CN112113813A - 一种类石灰岩相似材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种类石灰岩相似材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于类岩石材料试件制备技术领域，本发明涉及一种类石灰岩相似材料及其制备方法和应用，包括骨料、胶结材料、添加剂；骨料包括标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂包括减水剂、硼酸、纯净水。成功的模拟了石灰岩的特征，实现了石灰岩材料的脆性和强度，同时提供了相对应的预测模型，本发明可在短时间内使材料达到预定强度、节约试验时间、成本低，制作效率高，具有广泛的实用性。

Description

一种类石灰岩相似材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于类岩石材料试件制备技术领域，具体涉及一种类石灰岩相似材料及其制备方法和应用。
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。
石灰岩是岩石工程中很常见的一种岩石，遍布全国，石灰岩在每个地质时代都有沉积，各个地质构造发展阶段都有分布。如果采用天然石灰岩岩样进行现场试验的话，不可控因素多，成本高、条件复杂以及采样的周期长等，且很多时候并不具备试验条件。模型试验通过把岩体的结构特征和赋存环境，以及岩体的工程作用力学模型统一到室内的模拟试验中，模拟岩体的变形、破坏过程和机理，具有可控性强、周期短、费用低等优点，可以有效的避免现场试验所面临的诸多问题。是一种研究裂隙节理岩性价比较高的方法。
采用相似材料模拟试验是研究岩石力学工程及科学问题的主要手段。发明专利CN201810865232.1公开了一种砂岩高强度高脆性相似材料及其制备方法，成功的模拟了新疆天山公路岩质边坡中砂岩的特征；发明专利CN201410820193.5一种基于软岩遇水软化特性的相似材料及其制备方法，物理力学参数可调节范围较大，适用于在软岩工程安全的模型试验中广泛使用；发明专利201910578171.5公开了一种粉砂质泥岩相似材料及其制备方法，与粉砂质泥岩相似度高，力学参数调整范围广，具有良好的塑形性和均匀性。
我国的岩土工程地质构造复杂，不同类别的岩体性能差异极大，因此需要制备出满足相似关系的模型材料来模拟不同类别的岩体，以了解工程建筑对岩体所产生的影响。发明人发现，上述相似材料制备方法仅适用于某一种岩体，针对石灰岩的相似材料的性能不能满足要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种类石灰岩相似材料及其制备方法和应用。通过类石灰岩相似材料制作类石灰岩试样。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种类石灰岩相似材料，包括骨料、胶结材料、添加剂；
骨料包括标准砂、石英粉、铁粉；
胶结材料包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏、硅粉；
添加剂包括减水剂、硼酸、纯净水。
基于原岩的物理力学性质以及细观特征，采用以骨料调控材料性质的方法，选用石英砂以提高材料的脆性；选用硅粉以提高材料的强度和密实度；选用铁粉来控制相似材料的密度；选用石膏和硫铝酸盐水泥来提高材料的凝结时间与控制材料的强度；选用硫铝酸盐水泥来提高普通硅酸盐的水化速度与保证材料强度的稳定性；选用硅灰来提高材料的密实度和硬脆性。选用硼酸来控制材料的凝结时间。
在本发明的一些实施方式中，类石灰岩相似材料的各组分的重量份组成为：硅酸盐水泥10-20份、硫铝酸盐水泥4-20份、石膏10-60份、硅粉1-10份、标准砂40-200份、石英粉18-200份、铁粉60-400份、纯净水13-50份、减水剂0.05-0.5份、硼酸0.05-0.5份。铁粉的含量、膏泥比(石膏与硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥总和的重量比)、砂粉比(标准砂与石英粉的重量比)、砂胶比(标准砂与普通硅酸盐水泥、石膏、硫酸盐水泥之和的重量比)、C/S(硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥之比)、硅灰占比(硅粉与占普通硅酸盐水泥的重量比)影响类石灰岩相似材料的抗拉强度和抗压强度、压拉比。
在本发明的一些实施方式中，标准砂的粒径为0.08-2mm，所述硅粉粒径为200-350目，所述石英粉的粒径为100-300目。优选的，标准砂的粒径为1-1.5mm，所述硅粉粒径为300-330目，所述石英粉的粒径为200-250目。在上述范围内得到的类石灰岩相似材料具有更好的相似性。
在本发明的一些实施方式中，硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的标号为425或525。
在本发明的一些实施方式中，减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
第二方面，上述类石灰岩相似材料的制备方法，所述方法为：将纯净水、减水剂、硼酸混合得到混合溶液a；
将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏、硅粉、标准砂、石英粉和铁粉混合得到混合粉料b；
将混合粉料b和混合溶液a混合，将混合后的物料浇筑在模具中，进行制模，脱模后进行养护得到类石灰岩相似材料。
在本发明的一些实施方式中，制模的方法为，物料浇筑到模具中后，先进行压密然后进行振捣，静置后进行脱模。优选的，静置的时间为12-24h；进一步优选的，静置时间为15h。
在本发明的一些实施方式中，养护的条件为：温度为20±2℃，相对湿度为95％以上，养护的时间为10-15天。
第三方面，上述类石灰岩相似材料在岩体模拟领域中的应用。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
