高容重低强度岩石模型试验相似材料研究_戴银所.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月防护工程POTECTIVE ENGINEEINGVol.45 No.1Feb.2023收稿日期:20220928基金项目:中国博士后科学基金资助项目(2014M562586);陆军工程大学基础前沿科技创新项目(KYFYJQZL2202)作者简介:戴银所(1971)，男，博士，副教授，主要从事工程防护材料研究。引用格式:戴银所 高容重低强度岩石模型试验相似材料研究 J 防护工程，2023，45(1):1620DAI Yinsuo Study on high bulk density and low strength similarity materials for rock model test J Protective Engineering，2023，45(1):1620高容重低强度岩石模型试验相似材料研究戴银所(陆军工程大学，江苏 南京 210007)摘要为了研制出高容重、低强度岩石模型试验相似材料，以石英砂和重晶石砂为骨料，重晶石粉为填料，水泥为胶结材料，研究不同配合比相似材料的容重和抗压强度变化规律。结果表明:粗、细骨料形成良好级配，粉体填充空隙，存在最大堆积密度;当水泥掺量在 1%6%时，通过调整砂、粉体掺量，能够调整水泥基相似材料容重在1.83.0 g/cm3，抗压强度在 0.12.9 MPa。关键词相似材料;水泥砂浆;重晶石;堆积密度;容重;抗压强度Study on high bulk density and low strength similarity materials for rock model testDAI Yinsuo(Army Engineering University of PLA，Nanjing 210007，China)AbstractIn order to develop a kind of rock model test similarity materials with high bulk density and low strength，quartz sand and barite sand are used as aggregate，barite powder as filler and cement as binder material，to study thechange law of bulk density and compressive strength of the similarity material with different mixing ratio The resultsshow that:when the coarse and fine aggregate form a good gradation and using the powder to fill the gap，there is anoptimum packing density;when the cement content is 1%6%，by adjusting the powder and sand content，the bulkdensity of the cementbased similarity materials can be adjusted in the range of 18 30 g/cm3，and the compressive strength in the range of 01 29 MPaKeywordssimilarity material;cement mortar;barite;packing density;bulk density;compressive strength地质力学模型试验用适当的缩小比尺和相似材料制成与原型相似的试验对象，再现原型的实际工作状态，最后按照相似判据整理试验结果，推算原型的实际状态，从而避开在测试、力学和数学上的困难，全面、直观地反映岩层各方面的变化规律和影响因素，因而被广泛用于矿山开采、隧道、水利等地下空间利用和武器效应、防护工程等研究领域。相似材料的选择是地质力学模型试验科学性的基础和关键环节，它的合理性和科学性决定了模型试验成果的可迁移性。