本發(fā)明涉及巖土工程，具體涉及一種珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、礁灰?guī)r作為海洋地質(zhì)環(huán)境中的一種重要巖石類型，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性。其結(jié)構(gòu)、成分和形成過程，使得礁灰?guī)r在地質(zhì)學(xué)、海洋科學(xué)等領(lǐng)域具有顯著的研究價(jià)值。隨著海洋工程的不斷發(fā)展，礁灰?guī)r在工程地質(zhì)、巖土工程等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。然而，由于礁灰?guī)r的開采和加工難度較大，且資源有限，直接利用礁灰?guī)r進(jìn)行科學(xué)研究或工程應(yīng)用可能受到一定的限制。

2、巖石相似材料作為通過對天然巖石物理力學(xué)性能的模擬以及代替，廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域?，F(xiàn)階段巖石相似材料大多由重晶石粉、石英砂、水泥、石膏等材料組成。然而，通過水泥水化放熱形成的孔隙大多為封閉孔隙，并且水化過程中放出的熱量會導(dǎo)致溫度升高，熱量聚集在試樣內(nèi)部長時間不易散失從而形成較大的溫差和溫度應(yīng)力，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生溫度裂縫。這不僅對相似材料模擬的礁灰?guī)r高連通率的孔隙結(jié)構(gòu)造成失真，還會對其模擬的礁灰?guī)r物理力學(xué)性能產(chǎn)生差異。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料及其制備方法與應(yīng)用，利用重質(zhì)碳酸鈣粉可以緩解因溫度導(dǎo)致的混凝土開裂現(xiàn)象；發(fā)泡劑中使用的表面活性劑表面張力較低；鹽的加入能使泡沫壁變薄等特性，提供一種珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料的制備方法與其應(yīng)用。所測得的珊瑚砂屑灰?guī)r干密度為1.03?~?1.12g/?cm3，飽和密度為1.60?~?1.68g/cm3，孔隙率為58.1?~?69.6%，單軸抗壓強(qiáng)度為6.57?~?10.55mpa，抗拉強(qiáng)度為1.46?~2.26mpa。該相似材料的密度和力學(xué)參數(shù)等與真實(shí)的珊瑚砂屑灰?guī)r較為接近，可以采用該相似材料模擬珊瑚砂屑灰?guī)r作相關(guān)的試驗(yàn)研究。

2、為達(dá)到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料，所述珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料由以下重量份的組分組成：鈣質(zhì)砂 a份、重質(zhì)碳酸鈣粉 b份、石膏 c份、水泥 d份、水 e份、水泥發(fā)泡劑 f份、硼砂 g份、石膏緩凝劑 h份， b=?0?~ a， d= c~?1.5 c， e=?0.125( a+ b)?+?0.6( c+ d)?+?50 f， g=?0.004 d， h=0.002 c， a+ b+ c+ d=v，1.5~2.5，為珊瑚砂屑灰?guī)r干密度，v為珊瑚砂屑灰?guī)r試樣體積（直徑為50mm、高度為100mm圓柱體試樣）。

4、優(yōu)選地，所述水泥發(fā)泡劑添加量 f=v，其中：為鈣質(zhì)砂密度，為重質(zhì)碳酸鈣粉密度，為石膏密度，為水泥密度，為水密度，為稀釋倍數(shù)為50倍稀釋之后的水泥發(fā)泡劑密度，特別的，考慮到攪拌過程中泡沫可能破碎損耗，因此定義水泥發(fā)泡劑損耗系數(shù) ∈（1.5?~?2）。

5、優(yōu)選地，所述的發(fā)泡劑由以下重量份數(shù)的原料制成：起泡劑a份，穩(wěn)泡劑b份，絮凝劑c份，增稠劑d份，防腐劑e份和水f份；其中 a:b:c:d:e:f=（150-250）：（15-25）：（2-4）：（0.5-1.5）：（1-2）：（410-430），進(jìn)一步優(yōu)選地， a:b:c:d:e:f=?200 :20 :3 :1 :1.5 :420。

6、更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述起泡劑為脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸鈉（aec）；所述穩(wěn)泡劑為烷基糖苷（apg）；所述絮凝劑為聚丙烯酰胺（pam）；所述增稠劑為海藻酸鈉（sa）；防腐劑為干酪素。

