一种硅质胶结结构面夹层相似材料及其配制方法技术

硅质胶结结构面夹层相似材料及其配制方法，属于相似材料技术领域，包括，骨料：石英，长石，云母、绿泥石、碳酸钙粉末；固化剂：石膏、硅酸钠；调和剂：水、硼砂、减水剂和氧化石墨烯。石英与所述长石质量比为2～0.5；云母和绿泥石的质量之和占总骨料质量的0％～15％；碳酸钙粉末占骨料总质量的0～5％；具体各骨料的级配和含量由原岩结构面夹层的矿物级配和含量来确定；调和剂的用量固定为固化剂质量的30％，氧化石墨烯与固化剂之比为0～0.06％。骨料与固化剂的质量比为0.5～2；固化剂的石膏与硅酸钠质量比为0.5～2。本发明专利技术实现了原岩结构面抗拉强度、抗剪强度和扰动损伤特性相似的材料研制，解决了深部工程硬性结构面研究材料来源难题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种硅质胶结结构面夹层相似材料及其配制方法


[0001]本专利技术涉及相似材料
，特别涉及一种硅质胶结结构面夹层相似材料及其配制方法。

技术介绍

[0002]天然岩体中往往具有明显的地质遗迹，如不整合面、褶皱、断层、节理等。由于这些地质构造的存在，造成了岩体介质的不连续，因而这些界面被称为结构面。正是结构面的存在影响岩体的力学特征，造成岩体在力学上的不连续性和各向异性。完整的岩体结构面包括有结构面的上下盘以及上下盘之间的夹层，常见于露天边坡、路堑等工程中的结构面往往填充着岩屑、淤泥、风化碎石等，这一类结构面一般具有较小胶结性或者不具备胶结能力，我们称之为软弱结构面。而在深部工程围岩体中，结构面常以胶结厚度薄而胶结强度大的特征出现，与常规意义上的结构面具有一定区别，称之为硬性结构面。目前，绝大多数学者对于结构面的研究主要集中在软弱结构面上，而对这类具有胶结强度大且厚度薄的硬性结构面的研究却较为匮乏。
[0003]鉴于目前对于结构面的现场取样困难、经济成本较高，且存在一定危险性，故此，多数学者采用相似材料的方式进行结构面试样的制作。多数学者开展了软弱结构面的研究，他们多在结构面上下盘上进行了一定的相似材料研究，主要考虑的因素在于结构面本身的形貌特征、填充厚度、填充物几个方面，而对于结构面填充层本身的相似材料研究作了取舍，他们多采用淤泥、岩石碎屑等常见于软弱结构面的填充物作为结构面填充材料，而针对于深部硅质胶结结构面夹层还缺乏系统的研究。
[0004]硬性结构面区别于软弱结构面的特征在于，其具有胶结厚度薄而胶结强度大的特点，这决定了硬性结构面的胶结层存在一定的抗拉能力；硬性结构面的剪切破坏是由填充层胶结力和上下盘凹凸特征咬合力共同主导。目前类岩石相似材料的相似准则普遍只考虑了原型材料的静力的物理力学参数相似，缺乏对相似材料扰动力学性能的相似，传统的静力相似准则所得到的一系列类岩石材料已经满足不了开展硬性结构面在动力特性方面的相关研究。基于此本专利技术将结合硬性结构面夹层胶结力和剪切特性两个最显著的材料特征为设计因素，同时考虑相似材料在扰动力学性能方面的相似性，通过相似材料的抗拉强度、剪切特性、扰动力学性能和扰动损伤特征四个条件的相似性，得出硅质胶结结构面夹层相似材料的相似准则。
[0005]基于上述，本专利技术提出了一种硅质胶结结构面夹层相似材料及其配制方法，以解决目前对于硬性硅质胶结结构面夹层相似材料研究的空白，以及对硬性结构面研究的不足。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种硅质胶结结构面夹层相似材料，该夹层相似材料包括以下组成部分，骨料：石英，长石，云母、绿泥石、碳酸钙粉末；固化剂：石膏(2000目)、硅酸钠；调和剂：
水、硼砂、减水剂和氧化石墨烯。
[0007]骨料中各组分的配比：所述石英与所述长石质量比为2～0.5；所述云母和绿泥石的质量之和占总骨料质量的0％～15％；所述碳酸钙粉末占骨料总质量的0～5％；具体骨料各组分的粒径级配和含量由原岩结构面夹层的粒径分布和矿物含量分布来确定。
[0008]调和剂的用量固定为固化剂质量的30％，调和剂所用水为纯净水，减水剂为高性能聚羧酸减水剂，氧化石墨烯质量与固化剂之比为0～0.06％。
[0009]所述骨料与固化剂的质量比为0.5～2；固化剂的石膏(2000目)与硅酸钠质量比为0.5～2。
[0010]具体的骨料、固化剂和调和剂的配合比根据如下步骤确定：
[0011](1)结构面夹层相似材料相似理论采用如下相似系数准则：
[0012]a抗拉强度相似系数：
[0013]b抗剪切强度相似系数：
[0014]c扰动力学性能相似系数：
[0015]d扰动损伤特征相似：相似材料扰动加载“减速、等速、加速”三阶段的“S”型损伤演化规律相似。
[0016]其中：σ
tM
为原岩实测抗拉强度、σ
tH
为夹层相似材料实际抗拉强度；c
M
