一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，包括模具制作、預制裂隙制作、混合液制作以及將固化試件反復進行烘焙、冷凍等步驟，最終制備得到模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料。本發(fā)明的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，操作方便，制作的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料經(jīng)實驗測試各項性質(zhì)與巖石接近且滿足巖石材料最重要的兩個性質(zhì)脆性特性和單軸壓縮條件下的剪脹特性，能夠解決真正巖石內(nèi)部裂紋無法直觀觀察的問題，對研究真實巖體內(nèi)部裂紋擴展貫通機理有著重要的現(xiàn)實意義。
【專利說明】一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，屬于巖土工程巖體破壞預測領域。

【背景技術】
[0002]巖體內(nèi)部的原生裂紋對巖體的強度和穩(wěn)定性產(chǎn)生十分重要的影響，國內(nèi)外很多巖體失穩(wěn)崩塌事故都是由于巖體內(nèi)部的原生裂紋在外力作用下擴展生長最終貫通的結(jié)果。針對此問題，前人開展了大量的試驗工作研究受壓情況下巖體內(nèi)部裂紋的擴展貫通情況。以往學者大多用相似材料如石膏或水泥砂漿或直接用真實巖體開展力學試驗研究其內(nèi)部裂紋擴展過程，但大多局限于對表面裂紋的研究，因為無論真實巖體還是相似材料都是非透明材料，這些材料在研究表面裂紋或穿透裂紋的擴展問題上取得了許多有意義的成果，但對于研究巖體內(nèi)部的裂紋擴展則變得十分困難，首先在這些材材內(nèi)部預制裂隙十分困難，想要預制試驗需要的形狀和角度的裂隙就更不現(xiàn)實，其次即使材料內(nèi)部有裂隙，在實驗過程中也不能觀測到裂隙擴展的具體過程而只能看到試件最終破壞的結(jié)果。近年來一些學者用CT掃描來研究巖體內(nèi)部裂紋擴展取得了一些有意義的成果，但CT掃描在即時性上不足，得到的實驗結(jié)果都是裂紋的宏觀破壞路徑，而細微裂紋的萌生擴展機理則難以捕捉到。
[0003]綜上所述，需要研制一種能夠方便的在其內(nèi)部預制裂隙且透明的類巖石材料然后開展力學試驗以直觀的研究巖體內(nèi)部裂紋擴展貫通機理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，制作的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料很好的滿足巖石的脆性特性和單軸壓縮條件下的剪脹特性。
[0005]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，包含以下步驟:
[0006](I)模具制作:模具采用PMMA材料制作，模具根據(jù)需要制作成合適尺寸，模具上口敞開下端封閉，在模具兩個側(cè)面鉆取小孔；
[0007](2)預制裂隙制作:采用云母片作為預制裂隙，根據(jù)實驗需要將云母片裁剪成合適形狀及大小，通過細棉線穿過小孔將預制裂隙固定在模具內(nèi)部，并在模具外層將小孔密封；
[0008](3)混合液制作:采用單位體積作為份數(shù)，用透明容器取100份液體不飽和聚酯樹脂，加入1-2份過氧化甲乙酮，沿同一方向均勻緩慢攪拌3-5分鐘待其混合均勻后加入
0.5-1.5份環(huán)烷酸鈷再均勻緩慢攪拌3-5分鐘使其混合均勻，此時混合液的顏色應色澤一致且無氣泡聚集，否則應繼續(xù)緩慢攪拌直至符合前述要求為止；然后將混合液迅速倒入固定好預制裂隙的模具中，盛入模具中的混合劑在20-30°室溫下靜置20分鐘左右待混合劑將要膠凝時加入10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份，石英砂加入過程中應緩慢翻拌混合液使石英砂能夠均勻分布在混合液中；
[0009](4)模具中的混合液在室溫下放置24h后固化成型為具有一定強度的試件，將固化后的試件從模具中取出，先將試件放入烘箱中在70-90°溫度條件下烘培20分鐘，再將試件取出放入冷凍箱中保持-60°低溫冷凍Ih ;之后將試件取出放入烘箱中在70-90°溫度條件下烘培20分鐘，再放入冷凍箱中用-60°低溫冷凍Ih ;如此反復進行3-4次后將試件放入冷凍箱中-50°低溫冷凍12h，處理后的試件即為模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料。
[0010]其中，所述步驟(I)中，通過改變模具兩個側(cè)面小孔的相互位置關系，調(diào)整云母片的角度和位置。
[0011]作為優(yōu)選，所述步驟(2)中，對小孔進行密封時是采用透明膠帶從模具外側(cè)將穿棉線的小孔封嚴。