7、優(yōu)選地，所述硼砂為十水硼砂，密度為1.72?g/cm3；石膏緩凝劑為聚合氨基酸類高效環(huán)保石膏緩凝劑。

8、一種珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料的制備方法，包括如下步驟：

9、1）制備水泥發(fā)泡劑：加入水，再加起泡劑，加熱，攪拌均勻，形成發(fā)泡液；接著，加入穩(wěn)泡劑，攪拌均勻，然后再依次加入絮凝劑、防腐劑和增稠劑，攪拌均勻，即得水泥發(fā)泡劑；

10、2）將鈣質(zhì)砂、重質(zhì)碳酸鈣粉、石膏、水泥、水、水泥發(fā)泡劑、硼砂、石膏緩凝劑按配比稱好；

11、3）將攪拌容器表示體積為v的高度處進(jìn)行標(biāo)記；

12、4）將水泥發(fā)泡劑與水?dāng)嚢璋l(fā)泡至泡沫呈云朵狀，得到發(fā)泡好的泡沫劑；

13、5）將稱好的鈣質(zhì)砂、重質(zhì)碳酸鈣粉、石膏、水泥、硼砂、石膏緩凝劑進(jìn)行攪拌，制成混合粉料；將稱好的硼砂、石膏緩凝劑倒入水中攪拌得到硼砂石膏緩凝劑溶液；

14、6）將制好的混合粉料、硼砂石膏緩凝劑溶液、水進(jìn)行攪拌，得到拌合的混合粉料；

15、7）將發(fā)泡好的泡沫劑加入步驟6）正在拌合的混合粉料中，充分?jǐn)嚢?，并使體積膨脹，當(dāng)高度膨脹至v標(biāo)記處時停止加入泡沫劑；

16、8）將混合好的材料倒入模具中并搖勻；

17、9）材料固結(jié)后脫模，養(yǎng)護(hù)，得到珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料。

18、優(yōu)選地，步驟1）中，加起泡劑加熱至25-35℃，攪拌均勻，形成發(fā)泡液。

19、優(yōu)選地，步驟9）中，材料固結(jié)后脫模，在20?~?30℃、濕度≥80%的條件下養(yǎng)護(hù)25-30d，優(yōu)選地，養(yǎng)護(hù)28d。

20、所述的珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料或者所述方法制備得到珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料用于珊瑚砂屑灰?guī)r物理力學(xué)模型中的應(yīng)用。

21、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

22、1.本發(fā)明提供的珊瑚砂屑灰?guī)r相似材料，制成后包括密度（1:1相似）、基本力學(xué)參數(shù)等在內(nèi)的性質(zhì)與真實(shí)的珊瑚砂屑灰?guī)r相似，能夠滿足多種學(xué)科研究需要，符合巖土工程物理力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的要求。

23、2.本發(fā)明所提相似材料的原料來源廣、成本低，制作方法簡單、易加工，滿足巖土工程物理力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)要求，具有廣泛適用性。

24、3.本發(fā)明骨料中所使用的重質(zhì)碳酸鈣粉（caco3）以下特性：①與硅酸鹽水泥熟料c3s反應(yīng)后在caco3顆粒表面生成c-s-h水化物（并且c3s水化隨著caco3的細(xì)度與摻量的提高而加速），從而降低了c3s的水化溫度。②水泥中的ca(oh)2易附著在caco3顆粒表面，使得液相中離子濃度降低，c3s顆粒表面的離子向溶液中遷移，從而加速了c3s的水化。本發(fā)明利用其特性達(dá)到改善硅酸鹽水泥水化放熱所產(chǎn)生高溫開裂現(xiàn)象的目的。

