專利名稱：用于模擬巖體的地質力學模型相似材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于地質力學模型試驗用材料及制備技術領域，具體涉及一種用于模擬巖體的地質力學模型相似材料及其制備方法。
背景技術：
由于近代生產建設及科學技術的發(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雜地質構造的巖基上或者巖體內，因而使這類建筑物的抗滑穩(wěn)定、基礎變形對建筑物結構的影響等問題成為了地質力學模型試驗所研究的主要內容。地質力學模型試驗是根據一定的相似原理對特定工程地質問題進行縮尺研究的一種方法，試驗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)、破壞機理和變形分布特性。地質力學模型試驗的研究內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變化過程，它采用真實的物理實體，在滿足材料相似，尤其是在力學相似條件下，能真實反映地質構造與工程建筑之間的關系，能模擬工程建筑對巖體所產生的影響，且能更直觀地顯示出工程建筑對巖體影響以及巖體變形變形對建筑物結構的影響所產生的結果。因此，在地質力學模型試驗研究過程中， 滿足物理力學性能相似關系的模型材料是模型試驗的基礎，是模型試驗是否成功的關鍵。目前，我國正在建設和即將興建的水電工程地域中的地質構造復雜，影響整體穩(wěn)定的不同類別的巖體性能差異較大，因此在地質力學模型試驗研究過程中，需要制備出滿足相似關系的模型材料來模擬不同性能的巖體，以了解工程建筑對巖體所產生的影響。而目前正在使用的地質力學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，Fumagalli Ε.Static-geomechanical model of the Ridraco1iarch-grabity dam,4th ISRM，1979j0 此類材料由于具有較高的強度和和變形模量，因而主要用來模擬較完整、較堅硬的巖石。但這類材料在配制過程不僅存在需要高溫固化，耗能的問題，且環(huán)氧樹脂價格較貴，在固化過程中散發(fā)的有毒氣體會危害人體健康。2、武漢水利電力大學韓伯鯉研制的MIB材料韓伯鯉，陳霞齡，寧一樂等。巖體相似材料的研究[J]。武漢水利電力大學學報，1997，3(K2) :6-9。該材料是以松香酒精溶液為膠結劑，加膜鐵粉和加膜石英砂為粗骨料，重晶石粉為細骨料。文中雖稱MIB材料具有高容重、高絕緣性和砌塊易粘結、易干燥、可切割、原材料易得等優(yōu)點，但根據該材料的組成來看，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，影響材料性質的穩(wěn)定性，容易導致試驗失敗等缺點。3、清華大學研制的NIOS相似材料馬芳平，李仲奎，羅光福。NIOS模型材料及其在地質力學模型試驗中的應用，水力發(fā)電學報，2004,23(1) :48-51 ]0該模型材料中含有主料磁鐵礦粉、河砂、粘結劑石膏或水泥、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度等主要力學指標可以在較大的范圍內進行調整，配制也比較方便，而且
3其物理化學性質穩(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。但從其實驗給出的彈性模量與膠凝材料含量關系曲線中可看出，在加石膏粘結劑的條件下， 所制備試件的彈性模量最小值都在80MPa，很顯然，如果粘結劑采用水泥的話，還會大幅度地提高試件的最小彈性模量值。而在地質力學模型試驗中，根據不同巖體的相似比要求，常常需要制備模擬材料的彈性模量在SOMpa以下的，因而該技術方案不能滿足模擬不同性能巖體的需要，尤其是無法制備出彈性模量在SOMpa以下的相似材料。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服上述模型材料的缺點，提供一種新的、強度和變形模量可在較大范圍內變化的且可用于模擬巖體的地質力學模型相似材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述可用于模擬巖體的地質力學模型相似材料的制備方法。本發(fā)明提供的用于模擬巖體的地質力學模型相似材料按質量份計是由以下組分構成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29. 5 109. IMPa,抗壓強度為0. 33 1. 2IMPa ；將該材料制成容重為MKN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX 5cm的試樣測得的變形模量為洸· 4 94. 7MPa，抗壓強度為0. 30 1. 02MPa。上述水泥優(yōu)選標號為425、525或625的硅酸鹽水泥；半精煉石蠟優(yōu)選熔點為 54-60 °C 的。本發(fā)明提供的制備上述可用于模擬巖體的地質力學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2-6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2-6份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm;3)將0. 5-7份水泥加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；4)最后將0. 5 1. 5份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可，以上各物料的份數均為質量份。上述方法中所用的水泥優(yōu)選標號為425、525或625的硅酸鹽水泥；半精煉石蠟優(yōu)選熔點為討_601的。
重晶石粉
水泥
水
半精煉石蠟 32號液壓機油
2-6份 2-6 份，
100份 0.5-7 份
0.5 1.5份
4
