CN110642583A - 珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料及其制备方法与应用 - Google Patents

珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了本发明一种珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料及其制备方法与应用，按照组分，所述相似材料包括：骨料：重晶石粉、石英砂以及钙质砂；胶结材料：水泥以及高强石膏。本发明提供的相似材料及其制备方法，选用重晶石粉、石英砂和高强石膏以提高材料脆性，钙质砂提高材料孔隙度，制备时将材料摇匀，有利于提高材料强度和发挥高强石膏的脆性特征。制备完成后采用常温养护，凝结时间短，成功模拟了珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩的特征，制作工艺简单，成本低，性能稳定，满足三维物理模型试验的技术要求。

Description

珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及岩土工程三维物理模型试验技术领域，特别涉及一种珊瑚砂屑灰岩和珊瑚 砾屑灰岩相似材料及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视 为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
造礁石珊瑚群体死亡后，其遗骸经过漫长的地质作用形成的岩土体即为珊瑚 礁。珊瑚礁岩体的主要成分为碳酸钙，常被称为礁灰岩。中国的珊瑚礁主要分布 于南海，南海地区珊瑚礁分布范围广，地理位置显要。
珊瑚礁是我国在南海唯一的陆地国土类型，地下国防硐室群的建设不可避免 的遇到深部珊瑚礁岩体(礁灰岩)的大量力学问题。礁灰岩由于生物成因，具有 高孔隙率、弱胶结等众多初始损伤，结构特征复杂；其破坏后的残余强度高(最 高可达峰值强度的77％)，礁灰岩的损伤演化机理及峰后力学特性与其他陆源岩 石显著不同，有必要对礁灰岩的损伤演化机理与峰后力学特性开展研究。然而， 礁灰岩样本的采集难度大、成本高以及成功率低，严重制约了礁灰岩试验研究的 进展。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种珊瑚砂屑灰岩和珊瑚 砾屑灰岩相似材料及其制备方法与应用。珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩是珊瑚礁岩体上层 的灰岩类型，压力主要来源于上覆海水的深度，密度在1.3-1.8g/cm3之间，抗压强度约为 1-5MPa，抗拉强度约为抗压强度的1/10。该相似材料的密度和力学参数等与真实的珊瑚砂 屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩较为接近，可以采用该相似材料模拟珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩 作相关的试验研究。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，由以下重量份的组分组成：重晶石粉 29-36份，石英砂10-16份，钙质砂8-12份，石膏3-8.5份，水泥6-15.5份，水25-28份。
钙质砂是由造礁珊瑚、珊瑚藻、海洋生物残骸沉积，未经长途搬运，保留了原生生物 的细小孔隙，形成的一种具有多孔隙、易碎、形状不规则、易胶结等特点的土颗粒材料。
重晶石粉、石英砂和石膏以提高材料脆性，钙质砂提高材料孔隙度。水泥和石膏作为 胶结材料，水泥除自身水化作用外，可以提供石膏水化所需要的碱性条件，缩短凝结时间。
在一些实施例中，珊瑚礁灰岩相似材料，由以下重量份的组分组成：重晶石粉29-36 份，石英砂10-16份，钙质砂8-12份，石膏3-8.5份，水泥6-15.5份，水25-28份。
进一步的，所述重晶石粉的粒径范围为500目-700目。
进一步的，石英砂粒径范围为30目-50目。
进一步的，钙质砂粒径范围是20目-60目。
进一步的，所述水泥为P.O 42.5水泥；石膏的粒径范围为1500目-1700目。
进一步的，所述石膏为高强石膏粉。高强石膏粉是二水石膏在1.3大气压下，124℃的 饱和水蒸汽下蒸炼，生成的α型半水石膏经磨细制得。由于在较高压力下分解而形成，高强石膏晶粒较粗，比表面积较小，调成石膏浆体的可塑需水量很小，因而硬化后的孔隙率小，具有较高的强度和密实度。石英砂粒径范围为30目-50目，钙质砂粒径范围是20目-60目，骨料偏小，骨料的比表面积增大，提高了孔隙率，更好的模拟珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾 屑灰岩多孔的特点。
上述珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料的制备方法，包括如下步骤：
将石英砂、重晶石粉、钙质砂、水泥和高强石膏混合并搅拌均匀，制成混合粉料；
向混合粉料中加入水，搅拌，混合均匀；
将混合好的材料倒入模具中，振实摇匀成型；
材料凝固后对模型进行脱模，养护7-10d后，即得到相似材料。
制备相似材料时，首先将粉料混合均匀，有利于提高相似材料的强度和发挥高强石膏 的脆性特征。
在一些实施例中，养护温度为20-30℃，养护湿度≥80％。
进一步的，养护温度为25℃。
所述相似材料在构建珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩三维物理模型中的应用。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，制成后包括密度、基本力 学参数、脆性等在内的性质与真实珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似，能够满足多种学科 研究需要，符合岩土工程三维物理模型试验技术的要求。
(2)本发明所提相似材料强度覆盖范围广，通过调整材料配比可实现1-5MPa的抗压强 度范围，满足不同海水深度、不同上覆土层条件下珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩的模拟要 求，使用范围较广。
(3)本发明所提相似材料的原料来源广、成本低，制作方法简单、养护周期短、易加工，满足岩土工程三维物理模型试验技术要求，具有广泛适用性。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有 指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理 解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发 明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图 包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其 指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
