强度梯度材料及其制备与试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩土工程的相似强度材料及其制备与试验方法，特别是一种强度梯度材料及其制备与试验方法。
【背景技术】
[0002]岩土工程领域中面临的对象，如土，冻土等，受环境温度、重力场的耦合作用，常形成显著的宏细观梯度特征。而目前的强度准则和本构理论均基于连续均质材料建立发展而来，在描述粒状岩土材料变形破坏相关问题中孕育诸多问题。利用原型材料研宄多梯度量赋存状态下岩土材料变形场以及单梯度量岩土材料破坏机制的尺度效应上存在困难和挑战。因此，发展相似强度材料并通过近似模拟方法实现上述目标，学术和工程价值重大。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是要提供一种来源广泛，操作简单，成本低，能够容易实现的强度梯度材料及其制备与试验方法。
[0004]本发明的目的是这样实现的:该材料由基料和辅料两种材料均匀混合并持续搅拌至凝固而成；基料由硫酸盐水泥熟料100份、膨润土 2-4份、去离子水混合搅拌而成；辅料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氢氧化锂1-2份，保水剂1_2份、去离子水混合搅拌而成；基料和辅料的水灰比均为2:1-4:1，养护时间20-60min。
[0005]制备及试验过程中，通过控制养护时间和水灰比两个指标分层浇筑，直至形成具有预期强度梯度特征的复合材料；具体为:
[0006](I)首先依据水灰比及养护时间确定材料强度，建立材料强度与水灰比及养护时间的相互关系，然后根据设定的强度与其梯度，计算各浇筑分层的水灰比和固化时间；
[0007](2)然后根据上述强度与水灰比和养护时间的关系和设定的强度梯度特征，控制每层的水灰比和固化时间，分5-8层浇筑试样至设定高度，每2-3层保持相同水灰比；
[0008](3)整体成型后在恒温10°C，恒湿100%条件下养护10-30分钟；
[0009](4)在材料试验机上固定试样并进行单轴压缩试验，试验过程中在试样高度方向布置3-5只微型孔压传感器，获得试样孔压场特征，在试验机前50-100cm处布置数码相机，获得变形场特征；所述的微型孔压传感器的直径不超过试样高度的2%。
[0010]有益效果及优点:试验过程中，沿试样表面布置3到5只微型孔压传感器，联合数字照相技术进行单轴试验。利用该材料能够再现梯度材料的变形场特征和破坏机制的尺度特征，并通过微型孔压传感器和数码相机分别对试样的孔压场特征和变形场特征进行观测，即能完成梯度材料变形过程中渗流-变形耦合测量。
[0011]①利用该材料能够再现梯度材料的破坏机制的尺度效应，同时能很好克服目前多梯度量岩土材料试验与测试的困难。
[0012]②利用该材料可以实现变形场-渗流场耦合的测量与其诱导机制，在研宄梯度岩土材料渗流致灾问题中具有潜在优势。
[0013]材料来源广泛，操作简单，成本低，能够容易实现。
【附图说明】
:
[0014]图1为本发明实施实例I确定的材料强度与养护时间和水灰比的关系图。
[0015]图2-1为本发明实施实例I制作的平行试样I在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。
[0016]图2-2为本发明实施实例I制作的平行试样2在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。
[0017]图3-1为本发明实施实例I对应的原型冻土平行试样I在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。
[0018]图3-2为本发明实施实例I对应的原型冻土平行试样2在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。
【具体实施方式】
[0019]该材料由基料和辅料两种材料均匀混合并持续搅拌至凝固而成；基料由硫酸盐水泥熟料100份、膨润土 2-4份、去离子水混合搅拌而成；辅料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氢氧化锂1-2份，保水剂1-2份、去离子水混合搅拌而成；基料和辅料的水灰比均为2:1-4:1，养护时间 20-60min。