相似材料是利用人工材料模拟天然岩石，在基本满足相似原理的条件下，使人工材料的物理力学性能指标和天然岩石性能指标具有一定的比例关系，并在模型上再现岩石矿物层各种构造13。相似材料一般是由骨料、胶结材料和填料共同组成的复合材料，它的物理力学性能既可以通过调节组分比例和性质来控制，又受到各组分之间相互作用力影响。由于需要模拟不同类别岩石，采用不同相似比尺，这样相似材料需要调整的物理力学参数范围就很宽。根据模型试验几何相似比尺设计出相似材料的抗压强度一般为几个 MPa 甚至更低;容重是岩石的最基本物理量，为了减少计算的复杂性，将容重相似比尺设定为 1，这样就需要将相似材料的容重调整到所需要模拟岩石的容重46。由于水泥砂浆和岩石有许多共性，它们都是非第 45 卷 第 1 期戴银所:高容重低强度岩石模型试验相似材料研究均质材料，均由细小的矿物颗粒组成，含有大量的裂纹或缺陷，破坏形式都是脆性破坏78;而且水泥砂浆具有原材料来源丰富，价格便宜，易于成型，物理力学性能稳定，无污染等优点，因而被广泛作为地质力学模型试验相似材料。笔者尝试研制高容重低强水泥基相似材料。1试验1.1原材料重晶石密度大，来源广泛，没有污染，价格相对便宜，且在水泥浆体中没有化学活性。笔者用重晶石砂、重晶石粉来调整水泥砂浆相似材料的容重，将普通水泥砂浆 1.61.8 g/cm3容重调整到所模拟岩石的 1.83.0 g/cm3范围。将采购的重晶石砂、石英砂进行筛分，粒径在1.182.368 mm 的称粗砂，0.601.18 mm 的称细砂，小于 0.60 mm 的称石粉。为使砂浆与岩石性状尽可能相似，相似材料表面需要光滑均匀，也便于后期粘贴应变片，因此去除掉大于 2.368 mm 的颗粒;材料的容重、堆积密度、空隙率见表 1。胶结材料选用海螺牌 32.5 普通硅酸盐水泥。表 1材料的基本参数填料类型粒径容重/(g/cm3)堆积密度/(g/cm3)空隙率/%石英砂粗(1.182.368 mm)2.651.5242.6细(0.601.18 mm)2.661.4645.1重晶石砂粗(1.182.368 mm)3.642.00644.9细(0.601.18 mm)3.711.97646.7重晶石粉(0.60 mm)3.832.3837.81.2试验方法按水泥砂浆试验规范要求，采用调整用水量法，制备尺寸为 70.7 mm 70.7 mm 70.7 mm 的立方体，在标准条件下进行养护，用于测试相似材料的容重、抗压强度等。(1)容重:通过测量试块的质量和表观体积，计算相似材料的容重。(2)抗压强度:采用 SANS 公司生产的 Power-Test V3.0C MTS 微机控制电子压力机(见图 1)进行单轴压力测试，最大加载 50 kN，加荷速度为 0.3kN/s，抗压强度计算精确至 0.01 MPa。图 1MTS 微机控制电子压力机2结果与讨论2.1堆积密度试验(1)石英砂重晶石粉二级配。从表 2 可以看到，在 2 500 g 石英砂(细)中，随重晶石粉掺量的增加，堆积密度逐渐增加。2 500 g 石英砂(细)的堆积体积为 1 712 cm3，其空隙率为 45.1%，故其空隙为772 cm3，而重晶石粉最大掺量 1 250 g 的堆积体积为 525 cm3，仅为石英砂空隙的 68%，故能够全部填充在石英砂空隙里，表现出堆积密度随重晶石粉掺量增加逐渐增加。表 2石英砂二级配堆积密度石英砂(细)/g重晶石粉/g堆积密度/(g/cm3)2 50001.4602 5002501.5062 5005001.5902 5007501.6302 5001 0001.6962 5001 2501.732(2)重晶石砂重晶石粉二级配。重晶石粉掺量及其堆积体积计算如表 3 所示。表 3重晶石粉掺量及其堆积体积重晶石粉/g粉砂比/%堆积体积/cm32501010537515157500202106252526275030315875353671 000404201 125454731 2505052571防护工程2023 年在 2 500 g 的重晶石砂中掺入重晶石粉，堆积密度结果如图 2 所示。从图 2(a)可以看到，在细重晶石砂中掺入重晶石粉，随着粉体掺量增加，堆积密度逐渐增加;当掺量为 45%时堆积密度达到最大，此后继续掺入粉体堆积密度反而下降。在粗重晶石砂中当掺入 40%重晶石粉时，堆积密度达到最大，此后继续掺入粉体时逐渐下降，即存在最大堆积密度。