专利名称：用于裂隙岩石试验的陶瓷试件三维内置裂隙制造方法
技术领域：
本发明涉及类岩石陶瓷材料试件中三维内置裂隙的制造方法，属于对岩石内裂隙扩展规律的研究技术领域。
背景技术：
脆性材料的受压破坏模式取决于荷载的类型、材料的结构和其内部损伤的程度。裂隙的扩展直至最后的贯通是脆性材料破坏的主要表现形式。为了研究裂隙的扩展状况，60年代，Brace and Bombolackis，Hoek and Bieniawski，Cook，McClintock，Salamon等学者开始研究在受压情况下板内二维预置裂隙的初始扩展以及次生裂纹的扩展状况。从70年代起，许多平面条件下的试验研究广泛兴起，这些试验大部分利用含预置二维倾斜裂隙(Pre-existing inclining flaws)的模拟材料来研究裂纹的萌生、演化和试件破坏过程，如Nolen-Hoeksema，Wong等。进入80年代，试验技术和理论水平得到较大提高，开始关注二维状态下两个甚至是多裂隙的扩展，如SANO(1981)。90年代至今，随着裂隙制造技术和试验手段的进一步提高，关于裂隙扩展的试验研究进入一个繁荣的时代。可喜的是国内出现了大量的研究工作者，从事岩石裂隙扩展或断裂的研究，得到了很多成果。国外，Reyes，Shen，Bobet and Einstein等用石膏试样研究了单轴加载下二维单裂隙的扩展和双裂隙的岩桥贯通机制及试样失稳模式。中国香港，Wong，Chau等在这些研究的基础上做了进一步的研究包括用含不同程度微裂纹的真实岩石及类砂岩模拟材料(硫酸钡、沙、石膏和水的混合物)研究了含不同磨擦系数及不同角度分布的预置裂隙试样的贯通机制。国内，朱维申、白世伟、李术才、陈卫忠、任伟中等人通过大量相似模拟试验，研究了单、双、三，甚至是多裂隙在不同加载条件下二维裂隙的扩展状况，得到了许多重要的结论。
以上试验所用的二维裂隙试件多用岩石、石膏、砂浆，以及硫酸钡、沙、石膏和水的混合物等材料制成。大板岩石试件采用切割的方法形成二维裂隙；其它材料都属于相似模拟材料，试件都是浇注而成的，二维裂隙的制造可以采用三种方法，第一种方法在浇注前，预先在设计裂隙位置放置裂隙预制片，然后实施全部浇注形成裂隙；第二种方法在浇注过程中，在浇注到设计裂隙位置放置裂隙预制片，然后实施全部浇注形成裂隙；第三种方法在浇注后，在设计裂隙位置使用钢片或其它硬片插入形成裂隙。由此可见二维裂隙容易制造，很少有人探讨三维裂隙的扩展状态。
当然也有少数人进行过三维裂隙的制作和受压扩展状况研究。Adams&Sines(1978)采用分割、切缝和粘贴的方法，来形成三维币状裂隙，然后做单轴试验，观察裂隙的扩展以及试件的破坏情况。Germanovich&Dyskin等人在90年代初开始采用激光生成与水平面的夹角为30°的内裂隙，进行三维裂隙扩展试验，他们的做法是生成的裂隙没有缺陷，相对切割的裂隙薄。2000年至今，香港理工大学Wong等人，也系统地完成了椭圆裂隙和币状裂隙的三维扩展试验，得到了与上述基本相同的结果。上述人员都使用无机玻璃、有机玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯透明的材料，采用切割或激光制作裂隙形成试件，他们只是观测了裂隙的扩展状况，对岩石没有针对性。
