无水短养护软岩相似模型材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种无水短养护软岩相似模型材料，所述材料原料按重量份包括以下组分：重晶石粉100～150份、粗砂15～35份、石膏40～60份、酒精松香溶液5～15份、氧化铁黄10～20份；通过合理配比调配，模拟材料的单、三轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量等强度与变形参数均具有较大的变化范围，所用材料与原型材料具有非常相似的物理、力学性质，材料的物理、力学、化学、热学等性能稳定，能更好的模拟软弱围岩力学性能，变形特征统一，具有很好的复合胶结性，且无毒副作用不会对人体造成伤害，原材料来源广，价格低廉，制作方便，容易成型，凝固时间短，凝固前具有优异的和易性，便于施工和修补。

说明书

技术领域

本发明涉及模型试验相似材料，特别涉及一种无水短养护软岩相似模型材料及其制备方法。

背景技术

岩盐单轴抗压强度和弹性模量较低，软岩的弹性模量与单日轴抗压强度的比值与砂岩、花岗岩等相比较要小1-2个数量级，软岩的塑性变形能力大，具有孔隙度低、损伤自恢复等特性，其力学行为相当复杂。现有现场测试手段也很难对埋藏深度较大的岩盐溶腔围岩应力、应变特征和失稳过程进行观测。相似模拟试验研究，可以通过选择合适的相似材料和相似比，通过一系列严格控制的边界条件来模拟这一力学现象，而且相似模拟试验所需人力物力少，试验效应清楚直观，试验周期短。因此，恰当选择相似材料，开展软岩的相似模拟试验是研究岩盐溶腔稳定性的一种可行办法。目前，试验室采用的相似材料通常有：①石英砂、石膏和水泥混合料；②重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液；③水泥、石膏；④铁矿粉、河砂、石膏和水泥、添加剂；⑤铁矿粉、重晶石粉和石英砂作骨料，松香与酒精溶液作胶结剂，石膏粉作调节剂；⑥重晶石粉、石膏、砂子、甘油混合料；⑦重晶石粉、石膏、甘油混合料；⑧重晶石粉、膨润土混合料；⑨重晶石粉、重硅粉混合料等。这些相似材料与岩石的力学性能相似，然而这些材料通常是用来模拟脆性岩石的，具有较大的容重，弹强比通常较大，材料塑性变形能力较差，不适于模拟软岩这种具有低容重，低弹强比，流变性强的岩石。因此，需要研制相应的相似材料以满足试验室研究的需要。近年来，国内外许多单位对模型材料的研究都十分重视，研制出了很多模型材料，但是专门针对软弱围岩的相似材料很少，并且还有一定的不足之处。现有模型材料中绝大部分都包含有水或甘油，制作起来很不方便，养护时间长。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无水短养护软岩相似模型材料及其制备方法，所用材料与原型材料具有非常相似的物理、力学性质，能更好的模拟软弱围岩力学性能，无毒副作用不会对人体造成伤害，原材料易得，价格低廉，制作方便，养护周期短。

本发明的无水短养护软岩相似模型材料，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉100～150份、粗砂15～35份、石膏40～60份、酒精松香溶液5～15份、氧化铁黄10～20份；

进一步，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉130份、粗砂25份、石膏50份、酒精松香溶液10份、氧化铁黄15份；

进一步，所述酒精松香溶液的浓度为5～20％；

进一步，所述重晶石粉的粒径为300-400目；

进一步，所述粗砂的粒径为10～20目。

本发明还公开一种无水短养护软岩相似模型材料的制备方法，包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香溶于酒精后密封静置至完全溶解；

b.将各原料均匀混合后经压实成型并常温养护2-3天；

进一步，步骤a中，将松香粉碎成粉末后溶于酒精并密封静置2～3天；

进一步，步骤b中，先将重晶石粉、粗砂和石膏先混合搅拌均匀后加入酒精松香和氧化铁黄搅拌均匀；

进一步，将松香粉碎成粒径为100目～200目的粉末。

本发明的有益效果：本发明的无水短养护软岩相似模型材料及其制备方法，通过简单合理的配比调配，模拟材料的单、三轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量等强度与变形参数均具有较大的变化范围，所用材料与原型材料具有非常相似的物理、力学性质，材料的物理、力学、化学、热学等性能稳定，能更好的模拟软弱围岩力学性能，变形特征统一，、具有很好的复合胶结性，且无毒副作用不会对人体造成伤害，原材料来源广，价格低廉，制作方便，容易成型，凝固时间短，凝固前具有优异的和易性，便于施工和修补。

