可模拟软弱层面的地质温敏材料及其制作方法、温控系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地质力学模型试验材料及制备技术领域，特别涉及可模拟软弱层面的地质温敏材料及其制作方法、温控系统。
【背景技术】
[0002]地质力学模型就是从力学的观点出发，采用试验的手段，研究地质构造条件对工程的影响。软弱层面指力学强度明显低于围岩，一般充填有一定厚度软弱物质的结构面。如泥化，软化，破碎薄夹层等，具有强度低，压缩性高，遇水易软化的特点。软弱层面在地质力学模型试验中属于控制性弱面，有影响岩体结构，控制块体稳定的作用，且对坝基坝肩稳定性有明显影响，国内外诸多地下洞室工程、坝基工程及边坡等失事均与软弱层面有密切关系O
[0003]常规的地质力学模型基于力学参数不变的情况下，研究坝基坝肩整体稳定性问题。但是高坝地质条件复杂，坝基坝肩岩体及软弱层面的强度在工程的长期运行中将出现逐步弱化的现象，必须研制出能在模型试验中材料强度可变的模型材料来模拟软弱层面强度降低这一现象。因此，研制新型软弱层面材料是研究高坝和地基稳定物理模拟的关键技术问题之一，对高坝建设具有重要理论意义和工程应用价值。
[0004]四川大学水电学院经过多年的探索，采用常规地质力学模型材料和可溶性高分子材料及多种添加剂，配合温控系统研制出了变温相似材料，并用于地质力学模型试验中岩体、断层、破碎带和软弱层面的模拟上。试验时，通过升温系统升高整个模型材料温度，使其力学特性能按相似规律和强度储备理论降低。然而这种整体加热模型的方法存在不少弊端:1、工程在长期运行中主要是破碎带、软弱层面的强度出现逐步降低的现象，其他岩体的力学参数变化不大，整体加热模型使岩体的力学参数也发生变化，不符合工程实际的工作状况2、岩体以块体的方式组合成型，而岩体与软弱层面材料差异大，致使整个模型成型困难。3、升温系统铺设繁琐，施工困难，长时间工作条件下易发生漏电现象，给试验人员的安全造成威胁。
[0005]目前使用较多的软弱层面材料主要有以下两种:
1、国外意大利贝加莫(Bergamo)结构模型试验所(ISMES)在伊泰普(Itaipu)拱坝地质力学模型试验中，采用一层或三层铝箔在其间涂聚氨基甲酸脂或硫酸氢钼等材料分别进行模拟。河海大学结构试验中心，在龙羊峡拱坝三维地质力学模型试验中，在夹层部位采用聚脂薄膜及电容纸等模拟。该系列的材料均是以滑动摩擦原理进行模拟，但难以满足在同一个模型上演示摩擦系数降低的全过程，需要多个模型试验结果综合分析。
[0006]2、四川大学水工结构研究室用涂有油脂的金属泊等薄膜与粒状高分子材料组合技术来模拟，辅助温度系统进行控制。该材料以滚动摩擦和滑动摩擦的原理来模拟软弱层面，可以在一个模型中实现力学参数的变化，但在软弱层面的铺设时无法以任意形状，在任意位置进行铺设，适用性较差。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于避免上述软弱层面材料的缺点，提供可模拟软弱层面的地质温敏材料及其制作方法、温控系统。
[0008]可模拟软弱层面的地质温敏材料，所述材料包括按重量份计的以下组分:
重晶石粉45-55份，水泥1.8-2.5份，水1_4份，46号废液压油1_5份，石錯2_6份，橡胶粉0.5-2 份。
[0009]重晶石粉作为细骨料控制材料的容重;水泥和水的水化作用产物，具有胶凝特性，能把其他材料牢固的胶结在一起;废液压油具有良好的润滑性，降低材料抵抗变形的能力；石蜡是一种温敏材料，其物理性质会随温度产生变化;橡胶粉用于调节材料的抗压强度和变形模量
所述材料包括按重量份计的以下组分:
重晶石粉48份，水泥2.2份，水3份，46号废液压油3份，石蜡4份，橡胶粉I份。
[0010]所述重晶石粉粒径<0.075mm，所述重晶石粉含水率以饱和面干为标准
重晶石粉的含水率以饱和面干为标准，能较好地选择水的用量，拌出理想的材料所述橡胶粉粒径为80目，使材料整体具有良好级配，以达到较高的密实程度。
[0011]所述石蜡优选熔点为52-54°C的半精炼石蜡。
[0012]使材料有一个合适的工作温度范围，且在其熔点之前材料的摩擦角能达到理想状态。若选择熔点较高的石蜡，加热时间也相应变长，对加热系统也存在安全隐患。
[0013]所述水泥为32.5级复合硅酸盐水泥。
[0014]该水泥抗压强度低(满足软弱层面对力学参数的要求)，水化热低(有利于大体积施工，减少温差应力裂缝产生的机会)，和易性好，耐热性好。
[0015]制作所述的可模拟软弱层面的地质温敏材料的方法，所述方法包括以下步骤:
1)将重晶石粉、橡胶粉和水泥搅拌均匀，将混合好的材料粉碎至粒径<1mm，得到物料
I;
2)将石蜡、46号废液压油和水加入物料I，搅拌均匀，并成型；
完成可模拟软弱层面的地质力学温敏材料的制作。
[0016]先加46号废液压油，然后加水。假若先加水，水泥和水的水化作用，会导致加入废液压油时不易搅拌。