珊瑚礁灰岩相似材料的配方，如表1所示。
表1
组分 配方(按质量百分比计)
重晶石粉 32％
石英砂 12％
钙质砂 10％
高强石膏 7％
水泥 13％
水 26％
表1中选用的重晶石粉的粒径为600目，钙质砂粒径为30目，石英砂粒径为40目，水泥选用P.O 42.5水泥，高强石膏的粒径选用1600目。
制备方法，包括如下步骤：将称取的重晶石粉、石英砂、钙质砂、水泥和高强石膏混合并搅拌均匀，制成混合粉料；按比例称取水，并将混合粉料加入称好的水中，充分搅拌 并混合均匀；将混合好的材料倒入模具中，人工振实成型；待材料凝固后(约10min)对模型 进行脱模，在温度25℃、湿度≥80％的条件下养护7d，即得到相似材料。相似材料制备过 程中的凝结时间和养护时的抗压强度如表2所示。
表2
Figure BDA0002244629550000041
通过对相似材料检测，本实施例1得到的相似材料密度为1.631g/cm3，7d抗压强度为 1.5MPa，抗拉强度为0.367MPa，物理力学参数与珊瑚砂屑灰岩相似，满足相似材料实验要 求。
实施例2
珊瑚礁灰岩相似材料的配方，如表3所示。
表3
组分 配方(按质量百分比计)
重晶石粉 29％
石英砂 12％
钙质砂 10％
高强石膏 8％
水泥 15％
水 26％
表3中选用的重晶石粉的粒径为700目，钙质砂粒径为40目，石英砂粒径为50目，水泥选用P.O 42.5水泥，高强石膏的粒径为1600目。
制备方法，包括如下步骤：将称取的重晶石粉、石英砂、钙质砂、水泥和高强石膏混合并搅拌均匀，制成混合粉料；按比例称取水，并将混合粉料加入称好的水中，充分搅拌 并混合均匀；将混合好的材料倒入模具中，人工振实成型；待材料凝固后(约10min)对模型 进行脱模，在温度25℃、湿度≥80％的条件下养护7d，即得到相似材料。相似材料制备过 程中的凝结时间和养护时的抗压强度如表4所示。
表4
Figure BDA0002244629550000042
通过对相似材料进行检测，本实施例2得到的相似材料密度为1.682g/cm3，7d抗压强 度为2.7MPa，抗拉强度为0.203MPa，物理力学参数与珊瑚砾屑灰岩相似，满足相似材料实 验要求。
实施例3
珊瑚礁灰岩相似材料的配方，如表5所示。
表5
组分 配方(按质量百分比计)
重晶石粉 29％
石英砂 14％
钙质砂 10％
高强石膏 8.5％
水泥 14.5％
水 25％
表3中选用的重晶石粉的粒径为700目，钙质砂粒径为40目，石英砂粒径为50目，水泥选用P.O 42.5水泥，高强石膏的粒径为1600目。
制备方法，包括如下步骤：将称取的重晶石粉、石英砂、钙质砂、水泥和高强石膏混合并搅拌均匀，制成混合粉料；按比例称取水，并将混合粉料加入称好的水中，充分搅拌 并混合均匀；将混合好的材料倒入模具中，人工振实成型；待材料凝固后(约10min)对模型 进行脱模，在温度25℃、湿度≥80％的条件下养护7d，即得到相似材料。相似材料制备过 程中的凝结时间和养护时的抗压强度如表6所示。
表6
Figure BDA0002244629550000052
通过对相似材料进行检测，本实施例得到的相似材料密度为1.738g/cm3，7d抗压强度 为5MPa，抗拉强度为0.485MPa，物理力学参数与珊瑚砾屑灰岩相似，满足相似材料实验 要求。
对比例1
珊瑚礁灰岩相似材料的配方，如表7所示。
表7
组分 配方(按质量百分比计)
重晶石粉 30％
石英砂 20％
钙质砂 0％
高强石膏 8％
水泥 17％
水 25％
表3中选用的重晶石粉的粒径为700目，钙质砂粒径为40目，石英砂粒径为50目，水泥选用P.O 42.5水泥，高强石膏的粒径为800目。
制备方法与实施例3相同，相似材料制备过程中的凝结时间和养护时的抗压强度，如 表8所示。
表8
Figure BDA0002244629550000061
通过对相似材料进行检测，本实施例得到的相似材料密度为1.615g/cm3，7d抗压强度 为9.5MPa，抗拉强度为0.568MPa。该配比下相似材料的强度严重超出了真实珊瑚砾屑灰岩 和珊瑚砂屑灰岩的抗压强度值，说明了本发明中材料配比范围的重要性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人 员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，其特征在于：由以下重量份的组分组成：重晶石粉29-36份，石英砂10-16份，钙质砂8-12份，石膏3-8.5份，水泥6-15.5份，水25-28份。
2.根据权利要求1所述的珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，其特征在于：由以下重量份的组分组成：重晶石粉30-33份，石英砂12-13份，钙质砂10-12份，石膏4-7份，水泥8-12份，水25-28份。
3.根据权利要求1或2所述的珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，其特征在于：所述重晶石粉的粒径范围为500目-700目。
4.根据权利要求1或2所述的珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，其特征在于：石英砂粒径范围为30目-50目。
5.根据权利要求1或2所述的珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，其特征在于：钙质砂粒径范围是20目-60目。
6.根据权利要求1或2所述的珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，其特征在于：所述水泥为P.O 42.5水泥；石膏的粒径范围为1500目-1700目。
7.根据权利要求1或2所述的珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料，其特征在于：所述石膏为高强石膏粉。
8.权利要求1-7任一所述珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将石英砂、重晶石粉、钙质砂、水泥和高强石膏混合并搅拌均匀，制成混合粉料；
向混合粉料中加入水，搅拌，混合均匀；
将混合好的材料倒入模具中，振实摇匀成型；
材料凝固后对模型进行脱模，养护7-10d后，即得到相似材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：养护温度为20-30℃，养护湿度≥80％。
10.权利要求1-7任一所述珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料在构建珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩三维物理模型中的应用。
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