CN110294617A - 一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料及其制备方法，包括：按重量计，骨料186‑280份、胶结剂213‑225份、水86‑89份；所述骨料包括标准河砂158‑278份，40‑80目陶砂0‑35份、32‑40目陶砂0‑42份、20‑32目陶砂0‑28份，所述骨料采用的胶结剂由石膏21‑68份和水泥149‑203份混合而成，所述砂岩相似模型的制备方法包括：S1：按照上述配比称取水泥、石膏、河砂、蒸馏水放入容器中搅拌均匀。发明中的相似材料能较好的模拟砂岩的抗冻性，相似材料采用石膏与水泥的混合物为胶结剂，石膏与水泥的混合物具有较强的胶结能力，性质较为稳定，可调节度高等特点，石膏与水泥的混合物作为胶结剂和骨料混合能得到致密均匀，物理力学性质稳定的相似材料，这与砂岩的性质吻合。

Description

一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及模型相似材料技术领域，具体为一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料及其制备方法。

背景技术

传统的岩土工程我国寒区面积世界排名第三，约75％的国土陆地面积呈冬冻夏融及春夏之交夜冻日融的周期变化，寒区资源开发、工程建设过程中以及服务期内，岩体工程冻融灾变问题屡见不鲜，大量寒区工程实例表明：尽管冻融循环影响边坡岩体深度有限，但会诱发局部滑坡和崩塌，并因连锁反应引起更大范围的边坡岩体破坏，另外，冻融循环也会导致路基的冻胀融沉、隧道围岩的冻胀失稳等灾变现象的发生，严重威胁着岩体工程的安全稳定和人们生命财产安全。

目前砂岩相似材料模型试验大多是是针对岩石其他性质相似研制的，针对岩石抗冻性方面相似的相似材料为数不多，且只考虑了与冻融前的力学特性相似，未对冻融后的物理力学性质与原岩进行对比，但岩石在冻融循环过程中，由于组成砂岩矿物颗粒的热膨胀系数不同，当温度降低或升高时，在岩石中赋存的裂隙水和孔隙水的作用下，使岩石内矿物的收缩和膨胀产生差异，以相似材料代替原岩进行冻融循环试验时，必须根据原岩的物理力学性质对冻融前后都进行模拟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的目前砂岩相似材料模型试验大多是是针对岩石其他性质相似研制的，针对岩石抗冻性方面相似的相似材料为数不多，且只考虑了与冻融前的力学特性相似，未对冻融后的物理力学性质与原岩进行对比，但岩石在冻融循环过程中，由于组成砂岩矿物颗粒的热膨胀系数不同，当温度降低或升高时，在岩石中赋存的裂隙水和孔隙水的作用下，使岩石内矿物的收缩和膨胀产生差异，以相似材料代替原岩进行冻融循环试验时，必须根据原岩的物理力学性质对冻融前后都进行模拟。

一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料，包括：按重量计，骨料186-280份、胶结剂213-225份、水86-89份；

优选的，所述骨料包括标准河砂158-278份，40-80目陶砂0-35份、32-40目陶砂0-42份、20-32目陶砂0-28份。

优选的，所述骨料采用的胶结剂由石膏21-68份和水泥149-203份混合而成。

优选的，一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料制备方法包括：

(1)：按照上述配比称取水泥、石膏、河砂、蒸馏水放入容器中搅拌均匀；

(2)：将S1得到的混合物倒入磨具中捣实，其中：每组实验6个试件，且其3个用于冻融前的单轴抗压强度测定(平均值)，而且其另3个用于冻融后单轴抗压强度测定)，养护24小时后拆模，水中养护14天，即可得到砂岩的相似材料；

(3)：测量砂岩相似材料冻融前单轴抗压强度；

(4)：将饱和的砂岩相似材料试件放入AB-1000高低温交变湿热试验箱中，在固定的冻结温度下(-20℃)冻结4h；

(5)：取出后将试件浸没水中，水温保持20℃±2℃，融解4h，即为一个循环，冻融循环次数达到30次后，将其放置在40℃的烘箱中烘干，测得试件的烘干质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提出了一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料及其制备方法，通过研究相似材料的孔隙度，单轴抗压强度，冻融循环试验前后强度损失等参数随配比的变化规律，确定适用于砂岩的相似材料配比方案。

2、通常情况下，砂岩单轴抗压强度在15.8-45.7MPa范围之间，相似模型试验的相似系数取值为1，相似材料在满足砂岩单轴抗压强度的基础上，改变配合比，以获得满足实际要求的孔隙度，抗冻性的相似材料；

3、相似材料的制备过程中，通过控制水胶比(胶结剂与水的比值)、水膏比(水泥与石膏的比值)、陶砂掺量、陶砂粒径的大小来调节相似材料的密度，孔隙度和抗压强度，进一步对砂岩的抗冻性进行模拟；

4、发明中的相似材料能较好的模拟砂岩的抗冻性，相似材料采用石膏与水泥的混合物为胶结剂，石膏与水泥的混合物具有较强的胶结能力，性质较为稳定，可调节度高等特点，石膏与水泥的混合物作为胶结剂和骨料混合能得到致密均匀，物理力学性质稳定的相似材料，这与砂岩的性质吻合；

