一种满足水致强度劣化特性的岩石相似材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及地质工程技术领域，具体涉及一种满足水致强度劣化特性的岩石相似材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.滑坡对人类社会的影响已成为一种不可忽视的环境灾害，其危害已经成为仅次于地震灾害的第二大自然灾害。滑坡的孕育及发展既与地形、地貌、地质构造等地质条件密切相关，也与降雨、地震、人类活动等诱发因素息息相关，其中降雨引起的滑坡分布最广、发生频率最高、危害最大，约占滑坡总数的80％。降雨引起的滑坡中岩质边坡因规模大、滑速快、突发性等特点往往会造成远大于其它类型滑坡的重大经济损失和人员伤亡。所以，研究水致滑坡强度劣化规律有着重大的意义。
3.目前，水致岩质边坡强度劣化规律常用的研究方法有理论分析、实际观测、数值模拟与物理模型实验。其中，物理模型实验的理论基础为相似理论，通过量纲分析，得出相似判据，并通过相似材料建造模型，进而实现模型和原型衔接，最后将测试结果按照相似判据反推到原型，揭示其形成机制、指导工程设计，是一种形象、直观、准确的物理研究手段，在揭示滑坡演化规律与失稳机制等方面已得到了广泛的应用。正确选择与合理配比模型相似材料是开展模型试验的基础与成功关键，具有重要意义。
4.自地质力学模型实验发展以来，国内外学者对岩石相似材料配比实验特性进行了大量研究。早期，林韵梅(参见：林韵梅.试验岩石力学—模拟研究 [m].北京:煤炭工业出版社,1984)，顾大钊(参见：顾大钊.相似材料和相似模型[m].徐州:中国矿业大学出版社,1995)，韩伯鲤(参见：韩伯鲤,陈霞龄,宋一乐,等.岩体相似材料的研究[j].武汉水利电力大学学报,1997, (02):7-10.)，fumagalli(参见：fumagalli e.statical and geomechanicalmodel[m].newyork:springer,1973.)，kim(参见：kim s h,burd h j, milligan g w e.model testing of closely spaced tunnels in clay[j]. g
é
otechnique,1998,48(3).)等对适合模拟岩石的相似材料进行了大量的尝试，确定了原料选择和组合的基本原则。随着模型实验方法的发展，越来越多的原料被用于配制不同类型的岩石。马芳平等公开了一种nios模型材料，主要成分为磁铁矿粉和天然河沙，石膏或水泥作为胶结剂(参见：马芳平,李仲奎,罗光福.nios模型材料及其在地质力学相似模型试验中的应用[j].水力发电学报,2004,(01):48-51.)。王汉鹏等公开了一种新型地质力学模型试验相似材料，铁精粉、重晶石粉和石英砂作为骨料，松香、酒精溶液作为胶结剂、石膏作为调节剂(参见：王汉鹏,李术才,张强勇,等.新型地质力学模型试验相似材料的研制[j].岩石力学与工程学报,2006,25(09):1842-1847.)。张强勇等公开了一种铁晶砂胶结新型岩土相似材料，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，石膏粉作为调节剂(参见：张强勇,李术才,郭小红,等.铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用[j]. 岩土力学,2008,(08):2126-2130.)。肖杰等公开了一种岩石相似材料，以水泥和石膏作为
胶结剂，石英砂作为骨料(参见：肖杰,刘保国.岩石相似材料水理性质研究[j].岩土工程技术,2015,29(03):114-117.)。中国专利 cn202010942983.6公开了一种类石灰岩相似材料，包括骨料、胶结材料、添加剂；骨料包括标准砂、石英粉、铁粉；胶结材料包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏、硅粉；添加剂包括减水剂、硼酸、纯净水。上述现有技术利用不同的原料和配比，完成了一些新型岩土相似材料的研究，并通过模型实验的方法解决了许多工程问题，极大的丰富了岩石相似材料的研究，为后续的模型实验研究奠定了基础。
[0005]
上述相似材料主要模拟的对象多为硬岩，虽然在一定的配比和养护条件下具有与岩石相似的软化性质，但普遍存在遇水不易崩解的特点，在进行一些大型的岩质滑坡物理模型实验时，发生难以滑动或者破坏情况，进而难以获得水致岩质边坡强度劣化规律。


技术实现要素：

[0006]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种满足水致强度劣化特性的岩石相似材料及其制备方法和应用，本发明提供的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料遇水敏感易崩解，能够很好的模拟岩体遇水强度劣化的特性。
[0007]
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
[0008]
本发明提供了一种满足水致强度劣化特性的岩石相似材料，包括骨料、胶结材料和添加剂；所述骨料包括石英砂、重晶石粉和膨润土；所述胶结材料包括水泥和石膏。
