專利名稱：用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)用材料及制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于近代生產(chǎn)建設(shè)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的建筑物，如大壩、廠房、隧洞、地下電站等都需要修建在具有復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的巖基上或者巖體內(nèi)，因而使這類建筑物的抗滑穩(wěn)定、基礎(chǔ)變形對建筑物結(jié)構(gòu)的影響等問題成為了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是根據(jù)一定的相似原理對特定工程地質(zhì)問題進(jìn)行縮尺研究的一種方法，試驗(yàn)的主要目的是研究各種建筑物在外荷載作用下的的極限承載能力、破壞形態(tài)、破壞機(jī)理和變形分布特性。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的研究內(nèi)容不僅限于已知荷載下的某一狀態(tài)，更重要的是研究在漸增荷載作用下直至破壞的整個(gè)變化過程，它采用真實(shí)的物理實(shí)體，在滿足材料相似，尤其是在力學(xué)相似條件下，能真實(shí)反映地質(zhì)構(gòu)造與工程建筑之間的關(guān)系，能模擬工程建筑對巖體所產(chǎn)生的影響，且能更直觀地顯示出工程建筑對巖體影響以及巖體變形對建筑物結(jié)構(gòu)的影響所產(chǎn)生的結(jié)果。因此，在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的研究過程中，滿足物理力學(xué)性能相似關(guān)系的模型材料是模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)，是模型試驗(yàn)是否成功的關(guān)鍵。目前我國正在建設(shè)和即將興建的水電工程地質(zhì)構(gòu)造中，影響整體穩(wěn)定的巖體種類多、性能差異大，尤其是在我國西南地區(qū)，很多工程中出現(xiàn)了大量的軟弱巖體，如IV、V類巖體、卸荷巖體、柱狀節(jié)理等，此類巖體強(qiáng)度和變形模量較低，性能較差，對工程整體穩(wěn)定帶來了非常不利的影響，因此需要有合適的模型相似材料來模擬此類軟弱巖體以便進(jìn)行以上所述的相關(guān)研究。而目前正在使用的地質(zhì)力學(xué)模型材料主要有以下幾種1、以環(huán)氧樹脂為膠凝劑的重晶石粉和石灰石的混合料Oberti G，F(xiàn)umagalliΕ.Static-geomechanical model of the Ridraco1iarch-grabity dam,4th ISRM，1979j0由于此類材料具有較高的強(qiáng)度和和變形模量，因而主要用來模擬較完整、較堅(jiān)硬的巖石。在材料配制過程不僅存在需要高溫固化，耗能的問題，且固化過程中散發(fā)的有毒氣體會危害人體健康。2、武漢水利電力大學(xué)韓伯鯉韓伯鯉，陳霞齡，寧一樂等。巖體相似材料的研究[J]。武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，3(K2) :6-9研制的MIB材料。該材料是以松香酒精溶液為膠結(jié)劑，加膜鐵粉和加膜石英砂為粗骨料，重晶石粉為細(xì)骨料。文中雖稱MIB材料具有高容重、高絕緣性和砌塊易粘結(jié)、易干燥、可切割、原材料易得等優(yōu)點(diǎn)，但根據(jù)該材料的組成來看，其不僅存在著諸如給鐵粉、石英砂加膜帶來的工藝復(fù)雜，使得制作成本增加，且還存在給鐵粉加膜所用的氯丁膠粘劑中含有甲苯，會對人體產(chǎn)生毒害作用的問題。另外，在使用中鐵粉外膜一旦脫落很容易生銹，影響材料性質(zhì)的穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致試驗(yàn)失敗等缺點(diǎn)，且該相似材料較難模擬軟弱巖體。3、清華大學(xué)研制的NIOS相似材料馬芳平，李仲奎，羅光福。NIOS模型材料及其在
3地質(zhì)力學(xué)相似模型試驗(yàn)中的應(yīng)用，水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004,23(1) :48-51 ]0該模型材料中含有主料磁鐵礦粉、河砂、粘結(jié)劑石膏或水泥、拌和用水及添加劑，不僅可以模擬較大的容重，其彈性模量和抗壓強(qiáng)度等主要力學(xué)指標(biāo)可以在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，配制也比較方便，而且其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，成本低廉，沒有毒性，對操作人員的身體健康和環(huán)境也沒有危害。但從其實(shí)驗(yàn)給出的彈性模量與膠凝材料含量關(guān)系曲線中可看出，在加石膏粘結(jié)劑的條件下，所制備試件的彈性模量最小值都在80MPa，如果粘結(jié)劑使用水泥的話，還會大幅度地提高試件的最小彈性模量值，因而該技術(shù)方案所得材料無法用于對軟弱巖體進(jìn)行相似模擬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述模型材料的缺點(diǎn)，提供一種新的、具有低強(qiáng)度和低變形模量性能，且可用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種制備上述可用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料的方法。本發(fā)明提供的用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料按質(zhì)量份計(jì)是由以下組分構(gòu)成重晶石粉100份半精煉石蠟 0.5-7份32號液壓機(jī)油 3-7份，其中重晶石粉的粒徑為200目，且將該材料制成容重為^KN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX IOcm的試樣測得的變形模量為13. 2 28. 3MPa，抗壓強(qiáng)度為0. 08 0. 