[0012]作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，混合液通過漏斗過濾倒入模具中，漏斗出液口下沿緊貼模具內(nèi)壁，這樣可以避免倒入模具中的液體產(chǎn)生過多的氣泡影響成型后試件的透明度。
[0013]作為優(yōu)選，所述步驟(4)中固化后的試件用磨光機打磨，保持試件上下表面平行:由于不飽和樹脂固化過程中體積收縮，取出后的試件上表面有一定的凹陷，需用磨光機將上表面打磨平整使試件上下表面保持平行。
[0014]所述步驟(4)中的冷凍箱為DW-60W60冷凍箱。
[0015]有益效果:本發(fā)明的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，操作方便，制作的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料經(jīng)實驗測試各項性質(zhì)與巖石接近且滿足巖石材料最重要的兩個性質(zhì)脆性特性和單軸壓縮條件下的剪脹特性，能夠解決真正巖石內(nèi)部裂紋無法直觀觀察的問題，對研究真實巖體內(nèi)部裂紋擴展貫通機理有著重要的現(xiàn)實意義。

【具體實施方式】
[0016]圖1為單裂隙試件模具結(jié)構示意圖；
[0017]圖2為圖1的主視結(jié)構示意圖；
[0018]圖3為雙裂隙試件模具結(jié)構示意圖；
[0019]圖4為圖2的主視結(jié)構示意圖；
[0020]圖5為單裂隙試件裂紋擴展結(jié)果圖；
[0021]圖6為雙裂隙試件裂紋擴展結(jié)果圖。
[0022]
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0024]本發(fā)明的一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，包含以下步驟:
[0025](I)模具制作:如圖1至圖4所示，模具采用PMMA材料制作，模具根據(jù)需要制作成任意尺寸，例如可以是50mm*50mm*120mm的長方體狀，模具上口敞開下端封閉，根據(jù)實驗需要在模具兩個側(cè)面適當位置鉆取直徑為2mm的小孔以利于后續(xù)步驟中采用細棉線穿過小孔將預制裂隙固定在模具內(nèi)部適當位置；之后，將磨具內(nèi)表面涂抹一層很薄的？；
[0026](2)預制裂隙制作:采用云母片I作為預制裂隙，將云母片I根據(jù)實驗需要裁剪成長軸12_、短軸8m、厚度Imm的橢圓狀,當然橢圓的長、短軸大小可根據(jù)需要調(diào)整,這種情況下，剛性較小能很好的代表巖石中的原生張開裂隙；然后通過細棉線穿過小孔將云母片I根據(jù)實驗需要的角度和位置固定于模具中，具體操作如下:用兩根細棉線固定云母片1，云母片I上鉆有4個小孔，一根細棉線從模具小孔穿入在穿過云母片I的兩個小孔，最后從模具的另一個小孔穿出，同理另一根細線也同樣操作，然后將小孔封閉，云母片I就固定到模具中了。需要說明的是每個模具只能制作一種角度的裂隙。因為云母片I的角度由模具兩側(cè)面上的小孔位置(高差)決定，所以需要什么樣的角度裂隙就事先在完整模具側(cè)面上適當位置鉆取小孔即可。云母片I可以沿著細棉線移動，所以云母片I的位置很好控制。在倒入液體過程中需要沿著模具的另外兩個側(cè)壁倒入，液體不會直接沖擊云母片1，所以在倒入液體過程中，云母片I的角度和位置不會變化。最后用透明膠帶從模具外側(cè)將穿細棉線的小孔封嚴；根據(jù)預制裂隙數(shù)量的不同，可以分為單裂隙試件模具(如圖1至2所示)和雙裂隙試件模具(如圖2至3所示)；
[0027](3)混合液制作:采用單位體積作為份數(shù)，例如3ml為I份，用透明容器取100份液體不飽和聚酯樹脂(密度為1.2g/ml)，加入1-2份過氧化甲乙酮(密度為1.2g/ml)，沿同一方向均勻緩慢攪拌3-5分鐘左右待其混合均勻后加入0.5-1.5份環(huán)烷酸鈷再均勻緩慢攪拌3-5分鐘左右使三種溶劑混合均勻，此時混合液的顏色應色澤一致且無氣泡聚集，否則應繼續(xù)緩慢攪拌直至符合前述要求為止；然后將混合液迅速倒入固定好預制裂隙的模具中，倒入過程需要用漏斗過濾，漏斗出液口下沿應緊貼模具內(nèi)壁以避免倒入模具中的液體產(chǎn)生過多的氣泡影響成型后試件的透明度，盛入模具中的混合劑在20-30°室溫下靜置20分鐘左右待混合劑將要膠凝時加入10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份，石英砂加入過程中應緩慢翻拌混合液使石英砂能夠均勻分布在混合液中；
[0028](4)上述模具中的混合液在室溫下放置24h后將固化成型且具有一定的強度，此時將固化后的試件從模具中取出，由于不飽和樹脂固化過程中體積收縮，取出后的試件上表面有一定的凹陷，需用磨光機將上表面打磨平整使試件上下表面保持平行；然后將試件放入烘箱中用70-90°溫度烘培20分鐘，將試件取出放入DW-60W60的冷凍儲藏箱中保持-60°低溫冷凍Ih，再將試件取出放入烘箱中用70-90°溫度烘培20分鐘，再放入冷凍箱中用-60°低溫冷凍lh，如此反復進行3-4次后將試件放入冷凍箱中-50°低溫冷凍12h，處理后的試件為模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料。
