inventor
代树红
李硕
董建强
杨龙
高鸿
王晓晨
王浩然
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liaoning Technical University
Original Assignee
Liaoning Technical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Liaoning Technical University filed Critical Liaoning Technical University
Priority to CN201910569793.1A priority Critical patent/CN110204266A/zh
Publication of CN110204266A publication Critical patent/CN110204266A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00991—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for testing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明公开了一种弹塑性模型试验相似材料，由骨料、胶结物和水均匀混合搅拌而成。本发明还公开了一种弹塑性模型试验相似材料的制作方法，步骤为：先对橡胶粉末进行改良；按质量配比称取石英砂、改性后的橡胶粉末、高岭土、水泥和水并搅拌均匀；将搅拌好的混合料倒进模具并夯实；在37°恒温箱养护1天，拆模，再干燥4天。本发明的弹塑性模型试验相似材料具有力学参数变化范围广，有弹塑性应力‑应变特征，制作工艺简单，价廉易得且没有毒副作用的特点，力学性能稳定，能够满足大尺度模型试验的弹塑性相似材料，可广泛应用于地质、采矿、岩土工程等领域的地质力学模型试验。

Description

一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法
技术领域
本发明属于地质力学模型试验的技术领域，尤其涉及一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法。
背景技术
地质力学模型试验是一种基于相似原理，用模型代替原型进行力学参数及其分布规律的研究，借以推断原型中可能发生的力学现象的试验方法，是解决地质、采矿、岩土工程中现象相似性问题的一种重要的研究手段，具有直观、简便、经济以及实验周期短等优点。
在地质力学模型试验中，经常涉及到弹塑性材料的相关试验研究，具有弹塑性应力-应变曲线关系的弹塑性相似材料是重要的试验材料。现有的弹塑性相似材料制作工艺繁琐，需要加热等操作，不适用于进行大尺度的地质力学模型试验。因此，研制出一种制作工艺简单、力学性能稳定的弹塑性相似材料是必要的。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法，工艺简单、力学性能稳定，能够满足大尺度模型试验的弹塑性相似材料。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种弹塑性模型试验相似材料，由骨料、胶结物和水均匀混合搅拌而成。
可选的，所述骨料为石英砂和橡胶粉末；所述胶结物为水泥和高岭土，所述橡胶粉末采用改性剂进行改良，所述改性剂为氢氧化钠溶液。
本发明还提供一种弹塑性模型试验相似材料的制作方法，包括以下步骤：
S10、先将橡胶粉末放入含5％氢氧化钠溶液中浸泡40min，然后用清水洗净并烘干；
S20、按质量配比称取石英砂、步骤S10改性后的橡胶粉末、高岭土、水泥和水；
S30、将石英砂、改性后的橡胶粉末、高岭土和水泥搅拌均匀，再加入水搅拌均匀至松散状；
S40、将搅拌好的混合料倒进模具并夯实；
S50、在37°恒温箱养护1天，拆模，再干燥4天。
优选的，步骤S10中，橡胶粉末放入含5％氢氧化钠溶液中浸泡40min后用100目的过滤网筛过滤。
由上，本发明的弹塑性模型试验相似材料具有力学参数变化范围广，有弹塑性应力-应变特征，制作工艺简单，价廉易得且没有毒副作用的特点，可广泛应用于地质、采矿、岩土工程等领域的地质力学模型试验，并具有如下优点：
(1)相似材料的力学参数变化范围较广，可以用同一种材料，只要调整其中各组成部分的配比，即可适应不同种类岩土介质的相似要求，简化了模型试验研究工作的难度；
(2)原料来源广，成本低廉，降低了模型试验成本；
(3)相似材料制作工艺简单，无需加热等操作，加快了大尺度相似材料模型的制作速度；
(4)材料没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为典型的弹塑性相似材料应力应变关系曲线图；
图2为橡胶粉末含量对相似材料单轴抗压强度的影响曲线图；