[0009]
优选的，所述骨料和胶结材料的质量比为4:1～8:1；
[0010]
所述胶结材料中水泥和石膏的质量比为3:7～7:3。
[0011]
优选的，所述添加剂包括石膏缓凝剂。
[0012]
优选的，所述岩石相似材料中重晶石粉的质量分数为13～35％。
[0013]
优选的，所述岩石相似材料中膨润土的质量分数为10～40％；
[0014]
所述膨润土中蒙脱石的质量分数＞80％。
[0015]
本发明提供了上述技术方案所述满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016]
将骨料、胶结材料、添加剂和水混合，成型后养护，得到水致强度劣化岩石相似材料。
[0017]
优选的，所述成型的压力为5～20mpa，时间为5～10min。
[0018]
优选的，所述养护的温度为室温，湿度为50～60％，时间为8～10天。
[0019]
本发明还提供了上述技术方案所述满足水致强度劣化特性的岩石相似材料或上述技术方案所述制备方法得到的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料在压缩实验、直剪实验或物理模拟实验中的应用。
[0020]
优选的，所述应用包括在模拟岩质边坡水致强度劣化中的应用。
[0021]
本发明提供了一种满足水致强度劣化特性的岩石相似材料，包括骨料、胶结材料和添加剂；所述骨料包括石英砂、重晶石粉和膨润土；所述胶结材料包括水泥和石膏。本发明以膨润土作为水敏性调节剂，膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，具有较强的吸水性，在吸水后体积迅速膨胀，使得水致强度劣化岩石相似材料遇水易崩解；同时，以石英砂和重晶石粉作为骨料，以水泥和石膏作为胶结材料，在保证水致强度劣化岩石相似材料的遇水敏感易崩解的特性的同时，提高了水致强度劣化岩石相似材料的容重和力学性能，能够很好的
模拟岩体遇水强度劣化的特性。如实施例结果所示，本发明提供的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的密度为1.95～2.18g/cm3，具有较高的重度，可以较好地满足重度相似比为1的不同类型岩体，进而可简化模型与原型之间相似比的换算，使模型制作得到简化。本发明制备的水致强度劣化岩石相似材料的抗压强度为10.38～25.55mpa，弹性模量为1.63～5.75gpa，抗拉强度为0.91～2.46mpa，内摩擦角为32.74～54.66
°
，粘聚力为 2.18～8.94mpa，泊松比为0.10～0.18，说明本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的力学参数具有较大的可调范围，能够满足多种岩体模型试验对相似材料的要求，能够应用于压缩实验、直剪实验或以及物理模拟实验。本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料经4h水浸泡后崩解程度高。
[0022]
本发明提供了上述技术方案所述满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的制备方法。本发明提供的制备方法，操作简单，制备原料廉价易得，生产成本低，绿色环保。
附图说明
[0023]
图1为实施例1～20和对比例1～5制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的崩解结果图；
[0024]
图2为实施例15制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的应力应变曲线图；
[0025]
图3为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料密度的敏感性分析结果图；
[0026]
图4为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料抗压强度的敏感性分析结果图；
[0027]
图5为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料弹性模量的敏感性分析结果图；
[0028]
图6为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料泊松比敏感性分析结果图；
[0029]
图7为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料抗拉强度的敏感性分析结果图；
[0030]
图8为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料内摩擦角的敏感性分析结果图；
[0031]
图9为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料粘聚力的敏感性分析结果图。
具体实施方式
[0032]
本发明提供了一种满足水致强度劣化特性的岩石相似材料，包括骨料、胶结材料和添加剂；所述骨料包括石英砂、重晶石粉和膨润土；所述胶结材料包括水泥和石膏。
