【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于类岩石材料，具体涉及一种陶粒-石膏固废体系类岩相似材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、在煤炭开采的相关研究中，往往需要开展关于岩石破坏过程的动力模拟试验，试验中需要将相似材料制成相似模型，然后观测相似模型在外界作用下的变形破坏情况等，并可根据相似准则推导出岩石的变形破坏情况，为煤炭开采工程的设计提供科学依据。
2、目前所公开专利技术的类岩石材料大多以石英砂和水泥作为骨料和胶结剂，其养护周期长，原料成本高。由于水化产物的高结合强度，使得所制备得到的类岩石相似材料的单轴压缩强度高达几十mpa以上，对于模拟低强高脆性能要求的类岩石相似材料表现出明显的局限性。
3、现有技术公开了一种用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，参考中国专利cn118084433a，相似材料的密度为21.4g/cm3～23.2g/cm3、抗压强度为473.4kpa～1804.6kpa、弹性模量为371.8mpa～1332.9mpa、抗拉强度为45.1kpa～128.4kpa。该技术选用传统石英砂和水泥作为骨料和胶结剂，需特定条件养护，制备周期长，生产成本高，制备的相似材料的强度高，无法满足低强高脆性能要求。中国专利cn109679291a公开了一种透明硬岩相似模型试验材料及其制备方法，采用环氧树脂25份、改性固化剂25份、饱和酒精松香溶液0～5份制备，抗压强度在10～100mpa之间。该技术所用原料环氧树脂和固化剂均为化学试剂，原料成本较高，且其也无法达到低强高脆性的条件。中国专利cn105967562a公开了一种硬
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种陶粒-石膏固废体系类岩相似材料及其制备方法和应用。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下。
3、一种陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，由脱硫石膏、吸水陶粒、缓凝剂和水制备而成；
4、所述脱硫石膏、所述吸水陶粒和所述缓凝剂的质量比为200～400：5～50：0.5～0.9；
5、所述水与所述脱硫石膏的质量比为0.43～0.47：1；所述吸水陶粒是将陶粒用水浸泡后得到。
6、本专利技术通过控制脱硫石膏和吸水陶粒的质量比，以及水与脱硫石膏的质量比，用以调控陶粒-石膏固废体系类岩相似材料的力学性能，得到低强高脆材料性能。再通过缓凝剂的添加量来调控脱硫石膏的固化时间，防止脱硫石膏固化时间太长或者太短。本专利技术中的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料能够满足低强高脆材料的需求，其模拟强度不超过3mpa、脆性指数为0.15～0.23。
7、在另一个优选的实施例中，所述缓凝剂为植物蛋白缓凝剂。缓凝剂能够保证脱硫石膏的缓凝时间。石膏类缓凝剂主要分为有机酸盐类、磷酸盐类以及蛋白类。有机酸盐类主要包含柠檬酸、柠檬酸盐、酒石酸以及酒石酸盐类，缓凝效果显著，但掺量较大、对石膏材料强度损失较大。磷酸盐类主要包括焦磷酸盐、三聚磷酸钠、多聚磷酸钠等，其掺量大、缓凝效果差，显著降低石膏强度。蛋白类缓凝剂具有掺量小、缓凝效果显著和对石膏强度影响较小的优点。因此，植物蛋白类混凝剂具有掺量小、缓凝效果佳，低成本，环保等优势。
8、在另一个优选的实施例中，所述陶粒的粒径为0.8cm～1.4cm，所述脱硫石膏的粒径为10μm～25μm。该粒径下使得陶粒能够均匀分散在脱硫石膏以及缓凝剂中，保证陶粒-石膏固废体系类岩相似材料力学性能的低强高脆特性，因此需要选择粒径尺寸在一定范围的陶粒，形成均匀网状结构。陶粒的粒径太小使得材料的强度大幅提升，粒径太大不利于成型。
9、在另一个优选的实施例中，所述浸泡时间为1h～2h。
10、本专利技术的第二个目的在于保护所述陶粒-石膏固废体系类岩相似材料的制备方法，具体包括以下步骤：
11、按照质量比将脱硫石膏、缓凝剂和水混合搅拌，加入吸水陶粒继续搅拌，得到混合浆料；
12、将混合浆料注入模具中，振实，得到试样；
13、将试样在23℃～27℃下养护24h～48h后脱模，烘干至恒重，得到所述陶粒-石膏固废体系类岩相似材料。
14、在另一个优选的实施例中，所述混合搅拌的转速为60r/min～150r/min，时间为3min～5min。搅拌速率会影响搅拌效率和脱硫石膏固化时间，脱硫石膏遇水固化的时间是在一定范围的，太快会在搅拌过程中产生一定热量，加速固化，太慢搅拌不充分，出现局部固化情况。
