一種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，該替代材料包括裂石劑CaO、Ti-CaO、Co-CaO、Zn-CaO或Ni-CaO，強(qiáng)度大于32.5的硅酸鹽水泥和/或高鋁水泥的混合物，β型半水石膏，草酸、檸檬酸或苯磺酸與過氧化氫或過氧化鈉的混合物，及減水劑中的聚氨酯、聚乙烯醇或木質(zhì)磺酸鹽組成。將材料在10-25℃的溫度下加水?dāng)嚢?，制得漿液，繼續(xù)攪拌至漿液凝固，并控制該凝固物的膨脹率為9%，該凝固物的彈性為500-550MPa，即為裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，并應(yīng)用于凍漲裂化含裂隙巖石上。將該混合物凝固體與冰的彈性模量相近，漿液凝固后將會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生與水結(jié)成冰時(shí)對(duì)巖石相同的劣化作用。使得替代材料變形破壞參數(shù)能保證在膨脹率為9%的條件下，膨脹材料不會(huì)發(fā)生自身的壓裂破壞。
【專利說明】一種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，并將其應(yīng)用于裂化含裂隙巖 石凍漲等效模擬上。

【背景技術(shù)】
[0002] 巖石凍漲循環(huán)是常見的自然現(xiàn)象，凍漲對(duì)巖石的物理化學(xué)性質(zhì)具有很大的影響， 而巖石常常被作為實(shí)際工程的基礎(chǔ)，因此，研宄巖石的性質(zhì)隨凍漲循環(huán)的變化規(guī)律具有極 重要的意義。
[0003] 常規(guī)凍漲試驗(yàn)，僅能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試件的凍漲試驗(yàn)，而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體，進(jìn)行野外 大塊體巖體的試驗(yàn)卻難以實(shí)現(xiàn)，主要原因有：（a)較大裂隙的存水問題不易解決，難以達(dá)到 裂隙保水下的凍脹效果。（b)現(xiàn)場(chǎng)難以找到大型設(shè)備對(duì)大體量的巖體進(jìn)行冷凍，保證其大尺 寸裂隙結(jié)冰。
[0004] 這些難點(diǎn)導(dǎo)致了目前還沒有針對(duì)大型裂隙巖體的原位凍脹試驗(yàn)的儀器和方法。
[0005] 因此，急需找出一種替代試驗(yàn)方法，以解決上述問題。而本實(shí)驗(yàn)所配制的混合料恰 能解決上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決目前常規(guī)凍漲試驗(yàn)采用冷凍，多次循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，效果不明顯，無法在 野外大體積巖石原位凍漲等問題，配制一種由裂石劑和水泥組成的混合物，通過膨脹率試 驗(yàn)繪制不同配合比的膨脹率曲線，選取不同膨脹率的混合物，進(jìn)而對(duì)含裂隙巖石進(jìn)行加速 劣化(膨脹率大于9%的混合物）的試驗(yàn)。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是： 一種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，該替代材料包括如下重量份的原料 組成：裂石劑10-50份，水泥35-48份、石膏15-28份、抑制劑1-8份及減水劑2-10份。
[0008] 該替代材料包括如下重量份的原料組成：裂石劑12份，水泥50份、石膏22 份、抑制劑6份及減水劑8份。
[0009] 所述的裂石劑為CaO或改性CaO,所述的改性CaO為Ti-CaO、Co-CaO、 Zn-CaO、Ni-CaO中的任意一種。
[0010] 所述的水泥為強(qiáng)度大于32. 5的硅酸鹽水泥和/或高鋁水泥的混合物。
[0011] 所述的抑制劑為草酸、檸檬酸或苯磺酸與過氧化氫或過氧化鈉以質(zhì)量比為 5. 8-12. 5:0. 5-2. 5 的混合物。
[0012] 所述的減水劑為聚氨酯、聚乙烯醇、木質(zhì)磺酸鹽中的任意一種。
[0013] 本發(fā)明的另一目的在于裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料制備方法是將裂石 劑，水泥、石膏、抑制劑及減水劑依次加入反應(yīng)器中，在10-25°C的溫度下加水?dāng)嚢?，?得漿液，繼續(xù)攪拌該漿液至漿液凝固，并控制該凝固物的膨脹率為9%，該凝固物的彈性為 500-550MPa〇
[0014] 本發(fā)明的又一目的在于將裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料應(yīng)用于加速裂化含 裂隙巖石凍漲循環(huán) 通過監(jiān)測(cè)膨脹率分析裂化材料的加速裂化效果。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：裂石劑和其他材料(水泥，石膏等）配比而成的混合物，調(diào)節(jié)不 同混合物的摻量，并用水調(diào)成漿液，使得漿液凝固后膨脹率與水結(jié)成冰的膨脹率相同，即膨 脹率為9%，同時(shí)滿足混合物凝固體與冰的彈性模量相近，約530Mpa，將此混合物漿液填充 于裂隙巖體中，漿液凝固后將會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生與水結(jié)成冰時(shí)對(duì)巖石相同的劣化作用。在上述 條件滿足的條件下，由于替代材料加入水泥，且其受力環(huán)境多為多向受壓，使得替代材料變 形破壞參數(shù)能保證在膨脹率為9%的條件下，膨脹材料不會(huì)發(fā)生自身的壓裂破壞。