为原岩实测粘聚力、c
H
为夹层相似材料实际粘聚力；为原岩实测内摩擦角、为夹层相似材料实际内摩擦角；T
M
为原岩扰动破坏周期、T
H
为夹层相似材料扰动破坏周期。
[0017](2)根据骨料与固化剂比例、石膏和硅酸钠的比例、氧化石墨烯参量、成岩压力四个因素，采用均匀设计法，设计4因素多水平的均匀试验方案(见表1)。
[0018]表1夹层相似材料全水平均匀设计方案
[0019][0020](3)根据试验方案将材料制作成巴西劈裂和剪切试验的标准样，制作过程包括：依据试验方案进行材料的称量、骨料和固结剂的混合、调和剂的制备、浇筑、持续施压和养护至相似材料完全固化。进行巴西劈裂和剪切试验并对均匀设计试验结果进行回归曲线分析，根据所述(1)中相似准则得出最佳夹层相似材料配合比。
[0021]一种硅质胶结结构面夹层相似材料制备方法采用如上的一种硅质胶结结构面夹层相似材料，具体包括如下步骤：
[0022]步骤1、根据夹层相似材料的最终配比和原岩的颗粒粒径级配称取相应质量和粒径的石英、长石、云母、绿泥石、碳酸钙粉末，置于搅拌机混合搅拌均匀备用；
[0023]步骤2、根据夹层相似材料的最终配比称取相应的水、减水剂、氧化石墨烯置于烧
杯混合搅拌至减水剂完全溶化，将烧杯置于超声分散仪中超声分散混合溶液得到调和剂；
[0024]步骤3、将配置好的调和剂倒入搅拌机中，混合搅拌3min；
[0025]步骤4、将搅拌后的夹层相似材料置于结构面下盘试件上，并将夹层相似材料涂抹均匀，进一步将结构面上盘对准结构面下盘置于夹层相似材料之上，再将夹层相似材料周围密封；
[0026]步骤5、根据最佳配比的成型压力，对结构面上下盘之间的夹层相似材料持续施加成型压力，在施加成型压力的同时对结构面夹层进行养护，施压养护时间为15天；
[0027]步骤6、卸去压力，取出完整的结构面试件，进行剪切试验。
[0028]本专利技术的有益效果如下：
[0029]1、本专利技术提出的结构面夹层相似材料，在抗拉强度上与原岩结构面的抗拉强度非常接近，相似比约为1，且与结构面上下盘间胶结紧密，两者之间的咬合力大于夹层相似材料的抗拉强度，复合原生硅质结构面抗拉破坏的基本特征；
[0030]2、本专利技术提出的结构面夹层相似材料，在剪切特性上与原岩结构面的剪切特性一致，对结构面的剪切特性研究具有重要意义；
[0031]3、本专利技术提出的结构面夹层相似材料和制备方法，在骨料的选择上，选取与原岩矿物成分和颗粒粒径级配一致的矿物，从而保证了相似材料与原岩在基本物理力学特征参数上的一致性；制备方法上，考虑了结构面夹层的成岩应力环境，提高了夹层相似材料的致密性，更符合常见的硅质胶结结构面特征；
[0032]4、本专利技术通过两种固化剂的组合和调和剂中氧化石墨烯的含量调控，从而控制相似材料的强度、内摩擦角和粘聚力，该方式可以适配大部分的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅质胶结结构面夹层相似材料，其特征在于，包括以下组成部分，骨料：石英，长石，云母、绿泥石、碳酸钙粉末；固化剂：粒径2000目的石膏、硅酸钠；调和剂：水、硼砂、减水剂和氧化石墨烯。2.如权利要求1所述的一种硅质胶结结构面夹层相似材料，其特征在于，所述骨料中各组分的配比：所述石英与所述长石质量比为2～0.5；所述云母和绿泥石的质量之和占总骨料质量的0％～15％；所述碳酸钙粉末占骨料总质量的0～5％；具体骨料各组分的粒径级配和含量由原岩结构面夹层的粒径分布和矿物含量来确定。3.如权利要求1所述的一种硅质胶结结构面夹层相似材料，其特征在于，所述调和剂的用量固定为所述固化剂质量的30％，所述调和剂所用水为纯净水，减水剂为高性能聚羧酸减水剂，氧化石墨烯质量与固化剂之比为0～0.06％。4.如权利要求1所述的一种硅质胶结结构面夹层相似材料，其特征在于，所述骨料与固化剂的质量比为0.5～2；固化剂的石膏与硅酸钠质量比为0.5～2。5.如权利要求1
‑
4所述的一种硅质胶结结构面夹层相似材料，其特征在于，所述骨料、固化剂和调和剂的准确配合比根据如下步骤确定：(1)结构面夹层相似材料相似理论采用如下相似系数准则：a抗拉强度相似系数：b抗剪切强度相似系数：c扰动力学性能相似系数：d扰动损伤特征相似：扰动三阶段“减速、等速、加速”的“S”型损伤演化规律相似。其中：σ
tM
为原岩实测抗拉强度、σ
tH
为夹层相似材料实际抗拉强度；c
M
为原岩实测粘聚力、c
H
为夹层相似材料实际粘聚力；为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志，罗操，罗丹旎，黎崇金，黄小华，苏国韶，张强，章鹏，陈亮，赵星光，陶洪辉，移根旺，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：