本發(fā)明涉及一種類巖石材料，尤其是涉及一種用于應(yīng)力測試的類巖石材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在建筑領(lǐng)域，材料的破壞性能與破壞狀態(tài)對工程來說至關(guān)重要，隨著理論研究的深入和工程技術(shù)的進步，對材料受力破壞特性的研究也向著精細化方向發(fā)展。如果能夠在細觀上得到材料在破壞斷面的應(yīng)力分布，就可以判斷結(jié)構(gòu)或土體在相應(yīng)部位的受力狀態(tài)，從而為材料或結(jié)構(gòu)的改進提供參考。

為了得到材料的應(yīng)力分布模式，許多觀測手段應(yīng)運而生，電鏡掃描技術(shù)就是一種能夠直觀得到材料細觀形貌特征的觀測手段。目前常用的試樣大多不導(dǎo)電，使用電鏡掃描方法觀測不導(dǎo)電的試樣時，為了增加樣品表面的導(dǎo)電性、減輕樣品荷電，需要對試樣進行導(dǎo)電處理。常用的方法為金屬噴涂，即采用離子濺射儀對試樣表面噴一層W或Au，再通過導(dǎo)電膠帶將試樣的表面層連接到樣品臺上，導(dǎo)出多余電子。這種方法存在很多弊端，對于材料的破壞斷面來說，觀察面的形狀凹凸起伏幅度較大，噴金處理的時候很難把觀察面全部噴到，想要噴涂均勻更是不可能；此外，噴金過程還可能對材料表面的形貌特征造成影響，掩蓋甚至改變斷面晶體的形態(tài)細節(jié)，影響觀察效果和測試的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題而提供一種免噴金處理、分析測試準(zhǔn)確的用于應(yīng)力測試的類巖石材料及其制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種用于應(yīng)力測試的類巖石材料，所述的類巖石材料包括石膏層和碳納米管層，所述的碳納米管層夾雜在石膏層中間，石膏層與碳納米管層相間分布。

所述的石膏層和碳納米管層相互平行。

所述的石膏層與碳納米管層的厚度比值為4-6：1。

所述的碳納米管層包含多壁碳納米管。

所述的用于應(yīng)力測試的類巖石材料的制備方法，具體包括以下步驟：

(1)將碳納米管分散在清水和聚乙烯吡咯烷酮的混合液中，制備碳納米管懸浮液；

(2)在碳納米管懸浮液中加入石膏緩凝劑攪拌，再加入高強石膏攪拌，至石膏呈現(xiàn)流動狀態(tài)，制得碳納米管漿料混合物；

(3)在清水中加入石膏緩凝劑攪拌，再加入高強石膏，攪拌至石膏呈現(xiàn)流動狀態(tài)，制得石膏漿；

(4)將步驟(3)制得的石膏漿和步驟(2)制得的碳納米管漿料混合物依次相間的澆筑在模具中，養(yǎng)護凝固后，拆模即制得該材料。

步驟(1)采用磁力攪拌和超聲處理，所述的清水、聚乙烯吡咯烷酮和碳納米管的重量比為1500-2500：8-12：1。

步驟(2)所述的碳納米管懸浮液、石膏緩凝劑與高強石膏的重量比為15-25：1：90-110，所述的石膏緩凝劑采用堿性磷酸鹽類緩凝劑。

步驟(3)所述的清水、石膏緩凝劑與高強石膏的重量比為1：0.04-0.06：4-6。

步驟(4)所述的模具為100mm×40mm×10mm，澆筑過程同時進行振動，并將每一層表面抹平，所述養(yǎng)護的時間為24h。

碳納米管作為一種良好的標(biāo)識材料，對其進行分散后，可均勻分布在試樣中，由于碳納米管尺寸為納米級，比常規(guī)材料尺寸小幾個數(shù)量級，采用本發(fā)明碳納米管公開的添加量，不影響材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)，同時碳納米管的導(dǎo)電性能良好，加入材料后在掃描試驗中可以作為導(dǎo)電材料，從而不用對試樣進行噴鍍金屬膜處理，可避免對試樣表面的污染。

采用本方法制得的類巖石材料可作為應(yīng)力分布測試的標(biāo)準(zhǔn)試樣，對試樣進行破壞實驗，將破壞后的試樣制成包含破壞斷面與碳納米管夾層的觀測樣品，直接用掃描電鏡進行觀測，根據(jù)石膏晶體與碳納米管的細觀形態(tài)，將復(fù)雜受力試樣的破壞斷面掃描圖與單純受力破壞的電鏡掃描圖進行比對，從而得到試樣破壞斷面上的應(yīng)力分布。

