CN116283183A - 一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料及其制备方法，所述砂质泥岩相似模拟材料以河砂为骨料，石膏、高岭土为胶结材料，有机膨润土、聚氨酯溶液、810胶为添加剂，河沙、石膏、高岭土胶结后使得类砂质泥岩相似材料具有良好的脆硬性；有机膨润土具有亲水性较强，易于发生水化反应，有利于提升整体密实性；810胶可以有效提高类砂质泥岩相似材料的粘接性，满足粉砂质泥岩抗压强度与劈裂强度的要求；聚氨酯溶液中的异氰酸酯基遇水反应，不仅产生吸水膨胀效果，还可以增强砂质泥岩材料的脆性和强度，更好的还原含水软弱夹层砂质泥岩的力学性能和水理性质（膨胀性、渗透性和吸水性）。
Description
技术领域
本发明涉及一种类岩石材料，具体涉及一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料及其制备方法。
背景技术
软弱夹层自身的松、软、碎、散的特性使其表现出明显的不连续性和软弱性，极易发生流变，对岩土工程项目表现出极其不利的影响。隧道含水软弱夹层中的砂质泥岩是一种在我国西南山区分布较广泛的软岩，具有干缩湿胀、易于风化的特性。西南山区地处亚热带季风气候，降雨频繁、环境潮湿，而环境湿度严重影响砂质泥岩易强度，这使得西南地区极易产生隧道岩体大变形，隧道突泥涌水频发现象，严重影响了隧道施工安全。为保障隧道工程安全建设和运营，亟需研发用于软岩模拟的相似模型材料来模拟不同类别的隧道岩土，以了解工程建筑对隧道岩石体所产生的影响。
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方法。近些年来，国内外学者研制出诸多种类的相似材料，其中包括软硬岩复合岩层相似材料、深部岩相似材料、类石灰岩相似材料、灰岩相似材料、铁晶砂胶结相似材料、PSTO模拟材料、低强度和低弹性模量的软岩等相似材料。然而，前人对相似模拟砂质泥岩的研究中往往只关注相似材料的基本力学性能，对材料的水理性质关注较少，但在实际复杂的工况中必须考虑水的影响，先前的研究中鲜有涉及具体针对含水软弱夹层中的砂质泥岩相似材料的制备，现有的相似材料制备方法不能和含水软弱夹层中的砂质泥岩的重要力学性能和水理性质相似。
发明内容
本发明的目的是提供一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料及其制备方法，通过采用河砂为骨料，石膏、高岭土为胶结材料，有机膨润土TY-166、聚氨酯溶液、810胶为添加剂制作用于含水软弱夹层模拟的类砂质泥岩相似材料，聚氨酯溶液中的异氰酸酯基遇水反应，不仅产生吸水膨胀效果，还可以增强砂质泥岩材料的脆性和强度，更好的兼顾了类砂质泥岩相似材料力学性能和水理性质，解决了现有技术中存在的上述问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，以河砂为骨料，石膏、高岭土为胶结材料，有机膨润土TY-166、聚氨酯溶液、810胶为添加剂，按照质量份数计，上述原料的配比如下：河砂40～200份，石膏20～80份，高岭土40～160份，有机膨润土TY-16610～40份，聚氨酯溶液10～40份，801胶10～21份。
一种上述富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、称取原料：按照质量份数计，分别称取河砂40～200份，石膏20～80份，高岭土40～160份，有机膨润土TY-16610～40份；
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土TY-166、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体，控制搅拌转速为30～50rad/s，搅拌时间为5～10min；
S3、向均匀固体混合体中依次倒入10～40份聚氨酯溶液和10～21份801胶，快速搅拌均匀，形成均匀混合料，控制搅拌转速为80～100rad/s，搅拌时间为2～5min；
S4、将均匀混合料浇筑在模具中，进行制模，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24～48h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7～10d，即得砂质泥岩相似模拟材料，可应用在隧道围岩模拟领域中，其中：制模方法为：均匀混合料浇筑到模具中后进行压实，每层压实度为0 .75～0 .85，静置后进行脱模。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明采用河砂为骨料，石膏、高岭土为胶结材料，有机膨润土TY-166、聚氨酯溶液、810胶为添加剂，上述原材料产生的有益效应包括：河沙、石膏、高岭土胶结后使得类砂质泥岩相似材料具有良好的脆硬性；有机膨润土TY-166具有亲水性较强，易于发生水化反应，有利于提升整体密实性；810胶可以有效提高类砂质泥岩相似材料的粘接性，满足粉砂质泥岩抗压强度与劈裂强度的要求；聚氨酯溶液中的异氰酸酯基遇水反应，不仅产生吸水膨胀效果，还可以增强砂质泥岩材料的脆性和强度，更好的还原含水软弱夹层砂质泥岩的力学性能和水理性质（膨胀性、渗透性和吸水性）。
2、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。
3、本发明采用的原材料来源广泛，价格低廉，无毒无害，工艺简单，浇筑压实成型，操作方便。
4、本发明的类砂质泥岩相似材料成功的模拟了含水软弱夹层砂质泥岩的特征，具有良好的塑形性和均匀性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，所述砂质泥岩相似模拟材料以河砂为骨料，石膏、高岭土为胶结材料，有机膨润土TY-166、聚氨酯溶液、810胶为添加剂，按照质量份数计，上述原料的配比如下：河砂40～200份，石膏20～80份，高岭土40～160份，有机膨润土TY-166 10～40份，聚氨酯溶液10～40份，801胶10～21份，其中：