5、试验材料采用河砂和多种粒径大小的陶砂作为骨料是为了调节相似材料的配比，可以在较大范围内调节砂岩相似模型试验材料的孔隙度，更好的模拟砂岩在冻融循环条件下的强度劣化机理；

6、陶砂是一种多孔结构，粒径越大，孔结构越多，另外，试验用饱水陶砂也可作为低水胶比水泥基的内养采护材料，可以有效减少水泥基材料的自收缩。

具体实施方式

下面将结合本发明对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料及其制备方法，包括：按重量计，骨料186-280份、胶结剂213-225份、水86-89份；

优选的，所述骨料包括标准河砂158-278份，40-80目陶砂0-35份、32-40目陶砂0-42份、20-32目陶砂0-28份。

优选的，所述骨料采用的胶结剂由石膏21-68份和水泥149-203份混合而成。

优选的，一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料制备方法，包括：

(1)：按照上述配比称取水泥、石膏、河砂、蒸馏水放入容器中搅拌均匀；

(2)：将S1得到的混合物倒入磨具中捣实，其中：每组实验6个试件，且其3个用于冻融前的单轴抗压强度测定(平均值)，而且其另3个用于冻融后单轴抗压强度测定)，养护24小时后拆模，水中养护14天，即可得到砂岩的相似材料；

(3)：测量砂岩相似材料冻融前单轴抗压强度；

(4)：将饱和的砂岩相似材料试件放入AB-1000高低温交变湿热试验箱中，在固定的冻结温度下(-20℃)冻结4h；

(5)：取出后将试件浸没水中，水温保持20℃±2℃，融解4h，即为一个循环，冻融循环次数达到30次后，将其放置在40℃的烘箱中烘干，测得试件的烘干质量；

实例一：

本实例的砂岩相似模型材料原材料包括：按重量级，骨料278份，胶结剂226份，水86份，其中胶结剂包括石膏23份，水泥203份。

本实施案例的砂岩相似模型的制备方法包括：

(1)：按照上述配比称取水泥、石膏、河砂、蒸馏水放入容器中搅拌均匀；

(2)：将S1得到的混合物倒入磨具中捣实，(每组实验6个试件，3个用于冻融前的单轴抗压强度测定(平均值)，3个用于冻融后单轴抗压强度测定)，养护24小时后拆模，水中养护14天，即可得到砂岩的相似材料；

(3)：测量砂岩相似材料冻融前单轴抗压强度；

(4)：将饱和的砂岩相似材料试件放入AB-1000高低温交变湿热试验箱中，在固定的冻结温度下(-20℃)冻结4h，取出后将试件浸没水中，水温保持20℃±2℃，融解4h，即为一个循环。冻融循环次数达到30次后，将其放置在40℃的烘箱中烘干，测得试件的烘干质量。

实例二：

本实例的砂岩相似模型材料原材料包括：按重量级，骨料232份，胶结剂225份，水86份，其中胶结剂包括石膏45份，水泥180份；骨料包括河砂209份，32-40目的陶砂23份。

将陶砂饱水后，重复实施例1中的制备步骤，得到砂岩相似材料的抗压强度；

实例三：

各种配比的相似材料在冻融前的孔隙率的变化范围为9.95％-21.41％，单轴抗压强度17.33-52.81MPa，范围均较大能满足对原岩的模拟，各种配合比下的相似材料冻融前的物理力学性质见附表1；

白垩系粗粒红砂岩冻融前孔隙度为9.82％，配合比1的冻融前的孔隙度为9.95％，误差为1.3％；

配合比1与白垩系粗粒红砂岩在冻融前后的抗压强度对比值见附表2，由表可以看出配合比1对白垩系粗粒红砂岩的抗冻性模拟效果非常好，冻融前和冻融后的强度误差分别为7.03％和9.51％。

附表1.各种配合比相似材料在冻融前的物理力学性质表

附表2.配合比1与白垩系粗粒红砂岩在冻融前后的抗压强度对比表

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料，包括：按重量计，骨料186-280份、胶结剂213-225份、水86-89份。

2.根据权利要求1所述的一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料，所述骨料包括标准河砂158-278份，40-80目陶砂0-35份、32-40目陶砂0-42份、20-32目陶砂0-28份。

3.根据权利要求1所述的一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料，所述骨料采用的胶结剂由石膏21-68份和水泥149-203份混合而成。

一种基于冻融循环模型试验的砂岩相似材料制备方法，包括：

(1)：按照上述配比称取水泥、石膏、河砂、蒸馏水放入容器中搅拌均匀；

(2)：得到的混合物倒入磨具中捣实，其中：每组实验6个试件，且其3个用于冻融前的单轴抗压强度测定，其另3个用于冻融后单轴抗压强度测定)，养护24小时后拆模，水中养护14天，即可得到砂岩的相似材料；

(3)：测量砂岩相似材料冻融前单轴抗压强度；

(4)：将饱和的砂岩相似材料试件放入AB-1000高低温交变湿热试验箱中，在固定的冻结温度下(-20℃)冻结4h；

(5)：取出后将试件浸没水中，水温保持20℃±2℃，融解4h，即为一个循环，冻融循环次数达到30次后，将其放置在40℃的烘箱中烘干，测得试件的烘干质量。