[發(fā)明專利]模型試驗(yàn)用可調(diào)流固耦合相似材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310598017.7
• 申請(qǐng)日: 2013-11-22
• 公開（公告）號(hào): CN103604673A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李利平;陳迪陽(yáng);李術(shù)才;王康;劉洪亮;胡聰;石少帥;周宗青
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N1/28
• 分類號(hào): G01N1/28;C04B28/04;C04B24/42;C04B24/08;C04B14/28
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 崔苗苗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種模型試驗(yàn)用可調(diào)流固耦合相似材料及其制備方法，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，多數(shù)學(xué)者采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)來(lái)研究地下工程建設(shè)中遇到問(wèn)題，進(jìn)行施工過(guò)程力學(xué)規(guī)律的探索。但現(xiàn)在的地下工程模型試驗(yàn)存在明顯的不足，現(xiàn)有技術(shù)中的相似材料大部分僅考慮物理力學(xué)相似，絕大多數(shù)相似材料會(huì)遇水崩解，無(wú)法應(yīng)用到流–固耦合模型試驗(yàn)中。對(duì)于流–固耦合相似模型試驗(yàn)，主要存在兩方面問(wèn)題：①流–固耦合相似理論研究還不夠成熟；②試驗(yàn)對(duì)相似材料要求較高，必須同時(shí)滿足固體變形和滲透性兩類相似條件，以往的流–固耦合相似材料注重解決材料的遇水崩解問(wèn)題，忽略了對(duì)材料固體力學(xué)性質(zhì)和水理性的有效控制，相似模擬度較差，不能反映巖體和水耦合作用下的實(shí)際情況，并不是真正的流–固耦合相似模擬因此，有必要對(duì)流–固耦合相似材料做進(jìn)一步研究。

專利CN102557551A公開了一種用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，由以下重量份的原料組成的：標(biāo)準(zhǔn)砂1份，重晶石粉0.05～0.15份，滑石粉0.05～0.15份，水泥0.05～0.125份，凡士林0.04～0.12份，硅油0～0.15份，拌合水0.05～0.1份。該專利的抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)可調(diào)范圍小，適用范圍小。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服上述不足而提供一種模型試驗(yàn)用可調(diào)流固耦合相似材料及其制備方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種模型試驗(yàn)用可調(diào)流固耦合相似材料，由以下重量份比的原料組成：標(biāo)準(zhǔn)砂1份，碳酸鈣0.05～0.16份，重晶石粉0.05～0.18份，水泥0.02～0.08份，水0.1～0.14份，硅油0～0.04份，氯化石蠟0.07～0.15份。

所述的模型試驗(yàn)用可調(diào)流固耦合相似材料，優(yōu)選由以下重量份比的原料組成：標(biāo)準(zhǔn)砂1份，碳酸鈣0.11份，重晶石粉0.08份，水泥0.06份，水0.13份，硅油0.02份，氯化石蠟0.14份。

所述標(biāo)準(zhǔn)砂的粒徑小于6mm，且級(jí)配均勻；碳酸鈣的粒徑小于6μm；重晶石粉的細(xì)度為200目；水泥為抗壓強(qiáng)度為32.5MPa的優(yōu)質(zhì)白色硅酸鹽水泥。所述水為普通的飲用水。

所述硅油為常溫下粘度1000cSt的甲基硅油。所述氯化石蠟類型為氯化石蠟52。

上述模型試驗(yàn)用可調(diào)流固耦合相似材料的制備方法，包括以下步驟：

1）按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、碳酸鈣、重晶石粉、水泥；

2）將稱量好的標(biāo)準(zhǔn)砂、碳酸鈣、重晶石粉、水泥等四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；

3）稱量水，加入步驟2）所得細(xì)粒材料混合，充分?jǐn)嚢瑁?/p>

4）將氯化石蠟加熱至45℃～60℃；

5）將加熱后的氯化石蠟與步驟3）所得材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?/p>

6）加入調(diào)節(jié)劑硅油，攪拌均勻；

7）室溫下冷卻3～5min，即得。

本發(fā)明選用標(biāo)準(zhǔn)砂、碳酸鈣、重晶石粉、水泥、水、硅油和氯化石蠟為組成成分，其中，水泥作為主要膠結(jié)劑，遇水粘結(jié)性好，同時(shí)隨時(shí)間的推演可以發(fā)生緩慢的變化；重晶石粉、碳酸鈣和標(biāo)準(zhǔn)砂作為骨料，主要是調(diào)節(jié)相似材料的重度，輔助調(diào)節(jié)材料的彈性模量，使相似材料滿足相似原理的要求；氯化石蠟作為塑性膠結(jié)劑，主要是調(diào)節(jié)相似材料的滲透性以及強(qiáng)度和彈性模量；硅油作為調(diào)節(jié)劑，保證了材料的非親水性，使材料中的拌合水能與水泥充分反應(yīng)，降低材料對(duì)養(yǎng)護(hù)條件的要求，而且硅油可以實(shí)現(xiàn)在基本不影響材料力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)材料的水理性指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大提高了材料水理性方面的相似模擬度，擴(kuò)展了該流–固耦合相似材料的應(yīng)用范圍；調(diào)節(jié)重晶石粉、碳酸鈣和標(biāo)準(zhǔn)砂的比重，可以調(diào)節(jié)材料的內(nèi)摩擦角和粘聚力。本發(fā)明的流–固耦合模型試驗(yàn)相似材料，采用不親水的膠凝材料，材料遇水不軟化崩解，同時(shí)滿足固體變形和滲透性相似等條件，不受溫度和濕度條件影響。

材料主要參數(shù)范圍如表1所示，在單軸抗壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。

表1

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.材料引入了常溫常壓下為淺黃色至黃色的透明粘稠狀液體的氯化石蠟如氯化石蠟52，通過(guò)調(diào)節(jié)其在材料中的含量來(lái)調(diào)節(jié)材料的單軸抗壓強(qiáng)度，與水泥起反向調(diào)節(jié)的作用，在水泥整體控制材料單軸抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，氯化石蠟52對(duì)材料的強(qiáng)度起輔助調(diào)節(jié)作用。與此同時(shí)，通過(guò)調(diào)整氯化石蠟52與材料中另一種成分硅油的比例，來(lái)調(diào)節(jié)材料的滲透性。

2.材料還引入了碳酸鈣作為細(xì)骨料，與重晶石粉一起調(diào)節(jié)材料的重度與彈性模量，碳酸鈣質(zhì)輕，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以在調(diào)節(jié)材料重度與彈性模量時(shí)不影響材料其他的力學(xué)特性和水理特性。