具体实施方式

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉100～150份、粗砂15～35份、石膏40～60份、酒精松香溶液5～15份、氧化铁黄10～20份；由于石膏存在弹性模量可调节范围不大，极限抗压强度与抗拉强度的比值过小，且石膏是水溶性材料，易受温度和湿度的影响，且干燥缓慢，因此，采用上述组分并通过合理的配比关系，使物理、力学、化学、热学等性能达到最佳并保持较好的稳定性，重晶石粉的含量能够明显的影响相似材料的重度，石膏的含量能够明显影响相似材料的力学性能，各组分的含量过多或过少都直接影响相似材料的性能，例如：随着石膏含量增大，弹性模量、黏聚力及单轴抗压强度均增加，但内摩擦角呈逐渐减少的趋势，因此增加石膏含量不但能增大相似材料的强度，而且也会增加材料的脆性；在上述原料中，如果砂的用量过大，会导致砂的孔隙率较大，导致相似材料在受压时变形过大，含砂量增大导致弹性模量迅速增大，但单轴抗压强度迅速降低，这使得在进行隧道模型试验时，难以控制相似材料体积的稳定性。因此，砂含量应根据其他各组分的级配，及自身的粒度大小得以确定，各组分的含量是相互制约，相互影响的，是一个有机的结合方以获得最佳的配比关系；另外，虽然砂与松香酒精溶液制成的模型与岩石材料具有很好的一致性，但是当松香与砂的质量比小于一定值时，具有显著的应变软化阶段；当松香与砂的质量比大于一定值时，其特征由延性破坏逐步转为脆性破坏，因此可以通过改变配比，可以较好地得到模拟软岩到硬岩的相似模拟材料。

本发明的软岩相似材料通过各组分的协同作用和优化，彰显石膏提高力学性能的作用得以充分发挥，同时又克服了石膏自身的缺陷，这都是通过各组分的有机组合，协同作用以及在配比上的独特处理得以实现的，原材料之间的相容性好，使所获得的相似材料不受温度和湿度的影响，凝固时间短，因此养护周期短，所获得的相似材料可以通过改变原材料的含量，模拟出不同等级的软弱围岩，且变形特征统一。

本实施例中，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉130份、粗砂25份、石膏50份、酒精松香溶液10份、氧化铁黄15份。

本实施例中，所述酒精松香溶液的浓度为5～20％。

本实施例中，所述重晶石粉的粒径为300～400目；所述粗砂的粒径为10～20目；粗砂的粗细及级配是决定相似材料的重要因素，重晶石粉和粗砂的粒径选择直接影响所获得的相似材料的性能，使整个材料得以扬长避短实现其最佳的功能和作用，其级配和粒径与原型材料中的颗粒尺寸和级配相适应。

本发明还公开一种无水短养护软岩相似模型材料的制备方法，包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香溶于酒精后密封静置至完全溶解；

b.将各原料均匀混合后经压实成型并常温养护2-3天；制作方便，容易成型，凝固时间短，凝固前具有优异的和易性，便于施工和修补。

本实施例中，步骤a中，将松香粉碎成粉末后溶于酒精并密封静置2～3天；便于充分溶解。

本实施例中，步骤b中，先将重晶石粉、粗砂和石膏先混合搅拌均匀后加入酒精松香和氧化铁黄搅拌均匀；提高分散性，同时也便于原材料的均匀混合。

本实施例中，将松香粉碎成粒径为100～150目的粉末。

下面通过具体实施例对本发明的软岩相似材料做进一步的说明。

实施例一

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料，根据模型材料所要模拟的围岩级别，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉130份、粗砂25份、石膏50份、酒精松香溶液10份、氧化铁黄10～20份。

本实施例中，所述酒精松香溶液的浓度为18.5％。

本实施例中，所述重晶石粉的粒径为400目。

本实施例中，所述粗砂的粒径为10目。

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料制备方法包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香松香粉碎成粒径为150目的粉末溶于酒精后装入玻璃瓶中密封静置2天至完全溶解；

b.按设定重量份将各原料均匀混合后经压实成型并常温养护2天。

实施例二

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料，根据模型材料所要模拟的围岩级别，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉120份、粗砂25份、石膏50份、酒精松香溶液10份、氧化铁黄20份。

