专利名称：用于模型试验的流-固耦合相似材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于模型试验的流-固耦合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，很多学者大量通过地质力学模型试验来研究地下工程设计和施工方法的优化，进行施工过程力学规律的探索。但现在的地下工程模型试验存在明显的不足，现有技术中的相似材料大多仅考虑物理力学相似，绝大多数相似材料会遇水崩解，无法应用到流-固耦合模型试验中。对于少数的石蜡类流-固耦合相似材料，也只是注重解决材料遇水崩解的问题，且对温度条件要求很高，力学性质和水理性的调节具有相关性，难以保证物理力学性质和水理性同时满足试验要求。所以过去的研究往往不做真实水压条件下的渗流模拟，仅采用柔性加载模拟水压力，不能反映岩体和水耦合作用下的实际情况，也不是真正的流-固耦合相似模拟。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种用于模型试验的流-固耦合相似材料，并提供了其制备方法。本发明的流-固耦合模型试验相似材料，采用不亲水的胶凝材料，材料遇水不软化崩解，同时满足固体变形和渗透性相似两个条件，不受温度和湿度条件影响。本发明是通过以下技术方案实现的一种用于模型试验的流-固耦合相似材料，由以下重量份的原料组成的标准砂1 份，重晶石粉0. 05 0. 15份，滑石粉0. 05 0. 15份，水泥0. 05 0. 125份，凡士林0. 04 0. 12份，硅油0 0. 15份，拌合水0. 05 0. 1份。优选的，由以下重量份的原料组成的标准砂1份，重晶石粉0.085份，滑石粉 0. 085份，水泥0. 065份，凡士林0. 075份，硅油0. 05份，拌合水0. 1份。所述标准砂的粒径小于5mm。所述重晶石粉细度为625目。滑石粉的细度为1250目。所述水泥为抗压强度为32. 5MPa的优质白色硅酸盐水泥。所述凡士林为白色无毒的医用级凡士林。所述硅油为粘度1500的甲基硅油。所属拌合水为常规的水，起拌合的作用。所述用于模型试验的流-固耦合相似材料的制备方法，步骤如下(1)严格按比例称取标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林和硅油；(2)将标准砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四种细粒材料混合并搅拌均勻；(3)加入拌合水，充分搅拌；(4)加入调节剂硅油，拌勻；
(5)将凡士林加热至45°C 60°C，使其熔为液态；(6)将液态凡士林与步骤(4)所得到的材料混合，并充分搅拌；(7)室温下冷却5 lOmin，即得用于模型试验的流-固耦合相似材料。本发明的用于模型试验的流-固耦合相似材料，采用水硬性的水泥和非亲水性的凡士林作为胶结剂，解决了相似材料遇水软化崩解的问题，使材料的强度和弹性模量可以在较大范围内调节；采用硅油作为调节剂，可以在基本不影响材料的力学指标的情况下，调节材料的渗透性等水理性指标，保证材料的物理力学性质和水理性都能满足试验要求。材料主要参数范围如表1，在单轴抗压条件下的应力应变曲线如附图1。表 1
抗压强度抗拉强度弹性模量渗透系数材料参数MPaMPaMPacm/s变化范围0.25-1.10.02-0.1525-1759.78X10"4~5.25X10"7本发明的用于模型试验的流-固耦合相似材料，研究了可用于模型试验的流-固耦合相似材料的技术方案和制备方法，解决了传统相似材料遇水软化崩解的问题，改善了传统流-固耦合相似材料物理力学性质与水理性难以单独调节，水理性相似模拟度差的缺陷。将该流-固耦合相似材料应用于模型试验中，与前人研究相比，真实模拟了岩体与水的相互耦合作用，所得出的地质力学相似模型试验研究成果更加准确。本发明选用标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油作为组成成分，其中，水泥作为水硬性胶结剂，保证材料在水的作用下不发生软化崩解，同时，水泥对材料的渗透性影响也比较明显，使材料的强度和渗透系数可以在较大的范围内调节；凡士林作为塑性胶结剂，主要是调节相似材料的强度和弹性模量，随着含量的增加，其对强度和弹性模量的调节作用与水泥相反，这样保证了材料的力学性质可以有效调控；硅油作为调节剂，保证了材料的非亲水性，使材料中的拌合水能与水泥充分反应，降低材料对养护条件的要求，而且硅油可以实现在基本不影响材料力学性质的基础上，对材料的水理性指标进行调节，大大提高了材料水理性方面的相似模拟度，扩展了该流-固耦合相似材料的应用范围。另外，调节重晶石粉和滑石粉与标准砂的比重，可以调节材料的内摩擦角和粘聚力。本发明提出的模型试验中的流-固耦合相似材料的技术方案，具有以下优点1、能实现相似材料在水的作用下不发生软化崩解，为真实模拟岩体与水的耦合作用提供了可能；2、能通过调节材料配比，在不影响材料的整体性质的前提下，单独调控水理性指标和力学性质的单个指标，为模拟不同类别、不同渗透系数的岩体提供了可能；3、能在较大范围内调节材料的强度和渗透性，可模拟中级强度的各类岩体。4、对材料的性质实现了“主要控制，反向调节”，解决了成分变化对材料性质影响的相关性，大大提高了材料的相似模拟度。
