非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法与流程

[0001]
本发明涉及非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法，属于岩土工程领域。


背景技术：

[0002]
随着国民经济蓬勃发展，岩石力学在水工、建筑、矿物能源、国防安全等领域应用广泛。自然界中的工程岩体是由岩石材料和结构面组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的复杂结构体，其内部由各种矿物质材料和胶结物等组成，且随机分布着一些节理、裂纹、孔洞和断层等非连续结构面。对于岩石力学的研究一直是技术人员关注的内容。
[0003]
目前工程岩体或传统相似材料模型都是不透明材料，岩体内部变形破裂演化过程无法直接观测；透明土材料由于其各向同性、均质等缺陷，不能反映岩体破坏特征，致使岩体内部破裂的时空延展模式、岩体变形破裂过程与其强度的变化关系等关键问题亟待解决。研究人员更多地是将岩石当作一个“黑箱”或“灰箱”，借助实验手段来观测岩石表观性质的变化，从而间接地反映岩石孔隙结构及其对物理、力学等宏观性质的影响。目前的测试方法主要集中在钻屑法、声波法、钻孔光学电镜法、多点位移计法、地质雷达法、地震波法、电阻率法和渗透法及ct法等。其中最有效的方法是工业ct试验，通过ct扫描加载过程中岩样，分析岩样内部裂隙发育过程，但岩石ct扫描成本高，样品获取困难，数量有限，且其内部裂隙具有随机性，不同岩样破坏特征不一样，在一定程度上制约了该方法的使用。将岩石力学试验的“黑箱”或“灰箱”问题转变成“白箱”问题是科学家们长期追寻的梦想，也对预测和控制岩体工程失稳具有重要的现实意义。


技术实现要素：

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针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法，本发明所制备的岩石材料试样内部像玻璃一样清晰，更有利于揭示岩石内部的破裂演化规律。
[0005]
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
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非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法，包括以下步骤：
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(1)材料清洗：先用等离子水清洗熔融石英砂和玻璃砂，清洗后，将熔融石英砂和玻璃砂在50-70℃条件下烘干，去除杂质；
[0008]
(2)材料称量：称取环氧树脂和固化剂；
[0009]
(3)材料搅拌：将称取好的环氧树脂和固化剂混合，搅拌均匀，制得透明胶液；
[0010]
(4)抽真空：将透明胶液抽真空去除气泡；
[0011]
(5)制作边长为1cm正方体胶块：正方体胶块分为两次浇筑，初次浇筑时，将清洗后的熔融石英砂和/或透明无色玻璃砂颗粒放入多孔硅胶模具中，每孔放置2-3粒，然后将抽真空后的透明胶液滴入多孔硅胶模具中，使透明胶液浸没颗粒并浇筑至模具1/2高度处，随后在室温下静置至初凝，重复以上操作进行第二次浇筑，静置至完全凝结后取出备用；
[0012]
(6)制作标准圆柱体试样：标准圆柱体试样分三次浇筑，初次浇筑时，将制作好的1cm正方体胶块倒入圆柱体硅胶模具中至1/3高度处，用玻璃棒将抽真空后的透明胶液引流至圆柱体硅胶模具中，直至浸没所有正方体胶块，静置至初凝后，在表面铺撒一层透明有色玻璃砂，制备节理；重复以上操作再浇筑两次，待最后一次浇筑完成后静置至完全凝结后可脱模取出，制得透明岩体；
[0013]
(7)冻结：将透明岩体冻结，可得到非均质各向异性透明类岩石材料试样。
[0014]
环氧树脂和固化剂的质量比为3:1。
[0015]
多孔硅胶模具中孔的型腔为正方体，长宽高均为1cm。