[0020]制备及试验过程中，通过控制养护时间和水灰比两个指标分层浇筑，直至形成具有预期强度梯度特征的复合材料；具体为:
[0021](I)首先依据水灰比及养护时间确定材料强度，建立材料强度与水灰比及养护时间的相互关系，然后根据设定的强度与其梯度，计算各浇筑分层的水灰比和固化时间；
[0022](2)然后根据上述强度与水灰比和养护时间的关系和设定的强度梯度特征，控制每层的水灰比和固化时间，分5-8层浇筑试样至设定高度，每2-3层保持相同水灰比。
[0023](3)整体成型后在恒温10°C，恒湿100%条件下养护10-30分钟；
[0024](4)在材料试验机上固定试样并进行单轴压缩试验，试验过程中在试样高度方向布置3-5只微型孔压传感器，获得试样孔压场特征，在试验机前50-100cm处布置数码相机，获得变形场特征；所述的微型孔压传感器的直径不超过试样高度的2%。
[0025]实施实例1:以浇筑直径50mm、高度100mm、强度梯度为14.350kPa/cm试样为例:
[0026]首先，通过均匀强度试样确定材料强度与水灰比和养护时间的关系。分别制备水灰比为2.50,2.75,3.00,3.25,3.50和3.75的基料和辅料，基料和辅料将混合并持续搅拌至凝固制成直径50mm、高度10mm的试样共6组，对应标准养护时间分别为60分钟、55分钟、50分钟、45分钟、40分钟、35分钟，每组制备平行试样3个。对成型试样进行单轴压缩试验，获得了强度F与水灰比C和养护时间T的关系，如附图1所示，图中考虑单个试样单轴压缩试验时间为10分钟，且为了尽可能多地获取强度与时间的关系，因此试样的实际养护时间为标准养护时间加上附加养护时间。
[0027]其次，确定分层数并制备强度梯度试样。如分层为7层的前提下，第1、第2层设定水灰比为Cl，第I层浇筑时间Λ Tl，第2层浇筑时间为Λ Τ2，第2至5层水灰比为C2，第3层浇筑时间Λ Τ3，第4层浇筑时间为Λ Τ4，第5层浇筑时间Λ Τ5，第6至7层水灰比为C3，第6层浇筑时间为Λ Τ6，第7层浇筑时间为Λ Τ7，整体养护时间为Λ Τ8。强度=f (水灰比C，养护时间Λ T)，则第I至第7层强度分别为f (Cl，Λ Tl + Λ Τ2+ Λ Τ3+ Λ Τ4+ ΛΤ5+ Δ Τ6+ Δ Τ7+ Λ Τ8)，f (Cl, Δ Τ2+ Δ Τ3+ Δ Τ4+ Δ Τ5+ Δ Τ6+ Δ Τ7+ Δ Τ8) f (C2, Δ Τ3+ Δ Τ4+ ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8), f (C2, ΔΤ4+ ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8), f (C2, ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8)f(C3, AT6+AT7+AT8),f(C3, ΔΤ7+ΔΤ8),且为试样高度的线性函数。【具体实施方式】为:第1、第2层设定水灰比为2.34，第I层浇筑时间3.3分钟，第2层浇筑时间为3.3分钟，第2至5层水灰比为2.85，第3层浇筑时间3.3分钟，第4层浇筑时间为6分钟，第5层浇筑时间6分钟，第6至7层水灰比为3.75，第6层浇筑时间为6分钟，第7层浇筑时间为2分钟，整体养护时间为33分钟；则第I至第7层强度分别为(2.34，63.0) = 0.0413kPa，f2(2.34, 59.6) = 0.0656kPa，f3(2.85, 56.3) = 0.0899kPa，f4(2.85, 53) = 0.1141kPa，f5(2.85，47) = 0.1384kPa，f6(3.75，41) = 0.1627kPa，f7(3.75，35) = 0.1870kPa ;试样强度梯度为 14.350kPa/cm。