(a)砂粉二级配(b)粗细砂粉三级配图 2粉/砂比对堆积密度的影响当重晶石粉掺量为 40%，即 1 000 g 时，其堆积体积为 420 cm3，占比 2 500 g 粗重晶石砂空隙560 cm3的 75%，能够全部填充到粗砂空隙中。当重晶石粉掺量为 45%、50%，即 1 125、1 250 g 时，其堆积体积逐步增加到 473、525 cm3，分别占粗重晶石砂空隙的 85%、94%;但这里的粉体是过 0.60mm 筛的混合料，其中部分较大的颗粒或没有充分分散的粉体会“挤”开部分粗砂颗粒之间的紧密接触，从而导致砂粒之间的空隙增加，表现为总的堆积密度降低。2 500 g 细重晶石砂堆积空隙 590cm3，当重晶石粉掺量为 1 125、1 250 g 时，其堆积体积为 473、525 cm3，分别占细重晶石砂空隙的80%、89%;80%时堆积密度仍是增加，而 89%时堆积密度降低。由此可以得出结论，由于粉体中有较大颗粒或分散不匀，掺入的粉体体积占骨料砂空隙 80%以内时，前者能够全部填充后者空隙使得混合料堆积密度增加;当粉体体积与骨料砂空隙占比超过 80%时，混合料堆积密度反而开始降低。散粒混合物的堆积密度取决于颗粒平均尺寸、空隙 率 和 颗 粒 相 对 密 度。根 据 不 连 续 堆 积 理论910，当小颗粒的体积远小于空隙时，小颗粒全部填充在大颗粒空隙中，二者混合后的体积就是大颗粒堆积体积，整体体积取决于大颗粒堆积体积，此时堆积密度随小颗粒数量增加而增加;当小颗粒恰好填满大颗粒的空隙时，形成最密堆积，堆积密度最大;当小颗粒继续增加时，小颗粒填充满大颗粒后剩余的小颗粒就会“挤”开大颗粒，使总堆积体积增加，表现为堆积密度下降。(3)粗细重晶石砂重晶石粉三级配。将粗、细 2种重晶石砂同质量混合为 2 500 g，再逐步掺入重晶石粉，堆积密度试验结果如图 2(b)所示。从图 2(b)可以发现:三级配堆积密度变化规律与图 2(a)二级配堆积密度变化规律基本相同，即当重晶石粉掺量 40%，堆积密度达到最大，此后随重晶石粉继续掺入，堆积密度开始逐渐降低。在重晶石砂中掺入重晶石粉能够调节堆积密度，重晶石粉掺量在 40%以内时，其堆积密度与重晶石粉掺量有很好的正相关关系，因此，研制低强度水泥砂浆相似材料时，将粉料最大掺量控制在 40%以内。2.2低强度相似材料配合比试验(1)重晶石粉掺量 10%。从表 4 可以看到，在石粉掺量 10%条件下，将一半石英砂替换为重晶石砂后，水泥掺量从 1%逐渐增加到 1.6%，抗压强度从 0.10 MPa 逐渐增加到 0.13 MPa，容重从 1.872g/cm3增加到 1.925 g/cm3。在表 5 中可以看到:在相同配合比的情况下，将石英砂全部替换为重晶石砂，水泥掺量从 1%逐渐增加到 1.6%，容重逐渐从2.349 g/cm3增加到 2.406 g/cm3，抗压强度从 0.13MPa 逐渐增加到 0.37 MPa。由此可见:用重晶石砂代替石英砂配制相似材料，不仅容重增加明显，抗压强度也能够明显增加。骨料砂作为相似材料的骨架，水泥浆填充骨架中间空隙，因此骨架的强度直接影响材料的强度;在配制低强度相似材料时，水泥用量较少，水泥浆体积远小于骨料空隙，因而容重随水泥掺量的增加而增加。81第 45 卷 第 1 期戴银所:高容重低强度岩石模型试验相似材料研究表 4三级配相似材料试验编号水泥掺量/%石英砂(细)/g重晶石砂(细)/g重晶石粉/g水泥/g水/g抗压强度/MPa容重/(g/cm3)11.01 8181 818364402300.101.87221.21 8181 818364482350.111.90931.41 8181 818364562400.121.91141.61 8181 818364642450.131.925表 5二级配相似材料试验编号水泥掺量/%重晶石砂(细)/g重晶石粉/g水泥/g水/g抗压强度/MPa容重/(g/cm3)11.03 636364402050.132.34921.23 636364482100.192.37331.43 636364562150.332.39241.63 636364642200.372.406水泥砂浆中水泥浆体不仅填充骨料空隙，并包裹在砂表面起润滑作用，使砂浆获得施工时必要的和易性。但在研制低强度相似材料时，由于水泥用量少，掺入重晶石粉不仅可以增加相似材料容重，而且可以增加浆体量，提高和易性;但过多的石粉会造成颗粒级配不合理，使得砂相对量减少，减弱砂的骨架作用，降低抗压强度11。