用于裂隙岩石试验的类岩石陶瓷材料及其试件制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于裂隙岩石试验的类岩石陶瓷材料及其试件制备方法。类岩石陶瓷材料的各组份的重量配比为：氧化铝５０～７０％、二氧化硅１５～３５％、氧化钾５～１５％、氧化钠３～７％。其试件的制备方法如下：将各组份粉碎至使其６０～８０％的颗粒直径达到１０微米以下并烘干，按各组份总重量的１０％加入水，混合均匀，放入专用模具内用压力机压制成型，将成型试件在４０～１００℃温度干燥２４小时后直接装入窑内烧制，烧制温度为１２００～１３８０℃，烧制时间为１０～１６小时，停止加温，待１２个小时后出窑。本发明专利技术的类岩石陶瓷材料力学性能与岩石基本相同，作为岩石替代材料进行试验，能够较好地说明岩石中复杂结构的力学过程及规律。

Rock ceramic material for fractured rock test and specimen preparation method thereof

The present invention provides a kind of rock ceramic material used for fractured rock test and its specimen preparation method. Rock ceramic components by weight: 50 to 70%, alumina silica 15 ~ 35%, 5 ~ 15%, 3 sodium hydroxide to 7%. The method of preparation of the test pieces are as follows: the components to make it 60 to 80% pieces of the particle diameter was below 10 microns and drying, according to a 10% of the total weight of adding water, mixing, into special mold press molding, the molding specimen loaded directly at 40 to 100 DEG dry 24 hours after the dry kiln firing, firing temperature is 1200 to 1380 DEG C, firing time is 10 ~ 16 hours, stop heating, 12 hours after the kiln. The mechanical properties of the rock ceramic material are basically the same as that of the rock, and as a substitute material of rock, the mechanical process and the law of the complex structure in the rock can be well described.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及类岩石陶瓷材料的配方及其试件的制备方法，属于类岩石材料

