一种高脆性类岩石材料试件制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种类岩石材料试件制备方法，特别是一种高脆性类岩石材料试件制备方法。
【背景技术】
[0002]实验室相似模拟试验是研宄岩石力学工程及科学问题的主要手段之一，我国现阶段的岩石工程规模大、难度高，无论是矿山工程，还是水电工程和交通工程，很多工程的开发进入深部地下空间，不少工程都遇到了动力灾害，造成人员伤亡和施工设备严重破坏，为了解决深地下矿产能源资源开发，西南巨大水能源开发，长距离、大埋深交通隧道开挖，高放核废料地下处置等一系列深部岩石工程问题，为深部岩石工程顺利开展提供科学理论和技术支持，国内岩石力学工作者近几年在实验室进行了大量的模拟试验，为模拟出灾害的动力特征亟需配制出能够满足现场高弹模高强度脆性岩体相似缩比，且能够真实反映其力学特性的相似材料。
[0003]实验室多采用水泥、沙子、石膏等材料作为主要基材加入其它材料获取具有较高强度和弹性模量的类岩石相似模拟材料，但是这些材料在峰后均具有明显的塑性或延性特征，脆性特征不明显。
[0004]松香作为高脆性材料单独使用时成型时易产生大量内部微裂纹，虽然能模拟脆性岩石，但由于强度和弹性模量均较低，在作用荷载小于材料强度时破坏即发生，与岩石力学特性差距较大。因此，脆性类岩石材料多以松香作为基材掺入其它材料进行改性制作试件。
[0005]膨润土颗粒细小，单位晶层之间易分离，在溶液中很难凝聚成大颗粒，具备悬浮稳定性，目前采用松香与膨润土配制的材料基本能满足试验需求，但在试件制备过程中存在如下问题:(I)松香与膨润土的拌合工艺有两种，一种是高温下使松香达到熔点后进行固体混合料拌合，这种方法难以保证两种材料的充分拌合，形成的试件均质性难以保证，另一种方法是松香热熔达到沸点后加入膨润土搅拌成悬浊液浇筑试件成型，这种方法在混合料冷却成型过程中，悬浊液沉淀明显，浇制的试件上部和下部不同性；(2)松香与膨润土的密度均较小，强度低，制成的试件承载低，在相似模拟中比重无法满足相似比，弹模低，弹性储能少。
【发明内容】
[0006]技术问题:本发明的目的是要提供一种具有脆性好、均质性好，强度高、弹模高、各向均质、易于成型的高脆性类岩石材料试件制备方法。
[0007]技术方案:本发明的目的是这样实现的:该试件的原材料包括松香、钠基膨润土、碳纳米管、明胶，四者的质量比为65:26:7:2 ;其中碳纳米管的比重可根据需要适当提高，但不能高于总质量的15%，原材料选材如下:
[0008]a.松香采用《松香试验方法国家标准》(GB/T8146-2003)中颜色分级特级或I级松香；
[0009]b.钠基膨润土采用《膨润土》(20973-2007) NaB钠基膨润土，200目?1000目；
[0010]c.碳纳米管采用CNT102?CNT107多壁碳纳米管；
[0011]d.明胶采用《工业明胶》(QB/T1995-2005)工业明胶。
[0012]其制备工艺如下:
[0013]a.按照原材料的质量比进行称量，并将称量好的松香和膨润土各自分为等量的5?10份；
[0014]b.将第一份松香加热至沸腾状态，加入第一份膨润土，用玻璃棒以一定的搅拌速度充分搅拌形成沸腾悬浊液；
[0015]c.向沸腾悬浊液中加入第二份松香，保持一定的搅拌速度直至松香完全液化并沸腾，加入第二份膨润土，充分搅拌形成沸腾悬浊液；
[0016]d.重复c动作直至所称量松香与膨润土全部充分搅拌形成沸腾悬浊液；
