[发明专利]一种小粒径光弹颗粒材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及颗粒物质力学性能测试分析领域，具体的说就是通过一种加工方法加工出小粒径（毫米级）、高透明度的聚碳酸酯光弹颗粒材料，经过退火处理后即得到可以应用于岩土领域研究的实验材料。

背景技术

岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在，其力学特性及动力响应的研究在学术界已经开展了几十年。在过往的研究中，一般都是把岩土颗粒物质假设成连续体进行分析，基于经典的弹塑性力学理论，人们发展了较多的岩土体宏观力学模型，但没有一个能全面、正确表达其应力-应变关系的本构方程。究其原因，主要是由于基于连续体的假设与岩土本身的非连续颗粒特性不符，因此基于颗粒层次的细观研究具有重要的学术价值。众多学者认为，进一步促进岩土力学发展和变革的关键在于，从颗粒尺度来重新认识这门学科。

在力学分析中，主要采用理论推导、模拟计算和实验测试的方法。然而在当前的颗粒力学研究中，理论分析遇到极大困难，数值模拟计算因颗粒物质计算量超大和只能模拟单一形状的颗粒而无法有效的应用于理论研究和工程实践中。因此实验测试就显得尤为重要，或者说是现阶段最适用的手段。

光弹实验法作为力学性能测试分析领域的一种有效实验方法，其明显优势就是以直观的条纹图给出整场（whole field）应力分布的信息，即表征主应力差的等差线，同时又不破坏颗粒材料的几何结构。光弹实验方法可能是迄今为止唯一一种可以直观地表示出颗粒材料内力分布的实验手段。

但是岩土材料的颗粒粒径一般很小，比较大的砂土颗粒粒径范围在2mm-0.075mm，然而限于加工设备和方法的限制，光弹颗粒材料尺寸一般较大，与岩土材料颗粒粒径相差悬殊，造成光弹实验的结果不能有效反映岩土材料的力学响应。因此研究可以加工较小尺寸的光弹颗粒材料具有重要价值。现阶段国内外尚无关于小粒径光弹颗粒材料加工方法的报道。

发明内容

为了拓展光弹颗粒试验在岩土颗粒力学领域的应用、克服普通光弹颗粒材料和岩土材料尺寸相差悬殊的问题，本发明的目的在于提供三种加工光弹颗粒材料的方法及消除残余应力的退火过程，可以生产出小粒径（毫米级）、高透明度的光弹颗粒，从细观角度模拟岩土材料的力学性能，全方位反映颗粒的内部变化情况。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种小粒径光弹颗粒材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将板面光滑的PC(聚碳酸酯)板沿垂直板面的方向进行切割，得到上下底面光滑的小粒径柱状体，由于PC板表面光滑，无需抛光即可得到透光性极好的小颗粒；

（2）将上述制备的小粒径柱状体经如下退火处理：

所用仪器为数控箱式电阻炉；所用传热介质为空气；加热过程为由室温经1h加热到60℃，经2h加热到100℃，保温1h，使材料内外温度均匀，经1h加热到110℃，保温1h，经1h加热到120℃，保温1h，经1h加热到125℃，保温8h用于消除残余应力；然后开始降温，经1h降到120℃，保温1h，经1h降到110℃，保温1h，经1h降到100℃，保温1h，经4h降到60℃，最后自然降到室温，即制得小粒径光弹颗粒材料。

所述小粒径柱状体为圆柱体，其底面直径为1～5mm。

所述PC板的厚度为1～5mm。

所述PC板采用数控塑料雕刻机进行切割。

所述数控塑料雕刻机，主轴转速24000rpm，加工精度0.1mm，工作速度1000-1500mm/min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明提供的小粒径光弹颗粒材料的制备方法，包括材料的切割及消除残余应力的退火过程，其中加工成的规则颗粒粒径最小达到1mm，和砂土接近，而且透光度可以达到80%，对于模拟岩土的力学性能、促进光弹颗粒试验在岩土界的应用发挥关键作用，拓展了光弹法在颗粒力学研究中的应用；而且该方法简单，具有更高的加工效率。

（2）由于板材料本身存在残余应力，加工成型以后又会产生加工残余应力，残余应力的存在会极大影响光弹试验的结果，因此必须采取退火的方式消除残余应力。本发明提供了更精确的热处理温度和热处理时间，能够有效的消除产品的残余应力；退火处理过程主要包括热处理温度大小变化及相应的热处理时间，具体参见附图。

附图说明

图1为本发明实施例1中PC板的切割示意平面图。

图2为颗粒材料退火曲线图。

图3是退火前有残余应力的光弹试验图。

图4是退火后消除残余应力的光弹试验图。