CN110987557B - 基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，采用聚羟基脂肪酸酯制作裂隙预制片和固定该裂隙预制片的细线，在碱性的类岩体材料和高湿度的氧化条件下，裂隙预制片和聚羟基脂肪酸酯线在类岩体试样的养护过程中降解为二氧化碳和水，降解产物可通过凝固成型的试样本身的气孔(孔隙)逸出，降解产物气体的微量排放不会损伤裂隙和类岩体试样，因此在类岩体试样制作过程中不用取出，也不会残留，不但简化了制作流程，同时避免取出预制片的操作损伤预制裂隙，解决了现有技术无法制作内置型张开裂隙的不足，可在不影响类岩体力学性能的基础上更准确地模拟真实工程岩体中的内置型张开裂隙，减少试验误差。

Description

基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法

技术领域

本发明属于岩石力学领域，涉及一种基于聚羟基脂肪酸酯(PHA)制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法。

背景技术

地下工程岩体是一种经历了漫长的成岩运动及地质构造作用的非连续介质体，由于构造应力场的作用，其内部存在着由多晶体滑动面、节理、软弱夹层等组成的复杂结构面，自然原岩的强度、变形特性与内部存在的结构面排布有着紧密的关系。宏观层次上，地质构造作用使岩体内形成岩质不同、方向各异的复杂结构面；微观层次上，岩石内部存在的矿粒以及粘结部分在各种外在荷载的影响下，可能出现不同程度的弱化或断裂，这些使岩石表现出来非常复杂的力学特性。当受到外部荷载作用时，裂隙端部应力高度集中，裂隙起裂，扩展与贯通会降低工程岩体强度，直接影响工程设计、施工与运营。开展裂隙岩体的力学特性与变形破坏机理研究，不仅是岩石工程灾害防治中的关键科学问题，也是我国地下工程建设与运行安全的迫切需求，对于优化岩体工程支护参数、安全施工及工程稳定性评价，具有重要的理论价值和工程意义，同时也能为大型地下工程建设和运营安全提供保障。

目前，国内外学者针对裂隙岩体试样的力学特性和变形破坏机理进行了大量研究。由于地下工程岩体内部裂隙的分布具有随机不均匀性，国内外学者多以类岩体相似材料预制裂隙开展物理模型试验，通过室内模拟试验把岩体的结构特征和赋存环境统一到模拟试验中去，以期正确认识裂隙岩体的损伤演化和变形破坏机理。针对裂隙类岩体试样的制作，现有技术主要分为贯通型裂隙的制作和非贯通型内置裂隙的制作。一般采用钢片等刚度较大的材料预制张开型贯通型裂隙，使用钢片预制裂隙的操作繁琐，并且在取出钢片时容易损伤预制裂隙尖端，造成试验结果的误差偏大。对于非贯通型内置裂隙，主要采用云母片等作为填充裂隙，得到的是填充型的内置裂隙，目前还没有相关方法制作张开型的内置裂隙。

CN104327472A公开了一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，以云母片作为裂隙预制片，在模具侧面上钻取小孔，通过细线将云母片固定在模具内，然后倒入不饱和聚酯树脂、过氧化甲乙酮与环烷酸钴的混合液并静置至混合液转变为凝胶状态，然后加入石英砂，固化成型后，进行70～90℃烘干-零下60℃冷冻循环3～4次，最后在零下50℃冷冻12h，即得。该方法需要对固化成型的试件进行反复的烘干、冷冻，操作繁琐，能耗和成本非常高，在零下50℃到零下60℃的低温环境、以及高温低温交替环境会对试样的力学性能造成影响，固定云母片的细线也会残留在类岩体试样中，这也可能对试样的力学性能造成影响，并且，使用云母片预制裂隙，得到的仍然是填充型的非贯通内置裂隙，无法对张开型的非贯通内置裂隙进行制作。该方法难以准确地模拟真实工程岩体中的内置型张开裂隙，不利于在研究中准确认识节理岩体的损伤演化和变形破坏机理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，以解决现有技术无法制作含有内置型张开裂隙的类岩体试样，制作过程会对类岩体试样的力学性能造成影响的问题，在不影响类岩体力学性能的基础上更准确地模拟真实工程岩体中的内置型张开裂隙。

