[发明专利]用于中小型固流耦合模型试验的相似材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耦合模型试验相似材料及其制备方法，尤其涉及一种用于中小型固流耦合模型试验的相似材料及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

目前，常见的地质力学模型试验相似材料领域的研究，一般局限在让材料遇水不发生崩解和如何提高抗压强度的问题这两个方面，由于忽略了材料制作过程中材料受温度影响导致力物理力学性质不稳定的问题，往往无法准确应用于固流耦合模型试验中。

以往的研究通常由于没有划定相似材料使用的条件，使得研究结果在大型的模拟实验中的实际效果不明显，并不能反映岩体在工程状态下的实际情况，缺乏代表性，因此也不是真正意义上的固流耦合相似模拟。

发明内容

本发明的目的是，提供一种适用于中小型的相似模拟试验的固流耦合模型试验相似材料及其制备方法，其不受制作温度影响，能较好地保持模型试验相似材料的物理和力学性质，制备出的模型试验相似材料同时满足固体变形和渗透性相似两个条件。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于中小型固流耦合模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按比例称取砂、水泥、高岭土、凡士林和蒸馏水的步骤；

将上述砂、水泥、高岭土在搅拌机中搅拌至混合均匀形成第一混合材料后静置于25℃的室内的步骤；

将上述蒸馏水和凡士林置于容器中搅拌均匀形成第二混合材料的步骤；

将第一混合材料与第二混合材料用搅拌机进行混合搅拌，常温下搅拌3～5分钟形成第三混合材料的步骤；

将第三混合材料放入成型模具，夯实成型的步骤；

将脱模后的成型材料在室温下放置24小时的步骤。

上述各原料组分的重量比为：砂71.7%～79.2%，水泥2.4%～8.1%，高岭土2.4%～11.0%，凡士林2.0%～9.0%，水4.6%～6.7%。

上述各原料组分的重量比优选为：砂75%，水泥5.5%，高岭土5.5%，凡士林7.5%，水6.5%。

优选方式之一，上述砂的粒径小于6mm；

优选方式之一，上述水泥强度等级为32.5Mpa；

优选方式之一，上述高岭土为4000目高岭土，其二氧化硅含量为45%；

该高岭土的平均膨胀率为28.5%。

优选方式之一，上述凡士林为工业级凡士林。

上述制备方法制备出的固流耦合模型试验的相似材料，其单轴抗压强度为0.3～0.8Mpa，弹性模量为130～223Mpa，渗透系数为7.45×10^-7～9.37×10^-5厘米/秒，粘聚力为54～87Kpa，摩擦角为34～46度。

为更好地理解本发明，现从理论上作进一步的分析与说明如下：

固流耦合相似材料在突水试验中，由于受高承压水影响，在受突水通道变化的影响下，固流耦合相似材料的脆性变化往往比较明显，且与实际岩石力学性质受高围压影响导致力学性质由脆性向延性发生变化的规律存在不相符或不一致。

为使固流耦合模型试验相似材料与实际岩石在力学性质和变化规律上具备较好的相似性和一致性，本发明通过在制备材料中引入高岭土，利用高岭土良好的膨胀性，特别是其在高压水条件下产生一定的体积膨胀的性质，进而使相似材料在固流耦合模型试验中能够将试验装置的边界压实，从而阻止水的溢出；同时高岭土加水后形成具有一定延性的软泥，使材料内部的突水通道进一步受到挤压，以提高相似材料的抗破坏能力；

上述固流耦合模型试验相似材料制备原料中，由于引入了砂、水泥和凡士林成分，制得的固流耦合模型试验相似材料渗透系数较高；而高岭土成分具有较好地膨胀性和可塑性，并且高岭土成分遇水后将形成渗透性较差的小颗粒，这些小颗粒充满在相似材料内部透水通道；通过调节高岭土的含量进而可大范围调节材料的渗透系数，因而使得制备出的固流耦合模型试验相似材料具有更贴近实际岩石受水作用力学性质变化的规律的物理力学特性。

实验证明，采用本发明的固流耦合模型试验相似材料制备方法制备出的固流耦合模型试验相似材料，其与实际岩石力学性质受高围压影响导致力学性质由脆性向延性发生变化的规律具有较好的近似性和一致性，适用于模拟不同力学性能和渗透性的岩石的模型试验，尤其适用于中小型的原岩相似模拟试验。