一种砂岩相似材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种砂岩高强度高脆性相似材料及其制备方法。原材料包括石英砂、硅粉、水泥、蒸馏水和减水剂。基于原岩的物理力学性质以及细观特征，采用以骨料调控材料性质的方法，选用石英砂以提高材料的脆性，选用硅粉以提高材料的强度；实现了类砂岩材料的脆性和强度，相似材料与原岩主要的物理力学参数(密度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、单轴抗压强度、抗拉强度和泊松比等)满足相似理论。成功的模拟了新疆天山公路岩质边坡中砂岩的特征。本发明专利技术所需材料种类少、成本低，制作效率高，具有广泛的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种砂岩相似材料及其制备方法
本专利技术属于类岩石材料试件制备
，具体涉及一种砂岩相似材料及其制备方法。
技术介绍
砂岩是岩石工程中最常见的一种岩石，由各种砂砾胶结而成，由于风化作用和剥蚀作用产生的沉积岩。本身节理裂隙高度发育，采用天然砂岩岩样存在取样成功率低以及试样力学性能差异大的问题，很难对岩石的物理力学指标开展量化研究。而模型试验具有可控性强、周期短、费用低等优点,可以有效的避免现场采样时所面临的很多问题,如外界影响因素多、研究费用高、条件复杂以及采样的周期长等。模型试验通过把岩体的结构特征和赋存环境，以及岩体的工程作用力学模型统一到室内的模拟试验中，模拟岩体的变形、破坏过程和机理，成为研究裂隙节理岩体的一种行之有效的方法。采用相似材料模拟试验是研究岩石力学工程及科学问题的主要手段。专利技术专利CN107814546A公开了一种深部硬岩高强度高脆性高重度相似材料及其制备方法，成功模拟了锦屏大理岩的特征；专利技术专利CN104974533A公开了一种高脆性类岩石材料的制备方法，提供了一种具有脆性好、均质性好、强度高、弹性模量高、易于成型的高脆性类岩石材料；专利技术专利CN108069651A公开了一种模拟岩体的相似材料及其制备方法，可直接获得模型试验的变形信息，无需额外的测试仪器，大大方便了试验中的测试工作。目前，我国正在建设和即将兴建的岩土工程地质构造复杂，影响整体稳定的不同类别的岩体性能差异较大，因此在岩石力学模型试验研究过程中，需要制备出满足相似关系的模型材料来模拟不同性能的岩体，以了解工程建筑对岩体所产生的影响。上述相似材料制备方法仅适用于某一种岩体，针对砂岩的相似材料不能满足。因此，研发自然界较为广泛的砂岩相似材料及其制备方法，为砂岩力学性能的研究提供一种合理方法和有效手段。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种砂岩相似材料及其制备方法，从而采用与岩石相似(脆性和剪胀性)的相似材料-砂岩相似材料制作类砂岩模型试样，以解决现有的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：一种砂岩相似材料，其组分成分包括：骨料：石英砂和硅粉；胶结材料：水泥；添加剂：减水剂和蒸馏水。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以有如下进一步的具体选择或优化选择。其中，所述组成成分以重量份数计为：水泥15-25份，石英砂12-20份、硅粉1.5-3.5份，蒸馏水4-7份，减水剂0.1-0.5份。其中，所述石英砂粒径为50-120目，所述硅粉粒径为200-350目。其中，所述水泥为硅酸盐水泥。具体的，为标号425或525的硅酸盐水泥。进一步，本专利技术还提供了上述砂岩相似材料的制备方法，其包括如下步骤：1)将以重量份数计水泥15-25份，石英砂12-20份和硅粉1.5-3.5份混合并搅拌均匀，得到混合粉料a；2)将以重量份数计蒸馏水4-7份，减水剂0.1-0.5份混合并搅拌均匀，得到混合溶液b；3)将所述混合粉料a加入至所述混合溶液b中，充分搅拌后，慢速均匀浇筑至模具中，随后将所述模具放置振动平台固定并振捣1-3分钟，在室内干燥通风处静置10-14h脱模，脱模后转入温度为20℃的养护池中养护26-30天获得成品。其中，所述浇筑速度为30-40m3/h。进一步，本专利技术还提供了上述砂岩相似材料在土木工程方面的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的砂岩相似材料，基于原岩的物理力学性质以及细观特征，采用以骨料调控材料性质的方法，选用石英砂以提高材料的脆性；采用硅粉提高材料的强度；实现了类砂岩材料的脆性和强度，相似材料与原岩主要的物理力学参数(密度、弹性模量、粘聚力、单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和内摩擦角等)满足相似理论。本专利技术提供的砂岩相似材料成功的模拟了新疆天山公路岩质边坡中砂岩的特征。