聚羟基脂肪酸酯是由很多细菌合成的一种胞内聚酯，它具有类似于合成塑料的物化特性及合成塑料所不具备的生物可降解性、生物兼容性、光学活性、压电性、气体相隔性等许多优秀性能。目前聚羟基脂肪酸酯主要应用于医药领域，因其良好的生物降解性和生物兼容性在药物缓释体系中有着重要的应用价值。聚羟基脂肪酸酯在本发明所属领域未见应用，而本发明利用聚羟基脂肪酸酯在碱性的类岩体浆料中的可降解性，简单方便、快速高效地制备出内置张开型裂隙试样。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，包括以下步骤：

(1)根据需制作的类岩体裂隙试样的尺寸要求，制作模具；根据所需制作的裂隙的尺寸要求，采用聚羟基脂肪酸酯制作裂隙预制片；

(2)根据所需制作的裂隙在类岩体裂隙试样中的位置，用聚羟基脂肪酸酯线将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间；

(3)向模具中加入碱性的类岩体浆料，类岩体浆料应覆盖住裂隙预制片，振捣、抹平，同时避免模具中产生气泡，然后静置至类岩体浆料凝固成型；

(4)将成型的试样从模具中取出并置于标准养护条件下进行养护，在养护过程中，裂隙预制片和聚羟基脂肪酸酯线降解为二氧化碳和水并从凝固成型的试样中逸出形成内置张开型裂隙；

(5)对步骤(4)所得试样的表面进行打磨，即得类岩体内置张开型裂隙试样。

上述技术方案中，所述类岩体浆料由包括水泥和水在内的类岩体浆料组分配制而成，类岩体浆料的碱性由水泥提供。

进一步地，上述技术方案中，在选用了水泥和水的基础上，其他具体类岩体浆料组分的选择，以及各类岩体浆料组分的配比，可根据实际应用需求参照现有技术进行确定。类岩体浆料组分的选用通常应满足以下几点要求：力学性质比较稳定，能够避免外界环境的影响；选择与岩石脆性相接近的材料；具有较好的凝固性，便于试件的加工成型及裂纹制作；凝固前具有较好的和易性，便于施工和修补；材料来源广，成本低廉，对人体无毒无害。

例如，为保证类岩体试样的强度，可在水泥和水的基础上采用硅粉。又例如，为了研究裂纹扩展情况，若骨料颗粒太大，会对裂纹扩展轨迹造成影响，若骨料颗粒太小，类岩土试样的摩擦角不能达到要求，为了尽可能降低骨料颗粒对裂纹扩展的误差，同时实现对类岩土试样内部摩擦角与弹性模量进行调控，可选用粒径为0.5～1mm的标准砂作为骨料。再例如，类岩体浆料需要具有一定的流动性，但含水率太高会影响类岩体试样的强度，因此可使用减水剂(例如萘系减水剂等)在保证类岩体试样强度的基础上增强类岩体浆料的流动性。一种可行的类岩体浆料由硅粉、水泥、砂、减水剂和水配制而成，硅粉、水泥、砂、减水剂以及水的质量比为0.15:1:1.2:0.015:0.35，所述减水剂为萘系减水剂，所述砂为粒径0.5mm～1mm的标准砂。

上述技术方案中，聚羟基脂肪酸酯线在满足固定裂隙预制片所需要的强度的前提下，越细越好，以免在类岩体内置张开型裂隙试样中留下较大的孔洞，优选地，聚羟基脂肪酸酯线的直径不超过500μm，该尺寸的聚羟基脂肪酸酯线降解后在类岩体内置张开型裂隙试样中留下的孔隙非常小，接近与类岩体内置张开型裂隙试样中气孔的尺寸，对类岩体内置张开型裂隙试样的力学性能的影响基本可以忽略。

