一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法

摘要

本发明公开了一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，包括模具制作、预制裂隙制作、混合液制作以及将固化试件反复进行烘焙、冷冻等步骤，最终制备得到模拟岩石内部裂纹扩展透明材料。本发明的模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，操作方便，制作的模拟岩石内部裂纹扩展透明材料经实验测试各项性质与岩石接近且满足岩石材料最重要的两个性质脆性特性和单轴压缩条件下的剪胀特性，能够解决真正岩石内部裂纹无法直观观察的问题，对研究真实岩体内部裂纹扩展贯通机理有着重要的现实意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，属于岩土工程岩体破坏预测领域。

背景技术

岩体内部的原生裂纹对岩体的强度和稳定性产生十分重要的影响，国内外很多岩体失稳崩塌事故都是由于岩体内部的原生裂纹在外力作用下扩展生长最终贯通的结果。针对此问题，前人开展了大量的试验工作研究受压情况下岩体内部裂纹的扩展贯通情况。以往学者大多用相似材料如石膏或水泥砂浆或直接用真实岩体开展力学试验研究其内部裂纹扩展过程，但大多局限于对表面裂纹的研究，因为无论真实岩体还是相似材料都是非透明材料，这些材料在研究表面裂纹或穿透裂纹的扩展问题上取得了许多有意义的成果，但对于研究岩体内部的裂纹扩展则变得十分困难，首先在这些材材内部预制裂隙十分困难，想要预制试验需要的形状和角度的裂隙就更不现实，其次即使材料内部有裂隙，在实验过程中也不能观测到裂隙扩展的具体过程而只能看到试件最终破坏的结果。近年来一些学者用CT扫描来研究岩体内部裂纹扩展取得了一些有意义的成果，但CT扫描在即时性上不足，得到的实验结果都是裂纹的宏观破坏路径，而细微裂纹的萌生扩展机理则难以捕捉到。

综上所述，需要研制一种能够方便的在其内部预制裂隙且透明的类岩石材料然后开展力学试验以直观的研究岩体内部裂纹扩展贯通机理。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，制作的模拟岩石内部裂纹扩展透明材料很好的满足岩石的脆性特性和单轴压缩条件下的剪胀特性。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，包含以下步骤：

(1)模具制作：模具采用PMMA材料制作，模具根据需要制作成合适尺寸，模具上口敞开下端封闭，在模具两个侧面钻取小孔；

(2)预制裂隙制作：采用云母片作为预制裂隙，根据实验需要将云母片裁剪成合适形状及大小，通过细棉线穿过小孔将预制裂隙固定在模具内部，并在模具外层将小孔密封；

(3)混合液制作：采用单位体积作为份数，用透明容器取100份液体不饱和聚酯树脂，加入1-2份过氧化甲乙酮，沿同一方向均匀缓慢搅拌3-5分钟待其混合均匀后加入0.5-1.5份环烷酸钴再均匀缓慢搅拌3-5分钟使其混合均匀，此时混合液的颜色应色泽一致且无气泡聚集，否则应继续缓慢搅拌直至符合前述要求为止；然后将混合液迅速倒入固定好预制裂隙的模具中，盛入模具中的混合剂在20-30°室温下静置20分钟左右待混合剂将要胶凝时加入10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份，石英砂加入过程中应缓慢翻拌混合液使石英砂能够均匀分布在混合液中；

(4)模具中的混合液在室温下放置24h后固化成型为具有一定强度的试件，将固化后的试件从模具中取出，先将试件放入烘箱中在70-90°温度条件下烘培20分钟，再将试件取出放入冷冻箱中保持-60°低温冷冻1h；之后将试件取出放入烘箱中在70-90°温度条件下烘培20分钟，再放入冷冻箱中用-60°低温冷冻1h；如此反复进行3-4次后将试件放入冷冻箱中-50°低温冷冻12h，处理后的试件即为模拟岩石内部裂纹扩展透明材料。

其中，所述步骤(1)中，通过改变模具两个侧面小孔的相互位置关系，调整云母片的角度和位置。

作为优选，所述步骤(2)中，对小孔进行密封时是采用透明胶带从模具外侧将穿棉线的小孔封严。

作为优选，所述步骤(3)中，混合液通过漏斗过滤倒入模具中，漏斗出液口下沿紧贴模具内壁，这样可以避免倒入模具中的液体产生过多的气泡影响成型后试件的透明度。

作为优选，所述步骤(4)中固化后的试件用磨光机打磨，保持试件上下表面平行：由于不饱和树脂固化过程中体积收缩，取出后的试件上表面有一定的凹陷，需用磨光机将上表面打磨平整使试件上下表面保持平行。

所述步骤(4)中的冷冻箱为DW-60W60冷冻箱。

有益效果：本发明的模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，操作方便，制作的模拟岩石内部裂纹扩展透明材料经实验测试各项性质与岩石接近且满足岩石材料最重要的两个性质脆性特性和单轴压缩条件下的剪胀特性，能够解决真正岩石内部裂纹无法直观观察的问题，对研究真实岩体内部裂纹扩展贯通机理有着重要的现实意义。

