第二章相似模拟试验与测试技术

第二章相似材料

2.1概述2.1.1相似材料的基本要求⑴力学性质相似；破坏问题：单向抗压强度、单向抗拉强度与原型相似⑵力学性能稳定；不易受外界条件影响，如温度、湿度⑶改变配比即能改变材料的力学性质；⑷容易成型，制作方便，凝固时间短；⑸材料来源广，成本低。2.1.2相似材料的分类1.骨料河沙、尾砂、黏土、铁粉、云母粉、软木屑、硅藻土等2.胶结材料石膏、水泥、石灰、石蜡、树脂、水玻璃、高岭土2.1概述2.1.3骨料的主要技术特征（1）砂子：直径0.12～0.21mm纯净河砂（2）黏土：密度大于2.6g/cm3,干燥磨碎，直径0.35mm筛子筛分（3）云母粉：密度2.7g/cm3,用于模拟裂隙和节理等弱面（4）铁粉、重晶石粉、磁铁矿粉等重骨料，用于增大相似材料容重。（5）软木屑、浮石、炉渣等轻骨料，用于减小容重。（6）硅藻土:硅藻化石为骨架的多孔沉积物，作用为吸收混合物的多于水分、降低弹模。（7）软木屑、砂子、聚苯乙烯可减小泊松比。（8）尾砂2.1概述2.1.4胶结材料的主要技术特征1.熟石膏（CaSO4·1/2H2O)天然生石膏（CaSO4·2H2O)在150～170℃温度下煅烧研磨而成，密度2.5～2.7g/cm3,容重0.012N/cm3,孔隙率50～60％。170～200℃为可溶硬石膏；400℃以上不溶硬石膏，不能凝结硬化；800℃以上高温煅烧石膏，凝结慢，但强度及耐磨性较高。建筑石膏、模型石膏(β型石膏)－常温、干燥条件下煅烧。初凝时间—浆体丧失流动性的时间。几分钟终凝时间－失去塑性的时间。十几分钟缓凝剂：硼砂、动物胶、酒精速凝剂：氯化钠、水玻璃、硫酸盐稳定强度Rc＝5mpa±，拉压比1：4.高强石膏(α型石膏)—蒸锅内，压力0.13mpa、124℃高温煅烧而成。晶体粗，表面积大，溶解需水量为β型石膏一半，硬化后密度和强度高。单向抗压强度：3h，Rc＝9～24mpa，7d，Rc＝15～40mpa初凝时间大于3min,终凝时间5～30min.2.1.4胶结材料的主要技术特征2.水泥◆水硬性材料。由石灰质原料和粘土质原料经配比磨成生料后入窑煅烧成熟料，再加石膏磨细而成。◆性能指标：细度、凝结时间、强度、体积安定性、水化热◆种类：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥◆强度依标号龄期而异，拉压比1/8～1/202.1概述第二章相似材料2.1.4胶结材料的主要技术特征3.石灰◆气硬性材料,初始强度低1mpa左右。脆性，拉压比1/404.碳酸钙◆强度低，4d；Rc＝0.07mpa，Rt＝0.05mpa5.高岭土◆强度极低，10d；Rc＝0.073mpa，Rt＝0.011mpa，拉压比1/5.6,塑性大6.树脂可作胶结材料，也可单独注模。2.1.5相似材料的选择常见岩石力学性能指标相似材料要求：力学性能指标相似；瞬时变形特性相似，塑性、脆性定性类型一致，即模型与原型应变－应力曲线相似。2.2模型结构材料2.2.1模拟混凝土块1.纯石膏模拟材料泊松比0.2左右，压拉比n＝4～5，弹模E＝1×10∧3～5×10∧3mpa通过加入掺合料，改变泊松比μ＝0.15～0.2，n＝5～10，E＝（0.05～10）×10∧3，使之接近混凝土。强度与水膏比有关，控制在1.0～2.0。2.石膏硅藻土混合模拟材料硅藻土由硅藻类水生物的介壳形成，主要成分二氧化硅，水硬性掺合料，表面积大，吸水性强。使用时可在石膏浆体中吸收多于的水分，改善材料的均质性。泊松比接近混凝土，应力应变曲线呈直线。拉压比1/5～1/6,为混凝土1/10~1/15的一半左右，模拟破坏不理想。3.水泥浮石混合材料浮石为多孔硅质岩石，密度小，能浮于水面。干燥时的强度1.5mpa。混合材料强度低，与混凝土有较好的相似关系。2.2.2模拟岩石骨料：砂、尾砂胶结材料：石膏（主）水泥、石灰、高岭土（辅助）模拟强度范围Rc＝15～150mpa，拉压比1/5~1/15配比试验：砂胶比－砂子与胶结物的比例；胶结比－胶结物中主胶结物与辅助胶结物的比例；配比号－第一位数字表示砂胶比，后面数字表示胶结比。力学性能测定：制模试件－干燥－压力机下测定强度的影响因素：砂胶比、含水率、泊松比、材料自身力学性能2.2模型结构材料2.1.3模拟地质构造岩体的不连续面－断层、破碎带、节理、裂隙、层面强度特征：内摩擦角φ，内聚力c模拟材料1.涂料:滑石涂料模拟塑性滑移；油脂涂料模拟黏性滑移2.干粉料：石灰粉、云母粉、滑石粉模拟层面3.砂子：粒径不同的砂子模拟结构面和断裂面4.人工锯缝模拟接触面和断层2.3影响石膏胶结材料力学性质的主要性质2.3.1水灰比水灰比不同可呈三种状态：流动、正常、干散。水灰比随石膏含量增加而减少。2.3.2辅助胶结物(1)水泥：增加相似材料的强度到4mpa，减小拉压比到1/8(2)石灰：降低强度到0.06mpa；减少拉压比到1/12(3)铁砂：提高容重。捣固成型0.02~0.022~0.0245N/cm3(4)炉渣灰：降低容重到0.012n/cm32.3.3材料