图1为实施例1的材料在单轴抗压条件下的全应力应变曲线图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的说明。本发明的实施例所用的标准砂粒径小于5mm，且级配均勻，重晶石粉细度为625 目，滑石粉的细度为1250目，水泥为抗压强度为32. 5MPa的优质白色硅酸盐水泥，凡士林为白色无毒的医用级凡士林，硅油为粘度1500的甲基硅油。实施例1制备用于模型试验中的流-固耦合相似材料配方为标准砂320g，重晶石粉32g，滑石粉32g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 16g，拌合水32g。制备步骤为1)严格按比例称取标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)将砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四种细粒材料混合并搅拌均勻；3)加入拌合水，充分搅拌；4)加入调节剂硅油，拌勻；5)将凡士林加热至50°C，使其熔为液态；6)将液态凡士林与材料混合，并充分搅拌；7)室温下冷却lOmin，即得。该配比的相关参数重度2. 14g/cm3,抗压强度0. 6IMPa,抗拉强度0. 058MPa,弹性模量 37MPa，渗透系数 5. 36X l(T6cm/s。实施例2制备用于模型试验中的流-固耦合相似材料配方为为标准砂320g，重晶石粉32g，滑石粉32g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 O，拌合水Mg。制备步骤为1)严格按比例称取标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林和拌合水；2)将砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四种细粒材料混合并搅拌均勻；3)加入拌合水，充分搅拌；4)将凡士林加热至50°C，使其熔为液态；5)将液态凡士林与材料混合，并充分搅拌；6)室温下冷却lOmin，即得。该配比的相关参数重度1. 92g/cm3,抗压强度0. 44MPa,抗拉强度0. 042MPa,弹性模量 13MPa，渗透系数 8. 61Xl(T5cm/s。实施例3制备用于模型试验中的流-固耦合相似材料配方为标准砂320g，重晶石粉32g，滑石粉32g，水泥40g，凡士林38. 4g，硅油 12. 8g，拌合水 32g。制备步骤为1)严格按比例称取标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)将砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四种细粒材料混合并搅拌均勻；3)加入拌合水，充分搅拌；4)加入调节剂硅油，拌勻；
5)将凡士林加热至50°C，使其熔为液态；6)将液态凡士林与材料混合，并充分搅拌；7)室温下冷却lOmin，即得。该配比的相关参数重度2. 12g/cm3,抗压强度0. 92MPa,抗拉强度0. 090MPa,弹性模量 116MPa，渗透系数 3. 66Xl(T7cm/s。实施例4制备用于模型试验中的流-固耦合相似材料配方为标准砂320g，重晶石粉16g，滑石粉48g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 16g，拌合水32g。制备步骤为1)严格按比例称取标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)将砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四种细粒材料混合并搅拌均勻；3)加入拌合水，充分搅拌；4)加入调节剂硅油，拌勻；5)将凡士林加热至50°C，使其熔为液态；6)将液态凡士林与材料混合，并充分搅拌；7)室温下冷却lOmin，即得。该配比的相关参数重度2. 