[發明專利]巖石硬性結構面模型材料及其使用方法

有效

• 申請號: 201510048083.6
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104568548B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 吉鋒;楊彬;陳中華
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N3/24
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明涉及一種實驗模擬材料，具體為巖石硬性結構面模型材料及其使用方法。

背景技術

結構面力學模型試驗是研究巖體結構面力學特征和剪切破壞機制的重要手段。為了能夠獲取試驗樣品，需要人工制作與原巖結構面具有相似物理力學性質，形似表面形態的模型，這樣就可以對結構面進行重復的直剪試驗，獲取可靠的結構面抗剪強度參數。

為滿足以上迫切的工程需求，必須要求制作的物理力學模型的參數與原巖盡可能接近，其中有兩個方面尤為重要，一是模型材料的力學參數，二是結構面的精確表面形態。

現有技術鐵粉、重晶石粉為骨料、鐵粉或者鐵粉與重晶石粉、黏結劑、石膏制的巖石結構面模型材料，抗壓強度分布在0.26～3.735MPa之間。不能覆蓋中等及30MPa以上的硬巖，例如砂巖、灰巖、花崗巖，不能滿足絕大多數巖體結構面的物理試驗模擬，這限制了物理模擬試驗的開展，不利于對結構面剪切力學機制及特征的研究。

現有的結構面模型制作方法，主要是將原巖結構面鑿平，并作表面清潔處理，在上表面繪制10cm×10cm的方格網。然后，根據結構面模型的制作尺寸，在確定的具體位置上涂脫模劑，鋪設隔離膜。巖石結構面模型材料攪拌均勻，倒入下盤模具內，利用平板振動器和振動棒振搗均勻，并使底部隔離膜不發生褶皺。澆筑完畢后抹平上表面，并使試樣的上表面保持水平。試樣保持水平后，把下盤結構面試樣連同下盤模具一起翻轉，清除隔離膜并清潔下盤模型結構面表面。在制得的下盤結構面試樣表面上涂刷脫模劑，并鋪設隔離膜，然后將上盤模具對中放在下盤模具上，在上盤模具的內側壁涂刷脫模劑，最后調平上盤模具；再次將攪拌均勻的混合料倒入上盤模具內，振搗、抹平調平；對上盤結構面模型進行養護。對上下盤結構面進行脫模處理，并繼續養護，即可制得與原巖結構面表面形態一致，且上、下盤吻合度高的模型結構面。

結構面模型制作方法復雜，操作要非常仔細，而且易于出現失敗，混合巖石結構面模型材料在澆筑過程中不允許隔離膜產生褶皺及破裂，薄膜褶皺會導致模型結構面起伏度的改變，薄膜破裂會使混合料拌合物粘在巖石結構面上，破壞原巖結構面。因此，澆筑過程中需要采用分層澆筑，底部混合料采用平板振動器輕微振搗，而上部混合料則采用振動棒振動均勻。采用該種方法要保證隔離膜不產生褶皺和破裂是異常困難的，因為混合料拌合物密度較大，且表面很粗糙，很容易使隔離膜受摩擦而破裂。更重要的一點是，采用隔離膜會由于隔離膜在巖石結構面上的展布，產生拉張支撐作用，從而使水泥砂漿很難填充結構面表面的細部結構，導致形態無法被完整塑造，從而改變了結構面的實際表面形態，造成模擬結構面的形態失真，并且使結構面上下盤的咬合度下降，影響試驗參數的準確性。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種新型巖石模擬材料的配制方案，解決目前模擬材料無法滿足高強度巖石結構面，并在此基礎上，對真實硬性結構面表面形態進行細觀的、精確的表達，以此達到巖體硬性結構面“三維重繪”的目的。具體的技術方案為：

巖石硬性結構面模型材料，由以下原料組成，按照重量份數，水泥30份，砂40份，水10份，3mm～6mm碎石10.2份，減水劑0～0.4份，復合早強劑0.6份，微硅粉0～4份，綠碳化硅微粉0～9份。

其中砂為中細砂和粗砂組成，重量比例為1∶1。

水泥為42.5R普通水泥，作為膠凝集料及骨料；中細砂和粗砂，結合使用作為集料，可以增強材料的強度，降低脆性；細骨料3-6mm碎石可以增強材料制成的試件強度；復合早強劑縮短養護時間，綠色碳化硅、微硅粉、減水劑的助劑使用，主要是為了增強材料強度。

在保持水泥、中砂、水、碎石的比例不變條件下，調整部分助劑，可以得到不同強度的材料：

僅使用水泥、中砂、水、碎石制成的巖石硬性結構面模型材料，可滿足30MPa～45MPa的中等強度巖石；

當微硅粉＜2.5份，減水劑＜0.2份，綠碳化硅微粉＜5份時，材料抗壓強度達到45MP，適合模擬較堅硬的巖石。

當4份≥微硅粉≥2.5份，0.4份≥減水劑≥0.2份，9份≥綠碳化硅微粉≥5份時，材料抗壓強度達到60MPa，適合模擬堅硬巖石。

巖石硬性結構面模型材料的使用方法為：

(1)獲取巖芯硬性結構面，清洗結構面表面，去除污物，編號，標注信息；

(2)在結構面表面均勻涂上脫模劑；

(3)在結構面外圍安裝防護板制成結構面模具澆注臺，防止澆筑石蠟溢流；