一種弱膠結強隔水性相似材料及配製方法與流程
2023-09-16 09:08:45 2
本發明涉及一種巖土工程中相似材料及配製方法，特別是一種弱膠結強隔水性相似材料及配製方法。
背景技術：
低強度、弱膠結、隔水性能穩定的巖層普遍存在於中生代侏羅系、白堊系地層，如以新疆、內蒙、寧夏、甘肅等為代表的西北部地區，其成巖時間晚、膠結性差、強度低、易風化、遇水易膨脹泥化，特別是新疆地區，巖體強度僅為其他地區同種巖性強度的1/5-1/10。西北地區自然資源品種多、儲量豐富，同時又處於國家「一帶一路」新戰略特殊的地理位置之上，是今後國家發展戰略調整和轉移的重點。而在開發過程中，難免伴隨巖土工程、地下工程、礦山開採等工程活動。這些工程活動的開展必然對該地區本就稀缺的水資源和脆弱的生態環境造成幹擾，而基於實驗室物理相似模擬是研究此類活動對水資源、地表生態等環境影響程度一種常用而有效的手段，其中低強度、弱膠結巖層(組)相似材料配比是研究的前提和基礎。
目前，對於相似材料配比，國內的許多專家、學者已做了大量的研究工作。如，研究者通過選擇不同骨料(所述的骨料包括：砂子、石膏、重晶石粉、石英砂、膨潤土)，不同膠結材料(所述的膠結材料包括：凡士林、矽油、石蠟、生石灰)，不同添加劑(所述的添加劑包括：防凍劑、減水劑)進行相似材料配比。但普遍存在以下特點：
①相似材料配比強度大多在0.1MPa以上，對於弱膠結、強度小於0.1MPa的情況沒有或僅有零星案例，沒有成套的研究和配比體系。
②普遍選用單軸抗壓強度和塑性變形作為相似配比材料的衡量指標，而滲透係數作為相似材料隔水性能強弱的主要評價指標，在前期的研究配比中考慮較少。
滲透係數達到10-6-10-7cm/s量級的高隔水性、低強度(0.1MPa以下)的相似配比材料幾乎空白。
技術實現要素：
基於目前相似材料配比的研究現狀，本發明提出一種弱膠結強隔水性相似材料及配製方法，解決目前相似材料不能實現滲透係數達到10-6-10-7cm/s量級的高隔水性、低強度0.1MPa以下的問題。
本發明的目的是這樣實現的：該發明包括相似材料配比及配製方法；
相似材料配比選用骨料、膠結材料和添加劑，所述的骨料為細河沙、膨潤土；所述的膠結材料為石膏、固體石蠟；所述的添加劑為甲級矽油和水；
具體材料組分如下：單位為：重量份；
骨料：細河沙的顆粒級配為粒徑<1.18mm，配比組分為8份，膨潤土為優質鈉基膨潤土，粒度：220-325目，配比組分為0.9份；
膠結材料：石膏粒度：1000目，配比組分為0.1份，固體石蠟的熔點：58℃，配比組分為0.02-0.05份；
添加劑：甲基矽油的粘度：1000CS，配比組分為1-1.8份，水的PH：6-7，配比組分為1份。
根據材料組分中固體石蠟和甲基矽油含量的不同，將相似配比材料分為8912、8913、8914、8915四種系列，具體劃分情況如表2
表1配比材料系列組分情況表
配製方法，具體步驟及要求如下：
(1)選用直徑1.18mm的標準篩篩選所需粒度級別足量的細河沙；
(2)根據相似材料所需具體配比系列要求，用電子秤分別稱取所需配比重量的細河沙、膨潤土、石膏、固體石蠟、甲基矽油、水；
(3)將稱取重量的細河沙、膨潤土、石膏乾料充分混合，並攪拌均勻；
(4)將稱取重量的水加入到步驟(3)攪拌均勻的細河沙、膨潤土、石膏三種乾料的混合物中，並充分攪拌，確保材料不成塊、不板結、無大顆粒；
(5)將稱取重量的甲基矽油加入到步驟(4)充分攪拌的混合材料中，攪拌要求與步驟(4)中相同；
(6)將稱取重量的固體石蠟加熱到60-65℃，待石蠟充分融化後，立即加入步驟(5)充分攪拌的材料中，並快速攪拌均勻，即可得到所需配比的相似材料。
有益效果，由於採用了上述方案，該發明中以細河沙、膨潤土為骨料，調節相似材料的重度，其中膨潤土富含蒙脫石等礦物成分，有良好的遇水膨脹、泥化特性，可更加真實的模擬自然界覆巖隔水巖層(組)的特性；以石膏、固體石蠟為膠結材料，實現對相似材料強度的調節，同時固體石蠟為非親水性材料，也可對材料滲透性進行調節；以甲基矽油為添加劑，實現對相似材料隔水性的調節。本發明為低強度、弱膠結、強隔水性相似材料配比的方法,適用於巖土工程、地下工程、礦山開採等物理模擬實驗中強度低、膠結性差、隔水性能強等巖層(組)相似材料配比。
本發明與現有技術相比的優點在於：