15、在另一个优选的实施例中，所述烘至的温度为30～40℃，时间为12h～40h。该温度下，使得材料在恒定温度下均匀干燥固化，保证材料内部的水分缓慢匀速除去，防止因温度过高或者不均匀干燥而引起样品开裂现象。
16、在另一个优选的实施例中，所述振实的标准为混合浆料表面无气泡。
17、本专利技术的第三个目的在于保护所述陶粒-石膏固废体系类岩相似材料在岩体模拟实验中的应用。
18、在另一个优选的实施例中，所述陶粒-石膏固废体系类岩相似材料用于模拟单轴压缩强度不超过3mpa的低强高脆的岩体模拟材料。
19、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
20、(1)本专利技术通过控制脱硫石膏和陶粒添加量，得到低强高脆材料，通过缓凝剂的添加量来调控脱硫石膏的固化时间，防止脱硫石膏固化时间太长或者太短。对水与脱硫石膏的质量比进行控制，能够有效控制固化时间以及制备得到的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料的力学性能。本专利技术中的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料能够模拟强度不超过3mpa、脆性指数为0.15～0.23的低强高脆材料，且表现出脆性破坏特征，符合对低强高脆相似材料的要求。
21、(2)本专利技术在制备过程中对水与脱硫石膏的质量比进行控制，主要是由于水膏比含量太高，水分不易除去，固化时间太长，料浆的流动度太大，陶粒易因其多孔结构上浮于料浆表面，影响陶粒在料浆中的分散。若水膏比含量太低，料浆固化速率加快，流动度低，料浆难以搅拌均匀，内部气泡不易排出，也会严重影响相似材料结构的均匀性。
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1.一种陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述陶粒-石膏固废体系类岩相似材料由脱硫石膏、吸水陶粒、缓凝剂和水制备而成；
2.根据权利要求1所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述缓凝剂为植物蛋白缓凝剂。
3.根据权利要求1所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述陶粒的粒径为0.8cm～1.4cm，所述脱硫石膏的粒径为10μm～25μm。
4.根据权利要求1所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述浸泡时间为1h～2h。
5.一种权利要求1～4任一项所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料的制备方法，其特征在于，所述混合搅拌的转速为60r/min～150r/min，时间为3min～5min；
7.根据权利要求5所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为30℃～40℃，时间为12h～40h。
8.根据权利要求5所述的陶粒-石膏固废
9.一种权利要求1～4任一项所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料在岩体模拟实验中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述陶粒-石膏固废体系类岩相似材料用于模拟单轴压缩强度不超过3MPa的低强高脆的岩体模拟材料。
...【技术特征摘要】
1.一种陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述陶粒-石膏固废体系类岩相似材料由脱硫石膏、吸水陶粒、缓凝剂和水制备而成；
2.根据权利要求1所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述缓凝剂为植物蛋白缓凝剂。
3.根据权利要求1所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述陶粒的粒径为0.8cm～1.4cm，所述脱硫石膏的粒径为10μm～25μm。
4.根据权利要求1所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料，其特征在于，所述浸泡时间为1h～2h。
5.一种权利要求1～4任一项所述的陶粒-石膏固废体系类岩相似材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓青，王庆平，王斌，张入川，吕振飞，蔡婧怡，马世杰，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：
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