19MPa ；將該材料制成容重為23KN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX 5cm的試樣測得的變形模量為11. 2 24. 7MPa，抗壓強(qiáng)度為0. 07 0. 17MPa。上述半精煉石蠟優(yōu)選熔點(diǎn)為M_60°C的。本發(fā)明提供的制備上述可用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料方法的工藝步驟和條件如下1)先將100份粒徑為200目的重晶石粉和0.5-7份半精煉石蠟混合均勻，然后烘干除水，取出冷卻至室溫；幻將3_7份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟中混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可，以上各物料的份數(shù)均為質(zhì)量份。上述方法中所用的半精煉石蠟優(yōu)選熔點(diǎn)為54_60°C的。使用時(shí)，先按容重和單塊體積尺寸將以上材料稱重，然后放入模具中夯壓成型，成型后在室內(nèi)自然干燥21天后進(jìn)行力學(xué)性能測試，符合要求即可作為地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的相似材料使用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明提供的巖體模擬材料中所用的粘結(jié)劑為化學(xué)穩(wěn)定性好，含油量適中，具有良好的防潮和絕緣性能，可塑性好的半精煉石蠟，因而既能使所得材料的抗壓強(qiáng)度和變形模量均較低，以為本領(lǐng)域提供一種可供相關(guān)研究選用的模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料，又能避免現(xiàn)有技術(shù)使用的粘結(jié)劑所產(chǎn)生的問題。
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2、由于本發(fā)明提供的巖體模擬材料中還使用了具有潤滑特性的32號液壓機(jī)油，該機(jī)油可降低材料的抵抗變形能力，因而可以通過其加入量來方便調(diào)節(jié)材料變形模量，使所得材料更容易滿足模擬性能差異較大的不同軟弱巖體的需要。3、由于本發(fā)明所使用的各組成不易受外界環(huán)境影響，加之各組成之間也不發(fā)生相互反應(yīng)，因而使所得材料在自然條件下的物理力學(xué)性能能夠保持穩(wěn)定，不至于因組成的原因?qū)е虏牧显谠囼?yàn)過程發(fā)生變化而影響試驗(yàn)結(jié)果，是一種較理想的軟弱巖體模型材料。4、由于本發(fā)明所用原材料來源廣泛，且無毒副作用，因而所得材料在制備和使用中都不會對人體造成傷害。5、由于本發(fā)明方法的制備過程簡單，且只對原料進(jìn)行常規(guī)的烘干，其它制備都是在室溫下進(jìn)行混合，因而耗能低，制備效率高，成本低。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述。有必要在此指出的是以下實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，且該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍然屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外，值得說明的是，1)以下實(shí)施例各物料的份數(shù)均為質(zhì)量份；2)以下實(shí)施例1 7所得材料的抗壓強(qiáng)度和變形模量值是將該材料制成容重為^KN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX IOcm的試樣測得的；而實(shí)施例8 13所得材料的抗壓強(qiáng)度和變形模量值是將該材料制成容重為23KN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX5cm的試樣測得的。實(shí)施例1先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為的半精煉石蠟0. 5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. IlMPa,變形模量為13. 2MPa。實(shí)施例2先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為的半精煉石蠟5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將7份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 08MPa,變形模量為15. 2MPa。實(shí)施例3先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為的半精煉石蠟5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將3份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 16MPa,變形模量為25. IMPa0實(shí)施例4先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為58°C的半精煉石蠟5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將5份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石
5粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 14MPa,變形模量為20. 7MPa。實(shí)施例5先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為58°C的半精煉石蠟3份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 15MPa,變形模量為18. 9MPa。實(shí)施例6先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為60°C的半精煉石蠟7份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 19MPa,變形模量為28. 3MPa。實(shí)施例7先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為60°C的半精煉石蠟5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將7份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. IOMPa,變形模量為15. 4MPa。實(shí)施例8先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為的半精煉石蠟0. 5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 09MPa,變形模量為11. 2MPa。實(shí)施例9先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為的半精煉石蠟5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將7份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 07MPa,變形模量為13. 5MPa。實(shí)施例10先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為56°C的半精煉石蠟5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將5份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. IlMPa,變形模量為17. 9MPa。實(shí)施例11先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為56°C的半精煉石蠟3份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 15MPa,變形模量為16. 8MPa。實(shí)施例12
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先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為60°C的半精煉石蠟7份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 17MPa,變形模量為24. 7MPa。實(shí)施例13先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點(diǎn)為60°C的半精煉石蠟5份混合均勻，然后于90°C下烘3小時(shí)除水，取出冷卻至室溫；將3份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再次混合均勻，最后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可。該材料的抗壓強(qiáng)度為0. 15MPa,變形模量為21. 7MPa。
權(quán)利要求
1.一種用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料，該材料按質(zhì)量份計(jì)是由以下組分構(gòu)成重晶石粉 100份半精煉石蠟 0. 5-7份32號液壓機(jī)油3-7份，其中重晶石粉的粒徑為200目，且將該材料制成容重為^KN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX IOcm的試樣測得的變形模量為13. 2 28. 3MPa，抗壓強(qiáng)度為0. 08 0. 19MPa ；將該材料制成容重為23KN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX 5cm的試樣測得的變形模量為11. 2 24. 7MPa，抗壓強(qiáng)度為0. 07 0. 17MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料，該材料中的半精煉石蠟的熔點(diǎn)為^-60°C。
3.—種權(quán)利要求1所述的用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料的制備方法，該方法的工藝步驟和條件如下1)先將100份粒徑為200目的重晶石粉和0.5-7份半精煉石蠟混合均勻，然后烘干除水，取出冷卻至室溫；2)將3-7份32號液壓機(jī)油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟中混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm即可.以上各物料的份數(shù)均為質(zhì)量份。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料的制備方法，該方法中所用的半精煉石蠟的熔點(diǎn)為M-60°C。
全文摘要
本發(fā)明公開的用于模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料按質(zhì)量份計(jì)是由重晶石粉100份，半精煉石蠟0.5-7份和32號液壓機(jī)油3-7份經(jīng)混合構(gòu)成，且該材料制成容重為26kN/m3、尺寸為10cm×10cm×10cm的試樣測得的變形模量為13.2～28.3MPa，抗壓強(qiáng)度為0.08～0.19MPa；將該材料制成容重為23kN/m3、尺寸為10cm×10cm×5cm的試樣測得的變形模量為11.2～24.7MPa，抗壓強(qiáng)度為0.07～0.17MPa。本發(fā)明還公開了該材料的制備方法。本發(fā)明提供的巖體模擬材料的抗壓強(qiáng)度和變形模量均較低，不僅可作為較理想的模擬軟弱巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料，且所用原材料來源廣泛，無毒副作用，制備過程簡單，耗能低，制備效率高，成本低。
文檔編號C04B32/00GK102390975SQ20111022564
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者張 林, 李新, 李朝國, 楊寶全, 楊庚鑫, 段斌, 胡成秋, 董建華, 陳媛, 陳建葉, 陳建康 申請人:四川大學(xué)