CN114956754B - 一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模型制作技术领域，尤其涉及一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料及制备方法。所述材料包括以下重量份配比的组分：石膏40‑60份；浮石30‑50份；硅藻土1.5份；标准砂4‑10份；石膏缓凝剂0‑0.08份；水14‑21份。本发明通过以石膏作为胶结物质，选用浮石作为粗骨料，硅藻土和标准砂为细骨料，经过大量的试验配比，得出的衬砌相似材料具有质轻、力学参数可调整、具有良好的均匀性以及流动性的特点，解决了石膏作为胶凝材料相似材料凝结时间较短的问题，适用于大比尺模型的试验，采用的原料种类少、价格低、来源广。

Description

一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料及制备方法
技术领域
本发明涉及模型制作技术领域，尤其涉及一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料及制备方法。
背景技术
物理模型试验以满足相似定理，材料真实、空间关系准确等特点，在很多研究中被加以运用。试验能直观的反映出结构的整体力学特性、破坏规律和特点。在满足相似理论的基础上，按一定比尺制作与原型衬砌相似的物理模型，在不同加载情况下可以获得衬砌内力、弯矩、洞周位移等参数。为了使试验模型与原型结构的物理力学性能相似，模型试验中应采用满足一定相似条件的相似材料来制作模型，其中最重要的一环就是模型相似材料的选取以及配比。在实际的试验研究中可根据研究目的的不同，对相似参数加以取舍。
目前我国正在建设和即将新建的隧道工程众多，需要研究不同围岩情况以及不同受力情况下衬砌的力学特性，进行大比尺模型试验有助于为施工以及工程质量提供安全有效的指导方案以及后期隧道运营提供技术支撑。以往研制的衬砌相似材料多采用水泥和石膏为胶凝材料，石英砂、重晶石粉、硅藻土等材料来改变容重、弹性模量、抗压强度等物理力学参数。石膏由于其成型后的脆性与混凝土相似且养护时间短常被用于混凝土结构模型试验相似材料的配置。但石膏作为胶凝材料凝结时间过快，而且一些以石膏为胶凝材料的相似材料的配比通常没有工作性能相关的试验，通常在实际试验时会因和易性不佳致使模型不密实产生空洞或者流动度太大出现流浆现象。在进行大比尺隧道衬砌模型浇筑时，因为模型尺寸较大，通常采用分段浇筑的方法，此时就要针对凝结时间进行控制，防止两次浇筑的界面因凝结时间过短产生不均质的界面。针对隧道大比尺衬砌模型试验相似材料开发周期长、工作性能不稳定、容重大等问题，需要制备一种质轻、力学参数稳定、以及针对工作性能做出优化的相似材料。
北京交通大学的闵博在研究隧道衬砌开裂特征时，模型试验衬砌相似材料选用石膏和水的比例为1.1：1的混合物来模拟衬砌混凝土。该配合比所得相似材料弹性模量为0.723Mpa、抗压强度为0.503MPa，相似材料原材料只由水和石膏组成，成型后的衬砌结构易受环境影响，内部水分蒸发以及吸水都会引起力学参数产生极大变化，稳定性较差。且由于原料种类较少，力学参数的调整只能通过改变水胶比进行，在满足力学参数相似的同时，不能兼顾大比尺模型的施工要求。在大比尺衬砌模型浇筑中很容易因水胶比不恰当出现流浆或者流动性较差施工困难现象，使实际衬砌模型力学参数发生改变。甘星球在研究山岭隧道错动及地震响应时，衬砌模型相似材料配比为石英砂：重晶石粉：水泥：石膏：水=590：10：90：60：150。该衬砌相似材料原材料选用了大量的石英砂和重晶石粉，相似材料弹性模量为0.2Mpa，该类材料自身密度很大，导致相似材料容重过大，不易进行大比例尺模型的吊装于浇筑。罗乐在研究隧道衬砌振动台试验时，隧道衬砌相似材料配比为水：石膏：重晶石粉：水泥=12：10：15：4。测试其物理力学指标，弹性模量为416Mpa、抗压强度2.46Mpa、密度1.964g/cm3。弹性模量、密度均不满足大比例尺模型试验相似条件要求。
之前的隧道衬砌相似材料配比的研究中，所采用模型大多为小比尺衬砌模型，鲜有大比尺模型试验，模型物理力学指标均较低，不能满足大型衬砌模型试验相似条件要求，需要对大比尺隧道衬砌相似材料进行研究。在进行大比尺隧道衬砌模型试验时，相似材料的流动性以及凝剂时间要求相较于小比尺模型浇筑变得更加突出，需要对其进行针对性优化，以此满足大比尺模型分段浇筑以及模型内部均匀的要求。尤其石膏作为主要胶凝材料时，相似材料的凝结时间主要由石膏控制，需要对凝结时间进行优化。此外，以往的相似材料均有较高的容重，不适合进行大型模型试验。