三维裂隙扩展机理方面的研究是岩石力学和相关工程界十分关心的问题，对于节理岩体三维本构关系的建立至关重要。将二维情况下的试验结果用于实际上处于三维几何形态的裂隙岩体，会在工程实践上引起较大的偏差，甚至产生谬误。目前进行的三维裂隙扩展研究所用的材料为有机、无机玻璃等均质材料。但天然的岩石与这些材料不尽相同。岩石或类岩石材料中三维裂隙的扩展研究成为岩石力学研究的重要环节。
因为岩石是脆性材料，陶瓷也是一种脆性材料。目前，岩石还不能预制内置三维裂隙，选用烧结陶瓷作为预置三维裂隙的基体材料。经过精选后的陶瓷，与岩石的密度、抗压强度、孔隙率、扩容、拉压比、断裂韧度等力学性能基本相同，用陶瓷作替代材料进行试验，也能说明岩石中裂隙的扩展规律。目前还没有用陶瓷作替代材料进行岩石试验的报道，也没有在陶瓷材料中制造内置三维裂隙的方法报道。
发明内容
本发明针对用于裂隙岩石试验的陶瓷试件，提供一种用于裂隙岩石试验的陶瓷试件三维内置裂隙制造方法，能够用于模拟岩石试验、较好地说明岩石中复杂结构的力学过程及规律。
本发明的方法如下其过程如下将类岩石陶瓷原材料制成粉末加水混合均匀，装入专用模具，使装入的陶瓷材料达到欲制三维内置裂隙以上10mm的高度，用压力机在20吨的压力下进行初压，然后将与裂隙直径、角度、数量、位置、间距相对应的钢杆装在定位活塞上，并调好各钢杆端部倾斜面的方向，垂直压入经初压的陶瓷材料中，并使各钢杆的深度、位置符合设计要求，形成初始预置裂隙，退出钢杆，将与裂隙直径大小一致的青稞纸放入初始预置裂隙位置，用类岩石陶瓷原材料回填空洞，并手工压实，直到填满，再继续填满模具内腔，进行最终压实，卸下模具，将试件顶出，在40～100℃温度下干燥24小时，装入窑内采用还原焰烧成，烧制温度为1200～1380℃，烧制时间为10～16个小时，然后窑内停止加温，待12个小时后出窑。
本发明采用不易变形的青稞纸，嵌入陶瓷后，经烧结后消失，留下裂隙空间，且裂尖较尖。在试件内部形成的裂隙可以达到需要的角度、形状和平整度，而且预置裂隙周围具有一定的初始损伤，与岩体裂隙周围性质极其接近，利用烧制好的含三维裂隙的陶瓷试样，可以完成多种角度、数量、组合裂隙的试验研究。
图1是单裂隙试件示意图。
图2是单裂隙制造方法示意图。
图3是平行双裂隙试件示意图。
图4是共面双裂隙试件示意图。
图5是共面双裂隙试件的制造方法示意图。
图6是共面双裂隙试件的裂隙位置横剖面图。
图7是共面双裂隙试件的裂隙位置纵剖面图。
图8是错位双裂隙试件示意图。
图9是三裂隙试件示意图。
图中，1、裂隙，2、螺栓，3、模具腔体，4、加长体，5、活塞体，6、钢杆，7、托板。
具体实施例方式
实施例1单裂隙试件的制造单裂隙试件如图1所示。试件为直径50mm、高度100mm的圆柱体，其裂隙为闭合圆形，位于试件中心，直径为10mm，裂隙与水平面的夹角是45度。
裂隙的制造过程如图2所示，所用模具包括托板7、模具腔体3、加长体4及活塞体5，模具腔体3通过螺栓2连接在托板7上，加长体4与模具腔体3通过螺纹连接。使用时，托板7安装在100吨油压压力机底座上，活塞体5连接在压力机的压头上对模具腔体3内的材料压制。将类岩石陶瓷原材料制成粉末加水混合均匀，装入模具腔体3内，使装入的陶瓷原材料混合物达到如图1所示单裂隙以上10mm高度，在压力机上先使用不带钢杆的活塞体用20吨的压力进行初压，然后换成带钢杆6的活塞体5(钢杆6的直径为10mm、端面角度为45度)，使钢杆6插入上述经初压的陶瓷材料中，并使钢杆6在试件中的深度、位置符合要求，退出钢杆6，形成初始预置裂隙。