[0016] 替代材料經(jīng)過配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，使用易于配制，凝固后穩(wěn)定性好，所用設(shè)備簡(jiǎn)單， 易于操作，無需冰箱等電力設(shè)備，因此，比常規(guī)凍漲試驗(yàn)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。
[0017] 替代材料漿液可以通過小導(dǎo)壓漿或振動(dòng)使混合料漿液充分填滿巖石裂隙，具有較 好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，可明顯加快試驗(yàn)進(jìn)度，使替代實(shí)驗(yàn)具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，使實(shí)驗(yàn)效果 更明顯。
[0018] 替代試驗(yàn)方法還可用于現(xiàn)場(chǎng)的原位野外試驗(yàn)，試驗(yàn)不受時(shí)間，季節(jié)，溫度的影響， 對(duì)大體積巖體試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)更加明顯 漿液凝固后膨脹率與水結(jié)成冰的膨脹率相同，即膨脹率為9%，同時(shí)滿足混合物凝固體 與冰的彈性模量相近，約530Mpa，將此混合物漿液填充于裂隙巖體中，漿液凝固后將會(huì)對(duì)巖 石產(chǎn)生與水結(jié)成冰時(shí)對(duì)巖石相同的劣化作用。在上述條件滿足的條件下，由于替代材料加 入水泥，且其受力環(huán)境多為多向受壓，使得替代材料變形破壞參數(shù)能保證在膨脹率為9%的 條件下，膨脹材料不會(huì)發(fā)生自身的壓裂破壞。
[0019] 能夠進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)大體積巖體的凍脹替代試驗(yàn)，且不受季節(jié)，溫度的影響，操作方 便，加入多種無損檢測(cè)手段，使結(jié)果更加可靠，試驗(yàn)無需大型設(shè)備，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，具有很好的實(shí) 用性。
[0020] 能對(duì)不同尺度的巖體進(jìn)行凍脹劣化模擬，而常規(guī)凍脹因設(shè)備，取樣麻煩，難以測(cè)量 等各方面困難難以做到。
[0021] 該替代材料和試驗(yàn)方法可用于含有裂隙的混凝土渠道，管道等大體積(面積）構(gòu)筑 物的原位凍脹劣化試驗(yàn)，對(duì)研宄含有混凝土渠道，管道等的凍脹作用具有重要的意義，同時(shí) 原位測(cè)試具有較好的準(zhǔn)確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為不同氧化鈣含量膨脹率隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線。
[0023] 圖2為圖1前25小時(shí)的膨脹率增長(zhǎng)曲線。
[0024] 圖3為增長(zhǎng)率隨氧化鈣含量增長(zhǎng)的變化曲線。
[0025] 圖4為膨脹率為9%的混合料膨脹率增長(zhǎng)曲線。

【具體實(shí)施方式】 [0026] 實(shí)施例1 一種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，該替代材料包括如下重量份的原料 組成：CaO 10份或20份或30份或40份或50份、強(qiáng)度大于32. 5的硅酸鹽水泥和高鋁 水泥的混合物50份、石膏22份、苯磺酸5. 85份與過氧化氫1. 25份、木質(zhì)磺酸鹽8份。將 上述材料依次加入反應(yīng)器中，在25°C的溫度下加水?dāng)嚢?，制得漿液，繼續(xù)攪拌該漿液至漿液 凝固，并控制該凝固物的膨脹率為9%，該凝固物的彈性為500MPa，即為裂隙巖石凍脹裂化 的等效替代材料。
[0027] 圖1為不同氧化鈣含量膨脹率隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線。從圖中可以看出，隨著時(shí)間 的增加，在不同的氧化鈣條件下，其膨脹率也逐級(jí)增加，但，隨著氧化鈣含量的增加，其 膨脹率增加的程度不同，氧化鈣含量為50%時(shí)，膨脹率隨之增加的程度越大。圖3為增長(zhǎng)率 隨氧化鈣含量增長(zhǎng)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著氧化鈣含量的增加，膨脹率持續(xù)增 加，應(yīng)征了圖1。