[0033]
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
[0034]
在本发明中，所述骨料包括石英砂、重晶石粉和膨润土。在本发明中，所述石英砂的粒度优选为20～70目；所述石英砂优选包括粗石英砂粒和细石英砂粒；所述粗石英砂的粒度优选为20～40目；所述细石英砂的粒度优选为 40～70目；所述粗石英砂粒和细石英砂的质量比优选为1:1～3:1，更优选为 1:1～2:1。
[0035]
在本发明中，所述重晶石粉的粒度优选为150～300目，更优选为200～250 目；所述水致强度劣化岩石相似材料中重晶石粉的质量分数优选为13～35％，更优选为15～35％，进一步优选为20～30％。本发明以石英砂和重晶石粉作为骨料，能够保证该类岩石相似材料高容重的特点，同时能够更好的调节水致强度劣化岩石相似材料的力学性能。
[0036]
在本发明中，所述膨润土中蒙脱石的质量分数优选＞80％，更优选为 90～100％；
所述满足水致强度劣化特性的岩石相似材料中膨润土的质量分数优选为10～40％，更优选为15～35％，进一步优选为20～30％；所述膨润土的粒度优选为300～500目，更优选为400～450目；所述膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，蒙脱石具有较强的吸水性，在吸水后体积迅速膨胀，使得水致强度劣化岩石相似材料能够崩解，膨润土的含量过低，会导致相似材料的遇水敏感性降低，出现不易劣化的现象；膨润土的含量过高，会导致相似材料遇水敏感性过高，出现极易崩解的现象。本发明以膨润土作为骨料之一，能够调节水致强度劣化岩石相似材料的水敏性、降低其容重和力学性能。
[0037]
在本发明中，所述胶结材料包括水泥和石膏。在本发明中，所述水泥优选包括c425硅酸盐水泥和/或c525硅酸盐水泥，更优选为c425型普通硅酸盐水泥。在本发明中，所述石膏优选为生石膏；所述石膏的粒度优选为100～200目，更优选为120～150目。所述胶结材料中水泥和石膏的质量比(水膏比)优选为3:7～7:3，更优选为4:6～6:4。本发明以上述比例的水泥和石膏作为胶结材料，能够提高相似材料胶结程度，保证密实度的同时提高水致强度劣化岩石相似材料的强度等力学性能。
[0038]
在本发明中，所述骨料和胶结材料的质量比优选为4:1～8:1，更优选为 3:1～7:1。本发明将骨料和胶结材料的质量比(骨胶比)控制在上述范围内，有利于得到物理力学参数分布范围较广的相似材料配比，进而可以适用于更大范围的岩质边坡模型实验研究。
[0039]
在本发明中，所述添加剂优选包括石膏缓凝剂；本发明对于所述石膏缓凝剂的种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的石膏缓凝剂即可，具体如水溶性有机酸盐、碱性磷酸盐和植物蛋白类缓凝剂中的一种或几种，更优选为植物蛋白类缓凝剂；本发明对于所述水溶性有机酸盐、碱性磷酸盐和植物蛋白类缓凝剂的具体种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的水溶性有机酸盐缓凝剂、碱性磷酸盐缓凝剂和植物蛋白类缓凝剂即可。在本发明中，所述添加剂优选为满足水致强度劣化特性的岩石相似材料总质量的 0.1～3％，更优选为0.1～0.2％。在本发明中，所述石膏缓凝剂的作用是较好的控制石膏凝结时间，有利于水致强度劣化岩石相似材料的制备。
[0040]
本发明提供了上述技术方案所述满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的制备方法，包括以下步骤：
[0041]
将骨料、胶结材料、添加剂和水混合，成型后养护，得到满足水致强度劣化特性的岩石相似材料。
[0042]
在本发明中，所述水的质量优选为骨料、胶结材料和添加剂总质量的 10～15％，更优选为11～12％。
[0043]
在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌混合，本发明对于所述搅拌混合的速度和时间没有特殊限定，能够将制备原料混合均匀即可；所述混合的顺序优选为将骨料和胶结材料第一混合，得到干料；将添加剂和水第二混合，得到添加剂溶液；将所述干料和添加剂溶液第三混合，得到湿料。所述第三混合后，本发明优选还包括将所述第三混合后的湿料进行过筛，本发明对于所述过筛没有特殊限定，过筛后的湿料的粒度≤2mm即可。
[0044]
在本发明中，所述成型的压力为5～20mpa，更优选为10～15mpa；所述成型的温度优选为15～30℃，更优选为20～25℃在本发明的实施例中，所述成型的温度优选为室温；所述成型的时间优选为5～10min，更优选为8min；所述成型的方式优选为压制成型。在本发明中，所述成型优选将湿料填充到模具中后置于液压脱模仪中进行。本发明所述模具得材质