本实施例中，所述酒精松香溶液的浓度为10％。

本实施例中，所述重晶石粉的粒径为300目。

本实施例中，所述粗砂的粒径为10目。

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料制备方法包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香松香粉碎成粒径为150目的粉末溶于酒精后装入玻璃瓶中密封静置3天至完全溶解；

b.按设定重量份将各原料均匀混合后经压实成型并常温养护2天。

实施例三

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料，根据模型材料所要模拟的围岩级别，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉110份、粗砂20份、石膏50份、酒精松香溶液10份、氧化铁黄15份。

本实施例中，所述酒精松香溶液的浓度为10％。

本实施例中，所述重晶石粉的粒径为400目。

本实施例中，所述粗砂的粒径为20目。

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料制备方法包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香松香粉碎成粒径为100目的粉末溶于酒精后装入玻璃瓶中密封静置2天至完全溶解；

b.按设定重量份先将重晶石粉、粗砂和石膏先混合搅拌均匀后加入酒精松香和氧化铁黄搅拌均匀后经压实成型并常温养护2天。

实施例四

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料，根据模型材料所要模拟的围岩级别，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉100份、粗砂20份、石膏60份、酒精松香溶液10份、氧化铁黄10份。

本实施例中，所述酒精松香溶液的浓度为10％。

本实施例中，所述重晶石粉的粒径为400目。

本实施例中，所述粗砂的粒径为10目。

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料制备方法包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香松香粉碎成粒径为150目的粉末溶于酒精后装入玻璃瓶中密封静置2.5天至完全溶解；

b.按设定重量份先将重晶石粉、粗砂和石膏先混合搅拌均匀后加入酒精松香和氧化铁黄搅拌均匀后经压实成型并常温养护2.5天。

实施例五

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料，根据模型材料所要模拟的围岩级别，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉100份、粗砂15份、石膏40份、酒精松香溶液5份、氧化铁黄20份。

本实施例中，所述酒精松香溶液的浓度为5％。

本实施例中，所述重晶石粉的粒径为350目。

本实施例中，所述粗砂的粒径为15目。

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料制备方法包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香松香粉碎成粒径为150目的粉末溶于酒精后装入玻璃瓶中密封静置2天至完全溶解；

b.按设定重量份先将重晶石粉、粗砂和石膏先混合搅拌均匀后加入酒精松香和氧化铁黄搅拌均匀后经压实成型并常温养护3天。

实施例六

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料，根据模型材料所要模拟的围岩级别，所述材料原料按重量份包括以下组分：

重晶石粉150份、粗砂35份、石膏60份、酒精松香溶液15份、氧化铁黄12份。

本实施例中，所述酒精松香溶液的浓度为20％。

本实施例中，所述重晶石粉的粒径为320目。

本实施例中，所述粗砂的粒径为18目。

本实施例的无水短养护软岩相似模型材料制备方法包括以下步骤：

a.酒精松香溶液制备：将松香松香粉碎成粒径为160目的粉末溶于酒精后装入玻璃瓶中密封静置2.5天至完全溶解；

b.按设定重量份先将重晶石粉、粗砂和石膏先混合搅拌均匀后加入酒精松香和氧化铁黄搅拌均匀后经压实成型并常温养护2天。

上述实施例的相似材料，经相关实验，测出上述实施例的物理及力学参数如下表：

本发明的相似材料原料中还可加入5-10份的海砂，海砂表面比较光滑、粒径小，和粗砂混合使用提高相似材料的性能。还可加入5-10份的橡胶粉，橡胶粉的粒度为35-45目，且经以下方式处理：将橡胶粉在浓度为1％氢氧化钠溶液中浸泡35-45分钟，然后用清水冲洗橡胶粉，最后自然风干，所述橡胶粉与氢氧化钠溶液的质量比为1:10-1:15，橡胶粉的表观密度为1020kg/m3,还可加入0.5-1份甲基丙烯酸甲酯和0.5-1份的洗衣液，所述洗衣液为市售的中性洗衣液。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。