一种弱胶结强隔水性相似材料及配制方法与流程

本发明涉及一种岩土工程中相似材料及配制方法，特别是一种弱胶结强隔水性相似材料及配制方法。

背景技术：

低强度、弱胶结、隔水性能稳定的岩层普遍存在于中生代侏罗系、白垩系地层，如以新疆、内蒙、宁夏、甘肃等为代表的西北部地区，其成岩时间晚、胶结性差、强度低、易风化、遇水易膨胀泥化，特别是新疆地区，岩体强度仅为其他地区同种岩性强度的1/5-1/10。西北地区自然资源品种多、储量丰富，同时又处于国家“一带一路”新战略特殊的地理位置之上，是今后国家发展战略调整和转移的重点。而在开发过程中，难免伴随岩土工程、地下工程、矿山开采等工程活动。这些工程活动的开展必然对该地区本就稀缺的水资源和脆弱的生态环境造成干扰，而基于实验室物理相似模拟是研究此类活动对水资源、地表生态等环境影响程度一种常用而有效的手段，其中低强度、弱胶结岩层(组)相似材料配比是研究的前提和基础。

目前，对于相似材料配比，国内的许多专家、学者已做了大量的研究工作。如，研究者通过选择不同骨料(所述的骨料包括：砂子、石膏、重晶石粉、石英砂、膨润土)，不同胶结材料(所述的胶结材料包括：凡士林、硅油、石蜡、生石灰)，不同添加剂(所述的添加剂包括：防冻剂、减水剂)进行相似材料配比。但普遍存在以下特点：

①相似材料配比强度大多在0.1MPa以上，对于弱胶结、强度小于0.1MPa的情况没有或仅有零星案例，没有成套的研究和配比体系。

②普遍选用单轴抗压强度和塑性变形作为相似配比材料的衡量指标，而渗透系数作为相似材料隔水性能强弱的主要评价指标，在前期的研究配比中考虑较少。

渗透系数达到10^-6-10^-7cm/s量级的高隔水性、低强度(0.1MPa以下)的相似配比材料几乎空白。

技术实现要素：

基于目前相似材料配比的研究现状，本发明提出一种弱胶结强隔水性相似材料及配制方法，解决目前相似材料不能实现渗透系数达到10^-6-10^-7cm/s量级的高隔水性、低强度0.1MPa以下的问题。

本发明的目的是这样实现的：该发明包括相似材料配比及配制方法；

相似材料配比选用骨料、胶结材料和添加剂，所述的骨料为细河沙、膨润土；所述的胶结材料为石膏、固体石蜡；所述的添加剂为甲级硅油和水；

具体材料组分如下：单位为：重量份；

骨料：细河沙的颗粒级配为粒径<1.18mm，配比组分为8份，膨润土为优质钠基膨润土，粒度：220-325目，配比组分为0.9份；

胶结材料：石膏粒度：1000目，配比组分为0.1份，固体石蜡的熔点：58℃，配比组分为0.02-0.05份；

添加剂：甲基硅油的粘度：1000CS，配比组分为1-1.8份，水的PH：6-7，配比组分为1份。

根据材料组分中固体石蜡和甲基硅油含量的不同，将相似配比材料分为891₂、891₃、891₄、891₅四种系列，具体划分情况如表2

表1配比材料系列组分情况表

配制方法，具体步骤及要求如下：

(1)选用直径1.18mm的标准筛筛选所需粒度级别足量的细河沙；

(2)根据相似材料所需具体配比系列要求，用电子秤分别称取所需配比重量的细河沙、膨润土、石膏、固体石蜡、甲基硅油、水；

(3)将称取重量的细河沙、膨润土、石膏干料充分混合，并搅拌均匀；

(4)将称取重量的水加入到步骤(3)搅拌均匀的细河沙、膨润土、石膏三种干料的混合物中，并充分搅拌，确保材料不成块、不板结、无大颗粒；

(5)将称取重量的甲基硅油加入到步骤(4)充分搅拌的混合材料中，搅拌要求与步骤(4)中相同；

(6)将称取重量的固体石蜡加热到60-65℃，待石蜡充分融化后，立即加入步骤(5)充分搅拌的材料中，并快速搅拌均匀，即可得到所需配比的相似材料。

有益效果，由于采用了上述方案，该发明中以细河沙、膨润土为骨料，调节相似材料的重度，其中膨润土富含蒙脱石等矿物成分，有良好的遇水膨胀、泥化特性，可更加真实的模拟自然界覆岩隔水岩层(组)的特性；以石膏、固体石蜡为胶结材料，实现对相似材料强度的调节，同时固体石蜡为非亲水性材料，也可对材料渗透性进行调节；以甲基硅油为添加剂，实现对相似材料隔水性的调节。本发明为低强度、弱胶结、强隔水性相似材料配比的方法,适用于岩土工程、地下工程、矿山开采等物理模拟实验中强度低、胶结性差、隔水性能强等岩层(组)相似材料配比。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)选取的配比原料：骨料细河沙、膨润土；胶结材料石膏、固体石蜡；添加剂甲基硅油，与前人研究不同，配比原料创新；