为解决上述问题，本发明提供一种大比尺隧道衬砌相似材料以及制备方法。本发明专利选用浮石作为粗骨料，很大程度上降低了相似材料容重，在质量相似条件不作为主要研究目的时，大大降低了试验模型浇筑及吊装难度，降低了试验难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料及制备方法，用于解决技术背景中提到的技术问题：开发周期长、工作性能不稳定、容重大。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料，所述材料包括以下重量份配比的组分：
石膏40-60份；浮石30-50份；硅藻土1.5份；标准砂4-10份；石膏缓凝剂0-0.08份；水14-21份。
进一步优选的，所述石膏为高强模型石膏。
进一步优选的，所述浮石的粒径范围为2～6mm。
进一步优选的，所述石膏缓凝剂为硼砂。
进一步优选的，所述硅藻土为密度0.47g/cm3的硅藻土粉末。
一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料的制备方法，包括以下步骤：
按照重量份配比称取石膏、硅藻土、标准砂、浮石；
将石膏、硅藻土、标准砂混合并搅拌均匀得到混合料a；
称取自来水、石膏缓凝剂混合并搅拌均匀得到混合溶液b；
在搅拌桶中先倒入1/4的浮石，再倒入1/2所述混合料a，加入1/2所述混合溶液b充分搅拌；搅拌均匀后依次加入剩余浮石、混合料a和混合溶液b再次搅拌均匀；
将得到拌合物慢速均匀浇筑至混凝土标准模具中，随后放置在混凝土振动台上振动1分钟；
放置在干燥通风处，等其具达到预定强度后脱模，在自然条件下养护7-14天获得成品。
本发明至少具备以下有益效果：
本发明以石膏作为胶结物质，选用浮石作为粗骨料，硅藻土和标准砂为细骨料，经过大量的试验配比，得出的衬砌相似材料具有质轻、力学参数可调整、具有良好的均匀性以及流动性的特点，解决了石膏作为胶凝材料相似材料凝结时间较短的问题，适用于大比尺模型的试验，采用的原料种类少、价格低、来源广。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合各实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所要提供一种用于大比例尺隧道衬砌模型试验相似材料。
包括：
骨料：浮石、标准砂、硅藻土
胶凝材料：石膏
添加剂：石膏缓凝剂和自来水
具体的，各组分以质量份计：
石膏40-60份；浮石30-50份；硅藻土1.5份；标准砂4-10份；石膏缓凝剂0-0.08份；水14-21份。
具体包括以下实施例：
实例1：
各组分的配比以质量份计：
石膏：浮石：标准砂：水：硅藻土=1：0.6：0.1：0.35：0.027
实例2：
各组分的配比以质量份计：
石膏：浮石：标准砂：水：硅藻土=1：0.7：0.05：0.35：0.027
实例3：
各组分的配比以质量份计：
石膏：浮石：标准砂：水：硅藻土=1：0.82：0.05：0.4：0.027
具体的，在制备相似材料试件时石膏缓凝剂掺量为0.164（g/千克石膏），在进行大比尺模型浇筑时根据相似材料终凝时间见表3选取。
上述各个实施例中，所使用的石膏为高强模型石膏；所使用的浮石粒径范围为2～6mm；所使用的石膏缓凝剂具体为硼砂；所使用硅藻土为密度0.47g/cm3的粉末。
本发明还用于公开一种大比尺隧道衬砌相似材料的制备方法：
称取石膏、硅藻土、标准砂、浮石。将石膏、硅藻土、标准砂混合并搅拌均匀得到混合料a。
称取自来水，石膏缓凝剂混合并搅拌均匀得到混合溶液b。
在搅拌桶中先倒入1/4的浮石，再倒入一半上述混合料a，加入1/2混合溶液b充分搅拌，搅拌均匀后依次加入剩余浮石、混合料a和混合溶液b再次搅拌均匀，其拌合方法优势在于：得到的拌合物较为均匀，轻骨料浮石不易上浮，凝结时间较短的石膏不易在桶底和桶壁粘结。将得到拌合物慢速均匀浇筑至混凝土标准模具中，随后放置在混凝土振动台上振动1分钟，之后放置在干燥通风处等其具有一定强度后脱模，在自然条件下养护7- 14天获得成品。
效果分析：
相似材料弹性模量测试试验用试件尺寸为150×150×300mm，按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中混凝土弹性模量试验方法进行，混凝土的变形用螺旋千分尺测定，精度1um，试验结果见表1。
相似材料的工作性能按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB-T 50080-2016中混凝土坍落度的试验方法进行，按照《混凝土结构工程施工规范》GB-50666-2011中常规砼坍落度要求评定，实验结果见表2。