上述技术方案中，裂隙预制片的两端设有固定孔，模具的侧板上设有固定孔，聚羟基脂肪酸酯线穿过裂隙预制片上的固定孔和模具侧板上的固定孔将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间。进一步地，最好是将聚羟基脂肪酸酯线穿过裂隙预制片上的固定孔和模具侧板上的固定孔后、张紧并通过将聚羟基脂肪酸酯线打结或通过胶布粘贴的方式将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间。

进一步地，上述技术方案中，用聚羟基脂肪酸酯线将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间之后，最好是将模具的侧板上的固定孔用胶布密封，以防止类岩体浆料从模具侧板上的固定孔泄漏。

进一步地，上述技术方案中，裂隙预制片上的固定孔、模具侧板上的固定孔的尺寸不宜过大，越小越好，裂隙预制片上的固定孔、模具侧板上的固定孔的直径最好不要超过1mm，裂隙预制片上的固定孔、模具侧板上的固定孔的尺寸最好与聚羟基脂肪酸酯线的直径匹配。

进一步地，裂隙预制片的形状、尺寸、厚度根据实际应用需求进行确定，裂隙预制片由聚羟基脂肪酸酯制作，聚羟基脂肪酸酯的力学性质稳定，可以根据需求便捷切割制作不同厚度、不同构型的裂隙预制片。

进一步地，上述技术方案中，对于单个裂隙预制片，最好通过4根聚羟基脂肪酸酯线悬空固定在模具内部空间中，4根聚羟基脂肪酸酯线的一端两两对称地拴住裂隙预制片，另一端固定在模具的侧壁上。

进一步地，上述技术方案中，裂隙预制片根据所需制作的裂隙在类岩体裂隙试样中的位置、尺寸及数量要求制作多片，并通过聚羟基脂肪酸酯线分别悬空固定在模具内部空间，以便于研究不同角度的裂隙对类岩体裂隙试样的性能的影响。

上述技术方案中，所述标准养护条件是指温度为20℃、相对湿度为95％，养护时间为28天。该养护条件能够保证类岩体试样具有最优的力学特性，同时为聚羟基脂肪酸酯的降解提供碱性和湿润的环境，在不影响裂隙形成的同时加快聚羟基脂肪酸酯的降解速度。

进一步地，上述技术方案中，所述模具为板材制作的可拆卸的槽体结构，常用的板材包括聚氯乙烯(PVC)板材、有机玻璃板材等，方便切割和打固定孔。

进一步地，上述技术方案中，为了有效减少和避免步骤(3)在向模具中加入类岩体浆料的过程中产生气泡，最好是将类岩体浆料沿着模具的侧板加入模具中。

与现有技术相比，本发明提供的技术方法产生了以下有益的技术效果：

1.本发明的方法采用聚羟基脂肪酸酯制作裂隙预制片和固定该裂隙预制片的细线，在碱性的类岩体材料和高湿度的氧化条件下，裂隙预制片和聚羟基脂肪酸酯线在类岩体试样的养护过程中降解为二氧化碳和水，降解产物可通过凝固成型的试样本身的气孔(孔隙)逸出，降解产物气体的微量排放不会损伤裂隙和类岩体试样，因此在类岩体试样制作过程中不用取出，也不会残留，不但简化了制作流程，同时避免取出预制片的操作损伤预制裂隙，也能避免低温冷冻和预制裂隙材料残留对类岩体试样的力学性能造成不利影响，解决了现有技术无法制作内置型张开裂隙的不足，可在不影响类岩体力学性能的基础上更准确地模拟真实工程岩体中的内置型张开裂隙，减少试验误差，有利于在研究中准确认识节理岩体的损伤演化和变形破坏机理。

2.本发明的方法采用在碱性条件下可降解的聚羟基脂肪酸酯线对裂隙预制片进行位置的固定，实现对类岩体试样裂隙位置的控制和调节，可制备出所需裂隙位置的类岩体试验，满足试验研究的不同需要。