25、4.本發(fā)明所選用的發(fā)泡劑溶于水時，疏水基團(tuán)會趨向于逃離水相而聚集在一起，親水基團(tuán)則留在水相中。這種特殊的分子排列方式會在界面處形成定向排列，改變界面的性質(zhì)，降低界面能，從而使得表面張力顯著降低；另外，這些分子能夠有效地打破水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步削弱了水分子之間的相互作用力，也有助于降低表面張力。而在表面張力低的情況下，氣泡之間更容易相互連接和融合，主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：一方面，表面活性劑降低了氣液界面的表面張力，使氣泡更容易形成和穩(wěn)定存在。當(dāng)多個氣泡靠近時，由于表面張力降低，氣泡之間的界面能相對較小，克服界面能進(jìn)行連接和融合的阻力也較小。另一方面，表面活性劑在氣液界面形成的膜具有一定的柔韌性和可變形性。當(dāng)氣泡相互接觸時，這種可變形的膜可以較為容易地發(fā)生變形和相互適應(yīng)，促進(jìn)氣泡之間的連接融合。而且，由于鈣質(zhì)砂多呈扁平狀顆粒形狀且其不光滑表面，使得附著在其表面的氣泡分布位置更加具有隨機(jī)性，與此同時氣泡表面的表面活性劑分子分布也并非絕對均勻，這也可能導(dǎo)致局部的薄弱點(diǎn)，由于鈣質(zhì)砂的表面不平滑且凹凸處形狀大多比較尖銳的原因，使得氣泡在這些位置更易相互連通和融合，因而使相似材料達(dá)到孔隙大小不一且高連通的效果。

26、4.本發(fā)明使用的增稠劑為海藻酸鈉（sa）是一種線性高分子聚合物，由β-d-甘露糖醛酸和α-l-古洛糖醛酸通過β-1,4-糖苷鍵連接而成，具有大量的羧酸基團(tuán)。當(dāng)海藻酸鈉加入到水泥漿體中時，其分子鏈上的羧酸基團(tuán)可以通過離子鍵與水泥漿體中的鈣離子結(jié)合，形成物理吸附層，其na+離子融入到發(fā)泡劑溶液中，與發(fā)泡劑分子競爭水分子，減少發(fā)泡劑分子與水分子之間的相互作用，從而增加溶液的表面張力。為了維持泡沫的穩(wěn)定性，液膜會變薄，以減少泡沫膜的表面積和能量。故而泡沫壁上的液體流失，進(jìn)一步促進(jìn)氣泡之間連通或融合。

27、5.本發(fā)明的抗壓與抗拉強(qiáng)度滿足1/15、1/25、1/50等多個幾何比尺下的礁灰?guī)r力學(xué)性能要求、適用礁灰?guī)r模型實(shí)驗(yàn)的范圍較現(xiàn)階段其他產(chǎn)品更加廣泛；特別的，礁灰?guī)r大于等于90%的成分為caco3，本發(fā)明骨料中只添加了鈣質(zhì)砂和重質(zhì)碳酸鈣粉（其主要成分也為caco3），因而更能反映礁灰?guī)r原巖的物理力學(xué)性能。

28、6.本發(fā)明以動植物基作為發(fā)泡劑的組分，并且提供了其各組分配比及其制備方法。其泡沫形成的孔隙較現(xiàn)階段其他發(fā)泡劑所形成的孔隙有連通率高、分布不均勻、形狀不規(guī)則的特點(diǎn)，解決了現(xiàn)階段多孔相似材料孔隙形狀圓潤、均勻的不足，更貼近礁灰?guī)r實(shí)際不規(guī)則、連通的孔隙結(jié)構(gòu)。

29、7.本發(fā)明中泡沫混凝土發(fā)泡劑添加方法與現(xiàn)階段其他方法不同，現(xiàn)階段發(fā)泡劑添加方法為按份數(shù)添加，沒有考慮混凝土攪拌過程中帶來的泡沫破損損失，本發(fā)明按照體積添加發(fā)泡劑，解決了攪拌過程中泡沫損失的問題，使得制成的相似材料孔隙率更準(zhǔn)確切更接近礁灰?guī)r原巖的實(shí)際情況。

30、8.本發(fā)明滿足礁灰?guī)r抗壓強(qiáng)度相似的同時也滿足了其抗拉強(qiáng)度相似，現(xiàn)階段其他礁灰?guī)r相似材料僅滿足礁灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度相似，因此本發(fā)明填補(bǔ)了現(xiàn)階段礁灰?guī)r相似材料抗拉強(qiáng)度不相似的空白，使得模擬礁灰?guī)r實(shí)際力學(xué)性能更加真實(shí)可靠。