(2)重晶石粉掺量 20%。从表 6 可以看到，在重晶石粉掺量 20%条件下，将一半石英砂替换为重晶石砂后，水泥掺量从 1%逐渐增加到 1.6%，抗压强度从 0.21 MPa 逐渐增加到 0.40 MPa，容重从2.038 g/cm3增加到 2.135 g/cm3。在表 7 中可以看到:在相同配合比情况下，将石英砂全部替换为重晶石砂，水泥掺量从 1%逐渐增加到 1.6%，容重逐渐从 2.504 g/cm3增加到 2.611 g/cm3，抗压强度从0.27 MPa 逐渐增加到 0.58 MPa。表 6三级配相似材料试验编号水泥掺量/%石英砂(细)/g重晶石砂(细)/g重晶石粉/g水泥/g水/g抗压强度/MPa容重/(g/cm3)11.01 6661 666667402650.212.03821.21 6661 666667482700.262.07331.41 6661 666667562750.312.10841.61 6661 666667642800.402.135表 7二级配相似材料试验编号水泥掺量/%重晶石砂(细)/g重晶石粉/g水泥/g水/g抗压强度/MPa容重/(g/cm3)11.03 333667402450.272.50421.23 333667482500.442.51731.43 333667562550.502.59541.63 333667642600.582.611(3)重晶石粉掺量 40%。在表 8 中可以看到，在重晶石粉掺量 40%时，随水泥掺量从 1.4%逐步增加到 6%，容重从 2.958 g/cm3缓慢增加到 3.006g/cm3;抗压强度从 0.65 MPa 逐渐增加到 2.52MPa。在水泥掺量 5%6%时，将细重晶石砂替换成粗重晶石砂，其容重和强度结果基本一致。虽然水泥用量达到 6%，但总体水泥浆体积仍小于骨料空隙，故随水泥掺量增加容重增加。91防护工程2023 年表 8二级配相似材料试验编号水泥掺量/%重晶石砂/g重晶石粉/g水泥/g水/g抗压强度/MPa容重/(g/cm3)11.45 760(细)2 2401126750.652.95821.65 760(细)2 2401286800.702.96131.85 760(细)2 2401446850.792.96642.05 760(细)2 2401606900.922.96952.55 760(细)2 2402007001.042.98263.05 760(细)2 2402407101.432.98473.55 760(细)2 2402807201.512.98984.05 760(细)2 2403207301.972.99094.55 760(细)2 2403607402.232.991105.05 760(细)2 2404007502.382.993115.55 760(细)2 2404407602.462.995126.05 760(细)2 2404807702.523.006135.05 760(粗)2 2404006902.312.988145.55 760(粗)2 2404407102.463.049156.05 760(粗)2 2404807302.883.094从表 8 可以看到:在重晶石砂、重晶石粉掺量不变的情况下，增加水泥掺量，强度逐步增加。对比表 5、7、8 可以看到:骨料仅用重晶石砂时，重晶石粉掺量从 10%、20%，增加到 40%，水泥掺量1.6%时，强度分别是 0.37、0.58、0.70 MPa;容重分别达到 2.4、2.6、2.96 g/cm3。因为粉体掺量增加，堆积密度增加;砂浆密实度越好，强度也越大。3结论(1)在配制水泥基相似材料时，粗、细骨料形成良好级配，粉料填充骨料空隙，存在最大堆积密度。(2)水泥掺量 1%6%时，通过调整重晶石砂、重晶石粉掺量，能够将水泥基相似材料容重调整到1.83.0 g/cm3范围，抗压强度在 0.12.9 MPa 的低强度范围。参考文献 1 徐小辉，邱艳宇，王明洋，等计算大当量地下浅埋爆炸真空室模拟相似材料研究 J 岩石力学与工程学报，2018，37(增 1):35503556 2 王汉鹏，张冰，袁亮，等超低渗气密性岩层相似材料特性分析 J 中国矿业大学学报，2021，50(1):99105 3 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