图3为橡胶粉末含量对相似材料弹性模量的影响曲线图；
图4为橡胶粉末含量对相似材料塑性系数的影响曲线图；
图5为橡胶粉末含量对相似材料容重的影响曲线图；
图6为高岭土含量对相似材料单轴抗压强度的影响曲线图；
图7为高岭土含量对相似材料弹性模量的影响曲线图；
图8为水泥含量对相似材料单轴抗压强度的影响曲线图；
图9为本发明的弹塑性模型试验相似材料的制作方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图9所示，本发明提供了一种弹塑性模型试验相似材料及其制备方法，通过研究相似材料的单轴抗压强度、弹性模量、视密度、塑性系数、应力应变曲线等参数随配比的变化规律，确定一种能够满足大尺度模型试验的弹塑性相似材料。本发明的弹塑性模型试验相似材料所用的骨料选择石英砂和橡胶粉末，胶结物选择高岭土和水泥，选取3个正交因素为别为：因素A(胶结物/骨料质量)；因素B(水泥质量/胶结物质量)，因素C(橡胶粉末质量/骨料质量)，其中水的质量为总质量的十分之一。每个因素设计3个水平，选用3因素4水平的正交设计方案L16(43)，共计16组不同配比，相似材料配比如表1所示：
表1相似材料正交设计水平
本发明的弹塑性模型试验相似材料的制备方法如下：
(1)先将橡胶粉末放入含5％氢氧化钠溶液中浸泡40min，然后用100目的过滤网筛过滤，并用清水洗净并烘干，以提高橡胶粉末与相似材料之间的粘结强度；
(2)按质量配比称取石英砂、改性后的橡胶粉末、高岭土、水泥和水；
(3)将石英砂、改性后的橡胶粉末、高岭土和水泥搅拌均匀，再加入水搅拌均匀至松散状；
(4)将搅拌好的混合料倒进模具并夯实；
(5)37°恒温箱养护1天，拆模，再干燥4天。
干燥后的相似材料试件先称重，测量尺寸，计算出视密度γ。随后在万能试验机上测试相似材料的力学参数，主要包括弹性模量E、抗压强度σc、塑性系数kn。
主要物理力学参数：
表2不同配比测得的材料物理力学参数
如图1至图8所示，图1为典型的弹塑性相似材料应力应变关系曲线，图2为橡胶粉末含量对相似材料单轴抗压强度的影响曲线，由图2可知调整橡胶粉末的含量就可以调节相似材料的抗压强度，橡胶粉末的含量越高，相似材料的抗压强度越低。
图3为橡胶粉末含量对相似材料弹性模量的影响曲线，由图3可知调整橡胶粉末的含量就可以调节相似材料的弹性模量，橡胶粉末的含量越高，相似材料的弹性模量越低。
图4为橡胶粉末含量对相似材料塑性系数的影响曲线，由图4可知调整橡胶粉末的含量就可以调节相似材料的塑性系数，橡胶粉末的含量越高，相似材料的塑性系数越高。
图5为橡胶粉末含量对相似材料容重的影响曲线，由图5可知调整橡胶粉末的含量就可以调节相似材料的容重，橡胶粉末的含量越高，相似材料的容重越低。
图6为高岭土含量对相似材料单轴抗压强度的影响曲线，由图6可知调整高岭土的含量就可以调节相似材料的抗压强度，高岭土的含量越高，相似材料的抗压强度越高。
图7为高岭土含量对相似材料弹性模量的影响曲线，由图7可知调整高岭土的含量就可以调节相似材料的弹性模量，高岭土的含量越高，相似材料的弹性模量越低。
图8为水泥含量对相似材料单轴抗压强度的影响曲线，由图8可知调整水泥的含量就可以调节相似材料的单轴抗压强度，水泥的含量越高，相似材料的抗压强度越高。。
力学参数测试表明：采用本发明制成的材料视密度变化范围为1.527-1.977g/cm3，弹性模量变化范围为16.136-420.034MPa、抗压强度变化范围为0.702-2.553MPa，塑性系数变化范围为1.295-1.990。材料的物理力学参数变化范围较广，应力-应变曲线塑性阶段明显，可广泛应用于地质、采矿、岩土工程等领域的地质力学模型试验。
实施例1：各重量份的原料按质量配比称重
石英砂：85份
橡胶粉末：15份
高岭土：31.5份
水泥：3.5份
水：15份
先将橡胶粉末放入含5％NaOH溶液中浸泡40min，然后用100目的过滤网筛过滤掉溶液，并用清水冲洗、然后在通风处自然风干；然后分别称取85份石英砂、3.5份水泥、31.5份高岭土、15份改性后的橡胶粉末，依次放入容器中并搅拌均匀后，再放入15份水，搅拌均匀至松散状；将混合料倒入钢制立方体模具并夯实；37°恒温箱养护1天，然后将模具拆开，取出压制成型的试件，放置在常温干燥4天。最后在万能试验机上测试相似材料的力学参数，得到具体的参数为：材料视密度1.615g/cm3，单轴抗压强度：1.283MPa，塑性系数：1.920、弹性模量163.681MPa；此配比的相似材料可以用来模拟中等强度的弹塑性岩石。
实施例2：各重量份的原料按质量配比称重
石英砂：95份
橡胶粉末：5份
高岭土：24.5份
水泥：10.5份
水：15份
