铁晶砂胶结岩土相似材料及其制备方法技术

本发明专利技术选择铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉、松香和工业酒精作原材料，研制成铁晶砂胶结岩土相似材料。其中，铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主骨料，松香与酒精配制的溶液作为胶结剂，石膏粉作为调节剂。将铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定的配比称量并充分搅拌均匀，将拌和好的混合料倒入钢制模具内，并在压力机下以一定的压力将混合料压实，然后将模具拆开、取出压制成型的试件，放置在常温下干燥２～３天。力学参数测试表明：材料具有容重高，力学参数变化范围广，制作工艺简单，干燥时间短，价廉易得，没有任何毒副作用且可重复使用等优点。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，应用前景广阔，经济效益显著。

Iron crystal sand cemented rock soil similar material and preparation method thereof

In the invention, iron ore powder, barite powder, quartz sand, gypsum powder, rosin and industrial alcohol as raw materials, developed Tiejing sand cement rock similar material. Among them, iron ore powder, barite powder and quartz sand as aggregate, and the preparation of rosin alcohol solution as cementing agent, gypsum powder as modifier. The iron ore powder, barite powder, quartz sand, gypsum powder and rosin alcohol solution according to the provisions of the proportion of weighing and mixing, the mixing well into the steel mould, and in the press under certain pressure to the mixture compaction, then the specimen mold pressing apart, removed, placed after drying at room temperature 2 ~ 3 days. The mechanical parameters test shows that the material has the advantages of high bulk density, wide range of mechanical parameters, simple production process, short drying time, cheap and easy to obtain, no toxic side effects, and repeated use. It can be widely used in the field of energy, transportation, water conservancy, mining and other fields of geotechnical engineering, mechanical model test research, wide application prospects, significant economic benefits.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水利、交通、矿山、能源工程领域，尤其涉及与这些领域内的岩土介质物理力学特性保持相似的相似材料。
技术介绍
进入新世纪，随着国民经济的持续发展和西部大开发战略的实施，我国迎来了大规模工程建设的高峰期，如三峡、南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路等大型工程的开工建设一方面对加快我国国民经济发展，提高人民生活水平和保持社会可持续发展起到了重大的促进作用，同时开发这些大型工程项目将面临大量的岩土开挖，涉及许多有关岩土强度破坏、变形失稳和加固处理的问题。对这些的复杂问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究，另一方面，更多地要借助岩土地质力学模型试验手段来解决。地质力学模型是真实物理实体的再现，在基本满足相似原理的条件下，能够真实地反映岩土介质的基本物理力学特性。要进行地质力学模型试验，必须有与岩土介质物理力学特性保持相似的相似材料，目前有关岩土相似材料的研究现状如下《武汉水利电力大学学报》1997年第2期介绍了一种由重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液搅拌混合而成的相似材料，简称MIB材料。该材料的显著特点是其弹性模量能够根据胶膜厚度进行调整，其缺点是作为铁粉胶粘剂的氯丁胶含有甲苯，对人体的毒副作用较大。《广东土木与建筑》2002年第12期介绍选用水泥石膏作为岩石模拟材料，通过大量的水泥石膏室内试验，对水泥石膏相似材料的物理力学性能进行了研究。此类材料的特点是价格低廉、易于加工制作，但模型干燥慢、养护时间长，材料不能重复利用。《水力发电学报》2004年第1期介绍了一种NIOS地质力学模型材料，它由磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂组成。该材料的特点是容重大、价格低廉、性能稳定，但模型干燥慢、养护时间长，材料不能重复利用。《工程地质学报》1994年第2期介绍在模拟西安地区断裂构造活动性时，选用重晶石，石膏，石英砂，水，乳胶的混合物作为基本的模型材料，甘油，柠檬酸作为辅料剂。这种材料的特点是材料价廉易得，但模型干燥时间长，加入白乳胶后，在模型某些部位易产生裂纹而影响材料力学特性。《西部探矿工程》2003年第12期介绍依据兖州矿区的地质采矿条件，采用河砂、云母为骨料，碳酸钙、石膏为胶结物的相似材料，来研究大条带综放开采引起的覆岩破坏特征。对于表土和煤，由于容重小，加进适量的锯末以减少相似材料的容重，该材料只适合模拟该地区的岩土工程特性而不具备普遍性。上述岩土相似材料普遍存在的不足是相似材料容重低、干燥时间慢、力学参数变化范围窄、材料不能重复使用。