所述河砂的粒径为40～200目，用于提高材料的脆性；
所述高岭土的粒径为325～1250目，用于提高材料的密实填充；
所述石膏的粒径为2000～3000目，石膏硬度为8 .5mp，用于提高材料的凝结时间与控制材料的强度；
所述有机膨润土TY-166的粒径为200～400目，用于提高材料的密实度；
所述聚氨酯溶液为异氰酸酯（MDI-50）和聚醚多元醇（N3O3）形成的混合溶液，具体制备方法如下：将异氰酸酯（MDI-50）和聚醚多元醇（N3O3）按照质量比1：1室温下混合均匀即得，用于提高材料的吸水性和膨胀性。
一种上述富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、称取原料：按照质量份数计，分别称取河砂40～200份，石膏20～80份，高岭土40～160份，有机膨润土TY-16610～40份；
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土TY-166、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体，控制搅拌转速为30～50rad/s，搅拌时间为5～10min；
S3、向均匀固体混合体中依次倒入10～40份聚氨酯溶液和10～21份801胶，快速搅拌均匀，形成均匀混合料，控制搅拌转速为80～100rad/s，搅拌时间为2～5min；
S4、将均匀混合料浇筑在模具中，进行制模，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24～48h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7～10d，即得砂质泥岩相似模拟材料，其中：制模方法为：均匀混合料浇筑到模具中后进行压实，每层压实度为0 .75～0 .85，静置后进行脱模。
实施例1
S1、称取河砂100份，石膏20份，高岭土80份，有机膨润土TY-16640份，其中：河砂的粒径为40目，高岭土的粒径为325目，石英粉的粒径为240目，石膏的粒径为2000目，有机膨润土TY-166的粒径为300目。
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土TY-166、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，控制搅拌转速为50rad/s，搅拌时间为10min，形成均匀固体混合体。
S3、向均匀固体混合体中依次倒入10份聚氨酯溶液和20份801胶，快速搅拌均匀，控制搅拌转速为100rad/s，搅拌时间为5min，形成均匀混合料。
S4、将均匀混合料浇筑在模具中进行压实，每层压实度为0 .8，每层稳压2分钟，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7d，即得砂质泥岩相似模拟材料。
实施例2
S1、称取河砂100份，石膏20份，高岭土80份，有机膨润土TY-16640份，其中：河砂的粒径为40目，高岭土的粒径为325目，石英粉的粒径为240目，石膏的粒径为2000目，有机膨润土TY-166的粒径为300目。
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土TY-166、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，控制搅拌转速为50rad/s，搅拌时间为10min，形成均匀固体混合体。
S3、向均匀固体混合体中依次倒入15份聚氨酯溶液和20份801胶，快速搅拌均匀，控制搅拌转速为100rad/s，搅拌时间为5min，形成均匀混合料。
S4、将均匀混合料浇筑在模具中进行压实，每层压实度为0 .8，每层稳压2分钟，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7d，即得砂质泥岩相似模拟材料。
实施例3
S1、称取河砂100份，石膏20份，高岭土80份，有机膨润土TY-16640份，其中：河砂的粒径为40目，高岭土的粒径为325目，石英粉的粒径为240目，石膏的粒径为2000目，有机膨润土TY-166的粒径为300目。
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土TY-166、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，控制搅拌转速为50rad/s，搅拌时间为10min，形成均匀固体混合体。
S3、向均匀固体混合体中依次倒入20份聚氨酯溶液和20份801胶，快速搅拌均匀，控制搅拌转速为100rad/s，搅拌时间为5min，形成均匀混合料。
S4、将混合后的物料浇筑在模具中进行压实，每层压实度为0 .8，每层稳压2分钟，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7d，即得砂质泥岩相似模拟材料。
实施例4
S1、称取河砂100份，石膏20份，高岭土80份，有机膨润土TY-16640份，其中：河砂的粒径为40目，高岭土的粒径为325目，石英粉的粒径为240目，石膏的粒径为2000目，有机膨润土TY-166的粒径为300目。
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土TY-166、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，控制搅拌转速为50rad/s，搅拌时间为10min，形成均匀固体混合体。
S3、向均匀固体混合体中依次倒入25份聚氨酯溶液和20份801胶，快速搅拌均匀，控制搅拌转速为100rad/s，搅拌时间为5min，形成均匀混合料。
S4、将均匀混合料浇筑在模具中进行压实，每层压实度为0 .8，每层稳压2分钟，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7d，即得砂质泥岩相似模拟材料。
实施例5