(1)選取的配比原料：骨料細河沙、膨潤土；膠結材料石膏、固體石蠟；添加劑甲基矽油，與前人研究不同，配比原料創新；
(2)該相似配比材料強度低：單軸抗壓強度8-93kPa，可實現弱膠結、低強度(0.1MPa以下)巖層(組)相似材料系列配比；
(3)相似配比材料隔水性能強：在實現材料弱膠結、低強度的配比要求下，通過改變添加劑甲基矽油、固體石蠟含量的不同，滲透係數可達2-81×10-7cm/s，可實現相似材料的弱膠結、低強度(0.1MPa以下)、高隔水性(滲透係數10-6-10-7cm/s量級)的系列配比要求。
附圖說明
圖1為本發明8912系列材料典型應力-應變曲線。
圖2為本發明8913系列材料典型應力-應變曲線。
圖3為本發明8914系列材料典型應力-應變曲線。
圖4為本發明8915系列材料典型應力-應變曲線。
具體實施方式
該發明包括相似材料配比及配製方法；
相似材料配比選用骨料、膠結材料和添加劑，所述的骨料為細河沙、膨潤土；所述的膠結材料為石膏、固體石蠟；所述的添加劑為甲級矽油和水；
具體材料組分如下：單位為：重量份；
骨料：細河沙的顆粒級配為粒徑<1.18mm，配比組分為8份，膨潤土為優質鈉基膨潤土，粒度：220-325目，配比組分為0.9份；
膠結材料：石膏粒度：1000目，配比組分為0.1份，固體石蠟的熔點：58℃，配比組分為0.02-0.05份；
添加劑：甲基矽油的粘度：1000CS，配比組分為1-1.8份，水的PH：6-7，配比組分為1份。
根據材料組分中固體石蠟和甲基矽油含量的不同，將相似配比材料分為8912、8913、8914、8915四種系列，具體劃分情況如表2
表1配比材料系列組分情況表
實驗測得各系列的配比結果如表2
表2各系列相似材料配比結果
配製方法，具體步驟及要求如下：
(1)選用直徑1.18mm的標準篩篩選所需粒度級別足量的細河沙；
(2)根據相似材料所需具體配比系列要求，用電子秤分別稱取所需配比重量的細河沙、膨潤土、石膏、固體石蠟、甲基矽油、水；
(3)將稱取重量的細河沙、膨潤土、石膏乾料充分混合，並攪拌均勻；
(4)將稱取重量的水加入到步驟(3)攪拌均勻的細河沙、膨潤土、石膏三種乾料的混合物中，並充分攪拌，確保材料不成塊、不板結、無大顆粒；
(5)將稱取重量的甲基矽油加入到步驟(4)充分攪拌的混合材料中，攪拌要求與步驟(4)中相同；
(6)將稱取重量的固體石蠟加熱到60-65℃，待石蠟充分融化後，立即加入步驟(5)充分攪拌的材料中，並快速攪拌均勻，即可得到所需配比的相似材料。
下面結合具體配比實例對本發明的優點和特性做進一步說明。
實施例1：一種低強度、弱膠結、強隔水性相似材料配比，配比系列分別為8912系列、8913系列、8914系列、8915系列：
其詳細配比實驗過程為：
(1)選用直徑1.18mm的標準篩篩選所需粒度級別足量的細河沙；
(2)根據不同配比系列各組分材料的配比要求，用電子秤分別稱取所需重量的細河沙、膨潤土、石膏、固體石蠟、甲基矽油、水；
(3)將稱取重量的細河沙、膨潤土、石膏乾料充分混合，並攪拌均勻；
(4)將稱取重量的水加入到步驟(3)攪拌均勻的細河沙、膨潤土、石膏三種乾料的混合物中，並充分攪拌，確保材料不成塊、不板結、無大顆粒；
(5)將稱取重量的甲基矽油加入到步驟(4)充分攪拌的混合材料中，攪拌要求與步驟(4)中相同。
(6)將稱取重量的固體石蠟加熱到60-65℃，待石蠟充分融化後，立即加入步驟(5)充分攪拌的配比材料中，並快速攪拌均勻；
(7)將攪拌好的配比材料放入直徑50±2mm，高徑比2±0.2的標準試樣模具中，搗實、削平，製作力學性能測試標準件。同時，選用直徑50±2mm，高度38±2mm(規格根據所選用滲透係數測試儀的具體要求而定)的試樣模具，用配比材料填充，並搗實、削平，製作滲透係數測試標準件；
(8)將試樣在室溫下放置1d後，拆除模具，並將試樣置於25-30℃的恆溫養護箱中養護1d；
(9)分別採用巖石力學試驗機進行試樣力學特性測試和TST-55型滲透測試儀進行試樣滲透係數測試。
分別製作各系列相似材料力學測試試樣3個，滲透係數測試試樣3個，對其抗壓強度和滲透性進行測試。各系列相似材料測試結果如表4，各系列材料典型應力-應變曲線如圖1-4。
表4各系列相似材料配比測試結果