CN112028555A - 一种流固耦合相似材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流固耦合相似材料及其制备方法，所用原料包括骨料，胶结剂和调节剂，其特征在于，所述骨料为方解石、河沙和滑石粉，所述胶结剂为水泥、硅橡胶和甘油，所述调节剂为醋酸，还包括水。利用本发明的原料所制备的相似材料在扩展了渗透系数的同时，对其他特性也具有一定很好的调节作用。本发明的相似材料可模拟岩体更多，具有更广泛地质勘探应用价值。

Description

一种流固耦合相似材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及地质勘测领域，具体涉及地质工程中流固耦合相似材料及其制备方法。
背景技术
近年来，中国在各个领域都保持着快速发展水平，包括矿产资源开采，水利工程建设，地下轨道交通建设，隧道建设等。然而在各类建设中，经常会遇到各
种突水突泥，石体崩解等各种地质灾害，给人员生命安全和工程进度等都带来了不确定因素。因此，研究突水、突泥等灾害发生过程中各物理特性的相应规律，对于灾害预测、预警等都具有重要的现实意义。
基于流固耦合原理的相似材料可以在最大程度上模拟各类岩石或土质的力学性能和水理性。基于实验室的流固耦合相似模拟是研究以上问题非常有效的一种手段。然而一切的基础是研制合适的相似材料。不同的岩体相似材料的要求不同，例如，断层围岩体相似材料需要满足：高渗透性、高吸水性、高膨胀性、高孔隙率等；而承压含水层相似材料则需要满足：低渗透性、低膨胀性、低强度等。因此，有必要研制一种能够满足各种岩石的相似材料。
CN102557551A提供了一种用于模型试验的流固耦合相似材料，其骨料为标准砂、重晶石粉、滑石粉，其胶结剂为水泥、凡士林和硅油，解决了传统相似材料遇水软化崩解的问题，改善了力学性质与水理性难以单独调节的缺点。CN103604673A在CN102557551A的基础上进行了改进，加入了碳酸钙和氯化水泥，极大的增加了相似材料渗透系数的调节范围。然而该发明在改善渗透系数调节范围的同时，抗压强度和抗拉强度的调节范围并没有很大变化，而弹性模量的调节范围反而变窄，因此并不能满足相似材料多样化的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种在扩大相似材料渗透性的同时，也能够改善其他力学参数的调节范围。
一种流固耦合相似材料，包括骨料，胶结剂和调节剂，其特征在于，所述骨料为方解石、河沙和滑石粉，所述胶结剂为水泥、硅橡胶和甘油，所述调节剂为醋酸，还包括水。
所述河沙为9份，所述方解石为0.2-1.8份，所述滑石粉为0.6-1.0份，所述水泥为0.8-1.2份，所述硅橡胶为0.9-1.8份，所述甘油为0.6-1.0份，所述醋酸为0.2-1.8份。
所述河沙的粒径小于1mm，所述方解石的粒度大于800目，所述滑石粉的粒度大于1250目。
以上权利要求保护的相似材料的制备方法，其特征在于：
(1)选择直径为1mm的标准筛选择得到粒度合适的河沙
(2)用电子秤称量相应质量的河沙、方解石和滑石粉，加入水泥、水和甘油，混合后，搅拌均匀；
(3)加热硅橡胶至完全融化，加入步骤(2)所得产物，搅拌均匀；
(4)加入醋酸，再次搅拌；
(6)在室温下放置30分钟后放入模具中成型；
(7)在60℃烤箱烘烤1小时后脱模；
(8)室温下冷却10分钟即得到相似材料。
本发明选择河沙、方解石和滑石粉作为骨料，可以有效调节相似材料的密度和强度，水泥、硅橡胶和甘油作为胶结剂，对相似材料的渗透性，吸水性，弹性模量以及抗拉强度都有显著的影响。硅橡胶粘合剂的使用，主要对相似材料的抗拉强度进行调节，同时，也影响着相似材料的弹性模量。
方解石的主要成分是碳酸钙，一方面可以起到碳酸钙在相似材料中的作用，即调节材料密度等，同时，在加入醋酸时，醋酸与方解石反应，在相似材料中产生气泡，增加了相似材料的孔隙度，从而影响着其渗透性。渗透系数变化范围可达2.85×10-1～7.63×10-8，与现有技术相比，其调节范围扩大了近2个数量级。同时，由于方解石为三方晶系，醋酸为弱酸，两者反应过程相对柔和，对其渗透性的调节具有一定的缓冲作用不至于太剧烈而影响了相似材料整体水理性。由于硅橡胶粘合剂的使用，在孔隙度和渗透系数大范围可变的情况下，其弹性模量和抗拉强度也可以实现较大的变化。同时基于甘油的可塑性，也使得弹性模量和抗拉强度存在极大的扩展。即通过硅橡胶和甘油的使用量，相似材料的抗拉强度可调范围为0.023～2.6MPa，弹性模量变化量为16～180MPa。