[0016]
熔融石英砂为透明无色熔融石英砂，粒径为3-5mm。
[0017]
透明无色玻璃砂粒径为4-6mm；透明有色玻璃砂粒径为2-3mm。
[0018]
步骤(5)中多孔硅胶模具中放入熔融石英砂和透明无色玻璃砂颗粒时，熔融石英砂和透明无色玻璃砂的质量比为1:1。
[0019]
圆柱体硅胶模具的型腔为圆柱体，直径为50mm，高度为100mm。
[0020]
步骤(6)中有色玻璃砂层的厚度为2-3mm。
[0021]
岩石包括但不局限于炭质板岩、大理岩、白云岩。
[0022]
本发明的有益效果：
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1、由于砂石在混合液中会下沉，为了使砂石在整个圆柱体试样中能均匀分布，本发明提前制备正方体小胶块防止砂石下沉。
[0024]
2、相比于现有透明类岩石通过增加云母片或在岩样周围撒少量彩色石英，改变不了岩样内部材质的均质性，各向同性的缺陷，本发明采用充填石英、玻璃砂的正方体小胶块，随机分布在透明类岩样内部，并在距试样上下面1/3处设置节理面，能够增加岩样中的孔洞、节理。通过波速测试和单轴压缩试验，证明本发明透明类岩石试样的非均质性，各向异性，且研发的透明类岩石试样破坏峰后曲线和岩石峰后曲线类似，这是本发明的特色。
[0025]
3、本发明通过调整不同材料(石英砂、玻璃砂)的配比，可模拟不同岩石进行力学研究。实施例1-3的试样分别对应炭质板岩、大理岩和白云岩，其所得到的单轴压缩下破坏规律也与炭质板岩、大理岩和白云岩较为一致。这说明本发明的透明类岩石材料可以模拟大部分完整岩石破坏应力-应变曲线，其结果可以用于揭示岩石内部的破裂演化规律。
[0026]
4、本发明制作3组不同配比材料透明类岩石试样，并对试样进行单轴压缩试验，通过高速摄像机和激光仪等设备对岩石试样破坏过程进行观测，获取透明类岩石试样微裂隙向宏观裂纹演化图片，有利于揭示单轴压缩下透明类岩样破坏机理。
[0027]
5、本发明让岩石内部像玻璃一样清晰，更有利于揭示岩石内部的破裂演化规律。基于此，开展非均质各向异性透明类岩石材料试样制备方法研究，有利于揭示岩体破裂的力学行为、裂纹演化规律及其致灾机理，对预测和控制岩体工程失稳具有重要的现实意义。
附图说明
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图1为所制备的岩石材料试样图片(压缩前)。
[0029]
图2为所制备的岩石材料试样单轴压缩破坏示意图。
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图3为高速摄像机捕捉单轴压缩下制备的岩石材料试样宏观裂隙。
[0031]
图4为所制备的岩石材料试样单轴压缩曲线(破坏应力-应变曲线)。
[0032]
图5为非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法示意图。
具体实施方式
[0033]
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
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本发明所用环氧树脂和固化剂对应市售秋兰水晶滴胶高透明环氧树脂ab胶，包括但不局限于水晶胶系列、超清胶系列、快干胶系列。
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实施例1
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非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法，包括以下步骤：
[0037]
(1)材料清洗：先用等离子水清洗透明无色熔融石英砂和透明有色玻璃砂，清洗后，将熔融石英砂和玻璃砂放进烘干箱中，在60℃条件下烘干，取出，用镊子将杂质去除；
[0038]
(2)材料称量：按质量比3:1称取环氧树脂和固化剂；
[0039]
