【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利属于岩土工程物理模拟，具体涉及一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法及制作装备。
技术介绍
1、矿山、水利、交通等工程领域所涉及的岩(土)体几乎都是由多层具有不同物理力学特性的岩石(或土)复合而成的。研究层状复合岩(土)体在各种工况下的应力和变形等力学行为规律对工程的施工与维护具有重大的指导意义。
2、在岩土工程物理模拟试验领域，透明相似材料模拟试验技术以其能够全场、直观、实时地测量模型内部变形的优势，近年来得到了广泛应用与发展。根据制作透明相似材料的原理和方式不同，该技术主要分为两类方法：一是与真实岩(土)体成因相一致的固结法，二是采用高分子材料进行3d打印的方法。3d打印法的优点是方便、高效、高精度。然而，该方法制作的透明相似材料不仅只能模拟较少部分的岩(土)体(物理力学性质变化范围小)，而且无法呈现岩(土)体的颗粒、孔隙等细观结构，也就无法精准地模拟岩(土)体的物理力学行为。固结法的特点与打印法正好相反，由于其材料、结构和成岩过程与实际岩(土)体都具有很好的一致性，能很好地模拟岩(土)体的物理力学行为，因而具有良好的发展前景和研究价值。
3、然而，采用传统固结法制作透明岩(土)体相似材料存在以下重大不足：透明混合物的制备过程包括“搅拌—入模—排气”三个步骤，费时费力且所得混合物透明度不佳。为了使固体粉末与透明液体充分混合，搅拌过程需要尽可能缓慢地往透明液体中加入固体粉末，而且每次搅拌的量不能过多，整个搅拌过程需要耗费大量时间；将搅拌好的混合物灌入模具后，需要将模具搬入真空箱排气，然后再
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足之处，本专利技术提供了一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法及制作装备，可将制备透明混合物的过程由传统的“搅拌—入模—排气”三步合并在排气过程中一步完成，既省时省力，又能获得理想的透明混合物。本专利技术首先对固体粉末进行排气，能快速地将空隙内的空气排尽，之后在真空吸力的作用下将透明液体吸入固体粉末的空隙中，以达到固液充分混合的效果。相比传统的先搅拌后对粘稠混合物排气的方法，本方法采用了全新的混合物搅拌和内部空气排气原理，既避免了漫长的搅拌过程和费力的将模具搬进搬出真空箱的过程，又能在相对很短的时间内实现理想的排气效果，具有显著的快速、高效、省力等优点。
2、为实现上述技术目的，本专利技术的公开一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法，向密封容器中装入用于制备复合岩体透明相似材料的固体粉末，对密封容器抽真空，使装有固体粉末的密封容器内形成负压状态，之后在持续抽真空的情况下从密封容器底部向容器中通入用于制备复合岩体透明相似材料的透明液体，使液体充分填补密封容器内固体粉末之间的空间，即可获得透明的固液混合物，通过恒压排液固结的方法对该混合物进行固结制得透明岩石相似材料。
3、固体粉末和透明液体的折射率相近或相同，固体粉末主要包括无定形硅粉、熔融石英粉、硅石凝胶粉末，透明液体包括溴化钙溶液、蔗糖溶液、矿物油混合物；根据模拟需要，改变固体粉末的颗粒级配、固结压力和固结时间参数，透明液体的种类，固结压力和时间从而获得不同力学参数的透明岩石相似材料。
4、将不同分层岩石的透明相似材料上下顺序叠合起来，并在相邻透明相似材料的交界面处铺设一层用于模拟结构面的固液混合物，向叠合起来的透明相似材料施加压力固结，形成层状复合岩体透明相似材料。
5、一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法所使用的制备装置，包括液体容器、透明相似材料模具和真空装置，其中液体容器通过进液管与透明相似材料模具下方连接，透明相似材料模具的上方通过排气管与真空装置连接；真空装置包括通过吸气管相互连接的真空容器和真空泵，真空容器上设有真空表；
6、透明相似材料模具包括可拆卸组合成圆柱结构的筒身，筒身可拆卸为两半便于脱模，筒身底部设有底座，筒身顶部设有堵头，底座与堵头之间的筒身空间即为容纳所制备的透明相似材料，两半筒身内壁之间设有密封条，透明相似材料的顶底部均设有透水垫，堵头下端插入筒身内，筒身上开口与堵头外侧之间设有密封圈；底座内设有与进液管连接的通孔，进液管上设有进液阀，堵头内设有与排气管连通的排气孔，排气管上设有排气阀。
7、一种复合岩体透明相似材料的制备装置的工作方法，步骤如下：
8、步骤一：在透明相似材料模具的底座上放置透水垫，之后向透明相似材料模具中装入固体粉末，固体粉末顶端放置透水垫，之后在透水垫上部放置带排气孔的堵头，堵头与试模筒身内壁之间用两道密封圈密封；
9、步骤二：将试模底座的进液阀与输送透明液体的管路连接，将堵头的排气阀与通往真空容器的管路连接；
10、步骤三：关闭进液阀，向液体容器中缓慢注入透明液体；
11、步骤四：打开排气阀，之后启动真空泵持续对试模内部排气约半小时，通过观测真空容器上的真空表，尽可能排出筒身内固体粉末中的空气；然后保持排气的情况下缓慢打开进液阀，让透明液体从进液管均匀地通过透水垫往上充满筒身内固体粉末的空隙，达到饱和状态；当透明液体淹没上部透水垫的下表面时关闭进液阀，此时筒体在无需搅拌和预混合的步骤下形成饱和的透明混合物；
12、步骤五：对饱和的透明混合物持续排气一段时间，然后关闭真空泵的吸气阀，再关闭真空泵；待真空容器内的气压恢复至接近大气压后进行饱和排液固结操作。
