一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料及其制備方法，在傳統(tǒng)相似材料配比基礎上添加生石灰，采用重晶石粉、鐵精粉、石英砂作為骨料，生石灰、熟石膏作為膠結劑，自來水作為調(diào)和劑，通過將不同質(zhì)量配比的原料充分混合并夯實，獲得一定物理力學性能的軟巖相似材料。本發(fā)明的相似材料物理力學參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍較大，并可以有效模擬軟巖遇水軟化的特性。此外，該相似材料制備方法簡單，原料來源廣泛，成本低廉，無毒無害，尤其適用于在軟巖工程安全的模型試驗中廣泛使用。
【專利說明】一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程地質(zhì)模型試驗【技術領域】，具體涉及一種基于軟巖遇水軟化特性的 相似材料及其制備方法。該軟巖相似材料主要適用于探究低強度軟巖遇水軟化特性及其對 軟巖工程安全性能的影響。

【背景技術】
[0002] 相似模型試驗是一種基于相似原理的縮尺研究方法，主要采用相似材料模擬工程 實體及其地質(zhì)構造特征，通過模擬荷載作用方式、降雨模式等條件，研究巖土工程施工、運 營中的安全穩(wěn)定性及其破壞模式，長期以來一直是高邊坡、堤壩、地下洞室及礦山等各類復 雜巖土工程安全穩(wěn)定性研究及機制分析采用的重要手段。
[0003] 正確選擇與合理配比相似模型材料是增加相似模型試驗可靠性的關鍵。目前，大 多數(shù)學者們選擇相似材料多以重晶石粉、石英砂、鐵粉等材料為骨料，石蠟、松香、酒精或石 膏、水泥、浙青等材料為膠結物，經(jīng)過拌和或壓制而成，多用于模擬固流耦合材料、巖爆材 料、軟巖材料以及不同等級軟弱圍巖材料及其軟弱結構面等巖土工程材料。
[0004] 總體而言，目前多以相似材料的強度、重度等力學參數(shù)作為指標評價相似材料工 程適應性，軟巖材料也不例外。但軟巖是一種性質(zhì)特殊的軟弱巖體，其富含高嶺石、蒙脫石、 伊利石等膨脹性粘土礦物，結構連接弱、親水性強、透水性弱，遇水極易軟化，在配制此類相 似材料時須考慮其軟化效應，以增強相似試驗模擬的真實性。因此，本發(fā)明在前人研究基礎 上，提出了一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料及其配制方法，通過研究相似材料泡水 軟化系數(shù)、重度、強度等參數(shù)隨配比的變化規(guī)律，確定適用于軟巖的相似材料及其配比，該 方面目前在國內(nèi)外的研究中暫未見諸報道。因此，本研究可為軟巖模型試驗相似模型試驗 研究提供參考與借鑒。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供了一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料及其制備方 法。該材料可較好模擬軟巖強度低、遇水軟化的特性，同時原材料來源廣泛，制作簡單，養(yǎng)護 簡易，制作成本低廉且無毒無害。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0007] -種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料，所述軟巖相似材料由骨料（1250目的重 晶石粉、100目的鐵精粉與18-25目的石英砂）、膠結劑（生石灰、熟石膏）及調(diào)和劑（自來 水）共同組成，其質(zhì)量比為：
[0008] 骨料：鐵精粉+重晶石粉+石英砂100份
[0009] 膠結劑：生石灰+熟石膏 2?18份
[0010] 調(diào)和劑：自來水 6份
[0011] 所述骨料為重晶石粉（1250目）、鐵精粉（100目）、石英砂（18-25目），假設骨料 共有100份，恒定，則鐵精粉13?20. 5份，重晶石粉41?64,石英砂18?45. 7份；
[0012] 所述膠結劑由生石灰和熟石膏共同組成，假設骨料共有100份，則生石灰2?10 份，熟石骨〇?8份；
[0013] 調(diào)和劑使用日常飲用的自來水。
[0014] 一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料的制備方法，所述制備方法包括以下：
[0015] (1)材料稱量：嚴格按質(zhì)量配比稱量鐵精粉、重晶石粉、石英砂、生石灰、熟石膏和 水；