3.本发明的方法以水泥为基础制备类岩体浆料，类岩体浆料整体呈现强碱性，聚羟基脂肪酸酯在碱性环境中代谢周期大大缩短，可在类岩体养护时间内代谢消失，形成内置张开型裂隙。

4.本发明的方法采用的裂隙预制片的材质为聚羟基脂肪酸酯，聚羟基脂肪酸酯不仅可降解，而且力学性质稳定，可以根据需求便捷切割制作不同厚度、不同构型的裂隙预制片，可采用多组裂隙预制片配合聚羟基脂肪酸酯线实现不同参数的内置张开型裂隙的制作。

5.本发明提供的方法在对凝固成型的试样完成养护后进行打磨，即得到具有内置张开型裂隙的类岩体试样，无需在养护后进行额外的冷冻或加热操作，具有操作简单、能耗低的特点，有利于降低生产成本。

附图说明

图1是实施例1制作类岩体内置张开型单裂隙试样的示意图；

图2是实施例2制作类岩体内置张开型双裂隙试样的示意图；

图中，1—模具、2—裂隙预制片、3—聚羟基脂肪酸酯线、4—固定孔。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明提供的基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明保护的范围。

实施例1制作类岩体内置张开型单裂隙试样

本实施例基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型单裂隙试样，方法如下：

(1)根据需制作的类岩体裂隙试样的尺寸要求，采用PVC板材制作模具，所述模具为由底板和四周侧板构成的长方体槽体，在模具长度方向的两侧板上对称开直径1mm的4个通孔，作为固定裂隙预制片的固定孔；

(2)采用聚羟基脂肪酸酯薄片制作裂隙预制片，将聚羟基脂肪酸酯薄片切割成所需形状和大小；采用聚羟基脂肪酸酯材料制作4根直径500μm的用于固定裂隙预制片的细线；

(3)根据所需制作的裂隙在类岩体试样中的位置，用聚羟基脂肪酸酯线将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间，具体操作如下：

将裂隙预制片用刚度足够大的尖锐物体，比如针，在两侧边缘制作两两对称的4个固定孔，4根聚羟基脂肪酸酯线的一端两两对称地拴住裂隙预制片，另一端穿过模具侧板上预留的固定孔，张紧聚羟基脂肪酸酯线，然后用胶布将穿出固定孔的的线粘贴在模具外壁上，使裂隙预制片悬空固定在模具内空间。然后将模具的侧板上的固定孔用胶布密封，以防止类岩体浆料从模具侧板上的固定孔泄漏。

(4)按照质量配比硅粉：水泥：标准砂：减水剂：水＝0.15:1:1.2:0.015:0.35称取各类类岩体组分材料，混合搅拌均匀，得到类岩体浆料，其中砂为粒径0.5mm～1mm的标准砂，减水剂为萘系减水剂。为了有效减少和避免产生气泡，将搅拌均匀的类岩体浆料缓慢沿模具周边倒入模具中，类岩体浆料应覆盖住裂隙预制片，随后轻微振捣、抹平，同时应避免模具中的类岩体浆料中产生气泡，然后静置至类岩体浆料凝固成型；

(5)依次拆掉模具各板材，将成型的类岩体试样取出，放入标准养护室，在20℃，相对湿度95％条件下养护28天。在养护过程中，裂隙预制片和聚羟基脂肪酸酯线降解为二氧化碳和水并从凝固成型的试样气孔中逸出形成内置张开型裂隙。该养护条件使类岩体试样具有最优力学特性，同时为聚羟基脂肪酸酯的代谢提供了碱性和湿润的环境，在不影响预制裂隙形成的同时加快代谢速度，缩短制作实验的时间。

(6)养护结束后取出类岩体试样，晾干，打磨试样表面，得到具有确定位置、确定形状和大小的内置张开型裂隙的类岩体试样。

实施例2制作类岩体内置张开型相同双裂隙试样

本实施例为基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型双裂隙试样，两个裂隙的形状、尺寸、角度相同，制作方法与实施例1的不同之处在于：