相似材料凝结试件按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB-T50080-2016中混凝土凝结时间的实验方法进行，并根据混凝土质量控制标准（GB/T50164-2011）中对施工要求以及混凝土性能要求对凝结试件进行评定，实验结果见表3。
表1 相似材料物理力学性能
实施例 容重（KN/m<sup>3</sup>） 弹性模量（GPa） 抗压强度（MPa）
实例1 16.1 3.75 11.3
实例2 15.9 3.60 11
实例3 15.25 3.5 10.6
表2 相似材料坍落度
实施例 实例1 实例2 实例1
坍落度（cm） 14.4 14.0 16.2
表3 相似材料终凝时间
<sub>实施例 </sub><sup>缓凝剂掺量（g/千克石膏）</sup> 0.164 0.276 0.381 0.545
实例1(min) 72 96 114 210
实例2(min) 66 90 102 192
实例3(min) 90 120 144 240
由此可知：
本发明公开了一种适用于大比尺隧道衬砌模型试验所需的相似材料，该相似材料优势在于采用一定粒径浮石作为粗骨料，大大降低了相似材料的容重，在大型模型试验中降低了浇筑及吊装难度；石膏作为胶结材料很好的模拟了原型衬砌材料的脆性，使相似材料的物理参数满足相似理论；少量的标准砂起到了填充空隙，增加密实度的作用使结构更具有完整性，也可在一定范围内改变材料的容重、抗拉压强度、弹性模量等相似参数；硅藻土密度低，具有多孔性可以吸收拌合物中的水以及降低相似材料弹性模量，使衬砌模型可以产生更大的变形，在满足相似原理的基础上，产生较为理想的试验效果。
此外，本发明在材料的制备后进行优化筛选，使相似材料具有良好的工作性能，以及克服了石膏作为胶凝材料凝结时间较短，不适用于大比例尺衬砌模型分段浇筑的缺点，针对缓凝剂的掺量进行优选，在具有良好和易性的基础上，改善了流动性以及凝结时间且不产生泌水，浇筑无需振捣就能获得良好的密实度。
本发明衬砌相似材料的原材料种类少，来源广泛，环保节能。衬砌相似材料的制备方法简单，易于大比尺隧道衬砌模型的浇筑，工作性能好，性质稳定均一性佳，可广泛应用于大比尺隧道衬砌模型试验研究。本发明的配置材料简单易得，经济性较好；材料配比范围广，可以得到符合多种相似比的相似材料，对原位模型试验的变形相似度高；容重小，适合大比尺模型的吊装及运输。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料，其特征在于，所述材料包括以下重量份配比的组分：
石膏40-60份；浮石30-50份；硅藻土1.5份；标准砂4-10份；石膏缓凝剂0-0.08份；水14-21份。
2.根据权利要求1所述的一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料，其特征在于，所述石膏为高强模型石膏。
3.根据权利要求1所述的一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料，其特征在于，所述浮石的粒径范围为2～6mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料，其特征在于，所述石膏缓凝剂为硼砂。
5.根据权利要求1所述的一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料，其特征在于，所述硅藻土为密度0.47g/cm3的硅藻土粉末。
6.一种用于大比例尺模型的隧道衬砌相似材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照重量份配比称取石膏40-60份、硅藻土1.5份、标准砂4-10份、浮石30-50份；
将石膏、硅藻土、标准砂混合并搅拌均匀得到混合料a；
取14-21份自来水、0-0.08份石膏缓凝剂混合并搅拌均匀得到混合溶液b；
在搅拌桶中先倒入1/4的浮石，再倒入1/2所述混合料a，加入1/2所述混合溶液b充分搅拌；搅拌均匀后依次加入剩余浮石、混合料a和混合溶液b再次搅拌均匀；
将得到拌合物慢速均匀浇筑至混凝土标准模具中，随后放置在混凝土振动台上振动1分钟；
放置在干燥通风处，等其具达到预定强度后脱模，在自然条件下养护7-14天获得成品。
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