[0016] (2)干料攪拌：開啟攪拌機，攪拌葉公轉(zhuǎn)慢速（62轉(zhuǎn)/分鐘）狀態(tài)下，依次將鐵精 粉、重晶石粉、石英砂、生石灰和熟石膏等固體材料倒入攪拌機，攪拌5分鐘使固體材料充 分混合，形成均勻固體混合料；
[0017] (3)加水攪拌：將攪拌機內(nèi)的均勻固體混合料倒入鐵質(zhì)攪拌桶，用鍍銀鐵棒進行 繼續(xù)持續(xù)攪拌，同時緩慢倒入所稱量的水并持續(xù)攪拌10?15分鐘，至攪拌桶內(nèi)形成均勻的 混合料；
[0018] (4)試樣制作：將拌合完成的均勻混合料分3層倒入涂有凡士林的三開預制剛性 模具（模具根據(jù)標準單軸壓縮試驗、直剪試驗等測試設備尺寸預制），采用夯實器逐層夯 實，相鄰層間用刀片打毛以確保不同層間有效結合；
[0019] (5)脫模養(yǎng)護：將試樣兩側(cè)刮平，放置5?10分鐘即可脫模，脫模后常溫養(yǎng)護3? 4天，待試樣質(zhì)量保持不變，即可得到所述軟巖相似材料模型。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，優(yōu)點在于：
[0021] (1)本發(fā)明配方的膠結劑在熟石膏基礎上添加了生石灰，所制得的軟巖相似材料 可以有效模擬軟巖遇水易軟化的特性；
[0022] (2)本發(fā)明的軟巖相似材料在物理力學性質(zhì)變化范圍大：密度范圍為1.88? 2. 62g/cm3、飽水24h軟化系數(shù)范圍為0. 2869?0. 8231、單軸抗壓強度范圍為0. 112? I. 234Mpa、抗拉強度范圍為0. 014?0. 125Mpa、彈性模量范圍為4. 23?211. 08Mpa、內(nèi)摩擦 角范圍為9. 87?38. 72°、粘聚力范圍為9. 81?52. 07kPa。各參數(shù)分布范圍均較廣，同時 由于相似材料重度與真實軟巖重度接近、彈性模量與抗壓強度較小，特別適用于幾何相似 比為1 : 100?1 : 50、重度相似比為I : 1的大比尺相似模型試驗，可克服模型試驗需受 制于離心機加載的局限；
[0023] (3)采用本發(fā)明制備方法所制得軟巖相似材料，可實現(xiàn)配方材料均勻混合、一次成 型，所制得相似材料的均勻性與力學性能較好，可克服采用常規(guī)拼裝砌筑制得的模型在均 勻性與連續(xù)性方面的不足；
[0024] (4)本發(fā)明相似材料配方來源廣泛，制作簡單，養(yǎng)護簡易，成型時間短，成本低廉且 無毒無害。
[0025] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為實施例1養(yǎng)護時間圖；
[0027] 圖2為實施例1軟巖相似材料自然狀態(tài)下應力應變曲線；
[0028] 圖3為實施例1軟巖相似材料自然狀態(tài)下直剪試驗曲線；
[0029] 圖4為實施例1?3軟巖相似材料單軸抗壓強度隨泡水時間的變化規(guī)律；
[0030] 圖5為實施例2軟巖相似材料自然狀態(tài)下應力應變曲線；
[0031] 圖6為實施例2軟巖相似材料自然狀態(tài)下直剪試驗曲線；
[0032] 圖7為實施例3軟巖相似材料自然狀態(tài)下應力應變曲線；
[0033] 圖8為實施例3軟巖相似材料自然狀態(tài)下直剪試驗曲線。

【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：
[0035] 以下實施例僅用于更加詳細地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明 的保護范圍。
[0036] -種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料，其特征為在于：所述軟巖試驗的相似材 料以重晶石粉、鐵精粉、石英砂為骨料，生石灰與熟石膏作為膠結劑，水作為調(diào)和劑，其質(zhì)量 份額比例如下：
[0037] 骨料：鐵精粉+重晶石粉+石英砂100份
[0038] 膠結劑：生石灰+熟石膏 2?18份
[0039] 調(diào)和劑：自來水 6份
[0040] 所述骨料由1250目的重晶石粉、100目的鐵精粉與18-25目的石英砂共同組成，假 設骨料共有100份，恒定，則鐵精粉質(zhì)量份額為13?20. 5份、重晶石粉41?64份、石英砂 18 ?45. 7 份；
