CN110482988A - 一种弱膨胀泥岩相似材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种弱膨胀泥岩相似材料及其制备方法，包括以下组分，膨润土、重晶石粉、松香酒精溶液以及石膏、石英砂。其中，各组分的占总料质量比为：膨润土5%‑20%，重晶石粉10%‑40%，松香酒精溶液7%，石膏占0‑3%，石英砂为以上材料占比之和不足1时的填充。制备方法，粉状松香用乙醇溶解得到松香酒精溶液，按照预先设计的质量配比称量所述膨润土、重晶石粉、石膏及石英砂，并混合均匀得到干材料，将按质量配比的松香酒精溶液加入干材料中，再混合均匀，得到湿材料；将湿材料制样、烘干。有益效果：本发明主要保证了相似材料的膨胀性、高强度性、易粘结性，同时具有稳定的力学性质。各组分原料易得，成本较低。

Description

一种弱膨胀泥岩相似材料及其制备方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种基于弱膨胀泥岩相似材料及其制备方法。
背景技术
相似理论是揭示互相相似的物理现象之间存在的固有关系，说明自然界和工程中各相似现象相似原理的学说。模型实验基于相似理论，将工程实体通过一定的比例缩小从而进行相应的试验，模型试验是解决复杂工程课题的重要手段，在岩土工程研究中已得到广泛应用。
膨胀泥岩是软岩的一种，其地层在我国具有广泛的分布，其具有吸水膨胀、失水收缩以及泥化等不良地质特征，这样的泥岩作为高速铁路地基具有潜在危险性，在国内运营的多处高铁地基中出现上拱变形而影响列车运行或拆除重建，造成极大的人力、物力、财力损失。目前对弱膨胀性泥岩的实验室研究主要面临着原装样取土困难的问题，尤其是高速铁路地基中泥岩的取样不符合铁路运行要求，同时，采集耗费大量人力、财力和时间，而室内模型试验研究高铁的上拱变形机理尤为重要，是目前高铁线路变形中出现的新问题。此外弱膨胀性泥岩引起的形变较小，对实验室研究的要求较高。
相似材料原料的选择，各组分的配比以及制备方法对模型试验的成功与否起着决定性作用。膨润土具有一定的膨胀性，且具有来源丰富、价格便宜、物理力学性能稳定、环保无污染等优点，本申请发明人对膨润土用来做膨胀性岩土模拟实验相似材料进行了研究。
发明内容
本发明为解决现有技术中弱膨胀性泥岩研究取样难，不能更好服务于室内模型试验的问题，提供一种制作方便，物理力学性能稳定，能服务于地基各类膨胀泥岩地基，价格便宜的模型试验相似材料制备方法及参考指标。同时本发明还提供该相似材料的制备方法，该制备方法简单易行，成本低廉，便于室内开展试验。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种弱膨胀泥岩相似材料，包括以下组分，骨料：膨润土、重晶石粉；胶结材料：松香酒精溶液以及石膏；填充材料：石英砂，其中，各组分的质量占比为：所述膨润土占总料比重为5%-20%，所述重晶石粉占总料比重为10%-40%，所述松香酒精溶液质量浓度为30%-60%，松香酒精溶液占相似材料总料比重为7%-10%，所述石膏占总料比重0-3%，所述石英砂为以上材料占比之和不足1时的填充。
所述膨润土为纳基膨润土，其制备原料粒径小于0.5mm；石英砂、重晶石粉、石膏制备原料粒径均小于0.5mm。
一种弱膨胀泥岩相似材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）根据干密度与原材料各成分质量占比的关系图（图1），干燥饱和吸水率与原材料各成分质量占比的关系图（图2），无荷膨胀率与原材料各成分质量占比的关系图（图3），膨胀力与原材料各成分质量占比的关系图（图4），确定相似材料原材料配比；
（2）配制相应浓度的松香酒精溶液，具体制作方法为：松香磨粉，粒径0.5mm以下，粉状松香加入到乙醇中，阴凉干燥处静置一到两天，等待松香溶解；
（3）根据确定的材料配比称量膨润土、重晶石粉、石英砂并搅拌均匀，加入配制好的松香酒精溶液中再次搅拌均匀，然后称量约120g湿材料利用击样器击实，最后将击实后的试样放入80℃恒温烘箱中烘干即可。
相似材料配比的确定方法如下：根据表3中的线性回归方程可以确定主导因素膨润土占料比和重晶石粉占料比，其中膨润土占料比有三种材料水平，取其平均值；根据说明书附图1~4可以确定其它材料占料比，对于每种材料而言，一张图对应一种材料水平，四张图对应四种材料水平，四种材料水平取平均值即得该材料占料比。
制样模具用的是环刀，取实验量的湿材料一次加入环刀中，并在环刀内部涂抹凡士林。环刀内径61.8mm，高为20mm。
湿材料在制样模具中被夯击的次数为15-20次。在环刀中的湿材料的上下表面垫设滤纸，用击样器重锤自由下落时产生的冲击力夯实试样，落锤内径38mm，质量487g，下落高度250mm。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明由于采用纳基膨润土为主要膨胀材料，保证了相似材料的膨胀性；以重晶石粉、石英砂为骨料，保证了相似材料的高强性，同时，松香酒精溶液具有良好的粘结性，酒精易挥发能保证制样后不影响材料性能，再加之高温烘箱烘干20-24小时保证酒精的全部挥发，同时具有稳定的力学性质。本发明还通过干密度、膨胀力与原材料各成分质量占比的关系图快速确认相似材料的配比，能够节约时间，提高效率。此外本发明的相似材料的各组分原料易得，无特殊原料和复杂成型工艺，因此成本较低。同时本发明的制备方法工艺简单，条件温和。
附图说明
图1为本发明相似材料干密度与原材料各成分质量占比的关系图；
图2为本发明相似材料干燥饱和吸水率与原材料各成分质量占比的关系图；
图3为本发明相似材料无荷膨胀率与原材料各成分质量占比的关系图；
图4为本发明相似材料膨胀力与原材料各成分质量占比的关系图。
关系图中横坐标数字1-4代表了材料质量占比的四个水平，其中膨润土质量占比5%-20%，水平跨度5%；重晶石粉占10-40%，水平跨度10%；松香酒精溶液浓度30%-60%，水平跨度10%；石膏占0-3%，水平跨度1%。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明的范围包括但不限于下面的实施例。
以新疆哈密地区弱膨胀性泥岩为例，新疆哈密地区原样土相关物理性质见表1。
配制新疆哈密地区弱膨胀性泥岩相似材料，包括以下步骤：
（1）根据相似材料线性回归方程表（表3）及说明书附图1~4，确定相似材料原材料配比为：膨润土质量占总料比重15%，重晶石粉质量占总料比重10%，松香酒精溶液浓度50%（质量占总料比重为7%），石英砂质量占比66%，石膏质量占比为2%。
（2）配制浓度为50%的松香酒精溶液，具体制作方法为：松香磨粉，粒径0.5mm以下，粉状松香加入到乙醇中，阴凉干燥处静置一到两天，等待松香溶解。
（3）根据确定的材料配比称量膨润土、重晶石粉、石英砂并搅拌均匀，加入配制好的松香酒精溶液中再次搅拌均匀，然后称量约120g湿材料利用击样器击实，最后将击实后的试样放入80℃恒温烘箱中烘干即可。烘干试样经常规岩土参数测试方法测得相关物理指标见表2。
对比表1、表2数据可以得出结论：经过本方法配制的相似材料与新疆哈密地区弱膨胀性泥岩性质基本相似，即可以满足相似材料使用要求。
表3为相似材料各物理指标与其主导因素之间的线性相关关系表，表中以x表示因素，以y表示变量，并给出了两者间的线性回归方程，同时r为相关系数，r越接近1表示相关性越大。

