強(qiáng)度梯度材料及其制備與試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種巖土工程的相似強(qiáng)度材料及其制備與試驗(yàn)方法，特別是一種強(qiáng)度梯度材料及其制備與試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖土工程領(lǐng)域中面臨的對(duì)象，如土，凍土等，受環(huán)境溫度、重力場(chǎng)的耦合作用，常形成顯著的宏細(xì)觀梯度特征。而目前的強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)理論均基于連續(xù)均質(zhì)材料建立發(fā)展而來，在描述粒狀巖土材料變形破壞相關(guān)問題中孕育諸多問題。利用原型材料研宄多梯度量賦存狀態(tài)下巖土材料變形場(chǎng)以及單梯度量巖土材料破壞機(jī)制的尺度效應(yīng)上存在困難和挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展相似強(qiáng)度材料并通過近似模擬方法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，學(xué)術(shù)和工程價(jià)值重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要提供一種來源廣泛，操作簡單，成本低，能夠容易實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度梯度材料及其制備與試驗(yàn)方法。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:該材料由基料和輔料兩種材料均勻混合并持續(xù)攪拌至凝固而成；基料由硫酸鹽水泥熟料100份、膨潤土 2-4份、去離子水混合攪拌而成；輔料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氫氧化鋰1-2份，保水劑1_2份、去離子水混合攪拌而成；基料和輔料的水灰比均為2:1-4:1，養(yǎng)護(hù)時(shí)間20-60min。
[0005]制備及試驗(yàn)過程中，通過控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水灰比兩個(gè)指標(biāo)分層澆筑，直至形成具有預(yù)期強(qiáng)度梯度特征的復(fù)合材料；具體為:
[0006](I)首先依據(jù)水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間確定材料強(qiáng)度，建立材料強(qiáng)度與水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的相互關(guān)系，然后根據(jù)設(shè)定的強(qiáng)度與其梯度，計(jì)算各澆筑分層的水灰比和固化時(shí)間；
[0007](2)然后根據(jù)上述強(qiáng)度與水灰比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系和設(shè)定的強(qiáng)度梯度特征，控制每層的水灰比和固化時(shí)間，分5-8層澆筑試樣至設(shè)定高度，每2-3層保持相同水灰比；
[0008](3)整體成型后在恒溫10°C，恒濕100%條件下養(yǎng)護(hù)10-30分鐘；
[0009](4)在材料試驗(yàn)機(jī)上固定試樣并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中在試樣高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器，獲得試樣孔壓場(chǎng)特征，在試驗(yàn)機(jī)前50-100cm處布置數(shù)碼相機(jī)，獲得變形場(chǎng)特征；所述的微型孔壓傳感器的直徑不超過試樣高度的2%。
[0010]有益效果及優(yōu)點(diǎn):試驗(yàn)過程中，沿試樣表面布置3到5只微型孔壓傳感器，聯(lián)合數(shù)字照相技術(shù)進(jìn)行單軸試驗(yàn)。利用該材料能夠再現(xiàn)梯度材料的變形場(chǎng)特征和破壞機(jī)制的尺度特征，并通過微型孔壓傳感器和數(shù)碼相機(jī)分別對(duì)試樣的孔壓場(chǎng)特征和變形場(chǎng)特征進(jìn)行觀測(cè)，即能完成梯度材料變形過程中滲流-變形耦合測(cè)量。
[0011]①利用該材料能夠再現(xiàn)梯度材料的破壞機(jī)制的尺度效應(yīng)，同時(shí)能很好克服目前多梯度量巖土材料試驗(yàn)與測(cè)試的困難。
[0012]②利用該材料可以實(shí)現(xiàn)變形場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合的測(cè)量與其誘導(dǎo)機(jī)制，在研宄梯度巖土材料滲流致災(zāi)問題中具有潛在優(yōu)勢(shì)。
[0013]材料來源廣泛，操作簡單，成本低，能夠容易實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
:
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I確定的材料強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水灰比的關(guān)系圖。
[0015]圖2-1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I制作的平行試樣I在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖。
[0016]圖2-2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I制作的平行試樣2在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖。
[0017]圖3-1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I對(duì)應(yīng)的原型凍土平行試樣I在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖。
[0018]圖3-2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I對(duì)應(yīng)的原型凍土平行試樣2在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]該材料由基料和輔料兩種材料均勻混合并持續(xù)攪拌至凝固而成；基料由硫酸鹽水泥熟料100份、膨潤土 2-4份、去離子水混合攪拌而成；輔料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氫氧化鋰1-2份，保水劑1-2份、去離子水混合攪拌而成；基料和輔料的水灰比均為2:1-4:1，養(yǎng)護(hù)時(shí)間 20-60min。