(3)材料搅拌：将称取好的环氧树脂和固化剂放入搅拌器中充分搅拌均匀，倒入时应尽量避免沾到容器侧壁，导致原料不能充分搅拌均匀，搅拌时间为3分钟，制得透明胶液；
[0040]
(4)抽真空：将透明胶液放入真空桶中抽真空去除气泡，抽真空过程中可以不断晃动真空桶，对透明胶液起到振捣作用，使透明胶液中的气泡更容易排出，抽真空时间为5-8分钟；
[0041]
(5)制作边长为1cm正方体胶块：正方体胶块分为两次浇筑，初次浇筑时，将清洗后的透明无色熔融石英砂(粒径3-5mm)放入多孔硅胶模具中，每孔放置2-3粒，放置时应避免颗粒间互相接触而影响透明度，然后将抽真空后的透明胶液用滴管滴入多孔硅胶模具中，使透明胶液浸没颗粒并浇至模具1/2高度处，随后在室温下静置24小时达到初凝，重复以上操作进行第二次浇筑，静置48小时完全凝结后取出备用；
[0042]
(6)制作标准圆柱体试样：标准圆柱体试样分三次浇筑，初次浇筑时，将制作好的1cm正方体胶块随机倒入圆柱体硅胶模具中至1/3高度处，用玻璃棒将抽真空后的透明胶液缓慢引流至圆柱体硅胶模具中，直至浸没所有正方体胶块，静置24小时达到初凝后，在表面铺撒一层2-3mm厚的透明有色玻璃砂(粒径2-3mm)，制备节理；重复以上操作再浇筑两次，待最后一次浇筑完成后静置48小时完全凝结后可脱模取出(最后一次浇筑无需制备节理)，制得透明岩体；
[0043]
(7)冻结：将透明岩体放入超低温冰箱中，在-20℃下冻结48小时后取出，可得到非均质性各向异性透明类岩石材料试样。
[0044]
其中，多孔硅胶模具中孔的型腔为正方体，长宽高均为1cm。圆柱体硅胶模具的型腔为圆柱体，直径为50mm，高度为100mm。
[0045]
将实施例1的岩石材料试样进行单轴压缩破坏实验(图1-3)，方法参考谢云鹏，陈秋南，黄小城，罗鹏.深埋隧道炭质板岩微观结构及单轴压缩试验研究[j].水文地质工程地质，2020，47(01):96-102。结果显示，本发明岩石材料试样(对应炭质板岩，泊松比0.08～0.35)单轴压缩曲线(图4)与参考文献岩样破坏规律相一致，说明本发明所制备的岩石材料试样符合岩石工程中岩石试样要求。
[0046]
实施例2
[0047]
非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法，包括以下步骤：
[0048]
(1)材料清洗：先用等离子水清洗透明无色玻璃砂和透明有色玻璃砂，清洗后，将
两种玻璃砂放进烘干箱中，在50℃条件下烘干，取出，用镊子将杂质去除；
[0049]
(2)材料称量：按质量比3:1称取环氧树脂和固化剂；
[0050]
(3)材料搅拌：将称取好的环氧树脂和固化剂放入搅拌器中充分搅拌均匀，倒入时应尽量避免沾到容器侧壁，导致原料不能充分搅拌均匀，搅拌时间为3分钟，制得透明胶液；
[0051]
(4)抽真空：将透明胶液放入真空桶中抽真空去除气泡，抽真空过程中可以不断晃动真空桶，对透明胶液起到振捣作用，使透明胶液中的气泡更容易排出，抽真空时间为5-8分钟；
[0052]
(5)制作边长为1cm正方体胶块：正方体胶块分为两次浇筑，初次浇筑时，将清洗后的透明无色玻璃砂(粒径4-6mm)放入多孔硅胶模具中，每孔放置2-3粒，放置时应避免颗粒间互相接触而影响透明度，然后将抽真空后的透明胶液用滴管滴入多孔硅胶模具中，使透明胶液浸没颗粒并浇至模具1/2高度处，随后在室温下静置24小时达到初凝，重复以上操作进行第二次浇筑，静置48小时完全凝结后取出备用；
[0053]
(6)制作标准圆柱体试样：标准圆柱体试样分三次浇筑，初次浇筑时，将制作好的1cm正方体胶块随机倒入圆柱体硅胶模具中至1/3高度处，用玻璃棒将抽真空后的透明胶液缓慢引流至圆柱体硅胶模具中，直至浸没所有正方体胶块，静置24小时达到初凝后，在表面铺撒一层2-3mm厚的透明有色玻璃砂(粒径2-3mm)，制备节理；重复以上操作再浇筑两次，待最后一次浇筑完成后静置48小时完全凝结后可脱模取出(最后一次浇筑无需制备节理)，制得透明岩体；
[0054]
(7)冻结：将透明岩体放入超低温冰箱中，在-20℃下冻结48小时后取出，可得到非均质性各向异性透明类岩石材料试样。
[0055]