Claims (6)

1.一种弱膨胀泥岩相似材料，其特征在于包括以下组分，骨料：膨润土、重晶石粉；胶结材料：松香酒精溶液以及石膏；填充材料：石英砂，其中，各组分的质量占比为：所述膨润土占总料比重为5%-20%，所述重晶石粉占总料比重为10%-40%，所述松香酒精溶液质量浓度为30%-60%，松香酒精溶液占相似材料总料比重为7%-10%，所述石膏占总料比重0-3%，所述石英砂为以上材料占比之和不足1时的填充。
2.根据权利要求1所述的一种弱膨胀泥岩相似材料，其特征在于所述膨润土为纳基膨润土，制备原料其粒径小于0.5mm；石英砂、重晶石粉、石膏制备原料粒径均小于0.5mm。
3.一种弱膨胀泥岩相似材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）根据干密度与原材料各成分质量占比的关系图，干燥饱和吸水率与原材料各成分质量占比的关系图，无荷膨胀率与原材料各成分质量占比的关系图，膨胀力与原材料各成分质量占比的关系图，确定相似材料原材料配比；
（2）配制相应浓度的松香酒精溶液，具体制作方法为：松香磨粉，粒径0.5mm以下，粉状松香加入到乙醇中，阴凉干燥处静置一到两天，等待松香溶解；
（3）根据确定的材料配比称量膨润土、重晶石粉、石英砂并搅拌均匀，加入配制好的松香酒精溶液中再次搅拌均匀，然后称量约120g湿材料利用击样器击实，最后将击实后的试样放入80℃恒温烘箱中烘干即可。
4.根据权利要求3所述的一种弱膨胀泥岩相似材料的制备方法，其特征在于材料配比的确定方法如下：
根据上表中的线性回归方程确定主导因素膨润土占料比和重晶石粉占料比，其中膨润土占料比有三种材料水平，取其平均值；根据步骤（1）所说的关系图确定其它材料占料比，对于每种材料而言，一张图对应一种材料水平，四张图对应四种材料水平，四种材料水平取平均值即得该材料占料比。
5.根据权利要求3所述的一种弱膨胀泥岩相似材料的制备方法，其特征在于制样模具用的是环刀，取实验量的湿材料一次加入环刀中，并在环刀内部涂抹凡士林。
6.根据权利要求3所述的一种弱膨胀泥岩相似材料的制备方法，其特征在于湿材料在制样模具中被夯击的次数为15-20次。
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