再将与裂隙直径大小一致的青稞纸放入初始预置裂隙位置，用类岩石陶瓷原材料回填空洞，并手工压实，直到填满，再继续填满模具内腔，进行最终压实。压制成型后，从托板7上卸下模具腔体3，从模具腔体3内取出圆柱型试件。将试件在40～100℃温度下干燥24小时，装入窑内采用还原焰烧成，烧制温度为1200～1380℃，烧制时间为10～16个小时，然后窑内停止加温，待12个小时后出窑。青稞纸不易变形，嵌入陶瓷材料后，经烧结便消失了，留下裂纹空间，形成三维内置裂隙4，且裂尖是较尖的。可按如实施例3所给出的方法进行测量。
实施例2平行双裂隙试件的制造平行双裂隙试件如图3所示。两个闭合圆形裂隙位于试件的中心，直径10mm，间距为10mm。所有裂隙与水平面的夹角是相同的30度裂隙的制造过程如图1所示，先制下裂隙。将类岩石陶瓷原材料制成粉末加水混合均匀，装入模具腔体3内，使装入的陶瓷原材料混合物达到如图3所示下裂隙以上10mm高度，在压力机上先使用不带钢杆的活塞体用20吨的压力进行初压，然后换成带钢杆6的活塞体5(钢杆6的直径为10mm、端面角度为30度)，使钢杆6插入上述经初压的陶瓷材料中，并使钢杆6在试件中的深度、位置符合要求，退出钢杆6，形成初始预置裂隙。再将与裂隙直径大小一致的青稞纸放入初始预置裂隙位置，用类岩石陶瓷原材料回填空洞，并手工压实，直到填满空洞，再继续填至下裂隙以上10mm高度。重复上述过程，造出上裂隙。然后填满模具内腔，进行最终压实。取出试件，在40～100℃温度下干燥24小时，装入窑内采用还原焰烧成，烧制温度为1200～1380℃，烧制时间为10～16个小时，然后窑内停止加温，待12个小时后出窑。可按如实施例3所给出的方法进行测量。
实施例3共面双裂隙试件的制造共面双裂隙试件如图4所示。两个闭合圆形裂隙位于试件的中心两侧，其直径10mm，裂尖间距为10mm，所有裂隙与水平面的夹角是相同的60度，并在同一面上，裂尖相距10mm。
裂隙的制造过程如图5所示，与图2不同之处是其活塞体5上带有两个钢杆6(钢杆6的直径为10mm、端面角度为60度)，两个钢杆6的相对位置符合图4所示试件要求。将类岩石陶瓷原材料制成粉末加水混合均匀，装入模具腔体3内，使装入的陶瓷原材料混合物达到如图4所示上裂隙以上10mm高度，在压力机上先使用不带钢杆的活塞体用20吨的压力进行初压，然后换成带两个钢杆6的活塞体5，使钢杆6插入上述经初压的陶瓷材料中，并使钢杆6在试件中的深度、位置符合要求，退出钢杆6，形成两个共面初始预置裂隙。再将与裂隙直径大小一致的两个青稞纸放入两个共面初始预置裂隙位置，用类岩石陶瓷原材料回填空洞，并手工压实，直到填满，再继续填满模具内腔，进行最终压实。压制成型后，从托板7上卸下模具腔体3，从模具腔体3内取出圆柱型试件。将试件在40～100℃温度下干燥24小时，装入窑内采用还原焰烧成，烧制温度为1200～1380℃，烧制时间为10～16个小时，然后窑内停止加温，待12个小时后出窑。
