CN116768573A - 一种泥质板岩相似材料及采用该相似材料制备泥质板岩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥质板岩相似材料及采用该相似材料制备泥质板岩的方法，所述泥质板岩相似材料由以下重量份的原料组成：水泥10～16份、石膏6～23份、石英砂8～27份、铁粉20～39份、硫酸钡粉12～34份、多孔陶瓷颗粒4～10份、水15份、甘油0.3～0.6份、减水剂粉0.3～1份。采用本发明的相似材料制备的泥质板岩的力学强度变化范围大，经单轴压缩试验测试，样品抗压强度分布在0.41～21MPa，力学参数调节方便、脆性较强、力学性能稳定，可以模拟多种力学强度的板岩，同时，相似材料来源广泛、成本低廉，易于加工。
Description
技术领域
本发明属于岩土、地质力学模型相似材料技术领域，具体涉及一种泥质板岩相似材料，同时还涉及一种采用该相似材料制备泥质板岩的方法。
背景技术
在岩土工程与地质工程领域，泥质板岩是一种经常遇到的岩土体或地质体，其物理力学性质给工程施工带来显著挑战。室内相似试验具有可衍生性强，能多次进行试验等特点，相似材料的选择和配制对材料的物理力学性质具有很大的影响，并对模型试验的结果起着决定性作用，学者们通常根据试验需要有针对性的配制相似材料。
泥质板岩属于软质岩石，相比其他硬质岩石其硬度较低。泥质板岩中水及黏土矿物的含量均较高，岩体细颗粒因吸附水分易产生黏结及受氧化影响，同时由于泥质板岩特有的层状结构，具有复杂的层次、节理等裂缝结构，致使取样难以完整取出均质样品。室内试验中通常需要制作特定尺寸岩样，因泥质板岩硬度较低、成分复杂，易受风化影响，故不能很好的服务于室内试验，因此研究泥质板岩相似材料模型以便进行室内试验重要性不言而喻。考虑到泥质板岩具有易碎、粘性大、含水量高等特点，故制作相似材料时需在保证粘度、固化时间的同时满足抗压强度等力学性能。目前尚没有专门模拟泥质板岩试样的方法。
发明内容
为解决现有技术中泥质板岩研究取样难、不能很好的服务于室内模型试验的问题，本发明的目的在于提供了一种制作方便、物理力学性能稳定、价格便宜的泥质板岩相似材料。
本发明的另一个目的在于提供了一种采用该泥质板岩相似材料制备泥质板岩的方法，方法简单，成本低廉，便于室内开展。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种泥质板岩相似材料，由以下重量份的原料组成：水泥10～16份、石膏6～23份、石英砂8～27份、铁粉20～39份、硫酸钡粉12～34份、多孔陶瓷颗粒4～10份、水15份、甘油0.3～0.6份、减水剂粉0.3～1份。
优选地，所述泥质板岩相似材料，由以下重量份的原料组成：水泥12份、石膏10.4份、石英砂21.2份、铁粉31.4份、硫酸钡粉17份、多孔陶瓷颗粒7份、水15份、甘油0.3份、减水剂粉0.4份。
优选地，所述水泥为标号42.5的普通硅酸盐水泥。
优选地，所述石膏为细度1500目的模型石膏。
优选地，所述石英砂为细度50～80目的石英砂。
优选地，所述铁粉为细度80目的铁粉。
优选地，所述硫酸钡粉为细度320目的硫酸钡粉。
优选地，所述多孔陶瓷颗粒为孔径10～100μm的细气孔多孔陶瓷颗粒。
优选地，所述减水剂粉为聚羧酸高性能减水剂粉。
下面对本发明各原料的作用及反应产生的胶结物进行分析。其中，集料为石英砂、铁粉、硫酸钡粉、多孔陶瓷颗粒，粘结材料为水泥、石膏。
水泥的主要作用是作为胶结剂将石英砂和石膏等材料粘结在一起。水泥在水的作用下可发生水化反应，生成胶结物质，将各种颗粒粘结在一起，以便模拟板岩高含水分及黏土矿物的特点。水泥成分中的硅酸盐和铝酸盐与水混合后会发生水化反应，产生水化硅酸钙(C～S～H)和钙水化铝酸盐(C～A～H)等硬化产物，这些产物具有一定的硬度和强度，可以起到一定的支撑作用。
在板岩相似模型中，石膏的作用是增加混合材料的可塑性，使其更容易形成形状规则的板岩。石英砂的作用是模拟板岩的颗粒结构和物理特性，作为主要集料增加模型的密度和重量。