技术实现思路
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，其中模型材料的选择对地质力学模型试验的成功与否起着至关重要的作用。在岩土工程地质力学模型试验中，作为模拟岩土力学特性的相似材料必须具备高容重、低强度、低变形模量和可变化的内摩擦角等基本特点，而满足这些要求的材料在自然界是不存在的，必须用人工方法进行组合得到。根据我们多年的研究经验，对相似材料的研制，一般遵循如下一些基本原则(1)相似材料应由散粒体组成。经胶结剂胶结并在模具内强压成一定尺寸的砌块，才能保证有致密的结构和较大的内摩擦角。(2)散粒体应选用大比重的物质，并由粗、细颗粒按最优级配组成，以获得最大的容重和较小的孔隙率。(3)采用弱胶结性的胶结剂，以降低成型材料的强度。(4)成型后的材料应具有较高的电气绝缘度，且不受温度和湿度变化的影响，模拟过程中材料的力学性能比较稳定。(5)应采用价廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型试验经费。(6)材料制作工艺力求简化，成型后能快速干燥，以加快模型试验进程。(7)相似材料的力学参数具有较大的可变化范围，以适应模拟不同岩土介质的需要。(8)对人体无任何毒害作用。根据相似材料的上述研究原则，我们经过200多组、近600多个试件的材料力学参数测试，研制出了一种新型岩土相似材料，它是由铁矿粉(Iron ore powder)、重晶石粉(Blancfix powder)、石英砂(Sand)、石膏粉(Gypsum powder)、松香酒精((Rosin and Alcohol)溶液按照一定的配比混合并均匀搅拌而成的一种复合材料，称为铁晶砂胶结岩土相似材料。材料力学参数测试表明，该材料具有容重高、力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉、制作工艺简单且可重复使用的显著优点。本专利技术的铁晶砂胶结岩土相似材料的技术方案是选择铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉、一级松香和纯度为99.9％的工业酒精作原材料，其中，铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主骨料，松香与酒精配制的溶液作为胶结剂，石膏粉作为调节剂。由于铁矿粉、重晶石粉太细，为了优化级配和调节材料的力学特性，在材料中加入石英砂作粗骨料。优选得到的材料配比构成是铁矿粉、重晶石粉和石英砂的重量配比为1∶0.67～1.5∶0.17～0.37，石膏粉作为调节剂，其重量为材料总重的0～4％，松香酒精溶液作为胶结剂，其摩尔浓度为5～25％、重量为材料总重的3％～6％。本专利技术的铁晶砂胶结岩土相似材料的制作工艺过程是先把铁矿粉、重晶石粉、石英砂和石膏粉按照规定的配比称量并倒入搅拌机里充分搅拌均匀，然后加入松香酒精溶液进一步拌和，将拌和好的混合料，倒入钢制模具内，并在压力机下以1.5～2.0MPa左右的压力将混合料压实，最后将模具拆开、取出压制成型的试件，在试件表明贴上标签，放置在常温下干燥2～3天。干燥后的材料试件先秤重量、测量高度，计算出容重γ。随后在试验机上测试材料试件的力学参数，主要包括弹性模量E、泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、内摩擦角φ和粘聚力C。材料力学参数测试在电子万能试验机和三轴剪切仪上进行，经过近200多组、共计600多个材料试件的力学参数测试，研制出铁晶砂胶结岩土相似材料。铁晶砂胶结岩土相似材料的主要物理力学参数(1)主要物理力学参数表1为不同配比测得的材料主要抗剪强度参数，表2为不同配比测得的材料主要物理力学参数。表1不同配比测得的材料主要抗剪强度参数 表2不同配比测得的材料主要物理力学参数 续表2不同配比测得的材料主要物理力学参数 续表2不同配比测得的材料主要物理力学参数 续表2不同配比测得的材料主要物理力学参数 续表2不同配比测得的材料主要物理力学参数 采用铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料，松香酒精溶液作为胶结剂，石膏作为调节剂，研制成一种铁晶砂胶结岩土相似材料，材料力学参数测试表明该材料容重变化范围为24～29KN/m3、弹性模量变化范围为30～1400MPa、抗压强度变化范围为0.2～5.0MPa、粘结力变化范围为20～550Kpa、内摩擦角变化范围为30～50°。材料的物理力学参数变化范围较广，可用来模拟力学参数变化范围较大的岩土原型材料，试验证明该材料具有如下显著的优点。(1)材料力学参数变化范围较广，可以用同一种材料，只要调整其中各组成部分的配比，即可适应不同种类岩土介质的相似要求，大大简化了模型试验研究工作的难度。(2)材料不生锈，具有很高的绝缘性，且不受温度和湿度的影响，可在模型块上贴片而无须采取其他保护措施。(3)所使用的主要原料均为市场或工厂定型产品，价廉易得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁晶砂胶结岩土相似材料，它是由铁矿粉（Ｉｒｏｎｏｒｅｐｏｗｄｅｒ）、重晶石粉（Ｂｌａｎｃｆｉｘｐｏｗｄｅｒ）、石英砂（Ｓａｎｄ）、石膏粉（Ｇｙｐｓｕｍｐｏｗｄｅｒ）、松香酒精（ＲｏｓｉｎａｎｄＡｌｃｏｈｏｌ） 溶液按照规定的配比均匀混合搅拌而成的一种复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张强勇，李术才，朱维申，尤春安，郭小红，马国良，陈继光，李勇，王汉鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]