其中，多孔硅胶模具中孔的型腔为正方体，长宽高均为1cm。圆柱体硅胶模具的型腔为圆柱体，直径为50mm，高度为100mm。
[0056]
将实施例2的岩石材料试样进行单轴压缩破坏实验，方法参考杨逾，孙艺丹.变应力幅值下砂岩的单轴循环加载疲劳特性[j].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2020，39(05):403-408。结果显示，本发明岩石材料试样(对应大理石，泊松比0.06～0.35)单轴压缩曲线(图4)与参考文献岩样破坏规律相一致，说明本发明所制备的岩石材料试样符合岩石工程中岩石试样要求。
[0057]
实施例3
[0058]
非均质各向异性透明类岩石材料试样的制备方法，包括以下步骤(制备方法示意图如图5)：
[0059]
(1)材料清洗：先用等离子水清洗透明无色熔融石英砂、透明无色玻璃砂和透明有色玻璃砂，清洗后，将熔融石英砂和玻璃砂放进烘干箱中，在70℃条件下烘干，取出，用镊子将杂质去除；
[0060]
(2)材料称量：按质量比3:1称取环氧树脂和固化剂；
[0061]
(3)材料搅拌：将称取好的环氧树脂和固化剂放入搅拌器中充分搅拌均匀，倒入时应尽量避免沾到容器侧壁，导致原料不能充分搅拌均匀，搅拌时间为3分钟，制得透明胶液；
[0062]
(4)抽真空：将透明胶液放入真空桶中抽真空去除气泡，抽真空过程中可以不断晃动真空桶，对透明胶液起到振捣作用，使透明胶液中的气泡更容易排出，抽真空时间为5-8分钟；
[0063]
(5)制作边长为1cm正方体胶块：正方体胶块分为两次浇筑，初次浇筑时，将清洗后的质量比1:1的透明无色熔融石英砂(粒径3-5mm)和透明无色玻璃砂(粒径4-6mm)混合颗粒放入多孔硅胶模具中，每孔放置2-3粒，放置时应避免颗粒间互相接触而影响透明度，然后将抽真空后的透明胶液用滴管滴入多孔硅胶模具中，使透明胶液浸没颗粒并浇至模具1/2高度处，随后在室温下静置24小时达到初凝，重复以上操作进行第二次浇筑，静置48小时完全凝结后取出备用；
[0064]
(6)制作标准圆柱体试样：标准圆柱体试样分三次浇筑，初次浇筑时，将制作好的1cm正方体胶块随机倒入圆柱体硅胶模具中至1/3高度处，用玻璃棒将抽真空后的透明胶液缓慢引流至圆柱体硅胶模具中，直至浸没所有正方体胶块，静置24小时达到初凝后，在表面铺撒一层2-3mm厚的透明有色玻璃砂(粒径2-3mm)，制备节理；重复以上操作再浇筑两次，待最后一次浇筑完成后静置48小时完全凝结后可脱模取出(最后一次浇筑无需制备节理)，制得透明岩体；
[0065]
(7)冻结：将透明岩体放入超低温冰箱中，在-20℃下冻结48小时后取出，可得到非均质性各向异性透明类岩石材料试样。
[0066]
其中，多孔硅胶模具中孔的型腔为正方体，长宽高均为1cm。圆柱体硅胶模具的型腔为圆柱体，直径为50mm，高度为100mm。
[0067]
将实施例3的岩石材料试样进行单轴压缩破坏实验，方法参考刘汉香，别鹏飞，邓叶林，李欣，张群.白云岩的单轴压缩力学特性及声发射特性研究[j].有色金属(矿山部分)，2020，72(04):63-69+75。结果显示，本发明岩石材料试样(对应白云岩，泊松比0.15～0.35)单轴压缩曲线(图4)与参考文献岩样破坏规律相一致，说明本发明所制备的岩石材料试样符合岩石工程中岩石试样要求。
[0068]
性能检测：
[0069]
对实施例1-3所制备的岩石材料试样的性能进行检测(波速测试和单轴压缩试验)，结果如下表所示。
[0070][0071]
从表中可以看出，所制备的岩石材料试样内部充填石英砂(实施例1)、玻璃砂(实施例2)和石英砂与玻璃砂1：1(实施例3)正方体小胶块，小胶块随机分布，岩样内部设置节理面。通过对制备的岩石材料试样波速测试，发现纵横向波速均不一致，说明本发明透明类岩石试样的非均质性，各向异性；通过试样单轴压缩试验，发现本发明透明类岩石试样破坏峰后曲线和岩石峰后曲线类似，这是本发明的特色。本发明所制备的3种试样，其单轴压缩下破坏规律分别和炭质板岩、大理岩和白云岩破坏规律比较一致，证明可以通过材料配比模拟大部分完整岩石破坏应力-应变曲线。