使用時，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，成型后在室內自然干燥21天后進行力學性能測試，符合要求即可作為地質力學模型試驗的相似材料使用。本發(fā)明與現有技術相比，具有如下優(yōu)點1、由于本發(fā)明提供的巖體模擬材料中同時含有水泥、水和石蠟，其中水泥雖然本身并不具備粘結特性，但是水泥和水反應生成的水化產物，如水化硅酸鈣，水化鐵酸鈣等， 卻具有較高的強度和膠凝特性，該特性使得水泥在整個材料的組成中，成為了影響抗壓強度和變形模量的最敏感性組分，并為材料貢獻著較高的抗壓強度和變形模量，而石蠟的粘結特性與水泥水化產物的粘結特性相比要低的多，因此可以通過調節(jié)水泥、水和石蠟的摻入量來使巖體模擬材料的抗壓強度和變形模量在較大范圍內變化，以滿足模擬不同性能巖體的需要。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號液壓機油， 而該機油可降低材料的抵抗變形能力，因而可以通過調節(jié)其加入量來進一步方便地調節(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巖體的需要。3、由于本發(fā)明材料中所使用的各組成不易受外界環(huán)境影響，因而使所得材料在自然條件下的物理力學性能能夠保持穩(wěn)定，不至于因組成的原因導致材料在試驗過程發(fā)生變化而影響試驗結果，是一種較理想的巖體模型材料。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，且只對原料進行常規(guī)的烘干，其它制備都是在室溫下進行混合，因而耗能低，制備效率高，成本低。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明進行具體描述。有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，且該領域的技術熟練人員根據上述發(fā)明內容對本發(fā)明作出一些非本質的改進和調整，仍然屬于本發(fā)明的保護范圍。另外，值得說明的是，1)以下實施例各物料的份數均為質量份；2)以下實施例1 9所得材料的抗壓強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；而實施例10 17所得材料的抗壓強度和變形模量值是將該材料制成容重為MKN/m3、尺寸為IOcmX 10cmX5cm的試樣測得的。實施例1先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥7份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為1. 17MPa,變形模量為108. 2MPa。實施例2
5
先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為的半精煉石蠟2份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1. 5份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 33MPa,變形模量為29. 5MPa。實施例3先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為的半精煉石蠟6份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將0. 5份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 79MPa,變形模量為52. 2MPa。實施例4先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為58°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥3份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1. 5份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 69MPa,變形模量為64. IMPa0實施例5先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為58°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥0. 5份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 38MPa,變形模量為35. 6MPa。實施例6先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為58°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將2份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 7IMPa,變形模量為50. 4MPa。實施例7先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為58°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將6份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均
6勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 50MPa,變形模量為33. 2MPa。實施例8先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為60°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為525的水泥7份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為1. 2IMPa,變形模量為109. IMPa0實施例9先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為60°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為525的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 6IMPa,變形模量為41. 9MPa。實施例10先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥7份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為1. 02MPa,變形模量為94. 7MPa。實施例11先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為425的水泥0. 5份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 30MPa,變形模量為30. 8MPa。實施例12先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為56°C的半精煉石蠟2份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為525的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 37MPa,變形模量為26. 4MPa。實施例13先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為56°C的半精煉石蠟6份混合均勻，