没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的模具即可，具体如钢制模具；所述模具在使用前优选进行清洗后涂刷脱模剂；所述清洗优选为水洗。本发明对于所述脱模剂的种类和用量没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的脱模剂的种类和用量即可，具体如润滑油和/或凡士林。本发明对于所述液压脱模仪没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的液压脱模仪即可。在本发明的实施例中，所述成型过程中湿料优选分三层填充到模具中，在分层处刻制划痕以防止相似材料标准试样出现明显分层现象，所述湿料压实完成后置于液压脱模仪上静置成型，然后卸压以防止材料产生较大回弹，静置后脱模；所述静置的温度优选为室温；所述静置的时间优选为20～30min，更优选为25min。
[0045]
在本发明中，所述养护的温度优选为室温，所述养护的湿度优选 50～60％，更优选为55％；所述养护的时间优选为8～12天，更优选为10～11 天，进一步优选为10天。
[0046]
本发明通过调整各制备原料的配比即可得到力学参数变化范围较广且力学性能稳定的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料，能够适应不同种类的岩土介质对相似材料的要求，简化了模型实验研究工作的难度；而且，制备原料来源广，成本低廉，大大的降低了模型实验成本；制作备工艺简单，制备周期短，加快了大尺度相似材料模型的制作速度；原料没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害，安全绿色环保。
[0047]
本发明还提供了上述技术方案所述的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料或上述技术方案所述制备方法得到的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料在在压缩实验、直剪实验或物理模拟实验中的应用。在本发明中，所述应用优选包括在模拟岩质边坡水致强度劣化中的应用。本发明提供的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料具有较强的水敏性，遇水易崩解，能满足水致强度劣化的需求；通过调整各制备原料的配比即可得到力学参数变化范围较广且力学性能稳定的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料，能够可适应不同种类的岩土介质对相似材料的要求，简化了模型实验研究工作的难度。
[0048]
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
实施例1
[0050]
将222.50g石英砂(粒度为20～40目的粗石英砂粒：粒度为40～70目的细石英砂粒质量比＝1:1)、89.00g重晶石粉(粒度为200目)、35.60g c425 型普通硅酸盐水泥、53.40g生石膏和44.50g膨润土(蒙脱石含量＞80wt％，粒度为400目)混合均匀后加入55.00g浓度为0.01g/ml的石膏缓凝剂水溶液(植物蛋白类石膏缓凝剂)混合，将得到的湿料分三层填充到经过水洗并涂有润滑剂的钢制模具中，在分层处刻制划痕，然后置于液压脱模仪上，在 20℃、10mpa条件下压制成型8min，然后卸压至常压，在室温条件下静置 20min后脱模，然后在室温、干燥通风(湿度50～60％)条件下养护10天，得到满足水致强度劣化特性的岩石相似材料。
[0051]
实施例2～20
[0052]
按照实施例1的方法制备满足水致强度劣化特性的岩石相似材料，实施例2～20的制备原料如表1所示。
[0053]
对比例1～5
[0054]
按照实施例1的方法制备满足水致强度劣化特性的岩石相似材料，对比例1～5的制备原料如表1所示。
[0055]
表1实施例1～20和对比例1～5满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的制备原料
[0056][0057][0058]
测试例1
[0059]
遇水崩解性能
[0060]
将实施例1～20和对比例1～5制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料通过压、切和磨加工成φ50mm
×
50mm的圆柱形标准试样，圆柱形标准试样的两端面平行度≤0.002mm，垂直度≤
±
0.1mm/(100mm)，表面平整度≤
±
0.1mm/(100mm)。将各圆柱形标准试样置于装满清水的透明玻璃器皿内浸泡4h(浸泡4h后圆柱形标准试样的质量不再变化)，浸泡后的圆柱形标准试样的崩解结果如图1所示，其中，右上角的编号为实施例以及对比例的编号。由图1可知，不加膨润土的岩石相似材料在经过4h的浸泡后圆柱形标准试样依然完好，未出现明显的崩解现象，不适宜岩质边坡水致强度劣化模型实验的研究。随着膨润土含量的增加，圆柱形标准试样的崩解程度提高，说明，本发明制备的水致强度劣化岩石相似材料具有很好的遇水劣化效果，能够很好解决类岩相似材料遇水不易软化的缺陷。
[0061]
测试例2
[0062]
物理力学性质的测试
[0063]
