專利名稱：用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于模型試驗(yàn)的流-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，很多學(xué)者大量通過(guò)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)來(lái)研究地下工程設(shè)計(jì)和施工方法的優(yōu)化，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)中的相似材料大多僅考慮物理力學(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)于少數(shù)的石蠟類流-固耦合相似材料，也只是注重解決材料遇水崩解的問(wèn)題，且對(duì)溫度條件要求很高，力學(xué)性質(zhì)和水理性的調(diào)節(jié)具有相關(guān)性，難以保證物理力學(xué)性質(zhì)和水理性同時(shí)滿足試驗(yàn)要求。所以過(guò)去的研究往往不做真實(shí)水壓條件下的滲流模擬，僅采用柔性加載模擬水壓力，不能反映巖體和水耦合作用下的實(shí)際情況，也不是真正的流-固耦合相似模擬。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，并提供了其制備方法。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兩個(gè)條件，不受溫度和濕度條件影響。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種用于模型試驗(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。優(yōu)選的，由以下重量份的原料組成的標(biāo)準(zhǔn)砂1份，重晶石粉0.085份，滑石粉 0. 085份，水泥0. 065份，凡士林0. 075份，硅油0. 05份，拌合水0. 1份。所述標(biāo)準(zhǔn)砂的粒徑小于5mm。所述重晶石粉細(xì)度為625目。滑石粉的細(xì)度為1250目。所述水泥為抗壓強(qiáng)度為32. 5MPa的優(yōu)質(zhì)白色硅酸鹽水泥。所述凡士林為白色無(wú)毒的醫(yī)用級(jí)凡士林。所述硅油為粘度1500的甲基硅油。所屬拌合水為常規(guī)的水，起拌合的作用。所述用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料的制備方法，步驟如下(1)嚴(yán)格按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林和硅油；(2)將標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；(3)加入拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?4)加入調(diào)節(jié)劑硅油，拌勻；
(5)將凡士林加熱至45°C 60°C，使其熔為液態(tài)；(6)將液態(tài)凡士林與步驟(4)所得到的材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?7)室溫下冷卻5 lOmin，即得用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料。本發(fā)明的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，采用水硬性的水泥和非親水性的凡士林作為膠結(jié)劑，解決了相似材料遇水軟化崩解的問(wèn)題，使材料的強(qiáng)度和彈性模量可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；采用硅油作為調(diào)節(jié)劑，可以在基本不影響材料的力學(xué)指標(biāo)的情況下，調(diào)節(jié)材料的滲透性等水理性指標(biāo)，保證材料的物理力學(xué)性質(zhì)和水理性都能滿足試驗(yàn)要求。材料主要參數(shù)范圍如表1，在單軸抗壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如附圖1。表 1
抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度彈性模量滲透系數(shù)材料參數(shù)MPaMPaMPacm/s變化范圍0.25-1.10.02-0.1525-1759.78X10"4~5.25X10"7本發(fā)明的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，研究了可用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料的技術(shù)方案和制備方法，解決了傳統(tǒng)相似材料遇水軟化崩解的問(wèn)題，改善了傳統(tǒng)流-固耦合相似材料物理力學(xué)性質(zhì)與水理性難以單獨(dú)調(diào)節(jié)，水理性相似模擬度差的缺陷。將該流-固耦合相似材料應(yīng)用于模型試驗(yàn)中，與前人研究相比，真實(shí)模擬了巖體與水的相互耦合作用，所得出的地質(zhì)力學(xué)相似模型試驗(yàn)研究成果更加準(zhǔn)確。本發(fā)明選用標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油作為組成成分，其中，水泥作為水硬性膠結(jié)劑，保證材料在水的作用下不發(fā)生軟化崩解，同時(shí)，水泥對(duì)材料的滲透性影響也比較明顯，使材料的強(qiáng)度和滲透系數(shù)可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；凡士林作為塑性膠結(jié)劑，主要是調(diào)節(jié)相似材料的強(qiáng)度和彈性模量，隨著含量的增加，其對(duì)強(qiáng)度和彈性模量的調(diào)節(jié)作用與水泥相反，這樣保證了材料的力學(xué)性質(zhì)可以有效調(diào)控；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。