[0017]—种采用权利要求1或2所述的材料进行温控实验所用到的温控系统，所述系统包括碳纤维加热线、高精度温控器、免破线T型接线端子、第一组导线、空气开关和电源，多组所述碳纤维加热线置于所述可模拟软弱层面的地质力学温敏材料内并通过并联的方式连接在第一组导线上，所述第一组导线包括相线和零线，所述碳纤维加热线的一端与第一组导线的相线连接，所述碳纤维加热线的另一端与第一组导线的零线连接，所述第一组导线的一端相线和零线采用绝缘装置包裹，所述第一组导线的另一端与高精度温控器连接，所述高精度温控器通过第二组导线与电源连接。
[0018]所述碳纤维加热线直径为4.0mm且具有二层PVC护套;所述导线与碳纤维加热线的连接采用免破线T型接线端子。
[0019]碳纤维加热线具有热转化效率高，抗拉强度高，截面适中等特点，在模型试验中便于铺设，使用安全。选用4.0mm的优势在于可以随软弱层面铺设成任意形状，不会因为直径过大导致柔软性差，选择二层PVC护套能避免外皮破损而导致的漏电。选择免破线T型接线端子是由于碳纤维较柔软，无法按常规的方式缠绕绑紧。
[0020]所述系统还设有空气开关。
[0021]所述加热系统中空气开关的额定载流量需大于导线正常载流量，温控器负荷功率需大于并联碳纤维加热线的总工作功率。
[0022]本发明提供可模拟软弱层面的地质温敏材料及其制作方法、温控系统，有益效果如下:
1、本发明提供的可模拟软弱层面的地质力学温敏材料及温控系统，在模型试验中对软弱层面进行局部加热，模拟软弱层面强度降低的过程，克服了对模型整体加热所带来的缺点，更加符合工程实际的工作状况，且能以任意形状进行铺设；
2、本发明提供的可模拟软弱层面的地质温敏材料中含有橡胶粉，橡胶粉的加入能够在一定程度上降低材料的抗压强度和变形模量。通过大量试验调节水泥、水和橡胶粉的掺入量，得到了上述的最佳材料配比，能够较好的符合软弱层面所要求的力学参数；
3、本发明提供的可模拟软弱层面的地质温敏材料中使用了具有良好润滑性的46号废液压油，该液压油可降低材料的抵抗变形能力，调节材料变形模量的同时，也是对废弃物进行了资源化；
4、本发明提供的可模拟软弱层面的地质温敏材料中还使用了可溶性高分子材料石蜡，随着温度的变化石蜡的物理性质会发生改变，从而影响地质力学温敏材料的力学参数；
5、本发明提供的可模拟软弱层面的地质温敏材料和易性好，易于工序施工的操作并获得质量均匀，成型密实的温敏材料，具有普遍适用性；
6、本发明提供的可模拟软弱层面的地质温敏材料的温控系统使用碳纤维加热线，该加热线具有热转化效率高，抗拉强度高，截面适中等特点，在模型试验中便于铺设，使用安全；
7、本发明提供的可模拟软弱层面的地质力学温敏材料的温控系统主线与支线的连接使用免破线T型接线端子，空间占有率小，安装方便，且减小了漏电的可能性。
【附图说明】
[0023]图1:本发明材料的抗剪强度与温度的关系示意图；
图2:本发明温控系统示意图；
其中:I碳纤维加热线，2高精度温控器，3免破线T型接线端子，4第一组导线，5第二组导线，6空气开关，7电源。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
[0025]实施例1
可模拟软弱层面的地质温敏材料，其特征在于:所述材料包括按重量份计的以下组分: 重晶石粉45份，水泥1.8份，水I份，46号废液压油I份，石蜡2份，橡胶粉I份。
[0026]所述重晶石粉粒径<0.075mm，所述重晶石粉含水率以饱和面干为标准。
[0027]所述橡胶粉粒径为80目。
[0028]所述石蜡优选熔点为52-54°C的半精炼石蜡。
[0029]所述水泥为32.5级复合硅酸盐水泥。
[0030]制作权利要求1或2所述的可模拟软弱层面的地质力学温敏材料的方法，所述方法包括以下步骤:
1)将重晶石粉、橡胶粉和水泥搅拌均匀，将混合好的材料粉碎至粒径<1mm，得到物料
I;
2)将石蜡、46号废液压油和水加入物料I，搅拌均匀，并成型；
完成可模拟软弱层面的地质力学温敏材料的制作。
[0031]实施例2
可模拟软弱层面的地质温敏材料，其特征在于:所述材料包括按重量份计的以下组分: 重晶石粉55份，水泥1.8份，水4份，46号废液压油5份，石蜡6份，橡胶粉2份。
[0032]所述重晶石粉粒径<0.075mm，所述重晶石粉含水率以饱和面干为标准。
[0033]所述橡胶粉粒径为80目。
[0034]所述石蜡优选熔点为52-54°C的半精炼石蜡。
[0035]所述水泥为32.5级复合硅酸盐水泥。
[0036]制作权利要求1或2所述的可模拟软弱层面的地质力学温敏材料的方法，所述方法包括以下步骤:
1)将重晶石粉、橡胶粉和水泥搅拌均匀，将混合好的材料粉碎至粒径<1mm，得到物料
I;
2)将石蜡、46号废液压油和水加入物料I，搅拌均匀，并成型；
完成可模拟软弱层面的地质力学