基于此，本发明的相似材料可模拟岩体更多，应用范围更广。
附图说明
图1示出了醋酸和方解石用量比与相似材料渗透系数的对数的变化曲线图。
图2示出了硅橡胶的用量与相似材料的抗拉强度和弹性模量的变化曲线图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)选择直径为1mm的标准筛选择得到粒度合适的河沙；
(2)用电子秤称量相应质量份的材料，其中所述河沙9份，所述方解石为0.2-1.8份，所述滑石粉为0.6-1.0份，所述水泥为0.8-1.2份，所述甘油为0.6-1.0份，混合后，搅拌均匀；
(3)加热硅橡胶0.9-1.8份至完全融化，加入步骤(2)所得产物，搅拌均匀；
(4)加入醋酸0.2-1.8份，再次搅拌；
(6)在室温下放置30分钟后放入模具中成型；
(7)在60℃烤箱烘烤1小时后脱模；
(8)室温下冷却10分钟即得到相似材料。
实施例2
选取相应质量份的材料，包括其中所述河沙9份，所述滑石粉为0.8份，所述水泥为1份，所述甘油为0.8份，硅橡胶1.5份，方解石和醋酸的质量比为1:9～9:1，制作具有不同方解石和醋酸质量比的系列标准材料，采用实施例1的方法制备相似材料，然后采用现有技术的方法检测相似材料的渗透系数，得到质量比与渗透系数的对数(lnk)之间的曲线图，如图1，在质量比逐渐增大的情况下，相似材料的渗透系数先变大，后变小，在比值为1/2左右的时候达到峰值，而不是在1:1的情况下。同时，醋酸相对较多的情况下，其渗透系数相对较大，从而出现了在质量比小于1时的图像相对饱满，而在大于1时的图像相对扁平。实验者可以通过调节两者之间的质量比来调节相似材料的渗透性，在调节过程中要特别注意其特殊性。
实施例3
选取相应质量份的材料，包括其中所述河沙9份，所述方解石为1份，所述滑石粉为0.8份，所述水泥为1份，所述甘油为0.8份，硅橡胶0.9～1.8份，醋酸1份，制作具有不同硅橡胶含量的系列标准材料，采用实施例1中的方法制备相似材料，然后采用现有技术中的方法检测相似材料的抗拉强度和弹性模量，建立硅橡胶含量与抗拉强度和弹性模量之间的关系，如图2。在硅橡胶逐渐增加的过程中，相似材料的抗拉强度和弹性模量都具有一定程度的增长，其增长方式有所不同。抗拉强度在前期增长缓慢，而在硅橡胶增加到1.4重量份以后，则存在一个较快的增长。与之相反的是，弹性模量在前期增长较快，而在硅橡胶增加到1.6重量份以后，则存在一个平缓的增长过程。即在硅橡胶添加量较低时，作为弹性模量的调节剂，而不会对抗拉强度产生过大影响；同样的，在硅橡胶添加量较大时，作为抗拉强度的调节剂，而不会对弹性模量产生过大影响。因此，硅橡胶的适用使得本领域技术人员可以根据需求进行针对性的调整，而不会影响其他特性的变化。
上述实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，本领域技术人员应该明白，在本发明的基础上，本领域技术人员可以对本发明做出各种修改或改变，但仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种流固耦合相似材料，包括骨料，胶结剂和调节剂，其特征在于，所述骨料为方解石、河沙和滑石粉，所述胶结剂为水泥、硅橡胶和甘油，所述调节剂为醋酸，还包括水。
2.根据权利要求1所述的相似材料，所述河沙为9份，所述方解石为0.5-1.5份，所述滑石粉为0.6-1.0份，所述水泥为0.8-1.2份，所述硅橡胶为0.9-1.8份，所述甘油为0.6-1.0份，所述醋酸为0.5-1.5份。
3.根据权利要求1所述的相似材料，所述河沙的粒径小于1mm，所述方解石的粒度大于800目，所述滑石粉的粒度大于1250目。
4.权利要求1-3所述的相似材料的制备方法，其特征在于：
(1)选择直径为1mm的标准筛选择得到粒度合适的河沙
(2)用电子秤称量相应质量的河沙、方解石和滑石粉，加入水泥、水和甘油，混合后，搅拌均匀；
(3)加热硅橡胶至完全融化，加入步骤(2)所得产物，搅拌均匀；
(4)加入醋酸，再次搅拌；
(6)在室温下放置30分钟后放入模具中成型；
(7)在60℃烤箱烘烤1小时后脱模；
(8)室温下冷却10分钟即得到相似材料。
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