深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料及其制备方法

摘要

本发明属于岩土工程三维物理模型试验技术领域，公开了一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料及其制备方法；按照组分，所述相似材料包括，骨料：方解石砂、白云石砂以及方解石粉；胶结材料：水泥以及石膏。本发明提供的相似材料及其制备方法，选用原岩主要组分方解石砂、方解石粉以提高材料脆性，制备时将材料密实，有利于提高材料强度和发挥方解石的脆性特征；考虑到级配的影响，不同类型的骨料颗粒选用不同的尺寸，制备完成后采用高温养护，形成与深部高温环境类似的孕育条件，提高材料的相似度；成功的模拟了锦屏大理岩的特征，制作效率高、材料性能稳定、来源广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程三维物理模型试验技术领域，特别涉及一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料及其制备方法。

背景技术

水利水电、交通、核废料地质处理、深部物理地下实验室等工程建设过程中经常发生岩爆，造成了巨大的经济损失、人员伤亡等。通过现场监测的手段已经取得了很多重要的成果，但现场试验影响因素复杂，受地质条件的约束，且对人员的安全构成了较大的威胁。因此，通过三维物理模型试验再现现场的工程环境，设定不同的影响因素，避免了人员的安全风险，便于更深入研究岩爆灾害问题。

岩爆常发生于高地应力条件下开挖卸荷载，具有突发性、剧烈性，围岩破坏时产生剥落、片帮和弹射等现象，发生岩爆的岩体具有高强度和高脆性等特征。

相似材料是物理模型试验的基础工作，是模型试验成败的前提，因此，研制出满足相似理论的相似材料至关重要。受加载设备和相似原理的约束，相似材料的强度远低于深部硬岩，因此材料受力时聚集的应变能远低于深部硬岩，导致试验室内很难制造出岩爆的弹射现象，材料的脆性效果较差。现有技术中，对具有岩爆倾向性的相似材料展开了深入研究，也取得了很多成果。主要包括：通过石英砂、重晶石砂、重晶石粉、石膏、松香酒精溶液等原料，研制出了一系列的脆性材料，这些材料的脆性效果主要依靠胶结质的作用，强度低，且脆性系数(压拉比)均低于20，不具有高脆性。强度和脆性特征是三维物理模型试验研究岩爆灾害问题的重要影响因素，因此，有必要进行更深入的研究，以获取更高强度和脆性的相似材料。

发明内容

本发明提供一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料，解决现有技术中相似材料强度低，脆性差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料，按照组分，所述相似材料包括，

骨料：方解石砂、白云石砂以及方解石粉；

胶结材料：水泥以及石膏。

进一步地，以所述方解石砂的质量为单位质量，各组分的组分配比为：

方解石砂与白云石砂的质量比为0.25～4.00，方解石砂和白云石砂的质量之和与胶结材料的质量比为1.50～3.15，石膏与水泥的质量比为0.89～4.00，方解石粉与所述胶结材料的质量比为0.1。

进一步地，所述方解石砂粒径为40～60目，所述白云石砂粒径为100～120目，所述方解石粉粒径为300～325目。

一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料及其制备方法，包括：

称量方解石砂、方解石粉、白云石砂、石膏、水泥和PbO粉，混合后搅拌均匀得到混合固料；

称量水与减水剂混合拌匀得到混合溶液；

将所述混合溶液倒入所述混合固料中，搅拌均匀后装入模具中；

模具中材料初凝后，用压力机密实成型；

材料在室内干燥通风处养护后脱模；

室内自然条件下养护，再采用高温养护，直至材料硬化结束、质量恒定。

进一步地，以所述方解石砂的质量为单位质量，各组分的组分配比为：

方解石砂与白云石砂的质量比为0.25～4.00，方解石砂和白云石砂质量之和与胶结材料的质量比为1.50～3.15，石膏与水泥的质量比为0.89～4.00，方解石粉与所述胶结材料的质量比为0.1。

进一步地，所述方解石砂粒径为40～60目，所述白云石砂粒径为100～120目，所述方解石粉粒径为300～325目。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料，改变了前人以胶结质调控材料性质的方式，基于原岩的物性和细观特征，采用以骨料调控材料性质的方法，选用原岩主要组分方解石砂和方解石粉以提高材料脆性；制备时，将密实材料，使颗粒之间形成致密镶嵌结构，有利于提高材料强度和发挥方解石的脆性特征。考虑到级配的影响，不同类型的骨料颗粒选用不同的尺寸，制备完成后采用高温养护。

进一步地，实现了相似材料的高脆性，突破了前人研制的相似材料的脆性效果；相似材料与原岩主要物理力学参数(重度、UCS、弹模、泊松比、抗拉强度)满足相似理论，成功的模拟了深部硬岩的高强度、高脆性、高重度的特征；同时，制作效率高、材料性能稳定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的相似材料单轴压缩应力-应变曲线。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料，解决现有技术中相似材料强度低，脆性差的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本申请选用原岩主要组分方解石砂、方解石粉以提高材料脆性，制备时将材料密实，有利于提高材料强度和发挥方解石的脆性特征，考虑到级配的影响，不同类型的骨料颗粒选用不同的尺寸，制备完成后采用高温养护，形成与深部高温环境类似的孕育条件，提高材料的相似度。

一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料，按照组分，所述相似材料包括，

骨料：方解石砂、白云石砂以及方解石粉；

胶结材料：水泥以及石膏。

一般而言，以所述方解石砂的质量为单位质量，各组分的组分配比为：

方解石砂与白云石砂的质量比为0.25～4.00，方解石砂和白云石砂的质量之和与胶结材料的质量比为1.50～3.15，石膏与水泥的质量比为0.89～4.00，方解石粉与所述胶结材料的质量比为0.1。