具体实施方式

图1为单裂隙试件模具结构示意图；

图2为图1的主视结构示意图；

图3为双裂隙试件模具结构示意图；

图4为图2的主视结构示意图；

图5为单裂隙试件裂纹扩展结果图；

图6为双裂隙试件裂纹扩展结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的一种模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的制作方法，包含以下步骤：

(1)模具制作：如图1至图4所示，模具采用PMMA材料制作，模具根据需要制作成任意尺寸，例如可以是50mm*50mm*120mm的长方体状，模具上口敞开下端封闭，根据实验需要在模具两个侧面适当位置钻取直径为2mm的小孔以利于后续步骤中采用细棉线穿过小孔将预制裂隙固定在模具内部适当位置；之后，将磨具内表面涂抹一层很薄的？；

(2)预制裂隙制作：采用云母片1作为预制裂隙，将云母片1根据实验需要裁剪成长轴12mm、短轴8m、厚度1mm的椭圆状，当然椭圆的长、短轴大小可根据需要调整，这种情况下，刚性较小能很好的代表岩石中的原生张开裂隙；然后通过细棉线穿过小孔将云母片1根据实验需要的角度和位置固定于模具中，具体操作如下：用两根细棉线固定云母片1，云母片1上钻有4个小孔，一根细棉线从模具小孔穿入在穿过云母片1的两个小孔，最后从模具的另一个小孔穿出，同理另一根细线也同样操作，然后将小孔封闭，云母片1就固定到模具中了。需要说明的是每个模具只能制作一种角度的裂隙。因为云母片1的角度由模具两侧面上的小孔位置(高差)决定，所以需要什么样的角度裂隙就事先在完整模具侧面上适当位置钻取小孔即可。云母片1可以沿着细棉线移动，所以云母片1的位置很好控制。在倒入液体过程中需要沿着模具的另外两个侧壁倒入，液体不会直接冲击云母片1，所以在倒入液体过程中，云母片1的角度和位置不会变化。最后用透明胶带从模具外侧将穿细棉线的小孔封严；根据预制裂隙数量的不同，可以分为单裂隙试件模具(如图1至2所示)和双裂隙试件模具(如图2至3所示)；

(3)混合液制作：采用单位体积作为份数，例如3ml为1份，用透明容器取100份液体不饱和聚酯树脂(密度为1.2g/ml)，加入1-2份过氧化甲乙酮(密度为1.2g/ml)，沿同一方向均匀缓慢搅拌3-5分钟左右待其混合均匀后加入0.5-1.5份环烷酸钴再均匀缓慢搅拌3-5分钟左右使三种溶剂混合均匀，此时混合液的颜色应色泽一致且无气泡聚集，否则应继续缓慢搅拌直至符合前述要求为止；然后将混合液迅速倒入固定好预制裂隙的模具中，倒入过程需要用漏斗过滤，漏斗出液口下沿应紧贴模具内壁以避免倒入模具中的液体产生过多的气泡影响成型后试件的透明度，盛入模具中的混合剂在20-30°室温下静置20分钟左右待混合剂将要胶凝时加入10-16目彩色石英砂5份，4-6目彩色石英砂5份，石英砂加入过程中应缓慢翻拌混合液使石英砂能够均匀分布在混合液中；

(4)上述模具中的混合液在室温下放置24h后将固化成型且具有一定的强度，此时将固化后的试件从模具中取出，由于不饱和树脂固化过程中体积收缩，取出后的试件上表面有一定的凹陷，需用磨光机将上表面打磨平整使试件上下表面保持平行；然后将试件放入烘箱中用70-90°温度烘培20分钟，将试件取出放入DW-60W60的冷冻储藏箱中保持-60°低温冷冻1h，再将试件取出放入烘箱中用70-90°温度烘培20分钟，再放入冷冻箱中用-60°低温冷冻1h，如此反复进行3-4次后将试件放入冷冻箱中-50°低温冷冻12h，处理后的试件为模拟岩石内部裂纹扩展透明材料。

在本发明中，制作的模拟岩石内部裂纹扩展透明材料的各项指标如下：弹性模量5.7GP，抗压强度95.7Mp，抗拉强度17.8Mp,粘聚力23MP，摩擦角44°；经实验测试各项性质与岩石接近且满足岩石材料最重要的两个性质：①脆性特性，②单轴压缩条件下的剪胀特性对图5和图6的内容用文字进行表述。

如图5所示，是单裂隙试件裂纹扩展结果图，从图中可以看出：

在单轴压缩情况下，翼型裂纹从预制裂隙(黑色云母片1)长轴端部开始产生，然后逐渐生长扩大，最终生长半径约为预制裂隙长轴长度的1.0-1.5倍。

如图6所示，是双裂隙试件裂纹扩展结果图，从图中可以看出：次生裂纹(包裹状翼型裂纹)先从预制裂隙内侧端部萌生，这是因为两预制裂隙内侧端部应力更集中的缘故，然后预制裂隙外侧端部开始有裂纹萌生，并且预制裂隙内侧裂纹相互搭接导致岩桥贯通。

得出的结论是：前面所述的单裂隙试件和双裂隙试件其次生裂纹起裂位置和扩展过程都与理论公式和以往学者CT扫描所得出的结果是一致的。说明此新型材料对模拟岩体内部裂纹扩展的适用性，并且更经济，简便直观。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。