另外，調(diào)節(jié)重晶石粉和滑石粉與標(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)明提出的模型試驗(yàn)中的流-固耦合相似材料的技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、能實(shí)現(xiàn)相似材料在水的作用下不發(fā)生軟化崩解，為真實(shí)模擬巖體與水的耦合作用提供了可能；2、能通過(guò)調(diào)節(jié)材料配比，在不影響材料的整體性質(zhì)的前提下，單獨(dú)調(diào)控水理性指標(biāo)和力學(xué)性質(zhì)的單個(gè)指標(biāo)，為模擬不同類別、不同滲透系數(shù)的巖體提供了可能；3、能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的強(qiáng)度和滲透性，可模擬中級(jí)強(qiáng)度的各類巖體。4、對(duì)材料的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了“主要控制，反向調(diào)節(jié)”，解決了成分變化對(duì)材料性質(zhì)影響的相關(guān)性，大大提高了材料的相似模擬度。


圖1為實(shí)施例1的材料在單軸抗壓條件下的全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的實(shí)施例所用的標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑小于5mm，且級(jí)配均勻，重晶石粉細(xì)度為625 目，滑石粉的細(xì)度為1250目，水泥為抗壓強(qiáng)度為32. 5MPa的優(yōu)質(zhì)白色硅酸鹽水泥，凡士林為白色無(wú)毒的醫(yī)用級(jí)凡士林，硅油為粘度1500的甲基硅油。實(shí)施例1制備用于模型試驗(yàn)中的流-固耦合相似材料配方為標(biāo)準(zhǔn)砂320g，重晶石粉32g，滑石粉32g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 16g，拌合水32g。制備步驟為1)嚴(yán)格按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)將砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；3)加入拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?)加入調(diào)節(jié)劑硅油，拌勻；5)將凡士林加熱至50°C，使其熔為液態(tài)；6)將液態(tài)凡士林與材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?)室溫下冷卻lOmin，即得。該配比的相關(guān)參數(shù)重度2. 14g/cm3,抗壓強(qiáng)度0. 6IMPa,抗拉強(qiáng)度0. 058MPa,彈性模量 37MPa，滲透系數(shù) 5. 36X l(T6cm/s。實(shí)施例2制備用于模型試驗(yàn)中的流-固耦合相似材料配方為為標(biāo)準(zhǔn)砂320g，重晶石粉32g，滑石粉32g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 O，拌合水Mg。制備步驟為1)嚴(yán)格按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林和拌合水；2)將砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；3)加入拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?)將凡士林加熱至50°C，使其熔為液態(tài)；5)將液態(tài)凡士林與材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?)室溫下冷卻lOmin，即得。該配比的相關(guān)參數(shù)重度1. 92g/cm3,抗壓強(qiáng)度0. 44MPa,抗拉強(qiáng)度0. 042MPa,彈性模量 13MPa，滲透系數(shù) 8. 61Xl(T5cm/s。實(shí)施例3制備用于模型試驗(yàn)中的流-固耦合相似材料配方為標(biāo)準(zhǔn)砂320g，重晶石粉32g，滑石粉32g，水泥40g，凡士林38. 4g，硅油 12. 8g，拌合水 32g。制備步驟為1)嚴(yán)格按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)將砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；3)加入拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?)加入調(diào)節(jié)劑硅油，拌勻；