试件内部裂隙的实际角度、直径利用CT扫描技术测量。角度测量的方法分三个步骤第一步，对试件整体扫描一张TOP图，定位裂隙位置；第二步，扫描裂隙位置横剖面图，如图6所示，目的是寻找裂隙的最大角度位置，判断标准是裂隙在图像中成为一条水平线，并在试件上画线定位；第三步，将试件旋转90°后立起来，扫描一张纵剖面图，如图7所示，测量并记录角度，作为第一角度，将试件左右旋转微小角度，再量测和记录角度，作为第二、三角度，如果第一角度大于第二、三角度，第一角度就是试件中裂隙的此时角度，否则继续寻找，找到最大倾斜角度后，量测试件平整角度，折算后即可得到试件中裂隙的角度。角度测量结束后，垂直水平直径进行逐层切片扫描，寻找裂隙的直径并测量。这样，即可获得裂隙的初始状况。通过实际测量，试件内的裂隙形状和平整度较好，完全可以满足试验要求。
实施例4错位双裂隙试件的制造错位双裂隙试件如图8所示。两个闭合圆形裂隙位于试件的中心两侧，其直径10mm，裂尖间距为14.15mm，裂尖靠中心，两裂隙与水平面的夹角是相同的45度，但不在同一面上，裂尖相距14.15mm。
其裂隙的制造过程与实施例3所述的共面双裂隙的制造过程相同，只是活塞体5上的两个钢杆6相对位置符合图8所示的要求即可。可按如实施例3所给出的方法进行测量。
实施例5三裂隙试件的制造三裂隙试件如图9所示。三个闭合圆形裂隙位于试件的中心，其直径10mm，间距为10mm。所有裂隙与水平面的夹角是相同的30度。
其裂隙的制造过程与实施例2所述的平行双裂隙的制造过程相同，三个裂隙自下至上按相同方法依次制造。可按如实施例3所给出的方法进行测量。
权利要求
1.一种用于裂隙岩石试验的陶瓷试件三维内置裂隙制造方法，其特征是其过程如下将类岩石陶瓷原材料制成粉末加水混合均匀，装入专用模具，使装入的陶瓷材料达到欲制三维内置裂隙以上10mm的高度，用压力机在20吨的压力下进行初压，然后将与裂隙直径、角度、数量、位置、间距相对应的钢杆装在定位活塞上，并调好各钢杆端部倾斜面的方向，垂直压入经初压的陶瓷材料中，并使各钢杆的深度、位置符合设计要求，形成初始预置裂隙，退出钢杆，将与裂隙直径大小一致的青稞纸放入初始预置裂隙位置，用类岩石陶瓷原材料回填空洞，并手工压实，直到填满，再继续填满模具内腔，进行最终压实，卸下模具，将试件顶出，在40～100℃温度下干燥24小时，装入窑内采用还原焰烧成，烧制温度为1200～1380℃，烧制时间为10～16个小时，然后窑内停止加温，待12个小时后出窑。
全文摘要
本发明提供了一种用于裂隙岩石试验的陶瓷试件三维内置裂隙制造方法，其过程如下将类岩石陶瓷原材料制成粉末加水混合均匀，装入专用模具，使装入的陶瓷材料达到欲制三维内置裂隙以上10mm的高度，在20吨的压力下进行初压，然后将与裂隙直径、角度、数量、位置、间距相对应的钢杆装在定位活塞上，并调好各钢杆端部倾斜面的方向，垂直压入经初压的陶瓷材料中，形成初始预置裂隙，将与裂隙直径大小一致的青稞纸放入初始预置裂隙位置，用类岩石陶瓷原材料回填空洞，并手工压实，直到填满，再继续填满模具内腔，进行最终压实，将试件顶出，装入窑内烧制。本发明采用不易变形的青稞纸，嵌入陶瓷材料后，经烧结便消失了，形成三维内置裂隙。
文档编号B28B3/00GK1803719SQ20061004213
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月10日 优先权日2006年1月10日
发明者李廷春, 李术才 申请人:山东大学