类石灰岩相似材料与原岩主要的物理力学参数(密度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、单轴抗压强度、抗拉强度和泊松比等)满足相似理论，成功的模拟了石灰岩的特征，实现了石灰岩材料的脆性和强度，同时提供了相对应的预测模型，本发明可在短时间内使材料达到预定强度、节约试验时间、成本低，制作效率高，具有广泛的实用性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为膏泥比对压拉比影响；
图2为砂胶比对压拉比影响；
图3为砂粉比对压拉比影响；
图4为膏泥比对抗拉强度影响；
图5为砂胶比对抗拉强度影响；
图6为砂粉比对抗拉强度影响；
图7为膏泥比对抗压强度影响；
图8为砂胶比对抗压强度影响；
图9为砂粉比对抗压强度影响；
图10为试块的应力应变曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，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申请的示例性实施方式。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。下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥66.82g，硫铝酸盐水泥33.14g、石膏222.73g、硅粉5.57g、标准砂835.23g、石英粉417.61g、铁粉918.75g、纯净水250.01g、减水剂0.66g、硼酸0.64g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤如下：
A.称量纯净水、减水剂和硼酸混合并搅拌均匀，得到混合溶液a；
B.称量硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉、标准砂、石英粉和铁粉混合并搅拌均匀，得到混合粉料b；
C.将所述混合粉料b加入至所述混合溶液a中，经搅拌机充分搅拌。
D.充分搅拌后，慢速均匀的分三次浇筑至模具中，材料含水量小，材料需要先压密，采用夯实器逐层夯实，相邻层间用刀片打毛以确保不同层间有效结合，，后将所述模具放置振动平台固定并振捣1-3分钟，待材料外表面初凝后，进行抹面。
E.在室内干燥通风处静置15h脱模。
F.脱模后放在温度为(20±2)℃、相对湿度为95％以上的标准养护室中养护14天。
实施例2
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥186.98g，硫铝酸盐水泥93.49g、石膏164.98g、硅粉24.75g、标准砂692.93g、石英粉461.95g、铁粉965.15g、纯净水259.02g、减水剂0.94g、硼酸0.71g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
实施例3
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥58.80g，硫铝酸盐水泥39.20g、石膏290.37g、硅粉7.26g、标准砂762.22g、石英粉508.15g、铁粉816.67g、纯净水248.27g、减水剂0.79g、硼酸0.90g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
实施例4
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥99.43g，硫铝酸盐水泥39.37g、石膏185.61g、硅粉6.19g、标准砂742.42g、石英粉494.95g、铁粉965.15g、纯净水253.35g、减水剂0.66g、硼酸0.55g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
实施例1-实施例4的脱模养护后得到的类石灰岩相似材料的力学性能测试结果如表1所示：
表1力学试验结果
Figure BDA0002674268590000071
实施例5
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥63.80g，硫铝酸盐水泥65.08g、石膏127.60g、硅粉42.53g、标准砂714.58g、石英粉476.39g、铁粉918.75g、纯净水245g、减水剂0.68g、硼酸0.64g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
实施例6
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥40.71g，硫铝酸盐水泥40.71g、石膏191.59g、硅粉14.37g、标准砂775.95g、石英粉517.30g、铁粉869.35g、纯净水245g、减水剂0.57g、硼酸0.58g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
实施例7
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥54.44g，硫铝酸盐水泥54.44g、石膏241.98g、硅粉12.10g、标准砂907.41g、石英粉362.96g、铁粉816.67g、纯净水245g、减水剂0.73g、硼酸0.81g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
实施例8
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥50.11g，硫铝酸盐水泥33.41g、石膏222.73g、硅粉18.56g、标准砂801.82g、石英粉534.55g、铁粉816.67g、纯净水247.78g、减水剂0.65g、硼酸0.64g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
实施例9
一种石灰岩相似材料包括组成如下：