[0020]制備及試驗(yàn)過程中，通過控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水灰比兩個(gè)指標(biāo)分層澆筑，直至形成具有預(yù)期強(qiáng)度梯度特征的復(fù)合材料；具體為:
[0021](I)首先依據(jù)水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間確定材料強(qiáng)度，建立材料強(qiáng)度與水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的相互關(guān)系，然后根據(jù)設(shè)定的強(qiáng)度與其梯度，計(jì)算各澆筑分層的水灰比和固化時(shí)間；
[0022](2)然后根據(jù)上述強(qiáng)度與水灰比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系和設(shè)定的強(qiáng)度梯度特征，控制每層的水灰比和固化時(shí)間，分5-8層澆筑試樣至設(shè)定高度，每2-3層保持相同水灰比。
[0023](3)整體成型后在恒溫10°C，恒濕100%條件下養(yǎng)護(hù)10-30分鐘；
[0024](4)在材料試驗(yàn)機(jī)上固定試樣并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中在試樣高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器，獲得試樣孔壓場(chǎng)特征，在試驗(yàn)機(jī)前50-100cm處布置數(shù)碼相機(jī)，獲得變形場(chǎng)特征；所述的微型孔壓傳感器的直徑不超過試樣高度的2%。
[0025]實(shí)施實(shí)例1:以澆筑直徑50mm、高度100mm、強(qiáng)度梯度為14.350kPa/cm試樣為例:
[0026]首先，通過均勻強(qiáng)度試樣確定材料強(qiáng)度與水灰比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系。分別制備水灰比為2.50,2.75,3.00,3.25,3.50和3.75的基料和輔料，基料和輔料將混合并持續(xù)攪拌至凝固制成直徑50mm、高度10mm的試樣共6組，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為60分鐘、55分鐘、50分鐘、45分鐘、40分鐘、35分鐘，每組制備平行試樣3個(gè)。對(duì)成型試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲得了強(qiáng)度F與水灰比C和養(yǎng)護(hù)時(shí)間T的關(guān)系，如附圖1所示，圖中考慮單個(gè)試樣單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)間為10分鐘，且為了盡可能多地獲取強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系，因此試樣的實(shí)際養(yǎng)護(hù)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間加上附加養(yǎng)護(hù)時(shí)間。
[0027]其次，確定分層數(shù)并制備強(qiáng)度梯度試樣。如分層為7層的前提下，第1、第2層設(shè)定水灰比為Cl，第I層澆筑時(shí)間Λ Tl，第2層澆筑時(shí)間為Λ Τ2，第2至5層水灰比為C2，第3層澆筑時(shí)間Λ Τ3，第4層澆筑時(shí)間為Λ Τ4，第5層澆筑時(shí)間Λ Τ5，第6至7層水灰比為C3，第6層澆筑時(shí)間為Λ Τ6，第7層澆筑時(shí)間為Λ Τ7，整體養(yǎng)護(hù)時(shí)間為Λ Τ8。強(qiáng)度=f (水灰比C，養(yǎng)護(hù)時(shí)間Λ T)，則第I至第7層強(qiáng)度分別為f (Cl，Λ Tl + Λ Τ2+ Λ Τ3+ Λ Τ4+ ΛΤ5+ Δ Τ6+ Δ Τ7+ Λ Τ8)，f (Cl, Δ Τ2+ Δ Τ3+ Δ Τ4+ Δ Τ5+ Δ Τ6+ Δ Τ7+ Δ Τ8) f (C2, Δ Τ3+ Δ Τ4+ ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8), f (C2, ΔΤ4+ ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8), f (C2, ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8)f(C3, AT6+AT7+AT8),f(C3, ΔΤ7+ΔΤ8),且為試樣高度的線性函數(shù)?！揪唧w實(shí)施方式】為:第1、第2層設(shè)定水灰比為2.34，第I層澆筑時(shí)間3.3分鐘，第2層澆筑時(shí)間為3.3分鐘，第2至5層水灰比為2.85，第3層澆筑時(shí)間3.3分鐘，第4層澆筑時(shí)間為6分鐘，第5層澆筑時(shí)間6分鐘，第6至7層水灰比為3.75，第6層澆筑時(shí)間為6分鐘，第7層澆筑時(shí)間為2分鐘，整體養(yǎng)護(hù)時(shí)間為33分鐘；則第I至第7層強(qiáng)度分別為(2.34，63.0) = 0.0413kPa，f2(2.34, 59.6) = 0.0656kPa，f3(2.85, 56.3) = 0.0899kPa，f4(2.85, 53) = 0.1141kPa，f5(2.85，47) = 0.1384kPa，f6(3.75，41) = 0.1627kPa，f7(3.75，35) = 0.1870kPa ;試樣強(qiáng)度梯度為 14.350kPa/cm。
[0028]最后，在試樣表面沿高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器(直徑2_)，在試驗(yàn)機(jī)前50-100cm處架設(shè)數(shù)碼相機(jī)，獲得試樣變形場(chǎng)特征和滲流場(chǎng)特征，最終獲得不同工程環(huán)境變量條件下材料研宄的特征尺度，附圖2給出了試樣在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)量得到的變形場(chǎng)，附圖3為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I制備的強(qiáng)度梯度為14.350kPa/cm的試樣對(duì)應(yīng)的原型凍土在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布。