7然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為525的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 66MPa,變形模量為43. 8MPa。實施例14先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為56°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將6份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為525的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 41MPa,變形模量為29. OMPa0實施例15先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為60°C的半精煉石蠟2份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為625的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 39MPa,變形模量為26. 7MPa。實施例16先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為60°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將4份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為625的水泥3份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將1. 5份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 62MPa,變形模量為55. 3MPa。實施例17先將100份粒徑為200目的重晶石粉和熔點為60°C的半精煉石蠟4份混合均勻， 然后于90°C下烘3小時除水，取出冷卻至室溫；將2份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻，然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；將標號為625的水泥1份加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混合均勻；最后將0. 5份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可。該材料的抗壓強度為0. 72MPa,變形模量為45. 5MPa。
8
權利要求
1.一種用于模擬巖體的地質力學模型相似材料，該材料按質量份計是由以下組分構成重晶石粉100份水泥0.5-7份水0.5 1.5份半精煉石蠟2-6份32號液壓機油2-6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29. 5 109. IMPa,抗壓強度為0. 33 1. 2IMPa ；將該材料制成容重為MKN/m3、尺寸為IOcmX IOcmX 5cm的試樣測得的變形模量 為洸.4 94. 7MPa，抗壓強度為0. 30 1. 02MPa。
2.根據權利要求1所述的用于模擬巖體的地質力學模型相似材料，該材料中的水泥為 標號425、525或625的硅酸鹽水泥。
3.根據權利要求1或2所述的用于模擬巖體的地質力學模型相似材料，該材料中的半 精煉石蠟的熔點為討_60で。
4.一種權利要求1所述的用于模擬巖體的地質力學模型相似材料的制備方法，該方法 的エ藝步驟和條件如下1)先將100份粒徑為200目的重晶石粉和2-6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2-6份32號液壓機油加入到烘干的重晶石粉和半精煉石蠟混合物中再混合均勻， 然后將混合好的材料粉碎至其粒徑< Imm ；3)將0.5-7份水泥加入到重晶石粉、半精煉石蠟和32號液壓機油的混合物中，繼續(xù)混 合均勻；4)最后將0.5 1. 5份水加入到以上的混合物中，再混合均勻即可， 以上各物料的份數均為質量份。
5.根據權利要求4所述的用于地質力學模型試驗的巖體相似材料的制備方法，該方法 中所用的水泥為標號425、525或625的硅酸鹽水泥。
6.根據權利要求4或5所述的用于地質力學模型試驗的巖體相似材料的制備方法，該 方法中所用的半精煉石蠟的熔點為M-60°C。
全文摘要
本發(fā)明公開的用于模擬巖體的地質力學模型相似材料按質量份計是由以下組分構成重晶石粉100份，水泥0.5-7份，水0.5～1.5份，半精煉石蠟2-6份，32號液壓機油2-6份經混合構成，且該材料制成容重為28kN/m3、尺寸為10cm×10cm×10cm的試樣測得的變形模量為29.5～109.1MPa，抗壓強度為0.33～1.21MPa；將該材料制成容重為24kN/m3、尺寸為10cm×10cm×5cm的試樣測得的變形模量為26.4～94.7MPa，抗壓強度為0.30～1.02MPa。本發(fā)明還公開了該材料的制備方法。由于本發(fā)明提供的巖體模擬材料中不僅因同時含有水泥、水、石蠟和液壓機油，因而可方便地通過調節(jié)各自的摻入量來使巖體模擬材料的抗壓強度和變形模量在較大范圍內變化，以滿足模擬不同性能巖體的需要，且制備過程簡單，耗能低，效率高，成本低。
文檔編號C04B28/00GK102390961SQ20111022572
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權日2011年8月8日
發(fā)明者張 林, 張立勇, 李新, 李朝國, 楊寶全, 楊庚鑫, 段斌, 胡成秋, 董建華, 陳媛, 陳建葉 申請人:四川大學