[0029]在本發(fā)明中，制作的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的各項指標如下:彈性模量5.7GP，抗壓強度95.7Mp，抗拉強度17.8Mp,粘聚力23MP，摩擦角44° ;經(jīng)實驗測試各項性質(zhì)與巖石接近且滿足巖石材料最重要的兩個性質(zhì):①脆性特性，②單軸壓縮條件下的剪脹特性對圖5和圖6的內(nèi)容用文字進行表述。
[0030]如圖5所示，是單裂隙試件裂紋擴展結(jié)果圖，從圖中可以看出:
[0031]在單軸壓縮情況下，翼型裂紋從預制裂隙(黑色云母片I)長軸端部開始產(chǎn)生，然后逐漸生長擴大，最終生長半徑約為預制裂隙長軸長度的1.0-1.5倍。
[0032]如圖6所示，是雙裂隙試件裂紋擴展結(jié)果圖，從圖中可以看出:次生裂紋(包裹狀翼型裂紋)先從預制裂隙內(nèi)側(cè)端部萌生，這是因為兩預制裂隙內(nèi)側(cè)端部應力更集中的緣故，然后預制裂隙外側(cè)端部開始有裂紋萌生，并且預制裂隙內(nèi)側(cè)裂紋相互搭接導致巖橋貫通。
[0033]得出的結(jié)論是:前面所述的單裂隙試件和雙裂隙試件其次生裂紋起裂位置和擴展過程都與理論公式和以往學者CT掃描所得出的結(jié)果是一致的。說明此新型材料對模擬巖體內(nèi)部裂紋擴展的適用性，并且更經(jīng)濟，簡便直觀。
[0034]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)模具制作:模具采用PMMA材料制作，模具上口敞開下端封閉，在模具兩個側(cè)面鉆取小孔； (2)預制裂隙制作:采用云母片作為預制裂隙，根據(jù)實驗需要將云母片裁剪成合適形狀及大小，通過細棉線穿過小孔將預制裂隙固定在模具內(nèi)部，并在模具外層將小孔密封； (3)混合液制作:采用單位體積作為份數(shù)，用透明容器取100份液體不飽和聚酯樹脂，加入1-2份過氧化甲乙酮，沿同一方向均勻緩慢攪拌3-5分鐘待其混合均勻后加入0.5-1.5份環(huán)烷酸鈷再均勻緩慢攪拌3-5分鐘使其混合均勻，此時混合液的顏色應色澤一致且無氣泡聚集，否則應繼續(xù)緩慢攪拌直至符合前述要求為止；然后將混合液迅速倒入固定好預制裂隙的模具中，盛入模具中的混合劑在20-30°室溫下靜置20分鐘待混合劑將要膠凝時加入10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份，石英砂加入過程中應緩慢翻拌混合液使石英砂能夠均勻分布在混合液中； (4)模具中的混合液在室溫下放置24h后固化成型為具有一定強度的試件，將固化后的試件從模具中取出，先將該試件放入烘箱中在70-90°溫度條件下烘培20分鐘，再將試件取出放入冷凍箱中保持-60°低溫冷凍Ih ;之后將試件取出放入烘箱中在70-90°溫度烘培20分鐘，再放入冷凍箱中用-60°低溫冷凍Ih ;如此反復進行3-4次后將試件放入冷凍箱中-50°低溫冷凍12h，處理后的試件即為模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，其特征在于:所述步驟(I)中，通過改變模具兩個側(cè)面小孔的相互位置關系，調(diào)整云母片的角度和位置。
3.根據(jù)權利要求1所述的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，其特征在于:所述步驟(2)中，對小孔進行密封時是采用透明膠帶從模具外側(cè)將穿棉線的小孔封嚴。
4.根據(jù)權利要求1所述的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，其特征在于:所述步驟(3)中，混合液通過漏斗過濾倒入模具中，漏斗出液口下沿緊貼模具內(nèi)壁。
5.根據(jù)權利要求1所述的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，其特征在于:所述步驟(4)中固化后的試件用磨光機打磨，保持試件上下表面平行。
6.根據(jù)權利要求1所述的模擬巖石內(nèi)部裂紋擴展透明材料的制作方法，其特征在于:所述步驟(4)中的冷凍箱為DW-60W60冷凍箱。
【文檔編號】C08L67/06GK104327472SQ201410555455
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權日:2014年10月17日
【發(fā)明者】朱珍德, 程實, 林恒星, 孫亞霖, 羅志華, 劉春梅, 傅蜀燕 申請人:河海大學