先将橡胶粉末放入含5％NaOH溶液中浸泡40min，然后用100目的过滤网筛过滤掉溶液，并用清水冲洗、然后在通风处自然风干；然后分别称取95份石英砂、10.5份水泥、24.5份高岭土、5份改性后的橡胶粉末，依次放入容器中并搅拌均匀后，再放入15份水，搅拌均匀至松散状；将混合料倒入钢制立方体模具并夯实；37°恒温箱养护1天，然后将模具拆开，取出压制成型的试件，放置在常温干燥4天。最后在万能试验机上测试相似材料的力学参数，得到具体的参数为：材料视密度1.810g/cm3，单轴抗压强度：2.553MPa，塑性系数：1.560、弹性模量420.034MPa；此配比的相似材料可以用来模拟强度较高的岩体。
实施例3：各重量份的原料按质量配比称重
石英砂：85份
橡胶粉末：15份
高岭土：40份
水：15份
先将橡胶粉末放入含5％NaOH溶液中浸泡40min，然后用100目的过滤网筛过滤掉溶液，并用清水冲洗、然后在通风处自然风干；然后分别称取85份石英砂、40份高岭土、15份改性后的橡胶粉末，依次放入容器中并搅拌均匀后，再放入15份水，搅拌均匀至松散状；将混合料倒入钢制立方体模具并夯实；37°恒温箱养护1天，然后将模具拆开，取出压制成型的试件，放置在常温干燥4天。最后在万能试验机上测试相似材料的力学参数，得到具体的参数为：材料视密度1.810g/cm3，单轴抗压强度：0.115MPa，塑性系数：1.555、弹性模量16.136MPa；此配比的相似材料可以用来模拟较为松软的岩体。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种弹塑性模型试验相似材料，其特征在于，由骨料、胶结物和水均匀混合搅拌而成。
2.如权利要求1所述的弹塑性模型试验相似材料，其特征在于，所述骨料为石英砂和橡胶粉末；所述胶结物为水泥和高岭土，所述橡胶粉末采用改性剂进行改良，所述改性剂为氢氧化钠溶液。
3.一种如权利要求2所述的弹塑性模型试验相似材料的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、先将橡胶粉末放入含5％氢氧化钠溶液中浸泡40min，然后用清水洗净并烘干；
S20、按质量配比称取石英砂、步骤S10改性后的橡胶粉末、高岭土、水泥和水；
S30、将石英砂、改性后的橡胶粉末、高岭土和水泥搅拌均匀，再加入水搅拌均匀至松散状；
S40、将搅拌好的混合料倒进模具并夯实；
S50、在37°恒温箱养护1天，拆模，再干燥4天。
4.如权利要求3所述的弹塑性模型试验相似材料的制作方法，其特征在于，步骤S10中，橡胶粉末放入含5％氢氧化钠溶液中浸泡40min后用100目的过滤网筛过滤。
CN201910569793.1A 2019-06-27 2019-06-27 一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法 Pending CN110204266A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910569793.1A CN110204266A (zh) 2019-06-27 2019-06-27 一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910569793.1A CN110204266A (zh) 2019-06-27 2019-06-27 一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110204266A true CN110204266A (zh) 2019-09-06

Family

ID=67795126

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910569793.1A Pending CN110204266A (zh) 2019-06-27 2019-06-27 一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110204266A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3410844C2 (zh) * 1983-05-25 1988-07-28 Johann 5040 Bruehl De Passut
CN101244397A (zh) * 2007-05-28 2008-08-20 中国矿业大学(北京) 组装式恒湿恒温密闭相似材料模拟实验室及其实验方法
CN101407397A (zh) * 2008-11-03 2009-04-15 山东大学 一种改性相似材料及其制备方法
CN109095847A (zh) * 2018-08-14 2018-12-28 中冶建筑研究总院（深圳）有限公司 一种软硬岩复合岩层相似材料及采用该相似材料制备软硬岩的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3410844C2 (zh) * 1983-05-25 1988-07-28 Johann 5040 Bruehl De Passut