进一步地，所述方解石砂粒径为40～60目，所述白云石砂粒径为100～120目，所述方解石粉粒径为300～325目。充分考虑到级配的影响，不同类型的骨料颗粒选用不同的尺寸，使得制备完成后配合高温养护，形成与深部高温环境类似的孕育条件，提高材料的相似度。

本实施例还提供一种基于上述材料的制备方法。

一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料制备方法，包括：

称量方解石砂、方解石粉、白云石砂、石膏、水泥和PbO粉，混合后搅拌均匀得到混合固料；

称量水与减水剂混合拌匀得到混合溶液；

将所述混合溶液体倒入所述混合固料中，搅拌均匀后装入模具中；

模具中材料初凝后，用压力机密实成型；

材料在室内干燥通风处养护后脱模；

室内自然条件下养护，再采用高温养护，直至材料硬化结束、质量恒定。

本实施例还提供了一种具体的材料组份和配方：

骨料为方解石砂(40目)、白云石砂(100目)、方解石粉(325目)，胶结剂为水泥、石膏，添加剂为减水剂、一氧化铅，水。其中，砂胶质量比为2.27、石膏水泥质量比为1.16、方解石砂与白云石砂质量比为0.56、方解石粉占胶结材料质量的10％、一氧化铅占固体材料总量的46.1％、加水量为固体材料质量的17％。

本实施例还提供了该相似材料的制备方法，操作步骤如下：

(1)称一定量的固体材料：方解石砂、方解石粉、白云石砂、石膏、水泥和PbO粉，混合后搅拌均匀；

(2)称定量的水，将减水剂倒入水中拌匀；

(3)将混合液体倒入固体材料中，搅拌均匀后装入内壁涂有脱模剂的模具中；

(4)材料初凝后，施加11.8kn的荷载将材料密实成型；

(5)材料在室内干燥通风处养护12h后脱模；

(6)室内自然条件下继续养护60h，再采用120℃高温养护，直至材料硬化结束、质量恒定。

为使本实施例提出的一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料制备方法更清楚易操作，以下结合实施例对原理、试验方法、步骤、特点展开进一步的说明。

相似材料的研制首先必须提出研究的思路，选择合适的原材料、制备和养护方式，再依照相似理论，结合实施例的工程背景计算相似比，从而确定相似材料的物理力学参数，最终才有可能配制出符合研究目的的相似材料。

基于原岩的物性和细观特征，采用以骨料调控材料性质的方法，选用原岩主要组分方解石砂、方解石粉以提高材料脆性，制备时将材料密实，使颗粒之间形成致密镶嵌结构，有利于提高材料强度和发挥方解石的脆性特征，考虑到级配的影响，不同类型的骨料颗粒选用不同的尺寸，制备完成后采用高温养护。

深部脆性岩体在破坏前近似线弹性的，可运用弹性力学中的平衡方程、几何方程、本构方程、初始条件和应力边界条件推导出相似材料须满足的相似准则。岩体峰后破坏曲线的相似是很难完全满足的，一般近似的处理为直线性摩尔强度包络线。

根据弹性力学中的平衡方程、几何方程、本构方程、初始条件和应力边界条件，以及峰后破坏相似条件，可推导出物理力学参数的相似关系，如下：

C_σ＝C_E＝C_C＝C_L

其中，C_σ、C_E、C_C、C_L、C_ε、C_υ、C_γ分别表示应力、弹性模量、粘聚力、几何、内摩擦角、应变、泊松比、容重的相似常数。

本发明的实施例是以锦屏地下实验室二期工程为研究背景，隧洞截面尺寸为14m×14m，三维物理模型试验洞室开挖尺寸为0.4m×0.4m，因此，几何相似常数为

因此，得到理想相似材料物理力学参数，如表1所示

表1理想相似材料与原岩物理力学参数

本发明的原材料主要组成成份为：骨料为方解石砂(40目)、白云石砂(100目)、方解石粉(325目)，胶结剂为水泥、石膏，添加剂为减水剂、一氧化铅，水。

本发明的相似材料的配比方案如表4所示。

表4相似材料配比试验方案

本发明提供的相似材料力学参数的测定，采用单轴压缩试验和劈裂试验，测定出的容重γ、单轴抗压强度UCS、抗拉强度TS、脆性系数K，如表5所示。

表5相似材料物理力学参数

从表5中可得知，第5组试验方案的UCS、脆性系数、重度分别为4.80MPa、21.68、28.43kn·m^-3，满足锦屏大理岩相似材料的要求，是模拟锦屏大理岩岩爆问题的理想相似材料。

参见图1，第8组配比方案中，UCS高达7.91MPa，脆性系数也高达24.91，重度为27.1kn·m^-3突破了现有材料具有高脆性、高强度、高重度的特点，本发明提供的相似材料是全新的。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的用于模拟具有岩爆特征的深部硬岩相似材料，改变了前人以胶结质调控材料性质的方式，基于原岩的物性和细观特征，采用以骨料调控材料性质的方法，选用原岩主要组分方解石砂、方解石粉以提高材料脆性；制备时，将密实材料，使颗粒之间形成致密镶嵌结构，有利于提高材料强度和发挥方解石的脆性特征。考虑到级配的影响，不同类型的骨料颗粒选用不同的尺寸，制备完成后采用高温养护。

进一步地，实现了相似材料的高脆性，突破了前人研制的相似材料的脆性效果；相似材料与原岩主要物理力学参数(重度、UCS、弹模、泊松比、抗拉强度)满足相似理论，成功的模拟了深部硬岩的高强度、高脆性、高重度的特征；同时，制作效率高、材料性能稳定。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。