S1、称取河砂100份，石膏20份，高岭土80份，有机膨润土TY-16640份，其中：河砂的粒径为40目，高岭土的粒径为325目，石英粉的粒径为240目，石膏的粒径为2000目，有机膨润土TY-166的粒径为300目。
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土TY-166、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，控制搅拌转速为50rad/s，搅拌时间为10min，形成均匀固体混合体。
S3、向均匀固体混合体中依次倒入30份聚氨酯溶液和20份801胶，快速搅拌均匀，控制搅拌转速为100rad/s，搅拌时间为5min，形成均匀混合料。
S4、将均匀混合料浇筑在模具中进行压实，每层压实度为0 .8，每层稳压2分钟，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7d，即得砂质泥岩相似模拟材料。
将实施例1~5制备的砂质泥岩相似模拟材料，使用标准模具制成标准试样进行抗压强度、抗拉强度、渗透性、膨胀性、吸水率等参数测试，并将其结果与含水砂质泥岩材料进行对比，具体结果见表1。
表1实施例1~实施例5的性能参数
由表1可知，含水软弱夹层的类砂质泥岩相似模拟材料抗压强度的范围是 0.86～1.32MPa，抗拉强度的范围是0.03～0.012MPa，吸水率的范围是 4.5～11.3%，渗透系数的范围是1.1×10-5～7.8×10-5cm/s，膨胀率的范围是1.2～4.6%。其中实施例2与含水砂质泥岩力学性能和水理性质高度相似，表明此种相似材料可以较好的模拟实际含水泥岩夹层，通过调节配比，还可以模拟其他富水软岩。
Claims (10)
1.一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，其特征在于所述砂质泥岩相似模拟材料以河砂为骨料，石膏、高岭土为胶结材料，有机膨润土、聚氨酯溶液、810胶为添加剂，按照质量份数计，上述原料的配比如下：河砂40～200份，石膏20～80份，高岭土40～160份，有机膨润土10～40份，聚氨酯溶液10～40份，801胶10～21份。
2.根据权利要求1所述的富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，其特征在于所述河砂的粒径为40～200目。
3.根据权利要求1所述的富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，其特征在于所述高岭土的粒径为325～1250目。
4.根据权利要求1所述的富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，其特征在于所述石膏的粒径为2000～3000目，石膏硬度为8 .5mp。
5.根据权利要求1所述的富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，其特征在于所述有机膨润土为有机膨润土TY-166，粒径为200～400目。
6.根据权利要求1所述的富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料，其特征在于所述聚氨酯溶液为异氰酸酯和聚醚多元醇形成的混合溶液，异氰酸酯和聚醚多元醇的质量比为1：1。
7.一种权利要求1-6任一项所述富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
S1、称取原料：按照质量份数计，分别称取河砂40～200份，石膏20～80份，高岭土40～160份，有机膨润土10～40份；
S2、将称取的河砂、石膏、有机膨润土、高岭土同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体；
S3、向均匀固体混合体中依次倒入10～40份聚氨酯溶液和10～21份801胶，快速搅拌均匀，形成均匀混合料；
S4、将均匀混合料浇筑在模具中，进行制模，将装填好的试样模具放入23±2℃、湿度95％以上的恒温恒湿养护箱中养护24～48h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7～10d，即得砂质泥岩相似模拟材料。
8.根据权利要求7所述的富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料的制备方法，其特征在于所述S2中，搅拌转速为30～50rad/s，搅拌时间为5～10min；所述S3中，搅拌转速为80～100rad/s，搅拌时间为2～5min。
9.根据权利要求7所述的富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料的制备方法，其特征在于所述S4中，制模方法为：均匀混合料浇筑到模具中后进行压实，每层压实度为0 .75～0.85，静置后进行脱模。
10.一种权利要求1-6任一项所述富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料在隧道围岩模拟领域中的应用。
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|---|---|---|---|
| CN202310118092.2A CN116283183A (zh) | 2023-02-15 | 2023-02-15 | 一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310118092.2A CN116283183A (zh) | 2023-02-15 | 2023-02-15 | 一种富水软弱夹层砂质泥岩相似模拟材料及其制备方法 |
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| CN116283183A true CN116283183A (zh) | 2023-06-23 |
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