在步骤(1)～步骤(3)按照相同方法制作两片形状、尺寸裂隙预制片，8根聚羟基脂肪酸酯线，对应在模具侧板上开设8个固定孔，每4个固定孔对应固定一片裂隙预制片(固定方法与实施例1相同)。开孔位置使得两个预制片悬空固定后的倾斜角度相同。也即，以实施例1的裂隙预制片和聚羟基脂肪酸酯线为一组，重复再制作完全相同的一组。

其余步骤和操作与实施例1相同，得到具有两个确定位置、确定形状和大小的相同内置张开型裂隙的类岩体试样。

实施例3制作类岩体内置张开型不同双裂隙试样

本实施例为基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型双裂隙试样，两个裂隙的形状、尺寸、角度不相同，制作方法与实施例1的不同之处在于：

在步骤(1)～步骤(3)采用聚羟基脂肪酸酯薄片制作两片形状、尺寸不同的裂隙预制片，8根聚羟基脂肪酸酯线，对应在模具侧板上开设两两对称的8个固定孔，每4个固定孔对应固定一片裂隙预制片(固定方法与实施例1相同)。开孔的位置根据所需要的裂隙倾斜角度确定，从而使聚羟基脂肪酸酯穿过侧板上的固定孔后将两个预制片以不同的倾斜角度悬空固定在模具的内部空间(固定方法与实施例1相同)。

其余步骤和操作与实施例1相同，得到具有两个确定位置、确定形状和大小，且不同形状、尺寸和角度的内置张开型裂隙的类岩体试样，以便于研究不同角度的裂隙对类岩体裂隙试样的性能的影响。

Claims (7)

1.基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据需制作的类岩体裂隙试样的尺寸要求，制作模具；根据所需制作的裂隙的尺寸要求，采用聚羟基脂肪酸酯制作裂隙预制片；

（2）根据所需制作的裂隙在类岩体裂隙试样中的位置，用聚羟基脂肪酸酯线将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间；所述聚羟基脂肪酸酯线的直径不超过500 μm；

（3）向模具中加入碱性的类岩体浆料，类岩体浆料应覆盖住裂隙预制片，振捣、抹平，同时避免模具中产生气泡，然后静置至类岩体浆料凝固成型；所述类岩体浆料由包括水泥和水在内的类岩体浆料组分配制而成，类岩体浆料的碱性由水泥提供；

（4）将成型的试样从模具中取出并置于标准养护条件下进行养护，在养护过程中，裂隙预制片和聚羟基脂肪酸酯线降解为二氧化碳和水并从凝固成型的试样中逸出形成内置张开型裂隙；所述标准养护条件是指温度为20 ℃、相对湿度为95%，养护时间为28天；

（5）对步骤（4）所得试样的表面进行打磨，即得类岩体内置张开型裂隙试样。

2.根据权利要求1所述基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，其特征在于，裂隙预制片的两端设有固定孔，模具的侧板上设有固定孔，聚羟基脂肪酸酯线穿过裂隙预制片上的固定孔和模具侧板上的固定孔将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间。

3.根据权利要求2所述基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，其特征在于，用聚羟基脂肪酸酯线将裂隙预制片悬空固定在模具内部空间之后，将模具的侧板上的固定孔用胶布密封，以防止类岩体浆料从模具侧板上的固定孔泄漏。

4.根据权利要求2所述基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，其特征在于，裂隙预制片上的固定孔、模具侧板上的固定孔的尺寸与聚羟基脂肪酸酯线的直径匹配。

5.根据权利要求1所述基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，其特征在于，裂隙预制片根据所需制作的裂隙在类岩体裂隙试样中的位置、尺寸及数量要求制作多片，并通过聚羟基脂肪酸酯线分别悬空固定在模具内部空间。

6.根据权利要求1所述基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，其特征在于，所述模具为板材制作的可拆卸的槽体结构。

7.根据权利要求1所述基于聚羟基脂肪酸酯制作类岩体内置张开型裂隙试样的方法，其特征在于，将类岩体浆料沿着模具的侧板加入模具中。

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