本發(fā)明對傳統(tǒng)電鏡掃描觀測方法進行改進后，碳納米管夾層可以將原本不導(dǎo)電的試樣變?yōu)榫植繉?dǎo)電，因此使用電鏡掃描前無需在試樣表面噴涂金屬，從而避免了噴金過程中金屬層分布不均、影響斷面細觀形態(tài)等缺點。此外，夾層中的多壁碳納米管還可以作為標(biāo)識物輔助判斷所處區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，從而得到復(fù)雜受力狀態(tài)下破壞斷面的應(yīng)力分布情況。同時，碳納米管夾層較薄，對試樣進行破壞實驗時，受力方向與夾層長度方向垂直，不影響材料整體的力學(xué)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明類巖石材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明類巖石材料斷面示意圖；

圖3為本發(fā)明電鏡掃描試樣的示意圖；

圖中：1-碳納米管層；2-純石膏層；3-試樣斷面；4-樣品臺；5-導(dǎo)電膠帶。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例1

一種用于應(yīng)力測試的類巖石材料，包括碳納米管層1和純石膏層2，如圖1、圖2所示，具體采用以下步驟制得：

步驟1：制備多壁碳納米管懸浮液。為了減小多壁碳納米管的摻入對材料強度的影響，在其處理過程中要將聚集狀態(tài)的碳納米管顆粒分散。將水、多壁碳納米管、聚乙烯吡咯烷酮按照質(zhì)量為20:0.01:0.1的比例分別稱重各樣品，再將0.1g的聚乙烯吡咯烷酮加入到裝有20ml水的燒杯中，磁力攪拌到聚乙烯吡咯烷酮完全溶解，最后將0.01g的多壁碳納米管加入到溶液中，磁力攪拌2-3min后，對混合溶液超聲處理5min?？梢园l(fā)現(xiàn)混合溶液渾濁，在強光下觀察可以看到燒杯底部基本沒有黑色納米管沉淀，說明分散效果比較好。

步驟2：制備石膏與碳納米管混合溶液。取用多壁碳納米管上部懸浮液20ml，加入1g石膏緩凝劑，磁力攪拌到緩凝劑完全溶解，沒有大顆粒積聚物。然后分次加入總重100g的高強石膏，充分?jǐn)嚢柚潦喑尸F(xiàn)流動狀態(tài)。

步驟3：制備石膏漿。取清水5ml，加入0.25g石膏緩凝劑，石膏緩凝劑采用堿性磷酸鹽類緩凝劑，磁力攪拌到緩凝劑完全溶解，沒有大顆粒積聚物。然后分次加入總重25g的高強石膏，充分?jǐn)嚢柚潦喑尸F(xiàn)流動狀態(tài)。

步驟4：制備實驗試樣。先將攪拌均勻的石膏倒入100mm×40mm×10mm的自制模具中，底面為40mm×10mm，倒入高度至約4mm時，改為倒入一層石膏與碳納米管混合溶液，厚度約為1mm，再繼續(xù)倒入石膏漿液。澆筑過程中充分振動，以便排出模型中的氣泡。同時將表面抹平，養(yǎng)護24h，待石膏模型凝固后拆模，即得到類巖石材料。

實施例2

將實施例1得到的類巖石材料用于斷面應(yīng)力分析測試，以制得的類巖石材料作為標(biāo)準(zhǔn)試樣進行破壞實驗，如圖3所示，將測試試樣放置在樣品臺4上，將導(dǎo)電膠5帶放置在測試試樣與樣品臺4之間，可對試樣斷面3進行檢測，在不擾動破壞斷面的情況下，切除部分包含破壞斷面與碳納米管夾層的試樣制成電鏡掃描樣品，觀測破壞斷面的細觀形態(tài)。在電鏡掃描圖中，可以觀察到石膏晶體與多壁碳納米管在不同的破壞斷面上呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征。與純拉、純剪破壞斷面上的石膏晶體和碳納米管的細觀形態(tài)進行對比，可以判斷所處位置上的應(yīng)力狀態(tài)，最終得到破壞斷面上的應(yīng)力分布圖。

實施例3

本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于物料的用量，本實施例中，碳納米管懸浮液中清水、聚乙烯吡咯烷酮和碳納米管的重量比為2500：12：1，碳納米管層中碳納米管懸浮液、石膏緩凝劑與高強石膏的重量比為25：1：110，純石膏層中清水、石膏緩凝劑與高強石膏的重量比為1：0.06：6，制得的試樣石膏層的厚度為6mm，碳納米管層的厚度為1mm。

實施例4

本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于物料的用量，本實施例中，碳納米管懸浮液中清水、聚乙烯吡咯烷酮和碳納米管的重量比為1500：8：1，碳納米管層中碳納米管懸浮液、石膏緩凝劑與高強石膏的重量比為15：1：90，純石膏層中清水、石膏緩凝劑與高強石膏的重量比為1：0.04：4，制得的試樣石膏層的厚度為5mm，碳納米管層的厚度為1mm。