CN101244397A (zh) * 2007-05-28 2008-08-20 中国矿业大学(北京) 组装式恒湿恒温密闭相似材料模拟实验室及其实验方法
CN101407397A (zh) * 2008-11-03 2009-04-15 山东大学 一种改性相似材料及其制备方法
CN109095847A (zh) * 2018-08-14 2018-12-28 中冶建筑研究总院（深圳）有限公司 一种软硬岩复合岩层相似材料及采用该相似材料制备软硬岩的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Das et al. Implication of pore size distribution parameters on compressive strength, permeability and hydraulic diffusivity of concrete
CN104496387B (zh) 一种基于软岩遇水软化特性的相似材料及其制备方法
Königsberger et al. Densification of CSH is mainly driven by available precipitation space, as quantified through an analytical cement hydration model based on NMR data
CN110196185A (zh) 一种固液耦合物理相似模拟实验材料及其制备方法
CN109095847B (zh) 一种软硬岩复合岩层相似材料及采用该相似材料制备软硬岩的方法
CN103454127B (zh) 用于中小型固流耦合模型试验的相似材料及其制备方法
Vanin et al. Cement pastes modified by cellulose nanocrystals: A dynamic moduli evolution assessment by the Impulse Excitation Technique
CN109444391B (zh) 一种硬化水泥浆中高吸水性树脂再膨胀率的测量方法
CN104694191B (zh) 一种含瓦斯煤相似材料及其制备方法
CN101407397A (zh) 一种改性相似材料及其制备方法
Alaskar et al. Mechanical properties and durability of high-performance concrete internally cured using lightweight aggregates
Kang et al. Cement hydration–based micromechanics modeling of the time-dependent small-strain stiffness of fly ash–stabilized soils
CN107840629A (zh) 一种适用于水力压裂的煤岩相似材料及制备方法
CN107814546A (zh) 深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料及其制备方法
Chen et al. Mechanical properties and microstructure of lime-treated red clay
CN101734899A (zh) 一种模拟iv类围岩的试验用模型土及其制备方法
CN103936348A (zh) 一种初始应力各向异性结构性土的制备方法
Mydin et al. The use of inorganic ferrous–ferric oxide nanoparticles to improve fresh and durability properties of foamed concrete
Zhu et al. Improved isotropically consolidated undrained triaxial test method for non-self-supporting materials
CN110204266A (zh) 一种弹塑性模型试验相似材料及其制作方法
CN106186840B (zh) 一种模拟富水围岩条件下的试验用模型土及其制备方法
CN106365530A (zh) 一种大型混凝土结构仿真模型材料及其制备方法
CN110256036A (zh) 一种物理相似模拟实验材料及其制备方法
CN107311495A (zh) 橡胶颗粒增重法和橡胶混凝土制备方法
Murthy et al. The influence of metakaolin on the modulus of elasticity of concrete

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190906