骨料：标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料：硅酸盐水泥、硫酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂：减水剂、硼酸、纯净水。
其中硅酸盐水泥110.19g，硫铝酸盐水泥44.07g、石膏290.37g、硅粉10.89g、标准砂952.78g、石英粉317.59g、铁粉816.67g、纯净水254.26g、减水剂0.91g、硼酸0.91g。标准砂的粒径1.25mm，所述硅粉粒径为325目，所述石英粉的粒径为240目。
本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤与实施例1相同。
对实施例1-实施例9进行抗压强度和抗拉强度的测试，压拉比为抗压强度和抗拉强度的比值。
实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的石灰岩相似材料的压拉比为如图1所示，抗拉强度如图4所示，抗压强度如图7所示。通过图1、图4和图7可以看到，其中砂胶比对压拉比的影响较大。
实施例2、实施例3、实施例5、实施例6得到的石灰岩相似材料的压拉比为如图2所示，抗拉强度如图5所示，抗压强度如图8所示。通过图2、图5和图8可以看到，其中膏泥比和砂胶比都对抗拉强度的影响较大。
实施例7、实施例1、实施例8、实施例9得到的石灰岩相似材料的压拉比为如图3所示，抗拉强度如图6所示，抗压强度如图9所示。通过图3、图6和图9可以看到，其中膏泥比和砂胶比都对抗压强度的影响较大。
砂粉比对抗压强度、抗拉强度和压拉比都具有一定的影响。
基于原岩的物理力学性质以及细观特征，采用以骨料调控材料性质的方法，选用石英砂以提高材料的脆性；选用硅粉以提高材料的强度和密实度；选用铁粉来控制相似材料的密度；选用石膏和硫铝酸盐水泥来提高材料的凝结时间与控制材料的强度；选用硫铝酸盐水泥来提高普通硅酸盐的水化速度与保证材料强度的稳定性；选用硅灰来提高材料的密实度和硬脆性。选用硼酸来控制材料的凝结时间。相似材料与原岩主要的物理力学参数(密度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、单轴抗压强度、抗拉强度和泊松比等)满足相似理论，成功的模拟了石灰岩的特征，实现了石灰岩材料的脆性和强度，同时通过回归分析，提供了相对应的预测模型。
预测模型如下：其中抗压强度为Q,抗拉强度为S，膏泥比为A,铁粉含量为B，普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐之比为C,砂胶比为D,砂粉比为E,硅灰占比为F。
Q＝-2.912A-21.991B+1.126C-0.805D-0.199E+0.166F+23.093
S＝-0.226A-1.13B+0.121C+0.022D-0.146E-0.009F+2.373
实施例10
利用预测模型，制作石灰岩试块。
设定相似材料的抗压强度为2.5MPa，抗拉强度0.16MPa，压拉比为15，为了保证试件足够的脆性，将砂胶比确定为4，硅灰占比为20％，砂粉比为3，为了保证相似材料的密度，采用铁粉占比取60％，膏泥比为4.3，普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥之比为2。而通过后续试验得到，膏泥比为4.3时，试件的压力比较低，主要是石膏较多造成的，为了保证材料的足够的脆性，将部分石膏用石灰替代，最终形成如表2参数的试块。并且，试块的(应力应变)曲线如图10所示。
表2试块参数
Figure BDA0002674268590000101
通过表2可以看到，制备得到的试块和设定相似材料的抗压强度、抗拉强度等参数较为接近。
通过图10可以看到试块应力应变曲线。
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)

1.一种类石灰岩相似材料，其特征在于：包括骨料、胶结材料、添加剂；
骨料包括标准砂、石英粉、铁粉；
胶结材料包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏、硅粉；
添加剂包括减水剂、硼酸、纯净水。
2.如权利要求1所述的类石灰岩相似材料，其特征在于：类石灰岩相似材料的各组分的重量份组成为：硅酸盐水泥10-20份、硫铝酸盐水泥4-20份、石膏10-60份、硅粉1-10份、标准砂40-200份、石英粉18-200份、铁粉60-400份、纯净水13-50份、减水剂0.05-0.5份、硼酸0.05-0.5份。
3.如权利要求1所述的类石灰岩相似材料，其特征在于：标准砂的粒径为0.08-2mm，所述硅粉粒径为200-350目，所述石英粉的粒径为100-300目。
4.如权利要求1所述的类石灰岩相似材料，其特征在于：硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的标号为425或525。
5.如权利要求1所述的类石灰岩相似材料，其特征在于：减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
6.如权利要求1-5任一所述的类石灰岩相似材料的制备方法，其特征在于：所述方法为：将纯净水、减水剂、硼酸混合得到混合溶液a；
将硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏、硅粉、标准砂、石英粉和铁粉混合得到混合粉料b；
将混合粉料b和混合溶液a混合，将混合后的物料浇筑在模具中，进行制模，脱模后进行养护得到类石灰岩相似材料。
7.如权利要求6所述的类石灰岩相似材料的制备方法，其特征在于：制模的方法为，物料浇筑到模具中后，先进行压密然后进行振捣，静置后进行脱模。
8.如权利要求6所述的类石灰岩相似材料的制备方法，其特征在于：静置的时间为12-24h。
9.如权利要求6所述的类石灰岩相似材料的制备方法，其特征在于：养护的条件为：温度为20±2℃，相对湿度为95％以上，养护的时间为10-15天。
10.权利要求1-5任一所述的类石灰岩相似材料在岩体模拟领域中的应用。
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