[0028] 裂隙巖石凍脹等效替代試驗(yàn)方法可采用兩種方式： ⑴采用圖3所示，控制替代材料最終膨脹率為9%進(jìn)行等效模擬，無需控制時(shí)間，膨脹率 利于把握。
[0029] ⑵采用圖2所示，控制替代材料膨脹率達(dá)到9%的時(shí)間，采用不同的配比，所用時(shí)間 不同，可明顯縮短試驗(yàn)時(shí)間，具有較大的時(shí)間效應(yīng)。
[0030] 所述替代材料為氧化鈣和其他材料(水泥石膏）的混合物調(diào)成的漿液，所用氧化鈣 為過燒氧化鈣。將不同配比的混合物按不同的用水量調(diào)成漿液狀，用水量與混合料的質(zhì)量 比值按照如下公式計(jì)算： ff%=L*30%+S*50%〇
[0031] W :用水量與混合料的質(zhì)量比值； L :混合料中氧化鈣含量百分比； S :混合料中水泥、石膏總量的百分比。
[0032] 其他材料中，水泥與石膏的含量調(diào)整，其膨脹率變化很小，調(diào)整二者比例，可得彈 性模量為530Mpa混合物，用水量的取值根據(jù)混合物水化需水量以及考慮到調(diào)制后漿液的 流動(dòng)性，并經(jīng)試配后綜合取定。
[0033] 含裂隙巖石凍脹劣化的等效替代試驗(yàn)方法，通過上述的膨脹率增長(zhǎng)曲線，得出膨 脹率為9%的混合料配合比為氧化鈣含量12份，其他材料含量，配成混合物用水量W%為 12%*30%+88%*50%=47. 6%，將上述混合物和所需用水量調(diào)成漿液待用。膨脹率為9%的混合 料其膨脹率增長(zhǎng)曲線如下圖4所示。
[0034] 從圖中可以看出，膨脹率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，在54-55小時(shí)時(shí)，增長(zhǎng)率達(dá) 到最大，為9%，之后膨脹率趨于穩(wěn)定。
[0035] 所述含裂隙巖石凍脹劣化的等效替代試驗(yàn)方法，用2只相同型號(hào)容量為25ml左右 的薄塑料瓶，一只A充滿混合物漿液，另一只B充滿水，然后擰緊蓋子封閉。
[0036] 精確測(cè)量充滿混合物漿液的A試樣初始體積，裝滿水B試樣的體積Vai，V bi。將A 試樣室溫放置，放置時(shí)間為膨脹率達(dá)到9%為止，其時(shí)間可由以上圖2查得，為60h。B試樣 放入冷柜中冷凍，冷凍時(shí)間與A放置時(shí)間相同。將膨脹后的A，B組試樣在冰水中測(cè)量膨脹 后的體積 VA2/ml，VB2/ml。
[0037] 所述含裂隙巖石凍脹劣化的等效替代試驗(yàn)效果對(duì)比，測(cè)試為有壓測(cè)試（即瓶子對(duì) 二者的圍壓)，所以測(cè)試的膨脹率要比自由膨脹率數(shù)值偏小，但二者所受的圍壓相同，滿足 平桿對(duì)比的悪龍"結(jié)里加下耒所示，

【權(quán)利要求】
1. 一種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，其特征在于，該替代材料包括如下重量份 的原料組成：裂石劑10-50份、水泥35-48份、石膏15-28份、抑制劑0. 5-8份及減水劑2-10 份。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，其特征在于，該替代材 料包括如下重量份的原料組成：裂石劑12份、水泥50份、石膏22份、抑制劑6份及減水劑 8份。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的裂 石劑為CaO或改性CaO,所述的改性CaO為Ti-CaO、C〇-CaO、Zn-CaO、Ni_CaO中的任意一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的水 泥為強(qiáng)度大于32. 5的硅酸鹽水泥和/或高鋁水泥的混合物。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的石 膏為e型半水石膏。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的抑 制劑為草酸、檸檬酸或苯磺酸與過氧化氫或過氧化鈉以質(zhì)量比為5. 8-12. 5:0. 5-2. 5的混 合物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料，其特征在于，所述的減 水劑為聚氨酯、聚乙烯醇、木質(zhì)磺酸鹽中的任意一種。
8. -種裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料的制備方法，其特征在于：將裂石劑，水泥、 石膏、抑制劑及減水劑依次加入反應(yīng)器中，在l〇_25°C的溫度下加水?dāng)嚢?，制得漿液，繼續(xù)攪 拌該漿液至漿液凝固，并控制該凝固物的膨脹率為9%，該凝固物的彈性為500-550MPa，即 為裂隙巖石凍脹裂化的等效替代材料。
9. 權(quán)利要求1-8中任意一項(xiàng)所述的等效替代材料在凍漲裂化含裂隙巖石上的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C04B28/14GK104446297SQ201410704256
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】劉杰, 樊留軍, 李建林 申請(qǐng)人:三峽大學(xué)