13、进一步，饱和排液固结的方法为：
14、首先确保进液阀处于关闭状态，将排气阀关闭并将排气管端部与真空容器断开连接；
15、然后将排气管接入液体容器顶部；
16、使用加载设备向堵头施加垂直向下的恒定固结压力，随着透明混合物的压实其内部多余的透明液体通过排气管排入液体容器中；固结过程中随着固体粉末内的空隙减少而排出容器内多余的透明液体，同样保证了混合材料的饱和状态。
17、进一步，固结压力和时间的取值按以下方法确定：首先针对这些固结参数进行正交试验，得出透明岩石相似材料物理力学特性与这些参数取值之间的定量关系；然后根据所需模拟的岩石物理力学特性计算固结压力和时间的取值。
18、进一步，制备多层层状复合岩体透明相似材料的过程如下：将不同的力学参数的透明岩石相似材料按顺序叠合后放入筒身内，利用堵头向放入的透明岩石相似材料施加恒定压力，且压力小于各分层固结的压力，获得多层层状复合岩体透明相似材料。
19、有益效果：本专利技术通过在相邻两层透明岩(土)体相似材料之间铺设一定厚度的较粗粒径的透明固体饱和混合物，并在较低的固结压力下进行二次固结的方法，可实现对岩(土)体结构面的模拟，进而本专利技术提供了一种可用于层状复合岩(土)体透明相似材料的制作方法和配套装备。
20、技术优点：
21、1.本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法，其特征在于：向密封容器中装入用于制备复合岩体透明相似材料的固体粉末，对密封容器抽真空，使装有固体粉末的密封容器内形成负压状态，之后在持续抽真空的情况下从密封容器底部向容器中通入用于制备复合岩体透明相似材料的透明液体，使液体充分填补密封容器内固体粉末之间的空间，即可获得透明的固液混合物，通过恒压排液固结的方法对该混合物进行固结制得透明岩石相似材料。
2.根据权利要求1所述的一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法，其特征在于：固体粉末和透明液体的折射率相近或相同，固体粉末主要包括无定形硅粉、熔融石英粉、硅石凝胶粉末，透明液体包括溴化钙溶液、蔗糖溶液、矿物油混合物；根据模拟需要，改变固体粉末的颗粒级配、固结压力和固结时间参数，透明液体的种类，固结压力和时间，从而获得不同力学参数的透明岩石相似材料。
3.根据权利要求1所述的一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法，其特征在于：将不同分层岩石的透明相似材料上下顺序叠合起来，并在相邻透明相似材料的交界面处铺设一层用于模拟结构面的固液混合物，向叠合起来的透明相似材料施加压力固结
4.一种层状复合岩体透明相似材料的制备装置，其特征在于，包括液体容器、透明相似材料模具和真空装置，其中液体容器通过进液管与透明相似材料模具下方连接，透明相似材料模具的上方通过排气管与真空装置连接；真空装置包括通过吸气管相互连接的真空容器和真空泵，真空容器上设有真空表；
5.一种使用权利要求4所述层状复合岩体透明相似材料的制备装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，饱和排液固结的方法为：
7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，固结压力和时间的取值按以下方法确定：首先针对这些固结参数进行正交试验，得出透明岩石相似材料物理力学特性与这些参数取值之间的定量关系；然后根据所需模拟的岩石物理力学特性计算固结压力和时间的取值。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，制备多层层状复合岩体透明相似材料的过程如下：将不同的力学参数的透明岩石相似材料按顺序叠合后放入筒身(3)内，利用堵头(4)向放入的透明岩石相似材料施加恒定压力，且压力小于各分层固结的压力，获得多层层状复合岩体透明相似材料。
...【技术特征摘要】
1.一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法，其特征在于：向密封容器中装入用于制备复合岩体透明相似材料的固体粉末，对密封容器抽真空，使装有固体粉末的密封容器内形成负压状态，之后在持续抽真空的情况下从密封容器底部向容器中通入用于制备复合岩体透明相似材料的透明液体，使液体充分填补密封容器内固体粉末之间的空间，即可获得透明的固液混合物，通过恒压排液固结的方法对该混合物进行固结制得透明岩石相似材料。
2.根据权利要求1所述的一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法，其特征在于：固体粉末和透明液体的折射率相近或相同，固体粉末主要包括无定形硅粉、熔融石英粉、硅石凝胶粉末，透明液体包括溴化钙溶液、蔗糖溶液、矿物油混合物；根据模拟需要，改变固体粉末的颗粒级配、固结压力和固结时间参数，透明液体的种类，固结压力和时间，从而获得不同力学参数的透明岩石相似材料。
3.根据权利要求1所述的一种层状复合岩体透明相似材料的制作方法，其特征在于：将不同分层岩石的透明相似材料上下顺序叠合起来，并在相邻透明相似材料的交界面处铺设一层用于模拟结构面的固液混合物，向叠合起来的透明相似材料施加压力固结，形成层状复合岩体透明...
【专利技术属性】
技术研发人员：张后全，许国安，戚靖骅，卞凯琦，高子栋，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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