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(kāi)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(chǔ)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(jié)劑，自來(lái)水作為調(diào)和劑，通過(guò)將不同質(zhì)量配比的原料充分混合并夯實(shí)，獲得一定物理力學(xué)性能的軟巖相似材料。本發(fā)明的相似材料物理力學(xué)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(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，成本低廉，無(wú)毒無(wú)害，尤其適用于在軟巖工程安全的模型試驗(yàn)中廣泛使用。
【專利說(shuō)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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程地質(zhì)模型試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)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(qiáng)度軟巖遇水軟化特性及其對(duì) 軟巖工程安全性能的影響。

【背景技術(shù)】
[0002] 相似模型試驗(yàn)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(shí)體及其地質(zhì)構(gòu)造特征，通過(guò)模擬荷載作用方式、降雨模式等條件，研究巖土工程施工、運(yùn) 營(yíng)中的安全穩(wěn)定性及其破壞模式，長(zhǎng)期以來(lái)一直是高邊坡、堤壩、地下洞室及礦山等各類復(fù) 雜巖土工程安全穩(wěn)定性研究及機(jī)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(yàn)可靠性的關(guān)鍵。目前，大 多數(shù)學(xué)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(jié)物，經(jīng)過(guò)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(jí)軟弱圍巖材料及其軟弱結(jié)構(gòu)面等巖土工程材料。
[0004] 總體而言，目前多以相似材料的強(qiáng)度、重度等力學(xué)參數(shù)作為指標(biāo)評(píng)價(jià)相似材料工 程適應(yīng)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(jié)構(gòu)連接弱、親水性強(qiáng)、透水性弱，遇水極易軟化，在配制此類相 似材料時(shí)須考慮其軟化效應(yīng)，以增強(qiáng)相似試驗(yàn)?zāi)M的真實(shí)性。因此，本發(fā)明在前人研究基礎(chǔ) 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(guò)研究相似材料泡水 軟化系數(shù)、重度、強(qiáng)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(guó)內(nèi)外的研究中暫未見(jiàn)諸報(bào)道。因此，本研究可為軟巖模型試驗(yàn)相似模型試驗(yàn) 研究提供參考與借鑒。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，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(qiáng)度低、遇水軟化的特性，同時(shí)原材料來(lái)源廣泛，制作簡(jiǎn)單，養(yǎng)護(hù) 簡(jiǎn)易，制作成本低廉且無(wú)毒無(wú)害。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)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(jié)劑（生石灰、熟石膏）及調(diào)和劑（自來(lái) 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(jié)劑：生石灰+熟石膏 2?18份
[0010] 調(diào)和劑：自來(lái)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(shè)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(jié)劑由生石灰和熟石膏共同組成，假設(shè)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(lái)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(yán)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(kāi)啟攪拌機(jī)，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(jī)，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?dāng)嚢瑁簩嚢铏C(jī)內(nèi)的均勻固體混合料倒入鐵質(zhì)攪拌桶，用鍍銀鐵棒進(jìn)行 繼續(xù)持續(xù)攪拌，同時(shí)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(kāi)預(yù)制剛性 模具（模具根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等測(cè)試設(shè)備尺寸預(yù)制），采用夯實(shí)器逐層夯 實(shí)，相鄰層間用刀片打毛以確保不同層間有效結(jié)合；
[0019] (5)脫模養(yǎng)護(hù)：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(hù)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(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于：
[0021] (1)本發(fā)明配方的膠結(jié)劑在熟石膏基礎(chǔ)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(xué)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(qiáng)度范圍為0. 112? I. 234Mpa、抗拉強(qiáng)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(shí) 由于相似材料重度與真實(shí)軟巖重度接近、彈性模量與抗壓強(qiáng)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(yàn)，可克服模型試驗(yàn)需受 制于離心機(jī)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(shí)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(xué)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(lái)源廣泛，制作簡(jiǎn)單，養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)易，成型時(shí)間短，成本低廉且 無(wú)毒無(wú)害。
[0025] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為實(shí)施例1養(yǎng)護(hù)時(shí)間圖；
[0027] 圖2為實(shí)施例1軟巖相似材料自然狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線；
[0028] 圖3為實(shí)施例1軟巖相似材料自然狀態(tài)下直剪試驗(yàn)曲線；
[0029] 圖4為實(shí)施例1?3軟巖相似材料單軸抗壓強(qiáng)度隨泡水時(shí)間的變化規(guī)律；
[0030] 圖5為實(shí)施例2軟巖相似材料自然狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線；
[0031] 圖6為實(shí)施例2軟巖相似材料自然狀態(tài)下直剪試驗(yàn)曲線；
[0032] 圖7為實(shí)施例3軟巖相似材料自然狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線；
[0033] 圖8為實(shí)施例3軟巖相似材料自然狀態(tài)下直剪試驗(yàn)曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0035] 以下實(shí)施例僅用于更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明 的保護(hù)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(yàn)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(jié)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(jié)劑：生石灰+熟石膏 2?18份
[0039] 調(diào)和劑：自來(lái)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(shè)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(jié)劑由生石灰和熟石膏共同組成，假設(shè)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(lái)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(yán)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(kāi)啟攪拌機(jī)，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(jī)，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?dāng)嚢瑁簩嚢铏C(jī)內(nèi)的均勻固體混合料倒入鐵質(zhì)攪拌桶，用鍍銀鐵棒進(jìn)行 繼續(xù)持續(xù)攪拌，同時(shí)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(kāi)預(yù)制剛性 模具（模具根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等測(cè)試設(shè)備尺寸預(yù)制），采用夯實(shí)器逐層夯 實(shí)，相鄰層間用刀片打毛以確保不同層間有效結(jié)合；
[0048] (5)脫模養(yǎng)護(hù)：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(hù)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(shí)施例
[0050] 實(shí)施例1
[0051] 為檢驗(yàn)實(shí)施例1所配制軟巖相似材料的效果，本實(shí)施例選用了一種典型的真實(shí)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(duì)比，此處擬 選用幾何相似比為1 : 50、重度相似比為1 : 1、應(yīng)力相似比為1 : 50,對(duì)真實(shí)軟巖，即I# 試樣的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如下表所示：

【權(quán)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(jié)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(jié)劑：生石灰+熟石骨 2?18份 調(diào)和劑：自來(lái)水 6份。
2. 根據(jù)權(quán)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(shè)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(jié)劑由生石灰和熟石骨共同組成，假設(shè)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(lái)水。
3. 根據(jù)權(quán)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(yán)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(kāi)啟攪拌機(jī)，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(jī)，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?dāng)嚢瑁簩嚢铏C(jī)內(nèi)的均勻固體混合料倒入鐵質(zhì)攪拌桶，用鍍銀鐵棒進(jìn)行繼續(xù) 持續(xù)攪拌，同時(shí)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(yù)制剛性模具（模 具根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)單軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等測(cè)試設(shè)備尺寸預(yù)制），采用夯實(shí)器逐層夯實(shí)，相鄰層 間用刀片打毛以確保不同層間有效結(jié)合； (5) 脫模養(yǎng)護(hù)：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(hù)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(hào)】C04B28/14GK104496387SQ201410820193
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月16日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:中山大學(xué)