铁粉是一种具有良好的磁性和导电性的材料，具有很高的热导率，添加铁粉可以使相似材料具有更高的热导率；铁粉具有较高的强度，可以提高相似材料的强度和抗压性能，使其更加接近真实岩石的物理特性。
硫酸钡粉由硫酸根离子和钡离子组成，分子结构紧密，比重高。铁粉的分子结构主要由铁原子构成，其比重也较高。这些材料在相似材料配置中的混合比例调整较易，方便达到所需的密度和重量。硫酸钡粉作为一种无机化合物具有高比重和高稳定性。在板岩相似模型中，硫酸钡粉可以与石英砂等材料混合使用，以增加模型的密度和重量。
铁粉与硫酸钡粉和石英砂等颗粒混合产生碰撞、摩擦，从而产生机械力。在存在氧气的情况下，铁粉会氧化并形成氧化铁层，增加黏附力。
多孔陶瓷颗粒是一种具有高孔隙度和开放孔隙结构的陶瓷材料。将多孔陶瓷颗粒酸浸及超声波处理后可得到纯净的多孔陶瓷颗粒，多孔陶瓷颗粒可以填补相似材料之间的空隙，提高材料致密性。多孔陶瓷颗粒作为一种填料，可以有效地改善材料中其他成分的分散性，增加材料的均一性。
本发明在制备相似材料时，加入甘油及减水剂粉以优化混合材料的结构和性能，提高材料的质量和可靠性。甘油在水泥颗粒表面形成薄膜，提高材料的流动性以便更好的拌合；减水剂粉中含有表面活性剂分子，在水泥水化过程中与水泥颗粒结合，有利于材料的搅拌、振捣。
相应的，本发明还要求保护一种采用前述泥质板岩相似材料制备泥质板岩的方法，包括以下步骤：
(1)按配比称取水泥、石膏、石英砂、铁粉、硫酸钡粉、多孔陶瓷颗粒、水、甘油、减水剂粉，其中，各组分按照以下重量份组成：水泥10～16份、石膏6～23份、石英砂8～27份、铁粉20～39份、硫酸钡粉12～34份、多孔陶瓷颗粒4～10份、水15份、甘油0.3～0.6份、减水剂粉0.3～1份；
(2)甘油及减水剂粉溶解到水中，再加水前先将水泥、石膏、石英砂、铁粉、硫酸钡粉初步搅拌均匀形成预混料；
(3)将多孔陶瓷颗粒过筛后放入烧杯中，在烧杯中加入适量盐酸，搅拌使其混合均匀，再将烧杯置于超声波中超声4～5小时，超声波的温度设为45～60℃，将超声完的混合液过滤后放入45～50℃的烘箱烘干12h；
(4)将步骤(3)烘干得到的多孔陶瓷颗粒与步骤(2)的预混料放入搅拌锅中，慢搅并缓慢加入步骤(2)溶解了甘油及减水剂粉的水，水加完后转为快搅；其中，慢搅时长为8～12分钟，快搅时长约1分钟；
(5)将拌合的材料浇入模具内，并在混凝土振动台上捣实，由于材料有一定干缩性，模具表面需额外多涂抹材料使之溢出，注意搅拌及振捣时间不能过长，避免材料泌水和分层；
(6)保水放置12～24小时，使其完成初凝；
(7)在浇筑的相似材料未终凝之前，刮去表面多余部分，在20摄氏度恒温条件下进行养护14～28天。
在养护期间记录试件重量变化，时长为一周。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明的相似材料制备的泥质板岩的力学强度变化范围大，经单轴压缩试验测试，样品抗压强度分布在0.41～21MPa，力学参数调节方便、脆性较强、力学性能稳定，可以模拟多种力学强度的板岩。同时，所采用的相似材料来源广泛、成本低廉，易于加工。
具体实施方式
本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。
实施例1：
一种泥质板岩相似材料，由以下重量份的原料组成：水泥10份、石膏8.4份、石英砂8.6份、铁粉33.4份、硫酸钡粉31.6份、水15份、多孔陶瓷颗粒7份、甘油0.3份、减水剂粉0.4份。
采用所述泥质板岩相似材料制备泥质板岩的方法，包括以下步骤：
(1)按配比称取水泥、石膏、石英砂、铁粉、硫酸钡粉、多孔陶瓷颗粒、水、甘油、减水剂粉，其中，各组分按照以下重量份组成：水泥10份、石膏8.4份、石英砂8.6份、铁粉33.4份、硫酸钡粉31.6份、水15份、多孔陶瓷颗粒7份、甘油0.3份、减水剂粉0.4份；
(2)甘油及减水剂粉溶解到水中，再加水前先将水泥、石膏、石英砂、铁粉、硫酸钡粉初步搅拌均匀形成预混料；
(3)将多孔陶瓷颗粒过筛后放入烧杯中，在烧杯中加入适量盐酸，搅拌使其混合均匀，再将烧杯置于超声波中超声4小时，超声波的温度设为60℃，将超声完的混合液过滤后放入50℃的烘箱烘干12h；