[0028]最后，在试样表面沿高度方向布置3-5只微型孔压传感器(直径2_)，在试验机前50-100cm处架设数码相机，获得试样变形场特征和渗流场特征，最终获得不同工程环境变量条件下材料研宄的特征尺度，附图2给出了试样在单轴压缩试验中测量得到的变形场，附图3为本发明实施实例I制备的强度梯度为14.350kPa/cm的试样对应的原型冻土在单轴压缩试验中测试到的变形场分布。
[0029]前期室内试验表明，对于常规模拟岩土(如软土和冻土)材料，5-7层的分层即可再现原型的变形场特征和破坏机制特征。如对于其它特殊材料，亦可适当增加分层。
[0030]图1为本发明确定的材料强度与养护时间和水灰比的关系。图中考虑单个试样单轴压缩试验时间为10分钟，且为了尽可能多地获取强度与时间的关系，因此试样的实际养护时间为标准养护时间加上附加养护时间。
[0031]图2-1为本发明实施实例I制作的平行试样I在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图，试样强度梯度为14.350kPa/cm，直径50mm，高度100mm。
[0032]图2-2为本发明实施实例I制作的平行试样2在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图，试样强度梯度为14.350kPa/cm，直径50mm，高度100mm。
[0033]图3-1为本发明实施实例I对应的原型冻土平行试样I在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。
[0034]图3-2为本发明实施实例I对应的原型冻土平行试样2在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。
【主权项】
1.一种强度梯度材料，其特征是:该材料由基料和辅料两种材料均匀混合并持续搅拌至凝固而成；基料由硫酸盐水泥熟料100份、膨润土 2-4份、去离子水混合搅拌而成；辅料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氢氧化锂1-2份，保水剂1_2份、去离子水混合搅拌而成；基料和辅料的水灰比均为2:1-4:1，养护时间20-60min。
2.权利要求1所述的强度梯度材料的制备与试验方法，其特征是:制备及试验过程中，通过控制养护时间和水灰比两个指标分层浇筑，直至形成具有预期强度梯度特征的复合材料；具体为: (1)首先依据水灰比及养护时间确定材料强度，建立材料强度与水灰比及养护时间的相互关系，然后根据设定的强度与其梯度，计算各浇筑分层的水灰比和固化时间； (2)然后根据上述强度与水灰比和养护时间的关系和设定的强度梯度特征，控制每层的水灰比和固化时间，分5-8层浇筑试样至设定高度，每2-3层保持相同水灰比； (3)整体成型后在恒温10°C，恒湿100%条件下养护10-30分钟； (4)在材料试验机上固定试样并进行单轴压缩试验，试验过程中在试样高度方向布置3-5只微型孔压传感器，获得试样孔压场特征，在试验机前50-100cm处布置数码相机，获得变形场特征；所述的微型孔压传感器的直径不超过试样高度的2%。
【专利摘要】一种强度梯度材料及其制备与试验方法。属于岩土工程的相似强度材料的制备与试验方法。该材料由基料和辅料均匀混合并持续搅拌至凝固；基料由硫酸盐水泥熟料、膨润土和去离子水混合搅拌；辅料由硬石膏、石灰、氢氧化锂，保水剂和去离子水搅拌；基料和辅料水灰比均为2-4，养护时间20-60min。制备：控制养护时间和水灰比指标分层浇筑，直至形成预期强度梯度；确定材料强度与水灰比及养护时间，控制水灰比和养护时间，分层浇筑至设定高度，在恒温和恒湿条件下整体养护；养护完成后，沿试样表面布置微型孔压传感器，联合数字照相技术进行单轴试验。利用该材料能够再现梯度材料的变形场特征和破坏机制的尺度特征，完成梯度材料变形过程中渗流-变形耦合测量。
【IPC分类】G01N3-08, G01N1-28
【公开号】CN104849117
【申请号】CN201510270829
【发明人】赵晓东, 周国庆, 李瑞林, 赖泽金, 林超, 熊玖林, 王建洲, 梁恒昌, 陈鑫
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月25日