将实施例1～20和对比例1～5制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料通过压、切和磨加工成φ50mm
×
100mm的圆柱形标准试样，圆柱形标准试样的两端面平行度≤0.002mm，垂直度≤
±
0.1mm/(100mm)，表面平整度≤
±
0.1mm/(100mm)。然后按照《工程岩体试验方法标准》(gb/t 50266-2013)、《土工试验方法标准》(gb/t 50123-1999)和《土工试验规程》(sl237-1999) 的方法测试各圆柱形标准试样的密度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角，测试结果如表2所示。
[0064]
表2实施例1～20和对比例1～5制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的物理力学性质
[0065]
[0066][0067]
由表2可知，本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的密度为1.95～2.18g/cm3，说明本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料具有较高的重度，可以较好地满足重度相似比为1的岩体材料，进而可简化模型与原型之间相似比的换算，使模型制作得到简化。本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的抗压强度为10.38～25.55mpa，弹性模量为1.63～5.75gpa，抗拉强度为0.91～2.46mpa，内摩擦角为32.74～54.66
°
，粘聚力为2.18～8.94mpa，泊松比为0.10～0.18，说明，本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的力学参数具有较大的可调范围，能够满足多种岩体模型试验对相似材料的要求。
[0068]
图2为实施例15制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的应力应变曲线图，由图2可知，本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料在单轴连续加载条件下呈现典型的五个阶段，即压密阶段(ⅰ)、弹性变形阶段(ⅱ)、裂纹稳定扩展阶段(ⅲ)、裂纹非稳定扩展阶段(ⅳ)和峰后阶段(
ⅴ
)，说明，本发明制备的满足水致强度劣化特性的岩石相似材料具有良好的弹塑性，与天然岩体典型的破坏特征高度相似，可较好反映天然岩体的力学特性，与原岩的应力应变曲线类似，能够良好的替代原岩。
[0069]
根据表1中实施例1～20和对比例1～5的制备原料组成和表2中岩石相似材料的性能测试结果对水致强度劣化岩石相似材料的各性能(密度、抗压强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、内摩擦角和粘聚力)的影响因素进行分析，选取4个因素为别为：因素a(骨胶比)、因素b(水膏比)、因素 c(重晶石粉含量)和因素d(膨润土含量)。以密度为例说明密度敏感性
分析的具体过程：根据表2中的密度试验结果计算影响密度的各因素水平的平均值，并作出各因素对密度影响的直观分析图。满足水致强度劣化特性的岩石相似材料的各性能敏感性分析结果如图3～9所示，其中，图3为密度的敏感性分析结果，图4为抗压强度的敏感性分析结果，图5为弹性模量的敏感性分析结果，图6为泊松比敏感性分析结果，图7为抗拉强度的敏感性分析结果，图8为内摩擦角的敏感性分析结果，图9为粘聚力的敏感性分析结果。
[0070]
表3满足水致强度劣化特性岩石相似材料实验设计水平
[0071][0072]
由图3可知，增加骨胶比含量将明显减小相似材料的密度；增加重晶石粉含量后相似材料的密度降低的主要原因是在增加重晶石粉含量的同时，降低了骨料中石英砂的含量，而石英砂含量对于相似材料的有显著的影响作用，所以出现了与常规结论不相符的现象。
[0073]
由图4可知，增大骨胶比将明显减小水致强度劣化岩石相似材料的抗压强度，增大水膏比能够在一定程度上提高水致强度劣化岩石相似材料的抗压强度，其他影响因素和试件抗压强度的关系不是十分明显。
[0074]
由图5可知，增大骨胶比和膨润土含量将明显减小材料的弹性模量，增大水膏比能够在一定程度上提高材料的弹性模量，重晶石粉含量和相似材料弹性模量的关系不是十分明显。
[0075]
由图6可知，增大水膏比将明显增加材料的泊松比，增大膨润土含量则能够在一定程度上降低材料的泊松比，其他影响因素和试件泊松比的关系不是十分明显。
[0076]
由图7可知，随着骨胶比增大，材料的抗拉强度随之降低，增大水膏比则能够在一定程度上增强材料的抗拉强度，重晶石粉含量和相似材料抗拉强度的关系不是十分明显。
[0077]
由图8可知，随着膨润土含量的增大，材料的内摩擦角随之减小，其他因素和试件内摩擦角的关系不是十分明显。
[0078]
由图9可知，随着骨胶比增大，材料的粘聚力出现降低的趋势，其他因素和试件粘聚力的关系不是十分明显。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。