(4)将步骤(3)烘干得到的多孔陶瓷颗粒与步骤(2)的预混料放入搅拌锅中，慢搅并缓慢加入步骤(2)溶解了甘油及减水剂粉的水，水加完后转为快搅；其中，慢搅时长为12分钟，快搅时长约1分钟；
(5)将拌合的材料浇入模具内，并在混凝土振动台上捣实，由于材料有一定干缩性，模具表面需额外多涂抹材料使之溢出，注意搅拌及振捣时间不能过长，避免材料泌水和分层；本实例中振捣时长为5分钟；
(6)保水(保水是指样品一直处于被水浸泡的状态，保证样品不能缺水出现裂纹，通常采用定期喷淋或浸泡的方式)放置12～24小时，使其完成初凝；
(7)在浇筑的相似材料未终凝之前，刮去表面多余部分，在20摄氏度恒温条件下进行养护14天。
养护期间对试件重量进行记录，记录时长为一周。
脱模时若试件边角破损较多需重新补充实验。
实施例2-16按如下表1所示重量份进行试验。
表1实施例1-16重量份配方表
实施例2-16采用所述泥质板岩相似材料制备泥质板岩的方法同实施例1所述方法。
实施例1-16中，采用的水泥可为市售的42.5标号的普通硅酸盐水泥，采用的多孔陶瓷颗粒为孔径10～100μm的细气孔多孔陶瓷颗粒。采用的石膏为细度1500目的模型石膏，石膏的脆性与岩石近似，所以采用石膏与水泥混合材料作为粘结材料。采用的硫酸钡粉为细度320目的硫酸钡粉，采用的铁粉为细度80目的铁粉，硫酸钡粉与铁粉比重较大，为提高试件重度的材料，起骨架支撑作用。采用的石英砂为细度50～80目的石英砂，石英砂可作为粗骨料，可以模拟粉砂岩乃至细砂岩样品，目数越高，其代表的石英颗粒越细。采用的减水剂粉为聚羧酸高性能减水剂粉。
将实施例1-16制作好的试件在20摄氏度恒温条件下养护14天，在此期间将各组试件重量变化记录，对因试验误差导致重量差异较大的试件进行补做试验。养护完成后，用电子天秤称重，取部分制作好的样品用混凝土切割机切割成规格为5×5×5cm正方体样品，放入YDS-2携带式岩、土力学性质多功能试验仪进行直接剪切试验；同样另取部分样品成规格为直径5cm、高10cm圆柱体样品，放入WAW-1000微机控制电液伺服仪进行单轴压缩试验，即得到相似材料的密度、抗剪强度指标、单轴抗压强度等参数。试验所得出的部分力学参数见下表2。
表2室内对照试验部分力学参数
由表2可知，材料密度分布在1.75～2.86g/cm3之间；单轴抗压强度分布范围较大，在0.41～21MPa之间；弹性模量分布范围也较大，在374.18～4293.04MPa之间；内摩擦角分布在37.64～59.24°之间；黏聚力分布范围也较大，在2.00～5.21MPa之间。
进一步分析表2试验结果，可以得出如下结论：实施例1-4增加了铁粉、石英砂的含量，降低了硫酸钡粉及多孔陶瓷颗粒的含量，可以看出试件的内摩擦角呈上升的趋势，密度呈下降趋势，这是因为铁粉及石英砂的粒径大，多为表面粗糙的不规则颗粒，硫酸钡粉及多孔陶瓷颗粒为粒径较小的材料，含量降低后，使试件密度降低，大颗粒间空隙无填充，粗糙的不规则颗粒间摩擦力增大，从而使内摩擦角增大。
实施例5-8增加了水泥、硫酸钡粉及多孔陶瓷颗粒的含量，降低了铁粉的含量，可以看出试件的抗压强度、弹性模量呈小幅上升的趋势，内摩擦角呈下降趋势，水泥作为粘结部分的主要材料，本身具有较高的抗压强度和硬度，增加含量后试件的力学强度得到提升，对比实施例1-4进行分析后可知，内摩擦角的主要影响因素是颗粒的粒径及表面粗糙度，此处不再赘述。
实施例9-12增加了水泥、石膏的含量，降低了铁粉、硫酸钡粉的含量，可以看出试件的抗压强度、弹性模量呈大幅上升的趋势，石膏同样是自身强度较高的材料，故增加水泥及石膏的含量后试件整体抗压强度和弹性模量大幅提升。
实施例13-16增加了水泥、甘油、减水剂粉的含量，降低了铁粉的含量，甘油与减水剂粉起到增加相似材料拌合后流动性的作用，从结果也可看出黏聚力有所提升。
下面将以具体实例对本发明做出具体说明。
一种泥质板岩相似材料，由以下重量份的原料组成：水泥12份、石膏10.4份、石英砂21.2份、铁粉31.4份、硫酸钡粉17份、多孔陶瓷颗粒7份、水15份、甘油0.3份、减水剂粉0.4份。