本专利技术所需材料种类少、成本低，制作效率高，具有广泛的实用性。其中，石英砂为粗骨料，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物。石英砂的加入可以形成一种结晶中心，使水泥水化时在石英砂的周围结晶并使晶体生长，也可提高水泥的密实度。此外，石英砂具有一定的活性，可以进行水化，从而填充了毛细孔，降低了水泥石的孔隙率，改善了水泥石的整体性，使之更不容易被破坏。因此石英砂的加入可以有效改善类岩石材料的密实度和孔隙率以及整体的均质性。硅粉是混合材料中细骨料，硅粉在混凝土中起到填充和火山灰材料的作用，可以改变混凝土的一些重要物理性能指标，硅粉颗粒可以填充相对较大的水泥颗粒的孔隙，减少孔隙的体积，有效降低水泥水化浆体中的孔隙尺寸，改善孔隙分布，提高材料强度。水泥作为胶结材料，胶结强度比石膏大。本专利技术中采用硅酸盐水泥，早期强度高，水化热高，耐冻性好，耐热性差，耐腐蚀性差，干缩性较小。减水剂采用掺量低、减水率高、增强效果好的聚羧酸系高性能减水剂，为绿色环保，不含甲醛，为环境友好型产品。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的相似材料与原砂岩单轴压缩应力-应变曲线。图2是本专利技术实施例2提供的相似材料与原砂岩单轴压缩应力-应变曲线。图3是本专利技术实施例3提供的相似材料与原砂岩单轴压缩应力-应变曲线。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合附图及具体实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1：本实施例提供了一种砂岩相似材料配方：骨料为石英砂(50目)硅粉(350目)，胶结材料为水泥，添加剂为减水剂，蒸馏水。其中以重量份数计，水泥：石英砂：硅粉：蒸馏水：减水剂＝20:16:2.2:5.6:0.2。本实施例提供了该相似材料的制备方法，操作步骤如下：a.称量水泥、石英砂和硅粉，混合并搅拌均匀，得到混合粉料a；b.称量蒸馏水和减水剂混合拌匀得到混合溶液b；c.将混合粉料a加入到混合液料b中，采用高强搅拌机充分搅拌均匀；d.将混合好的材料倒入事先制作好的模具中，注意控制浇筑速度，，以30-40m3/h的速度慢速均匀浇筑；；e.浇筑完成后，放置振动平台固定，按适当的频率振捣2分钟左右，待试件表面没有气泡溢出为止；f.相似材料在室内干燥通风处静置12h左右脱模；g.脱模后转入温度为20℃的养护池中养护28天完成试件制作。实施例2：本实施例的一种类砂岩材料，包括粗骨料石英砂、细骨料硅粉、胶结材料水泥、添加剂聚羧酸减水剂，蒸馏水，其中各组成成分按重量份数计，水泥：石英砂：硅粉：蒸馏水：减水剂＝16:18:3.2:5.2:0.25。其制备方法与实施例1类似，此处不再赘述。实施例3：本实施例的一种类砂岩材料，包括粗骨料石英砂、细骨料硅粉、胶结材料水泥、添加剂聚羧酸减水剂，蒸馏水，其中各组成成分按重量份数计，水泥：石英砂：硅粉：蒸馏水：减水剂＝20:14:1.8:5:0.15。其制备方法与实施例1类似，此处不再赘述。相似材料的研制首先要选择合适的相似材料，适宜的制备方法和养护手段，再根据相似理论，结合实际工程中原岩的物理力学性质计算相似比，从而确定相似材料的物理力学参数，最终配制出满足研究目的的相似材料。表1列出了本专利技术实施例1提供的砂岩相似材料(以下简称相似材料)与从新疆天山公路岩质边坡采集的砂岩材料的主要物理力学参数，可以看出，两者的物理力学参数比较接近，所以，可将此相似材料归为类砂岩材料。表1材料物理力学参数比较在相似理论中，通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种砂岩相似材料，其特征在于，其组分成分包括：骨料：石英砂和硅粉；胶结材料：水泥；添加剂：减水剂和蒸馏水。

【技术特征摘要】
1.一种砂岩相似材料，其特征在于，其组分成分包括：骨料：石英砂和硅粉；胶结材料：水泥；添加剂：减水剂和蒸馏水。2.根据权利要求1所述的一种砂岩相似材料，其特征在于：所述组成成分以重量份数计为：水泥15-25份，石英砂12-20份、硅粉1.5-3.5份，蒸馏水4-7份，减水剂0.1-0.5份。3.根据权利要求1所述的一种砂岩相似材料，其特征在于：所述石英砂粒径为50-120目，所述硅粉粒径为200-350目。4.根据权利要求1所述的一种砂岩相似材料，其特征在于：所述水泥为标号425或525的硅酸盐水泥。5.一种如权利要求1至4任一项所述的砂岩相似材料的制备方法，其特征在于，包括如下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：路亚妮，童友枝，李晓目，杨元明，杨秀华，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42