[0017]e.沸腾悬浊液停止加热放置12?24小时，室温条件下自然冷却固化，再次加热至沸腾悬浊液，过程中固体液态化后即保持一定的搅拌速度进行搅拌；
[0018]f.重复e动作3?5个循环，最终形成沸腾悬浊液，保持一定的搅拌速度搅拌5?10分钟；
[0019]g.向沸腾悬浊液中加入碳纳米管，沸腾状态下以搅拌速度搅拌25?30分钟；
[0020]h.向沸腾混合悬浊液加入明胶，沸腾状态下以一定的搅拌速度搅拌5?10分钟后室温条件下自然降温至170?200 °C ；
[0021]1.将170?200°C悬浊液用玻璃棒引流入模具，用玻璃棒沿模具内壁以一定的搅拌速度搅拌2?5分钟；
[0022]j.将模具放入真空箱做除气泡处理15?30分钟；
[0023]k.将模具放入恒温鼓风干燥箱养护，干燥箱初始温度设置170°C，每2小时降低设置温度10°c，当干燥箱设置温度降低至30°C时继续养护36?40小时；
[0024]1.拆模将试件放置在20?30°C阴凉环境下养护15?28天即完成试件制作。
[0025]所述的一定的搅拌速度为5?20r/min，模具内壁要求做耐高温处理，减小模具的导热系数。
[0026]有益效果，由于采用了上述方案，制备工艺中量化控制材料加入顺序、混合料加温温度、浇制温度、养护温度、搅拌速度、浇制速度六大因素，保证了各材料在混合料中分散均匀，通过加入碳纳米管提高了材料的强度、弹性模量和耐疲劳性，工业明胶作为分散剂加入有效抑制悬浊液在冷凝固化过程中的沉淀，改善了材料的均质性，同时颗粒间形成网络凝胶，改善了松香的过脆性特征，同时碳纳米管的抗拉韧性、明胶的柔性、对模具的耐高温处理以及养护温度的控制可有效消除试件在成型过程中由于内部温度梯度过大而产生的微裂纹发生，提高试件的成型率和各向均质性。
[0027]在松香及膨润土混合料基础上加入碳纳米管作为加强材料，碳纳米管抗拉强度达到50?200GPa，弹性模量可达lTPa，CNT102?CNT107型多壁碳纳米管管径8?50nm，长度10-50um，比表面积40?500m2/g，碳纳米管的硬度与金刚石相当，同时拥有良好的柔韧性，可以拉伸，粒径较小，填充松香颗粒与膨润土颗粒空间，调节混合料级配，可有效提高混合料的强度、弹性、抗疲劳性和各向同性；加入工业明胶作为悬浊液分散剂，在悬浊液温度降低时，明胶的凝胶性发挥作用，可在一定程度上减缓悬浊液的沉淀，同时颗粒间形成网络凝胶，提高试件的柔性和弹性模量，调节试件的力学特性。工艺中的液固态循环转换提高了材料的和易性，温度和搅拌速度的控制保证了材料的力学均质和各向同性特征。
[0028]制备的试件具有脆性好、均质性好，强度高、弹模高、各向均质、易于成型的特点。
[0029]由该方法制备的试件在深部巷道开挖岩爆孕育过程中，采用175X 175X 200mm试件，呈现了脆性的断裂特征，在加载和围压条件下模拟了高应力脆性岩体的岩爆迸射事件演化过程。
【具体实施方式】
[0030]下面将对本发明的一个实施例作进一步的描述:
[0031]该试件的原材料包括松香、钠基膨润土、碳纳米管、明胶，四者的质量比为65:26:7:2，其中碳纳米管的比重可根据需要适当提高，但不宜高于总质量的15%，原材料选材如下:
[0032]a.松香采用《松香试验方法国家标准》(GB/T8146-2003)中颜色分级特级或I级松香；
[0033]b.钠基膨润土采用《膨润土》(20973-2007) NaB钠基膨润土，200目?1000目；
[0034]c.碳纳米管采用CNT102?C