(2)该相似配比材料强度低：单轴抗压强度8-93kPa，可实现弱胶结、低强度(0.1MPa以下)岩层(组)相似材料系列配比；

(3)相似配比材料隔水性能强：在实现材料弱胶结、低强度的配比要求下，通过改变添加剂甲基硅油、固体石蜡含量的不同，渗透系数可达2-81×10^-7cm/s，可实现相似材料的弱胶结、低强度(0.1MPa以下)、高隔水性(渗透系数10^-6-10^-7cm/s量级)的系列配比要求。

附图说明

图1为本发明891₂系列材料典型应力-应变曲线。

图2为本发明891₃系列材料典型应力-应变曲线。

图3为本发明891₄系列材料典型应力-应变曲线。

图4为本发明891₅系列材料典型应力-应变曲线。

具体实施方式

该发明包括相似材料配比及配制方法；

相似材料配比选用骨料、胶结材料和添加剂，所述的骨料为细河沙、膨润土；所述的胶结材料为石膏、固体石蜡；所述的添加剂为甲级硅油和水；

具体材料组分如下：单位为：重量份；

骨料：细河沙的颗粒级配为粒径<1.18mm，配比组分为8份，膨润土为优质钠基膨润土，粒度：220-325目，配比组分为0.9份；

胶结材料：石膏粒度：1000目，配比组分为0.1份，固体石蜡的熔点：58℃，配比组分为0.02-0.05份；

添加剂：甲基硅油的粘度：1000CS，配比组分为1-1.8份，水的PH：6-7，配比组分为1份。

根据材料组分中固体石蜡和甲基硅油含量的不同，将相似配比材料分为891₂、891₃、891₄、891₅四种系列，具体划分情况如表2

表1配比材料系列组分情况表

实验测得各系列的配比结果如表2

表2各系列相似材料配比结果

配制方法，具体步骤及要求如下：

(1)选用直径1.18mm的标准筛筛选所需粒度级别足量的细河沙；

(2)根据相似材料所需具体配比系列要求，用电子秤分别称取所需配比重量的细河沙、膨润土、石膏、固体石蜡、甲基硅油、水；

(3)将称取重量的细河沙、膨润土、石膏干料充分混合，并搅拌均匀；

(4)将称取重量的水加入到步骤(3)搅拌均匀的细河沙、膨润土、石膏三种干料的混合物中，并充分搅拌，确保材料不成块、不板结、无大颗粒；

(5)将称取重量的甲基硅油加入到步骤(4)充分搅拌的混合材料中，搅拌要求与步骤(4)中相同；

(6)将称取重量的固体石蜡加热到60-65℃，待石蜡充分融化后，立即加入步骤(5)充分搅拌的材料中，并快速搅拌均匀，即可得到所需配比的相似材料。

下面结合具体配比实例对本发明的优点和特性做进一步说明。

实施例1：一种低强度、弱胶结、强隔水性相似材料配比，配比系列分别为891₂系列、891₃系列、891₄系列、891₅系列：

其详细配比实验过程为：

(1)选用直径1.18mm的标准筛筛选所需粒度级别足量的细河沙；

(2)根据不同配比系列各组分材料的配比要求，用电子秤分别称取所需重量的细河沙、膨润土、石膏、固体石蜡、甲基硅油、水；

(3)将称取重量的细河沙、膨润土、石膏干料充分混合，并搅拌均匀；

(4)将称取重量的水加入到步骤(3)搅拌均匀的细河沙、膨润土、石膏三种干料的混合物中，并充分搅拌，确保材料不成块、不板结、无大颗粒；

(5)将称取重量的甲基硅油加入到步骤(4)充分搅拌的混合材料中，搅拌要求与步骤(4)中相同。

(6)将称取重量的固体石蜡加热到60-65℃，待石蜡充分融化后，立即加入步骤(5)充分搅拌的配比材料中，并快速搅拌均匀；

(7)将搅拌好的配比材料放入直径50±2mm，高径比2±0.2的标准试样模具中，捣实、削平，制作力学性能测试标准件。同时，选用直径50±2mm，高度38±2mm(规格根据所选用渗透系数测试仪的具体要求而定)的试样模具，用配比材料填充，并捣实、削平，制作渗透系数测试标准件；

(8)将试样在室温下放置1d后，拆除模具，并将试样置于25-30℃的恒温养护箱中养护1d；

(9)分别采用岩石力学试验机进行试样力学特性测试和TST-55型渗透测试仪进行试样渗透系数测试。

分别制作各系列相似材料力学测试试样3个，渗透系数测试试样3个，对其抗压强度和渗透性进行测试。各系列相似材料测试结果如表4，各系列材料典型应力-应变曲线如图1-4。

表4各系列相似材料配比测试结果