[0041] 膠結劑由生石灰和熟石膏共同組成，假設骨料共有100份，則生石灰2?10份，熟 石骨0?8份；
[0042] 調(diào)和劑使用日常飲用的自來水。
[0043] 一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料的制備方法，所述制備方法包括以下步 驟：
[0044] (1)材料稱量：嚴格按質(zhì)量配比稱量鐵精粉、重晶石粉、石英砂、生石灰、熟石膏和 水；
[0045] (2)干料攪拌：開啟攪拌機，攪拌葉公轉(zhuǎn)慢速（62轉(zhuǎn)/分鐘）狀態(tài)下，依次將鐵精 粉、重晶石粉、石英砂、生石灰和熟石膏等固體材料倒入攪拌機，攪拌5分鐘使固體材料充 分混合，形成均勻固體混合料；
[0046] (3)加水攪拌：將攪拌機內(nèi)的均勻固體混合料倒入鐵質(zhì)攪拌桶，用鍍銀鐵棒進行 繼續(xù)持續(xù)攪拌，同時緩慢倒入所稱量的水并持續(xù)攪拌10?15分鐘，直至攪拌桶內(nèi)形成均勻 的混合料；
[0047] (4)試樣制作：將拌合完成的均勻混合料分3層倒入涂有凡士林的三開預制剛性 模具（模具根據(jù)標準單軸壓縮試驗、直剪試驗等測試設備尺寸預制），采用夯實器逐層夯 實，相鄰層間用刀片打毛以確保不同層間有效結合；
[0048] (5)脫模養(yǎng)護：將試樣兩側(cè)刮平，放置5?10分鐘即可脫模，脫模后常溫養(yǎng)護3? 4天，待試樣質(zhì)量保持不變，即可得到所述軟巖相似材料模型。
[0049] 具體實施例
[0050] 實施例1
[0051] 為檢驗實施例1所配制軟巖相似材料的效果，本實施例選用了一種典型的真實軟 巖（一種淺黃色粉砂質(zhì)泥巖，此處定義該樣品為I#試樣）作為參考。為方便對比，此處擬 選用幾何相似比為1 : 50、重度相似比為1 : 1、應力相似比為1 : 50,對真實軟巖，即I# 試樣的相關物理力學參數(shù)進行轉(zhuǎn)化，如下表所示：

【權利要求】
1. 一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料，其特征在于：所述軟巖相似材料以重晶石 粉、鐵精粉、石英砂為骨料，以生石灰與熟石膏作為膠結劑，以水作為調(diào)和劑，其質(zhì)量份額比 例如下： 骨料：鐵精粉+重晶石粉+石英砂 100份 膠結劑：生石灰+熟石骨 2?18份 調(diào)和劑：自來水 6份。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料，其特征在于： 所述骨料由1250目的重晶石粉、100目的鐵精粉與18-25目的石英砂共同組成，假設骨 料共有100份，恒定，則鐵精粉質(zhì)量份額為13?20. 5份、重晶石粉41?64份、石英砂18? 45. 7 份； 膠結劑由生石灰和熟石骨共同組成，假設骨料共有1〇〇份，貝1J生石灰2?10份，熟石骨 0?8份； 調(diào)和劑使用日常飲用的自來水。
3. 根據(jù)權利要求1?2所述的一種基于軟巖遇水軟化特性的相似材料的制備方法，其 特征在于：所述制備方法包括以下步驟： (1) 材料稱量：嚴格按質(zhì)量配比稱量鐵精粉、重晶石粉、石英砂、生石灰、熟石膏和水； (2) 干料攪拌：開啟攪拌機，攪拌葉公轉(zhuǎn)慢速（62轉(zhuǎn)/分鐘）狀態(tài)下，依次將鐵精粉、 重晶石粉、石英砂、生石灰和熟石膏等固體材料倒入攪拌機，攪拌5分鐘使固體材料充分混 合，形成均勻固體混合料； (3) 加水攪拌：將攪拌機內(nèi)的均勻固體混合料倒入鐵質(zhì)攪拌桶，用鍍銀鐵棒進行繼續(xù) 持續(xù)攪拌，同時緩慢倒入所稱量的水并持續(xù)攪拌10?15分鐘，至攪拌桶內(nèi)形成均勻的混合 料； (4) 試樣制作：將拌合完成的均勻混合料分3層倒入涂有凡士林的預制剛性模具（模 具根據(jù)標準單軸壓縮試驗、直剪試驗等測試設備尺寸預制），采用夯實器逐層夯實，相鄰層 間用刀片打毛以確保不同層間有效結合； (5) 脫模養(yǎng)護：將試樣兩側(cè)刮平，放置5?10分鐘即可脫模，脫模后常溫養(yǎng)護3?4天， 待試樣質(zhì)量保持不變，即可得到所述軟巖相似材料試樣。
【文檔編號】C04B28/14GK104496387SQ201410820193
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】周翠英, 楊旭, 劉鎮(zhèn), 杜子純, 蘇定立 申請人:中山大學