其中，采用的水泥可为市售的42.5标号的普通硅酸盐水泥，采用的多孔陶瓷颗粒为孔径10～100μm的细气孔多孔陶瓷颗粒，采用的石膏为细度1500目的模型石膏，采用的硫酸钡粉为细度320目的硫酸钡粉，采用的铁粉为细度80目的铁粉，采用的石英砂为细度50～80目的石英砂，采用的减水剂粉为聚羧酸高性能减水剂粉。
本实施例中采用的板岩原岩(采自贵州省黔东南苗族侗族自治州榕江县孖龙村)与相似模型相似比为1：8，材料配比制成的泥质板岩力学强度参数与原岩力学强度参数对比如表3，最终产品力学性能稳定，可作为泥质板岩的相似材料。
表3力学强度参数对比表
以上所述的具体实施方式仅仅是对本发明精神作说明，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种泥质板岩相似材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：水泥10～16份、石膏6～23份、石英砂8～27份、铁粉20～39份、硫酸钡粉12～34份、多孔陶瓷颗粒4～10份、水15份、甘油0.3～0.6份、减水剂粉0.3～1份。
2.根据权利要求1所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：水泥12份、石膏10.4份、石英砂21.2份、铁粉31.4份、硫酸钡粉17份、多孔陶瓷颗粒7份、水15份、甘油0.3份、减水剂粉0.4份。
3.根据权利要求1或2所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，所述水泥为标号42.5的普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1或2所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，所述石膏为细度1500目的模型石膏。
5.根据权利要求1或2所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，所述石英砂为细度50～80目的石英砂。
6.根据权利要求1或2所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，所述铁粉为细度80目的铁粉。
7.根据权利要求1或2所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，所述硫酸钡粉为细度320目的硫酸钡粉。
8.根据权利要求1或2所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，所述多孔陶瓷颗粒为孔径10～100μm的细气孔多孔陶瓷颗粒。
9.根据权利要求1或2所述的泥质板岩相似材料，其特征在于，所述减水剂粉为聚羧酸高性能减水剂粉。
10.一种采用权利要求1-9任一所述的相似材料制备泥质板岩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按配比称取水泥、石膏、石英砂、铁粉、硫酸钡粉、多孔陶瓷颗粒、水、甘油、减水剂粉；
(2)甘油及减水剂粉溶解到水中，再加水前先将水泥、石膏、石英砂、铁粉、硫酸钡粉初步搅拌均匀形成预混料；
(3)将多孔陶瓷颗粒过筛后放入烧杯中，在烧杯中加入适量盐酸，搅拌使其混合均匀，再将烧杯置于超声波中超声4～5小时，超声波的温度设为45～60℃，将超声完的混合液过滤后放入45～50℃的烘箱烘干12h；
(4)将步骤(3)中烘干的多孔陶瓷颗粒与步骤(2)中预混料放入搅拌锅中，慢搅并缓慢加入步骤(2)溶解了甘油和减水剂的水，水加完后转为快搅，其中，慢搅时长为8～12分钟，快搅时长为1分钟；
(5)将拌合的材料浇入模具内，并在混凝土振动台上捣实；
(6)保水放置12～24小时，使其完成初凝；
(7)在浇筑的相似材料未终凝之前，刮去表面多余部分，在20摄氏度恒温条件下进行养护14～28天。
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