5)將凡士林加熱至50°C，使其熔為液態(tài)；6)將液態(tài)凡士林與材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?)室溫下冷卻lOmin，即得。該配比的相關(guān)參數(shù)重度2. 12g/cm3,抗壓強(qiáng)度0. 92MPa,抗拉強(qiáng)度0. 090MPa,彈性模量 116MPa，滲透系數(shù) 3. 66Xl(T7cm/s。實(shí)施例4制備用于模型試驗(yàn)中的流-固耦合相似材料配方為標(biāo)準(zhǔn)砂320g，重晶石粉16g，滑石粉48g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 16g，拌合水32g。制備步驟為1)嚴(yán)格按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)將砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；3)加入拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?)加入調(diào)節(jié)劑硅油，拌勻；5)將凡士林加熱至50°C，使其熔為液態(tài)；6)將液態(tài)凡士林與材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?)室溫下冷卻lOmin，即得。該配比的相關(guān)參數(shù)重度2. 03g/cm3,抗壓強(qiáng)度0. 59MPa,抗拉強(qiáng)度0. 058MPa,彈性模量 37MPa，滲透系數(shù) 5. 58X l(T6cm/s。實(shí)施例5制備用于模型試驗(yàn)中的流-固耦合相似材料配方為標(biāo)準(zhǔn)砂320g，重晶石粉48g，滑石粉16g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 16g，拌合水32g。制備步驟為1)嚴(yán)格按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)將砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；3)加入拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?)加入調(diào)節(jié)劑硅油，拌勻；5)將凡士林加熱至50°C，使其熔為液態(tài)；6)將液態(tài)凡士林與材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?)室溫下冷卻lOmin，即得。該配比的相關(guān)參數(shù)重度2. 19g/cm3,抗壓強(qiáng)度0. 60MPa,抗拉強(qiáng)度0. 058MPa,彈性模量 38MPa，滲透系數(shù) 5. 19X 10_6cm/s。上述雖然結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于由以下重量份的原料組成的標(biāo)準(zhǔn)砂1份，重晶石粉0. 085份，滑石粉0. 085份，水泥0. 065份，凡士林0. 075份，硅油0. 05份，拌合水0. 1份。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于所述標(biāo)準(zhǔn)砂的粒徑小于5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于所述重晶石粉細(xì)度為625目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于滑石粉的細(xì)度為1250目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于所述水泥為抗壓強(qiáng)度為32. 5MPa的優(yōu)質(zhì)白色硅酸鹽水泥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于所述凡士林為白色無(wú)毒的醫(yī)用級(jí)凡士林。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料，其特征在于所述硅油為粘度1500的甲基硅油。
9.權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料的制備方法， 其特征在于步驟如下(1)嚴(yán)格按比例稱取標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林和硅油；(2)將標(biāo)準(zhǔn)砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四種細(xì)粒材料混合并攪拌均勻；(3)加入拌合水，充分?jǐn)嚢瑁?4)加入硅油，拌勻；(5)將凡士林加熱至45°C 60°C，使其熔為液態(tài)；(6)將液態(tài)凡士林與步驟(4)所得到的材料混合，并充分?jǐn)嚢瑁?7)室溫下冷卻5 lOmin，即得用于模型試驗(yàn)的流-固耦合相似材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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。該材料采用水硬性的水泥和非親水性的凡士林作為膠結(jié)劑，解決了相似材料遇水軟化崩解的問(wèn)題，使材料的強(qiáng)度和彈性模量可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；采用硅油作為調(diào)節(jié)劑，可以在基本不影響材料力學(xué)指標(biāo)的情況下，調(diào)節(jié)材料的滲透性等水理性指標(biāo)，保證材料的物理力學(xué)性質(zhì)和水理性都能滿足試驗(yàn)要求。與前人研究相比，真實(shí)模擬了巖體與水的相互耦合作用，所得出的地質(zhì)力學(xué)相似模型試驗(yàn)研究成果更加準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)C04B28/04GK102557551SQ20111042706
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者周宗青, 周毅, 張騫, 李利平, 林春金, 王凱, 王慶瀚, 石少帥, 郭明 申請(qǐng)人:山東大學(xué)