03g/cm3,抗压强度0. 59MPa,抗拉强度0. 058MPa,弹性模量 37MPa，渗透系数 5. 58X l(T6cm/s。实施例5制备用于模型试验中的流-固耦合相似材料配方为标准砂320g，重晶石粉48g，滑石粉16g，水泥20. 8g，凡士林Mg，硅油 16g，拌合水32g。制备步骤为1)严格按比例称取标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和拌合水；2)将砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四种细粒材料混合并搅拌均勻；3)加入拌合水，充分搅拌；4)加入调节剂硅油，拌勻；5)将凡士林加热至50°C，使其熔为液态；6)将液态凡士林与材料混合，并充分搅拌；7)室温下冷却lOmin，即得。该配比的相关参数重度2. 19g/cm3,抗压强度0. 60MPa,抗拉强度0. 058MPa,弹性模量 38MPa，渗透系数 5. 19X 10_6cm/s。上述虽然结合实施例对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于由以下重量份的原料组成的标准砂1份，重晶石粉0. 05 0. 15份，滑石粉0. 05 0. 15份，水泥0. 05 0. 125份， 凡士林0. 04 0. 12份，硅油0 0. 15份，拌合水0. 05 0. 1份。
2.根据权利要求1所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于由以下重量份的原料组成的标准砂1份，重晶石粉0. 085份，滑石粉0. 085份，水泥0. 065份，凡士林0. 075份，硅油0. 05份，拌合水0. 1份。
3.根据权利要求1或2所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于所述标准砂的粒径小于5mm。
4.根据权利要求1或2所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于所述重晶石粉细度为625目。
5.根据权利要求1或2所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于滑石粉的细度为1250目。
6.根据权利要求1或2所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于所述水泥为抗压强度为32. 5MPa的优质白色硅酸盐水泥。
7.根据权利要求1或2所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于所述凡士林为白色无毒的医用级凡士林。
8.根据权利要求1或2所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料，其特征在于所述硅油为粘度1500的甲基硅油。
9.权利要求1 8中任一项所述的用于模型试验的流-固耦合相似材料的制备方法， 其特征在于步骤如下(1)严格按比例称取标准砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林和硅油；(2)将标准砂、重晶石粉、滑石粉和水泥四种细粒材料混合并搅拌均勻；(3)加入拌合水，充分搅拌；(4)加入硅油，拌勻；(5)将凡士林加热至45°C 60°C，使其熔为液态；(6)将液态凡士林与步骤(4)所得到的材料混合，并充分搅拌；(7)室温下冷却5 lOmin，即得用于模型试验的流-固耦合相似材料。
全文摘要
本发明公开了一种用于模型试验的流-固耦合相似材料，由以下重量份的原料组成的标准砂1份，重晶石粉0.05～0.15份，滑石粉0.05～0.15份，水泥0.05～0.125份，凡士林0.04～0.12份，硅油0～0.15份，拌合水0.05～0.1份。该材料采用水硬性的水泥和非亲水性的凡士林作为胶结剂，解决了相似材料遇水软化崩解的问题，使材料的强度和弹性模量可以在较大范围内调节；采用硅油作为调节剂，可以在基本不影响材料力学指标的情况下，调节材料的渗透性等水理性指标，保证材料的物理力学性质和水理性都能满足试验要求。与前人研究相比，真实模拟了岩体与水的相互耦合作用，所得出的地质力学相似模型试验研究成果更加准确。
文档编号C04B28/04GK102557551SQ20111042706
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者周宗青, 周毅, 张骞, 李利平, 林春金, 王凯, 王庆瀚, 石少帅, 郭明 申请人:山东大学