技术介绍
多少年来，数学力学方法只能为简单的问题提供理论解释，许多分析性的预见大多来自现场实测与模拟研究的成果。虽然数值计算为岩石力学的分析计算提供了有力的工具，但是，仍然有其不足之处。模型试验随着科学技术的发展向更完善更高级的形式发展，加上这类方法具有直观性与全场逐点给出结论的优点，模型试验得到了迅速的发展。模型试验起源于本世纪初，Hubbert(1937)首先提出用相似材料来制作地质模型，而后Saucier(1967)对模型材料做了进一步研究，与此同时Mandel(1963)和Fumagalli(1968)分别将模型技术应用到采矿工程和分析拱坝结构。七十年代，Fumagalli(1973)与R.J.Lutton(1974)对模型试验进行了较为系统的研究。我国林韵梅于1983年发表了《试验岩石力学》一书，系统的介绍了模拟试验的理论和试验方法。鉴于岩体介质的多裂隙性，在1967年举行的第九届国际大坝会议及同年举行的国际岩石力学会议上提出了用材料的块体组合来模拟多裂隙介质岩体的设想，而后国内外对裂隙岩体的基本性质做了许多研究，Goldstein，M.；Hayashi，M.；Lama，R.D.；Kawamoto，T.；Muller L.；Einstein H.H.；Brown E.T.等许多学者利用模型试验，对裂隙岩体进行了单压、单拉、纯剪的试验，同时也进行了二维及三维的压缩试验，对影响裂隙岩体强度特性、变形特性、破坏方式等因素作了分析研究。国内学者也对模型试验进行了广泛而深入的研究。基于水电工程中坝基的稳定等诸问题，清华大学做过许多地质力学模型试验，主要完成了石膏材料的块体模型试验，从整体效应上模拟岩体的物理力学指标，必要时也模拟主要的软弱带如断层等。西南交通大学关宝树等(1985)利用水泥浆块体，用石膏胶结裂隙面，通过侧向限制情况下的单轴压缩试验，主要研究了裂隙组数和倾角对试体特性、位移特性、破坏机理的影响。西南交通大学碎裂岩体稳定研究组(1989)曾对碎裂岩体地基中的应力分布、变形、破裂等进行多种模型的试验研究。国外，Reyes，Shen，Bobet and Einstein等用石膏试样研究了单轴加载下单裂隙的扩展和双裂隙的岩桥贯通机制及试样失稳模式。中国香港学者使用类砂岩模拟材料(硫酸钡、砂、石膏和水的混合物)研究了含不同磨擦系数及不同角度分布的预置裂隙试样的贯通机制，对岩桥贯通失效机制作出了一系列的单轴和直剪试验方面的研究。模拟试验已经成为进行岩石力学研究一种不可或缺的重要手段。上述石膏材料、类砂岩等岩土相似材料普遍存在的不足是其物理力学性能与岩石相差较远，不能够模拟出真正岩石的力学变化规律。目前还没有用陶瓷作替代材料进行岩石试验的报道。
技术实现思路
本专利技术针对现有类岩石材料存在的不足，提供一种力学性能与岩石基本相同，且用于模拟试验能够较好地说明岩石中复杂结构的力学过程及规律的。为此，本专利技术的类岩石陶瓷材料的配方及其试件制备方法分别如下本专利技术的类岩石陶瓷材料的组份为氧化铝(AL2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化钾(K2O)、及氧化钠(NaO2)，其重量配比为氧化铝50～70％、二氧化硅15～35％、氧化钾5～15％、氧化钠3～7％。其中最优选的重量配比为氧化铝60％、二氧化硅25％、氧化钾10％、氧化钠5％。本专利技术的类岩石陶瓷材料试件的制备方法如下将上述类岩石陶瓷材料的各组份粉碎至使其60～80％的颗粒直径达到10微米以下并烘干，按各组份总重量的10％加入水，混合均匀，放入与所制试件相应的专用模具内，用100吨压力机压制成型，将成型试件在40～100℃温度干燥24小时后直接装入窑内采用还原焰烧制，烧制温度为1200～1380℃，烧制时间为10～16个小时，然后窑内停止加温，待12个小时后出窑。本专利技术的类岩石陶瓷材料的密度、抗压强度、孔隙率、扩容、拉压比、断裂韧度、脆性等力学性能与岩石基本相同，作为岩石替代材料进行试验，能够较好地说明岩石中复杂结构的力学过程及规律，这是其他相似材料和岩石所不能完成的。通过对其试件的各种力学试验及进一步检验，得到的各种物理力学性能为密度2100～2400kg/m3；单轴抗压强度40～80MPa；弹性模量4～10GPa；孔隙率1.5～3％；拉压比8～12；断裂韧度0.8～1.2MPa·m1/2。其试验曲线表明扩容现象较为明显，并从其力学性能反映出该材料在中等或良质花岗岩类别。经过精选后的陶瓷，材料的配比、烧制温度与常规陶瓷不同，可广泛应用于能源、交通、水利、矿山等领域的岩土工程地质力学模型试验研究。附图说明图1是本专利技术的专用模具结构示意图。图2是本专利技术的无围压的应力应变曲线图。图3是本专利技术的围压5MPa的应力应变曲线图。图4是本专利技术的围压10MPa的应力应变曲线图。图中1、托板，2、螺栓，3、基体，4、加长体，5、活塞体。具体实施例方式实施例1按重量比为60％、25％、10％、5％的比例，称取氧化铝0.273kg、二氧化硅0.113kg、氧化钾0.045kg及氧化钠0.023kg，各种物质通过粗碎、中碎、细碎三个步骤使其70％的颗粒直径达到10微米以下，并烘干制成粉末。按四种物质总重量的10％加入水0.045kg，混合均匀。放入如图1所示的专用模具内，该模具包括托板1、基体3、加长体4及活塞体5，基体3通过螺栓2连接在托板1上，加长体4与基体3通过螺纹连接。使用时，托板1安装在100吨油压压力机底座上，活塞体5连接在压力机的压头上对基体3内的材料压制。压制成型后，从托板1上卸下基体3，从基体3内取出圆柱型试件，在100℃温度下干燥24小时后直接装入窑内采用还原焰在1350℃温度下烧制12小时。然后窑内停止加温，待12个小时后取出。所得圆柱型试件外观尺寸受材料收缩率影响约为φ5cm×10cm，经测试，其各种物理力学性能为密度2314.5kg/m3；单轴抗压强度60.02MPa；弹性模量5.7GPa；孔隙率1.8％；拉压比11；断裂韧度0.98MPa·m1/2。经在世界上最先进的MTS815.03电液伺服岩石试验机上进行测试，以应变速率为1×10-6/s的准静态加载方式，通过应变控制逐渐增加轴压，直至试件在轴压的作用下被破坏，得到单轴受压状态下的应力应变曲线如图2所示，在围压为5MPa的应力应变曲线如图3所示，在围压为10MPa的应力应变曲线如图4所示。由试验曲线可以看出扩容现象较为明显，与良质花岗岩的应力应变曲线规律一致。实施例2按重量比为60％、25％、10％、5％的比例，称取氧化铝0.268kg、二氧化硅0.112kg、氧化钾0.044kg及氧化钠0.022kg，各种物质通过粗碎、中碎、细碎三个步骤使其70％的颗粒直径达到10微米以下，并烘干制成粉末。按四种物质总重量的10％加入水0.044kg，混合均匀。放入如图1所示的专用模具内，用100吨油压压力机压制成圆柱型，取出后在100℃温度下干燥24小时，直接装入窑内采用还原焰在1300℃温度下烧制12小时。然后窑内停止加温，待12个小时后取出。所得圆柱型试件外观尺寸受材料收缩率影响约为φ5cm×10cm，经测试，其各种物理力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于裂隙岩石试验的类岩石陶瓷材料，其特征是：其组份为氧化铝、二氧化硅、氧化钾及氧化钠，各组份重量配比为：氧化铝５０～７０％、二氧化硅１５～３５％、氧化钾５～１５％、氧化钠３～７％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，李廷春，朱维申，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]