[0029]前期室內(nèi)試驗(yàn)表明，對(duì)于常規(guī)模擬巖土(如軟土和凍土)材料，5-7層的分層即可再現(xiàn)原型的變形場(chǎng)特征和破壞機(jī)制特征。如對(duì)于其它特殊材料，亦可適當(dāng)增加分層。
[0030]圖1為本發(fā)明確定的材料強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水灰比的關(guān)系。圖中考慮單個(gè)試樣單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)間為10分鐘，且為了盡可能多地獲取強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系，因此試樣的實(shí)際養(yǎng)護(hù)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間加上附加養(yǎng)護(hù)時(shí)間。
[0031]圖2-1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I制作的平行試樣I在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖，試樣強(qiáng)度梯度為14.350kPa/cm，直徑50mm，高度100mm。
[0032]圖2-2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I制作的平行試樣2在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖，試樣強(qiáng)度梯度為14.350kPa/cm，直徑50mm，高度100mm。
[0033]圖3-1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I對(duì)應(yīng)的原型凍土平行試樣I在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖。
[0034]圖3-2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例I對(duì)應(yīng)的原型凍土平行試樣2在單軸壓縮試驗(yàn)中測(cè)試到的變形場(chǎng)分布狀態(tài)圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種強(qiáng)度梯度材料，其特征是:該材料由基料和輔料兩種材料均勻混合并持續(xù)攪拌至凝固而成；基料由硫酸鹽水泥熟料100份、膨潤土 2-4份、去離子水混合攪拌而成；輔料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氫氧化鋰1-2份，保水劑1_2份、去離子水混合攪拌而成；基料和輔料的水灰比均為2:1-4:1，養(yǎng)護(hù)時(shí)間20-60min。
2.權(quán)利要求1所述的強(qiáng)度梯度材料的制備與試驗(yàn)方法，其特征是:制備及試驗(yàn)過程中，通過控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水灰比兩個(gè)指標(biāo)分層澆筑，直至形成具有預(yù)期強(qiáng)度梯度特征的復(fù)合材料；具體為: (1)首先依據(jù)水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間確定材料強(qiáng)度，建立材料強(qiáng)度與水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的相互關(guān)系，然后根據(jù)設(shè)定的強(qiáng)度與其梯度，計(jì)算各澆筑分層的水灰比和固化時(shí)間； (2)然后根據(jù)上述強(qiáng)度與水灰比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系和設(shè)定的強(qiáng)度梯度特征，控制每層的水灰比和固化時(shí)間，分5-8層澆筑試樣至設(shè)定高度，每2-3層保持相同水灰比； (3)整體成型后在恒溫10°C，恒濕100%條件下養(yǎng)護(hù)10-30分鐘； (4)在材料試驗(yàn)機(jī)上固定試樣并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中在試樣高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器，獲得試樣孔壓場(chǎng)特征，在試驗(yàn)機(jī)前50-100cm處布置數(shù)碼相機(jī)，獲得變形場(chǎng)特征；所述的微型孔壓傳感器的直徑不超過試樣高度的2%。
【專利摘要】一種強(qiáng)度梯度材料及其制備與試驗(yàn)方法。屬于巖土工程的相似強(qiáng)度材料的制備與試驗(yàn)方法。該材料由基料和輔料均勻混合并持續(xù)攪拌至凝固；基料由硫酸鹽水泥熟料、膨潤土和去離子水混合攪拌；輔料由硬石膏、石灰、氫氧化鋰，保水劑和去離子水?dāng)嚢?；基料和輔料水灰比均為2-4，養(yǎng)護(hù)時(shí)間20-60min。制備：控制養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水灰比指標(biāo)分層澆筑，直至形成預(yù)期強(qiáng)度梯度；確定材料強(qiáng)度與水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間，控制水灰比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，分層澆筑至設(shè)定高度，在恒溫和恒濕條件下整體養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)完成后，沿試樣表面布置微型孔壓傳感器，聯(lián)合數(shù)字照相技術(shù)進(jìn)行單軸試驗(yàn)。利用該材料能夠再現(xiàn)梯度材料的變形場(chǎng)特征和破壞機(jī)制的尺度特征，完成梯度材料變形過程中滲流-變形耦合測(cè)量。
【IPC分類】G01N3-08, G01N1-28
【公開號(hào)】CN104849117
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510270829
【發(fā)明人】趙曉東, 周國慶, 李瑞林, 賴澤金, 林超, 熊玖林, 王建洲, 梁恒昌, 陳鑫
【申請(qǐng)人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月25日