第二章相似模擬試驗與測試技術(shù)

第二章相似材料

2.1概述2.1.1相似材料的基本要求⑴力學(xué)性質(zhì)相似；破壞問題：單向抗壓強度、單向抗拉強度與原型相似⑵力學(xué)性能穩(wěn)定；不易受外界條件影響，如溫度、濕度⑶改變配比即能改變材料的力學(xué)性質(zhì)；⑷容易成型，制作方便，凝固時間短；⑸材料來源廣，成本低。2.1.2相似材料的分類1.骨料河沙、尾砂、黏土、鐵粉、云母粉、軟木屑、硅藻土等2.膠結(jié)材料石膏、水泥、石灰、石蠟、樹脂、水玻璃、高嶺土2.1概述2.1.3骨料的主要技術(shù)特征（1）砂子：直徑0.12～0.21mm純凈河砂（2）黏土：密度大于2.6g/cm3,干燥磨碎，直徑0.35mm篩子篩分（3）云母粉：密度2.7g/cm3,用于模擬裂隙和節(jié)理等弱面（4）鐵粉、重晶石粉、磁鐵礦粉等重骨料，用于增大相似材料容重。（5）軟木屑、浮石、爐渣等輕骨料，用于減小容重。（6）硅藻土:硅藻化石為骨架的多孔沉積物，作用為吸收混合物的多于水分、降低彈模。（7）軟木屑、砂子、聚苯乙烯可減小泊松比。（8）尾砂2.1概述2.1.4膠結(jié)材料的主要技術(shù)特征1.熟石膏（CaSO4·1/2H2O)天然生石膏（CaSO4·2H2O)在150～170℃溫度下煅燒研磨而成，密度2.5～2.7g/cm3,容重0.012N/cm3,孔隙率50～60％。170～200℃為可溶硬石膏；400℃以上不溶硬石膏，不能凝結(jié)硬化；800℃以上高溫煅燒石膏，凝結(jié)慢，但強度及耐磨性較高。建筑石膏、模型石膏(β型石膏)－常溫、干燥條件下煅燒。初凝時間—漿體喪失流動性的時間。幾分鐘終凝時間－失去塑性的時間。十幾分鐘緩凝劑：硼砂、動物膠、酒精速凝劑：氯化鈉、水玻璃、硫酸鹽穩(wěn)定強度Rc＝5mpa±，拉壓比1：4.高強石膏(α型石膏)—蒸鍋內(nèi)，壓力0.13mpa、124℃高溫煅燒而成。晶體粗，表面積大，溶解需水量為β型石膏一半，硬化后密度和強度高。單向抗壓強度：3h，Rc＝9～24mpa，7d，Rc＝15～40mpa初凝時間大于3min,終凝時間5～30min.2.1.4膠結(jié)材料的主要技術(shù)特征2.水泥◆水硬性材料。由石灰質(zhì)原料和粘土質(zhì)原料經(jīng)配比磨成生料后入窯煅燒成熟料，再加石膏磨細而成。◆性能指標(biāo)：細度、凝結(jié)時間、強度、體積安定性、水化熱◆種類：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥◆強度依標(biāo)號齡期而異，拉壓比1/8～1/202.1概述第二章相似材料2.1.4膠結(jié)材料的主要技術(shù)特征3.石灰◆氣硬性材料,初始強度低1mpa左右。脆性，拉壓比1/404.碳酸鈣◆強度低，4d；Rc＝0.07mpa，Rt＝0.05mpa5.高嶺土◆強度極低，10d；Rc＝0.073mpa，Rt＝0.011mpa，拉壓比1/5.6,塑性大6.樹脂可作膠結(jié)材料，也可單獨注模。2.1.5相似材料的選擇常見巖石力學(xué)性能指標(biāo)相似材料要求：力學(xué)性能指標(biāo)相似；瞬時變形特性相似，塑性、脆性定性類型一致，即模型與原型應(yīng)變－應(yīng)力曲線相似。2.2模型結(jié)構(gòu)材料2.2.1模擬混凝土塊1.純石膏模擬材料泊松比0.2左右，壓拉比n＝4～5，彈模E＝1×10∧3～5×10∧3mpa通過加入摻合料，改變泊松比μ＝0.15～0.2，n＝5～10，E＝（0.05～10）×10∧3，使之接近混凝土。強度與水膏比有關(guān)，控制在1.0～2.0。2.石膏硅藻土混合模擬材料硅藻土由硅藻類水生物的介殼形成，主要成分二氧化硅，水硬性摻合料，表面積大，吸水性強。使用時可在石膏漿體中吸收多于的水分，改善材料的均質(zhì)性。泊松比接近混凝土，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈直線。拉壓比1/5～1/6,為混凝土1/10~1/15的一半左右，模擬破壞不理想。3.水泥浮石混合材料浮石為多孔硅質(zhì)巖石，密度小，能浮于水面。干燥時的強度1.5mpa?；旌喜牧蠌姸鹊?，與混凝土有較好的相似關(guān)系。2.2.2模擬巖石骨料：砂、尾砂膠結(jié)材料：石膏（主）水泥、石灰、高嶺土（輔助）模擬強度范圍Rc＝15～150mpa，拉壓比1/5~1/15配比試驗：砂膠比－砂子與膠結(jié)物的比例；膠結(jié)比－膠結(jié)物中主膠結(jié)物與輔助膠結(jié)物的比例；配比號－第一位數(shù)字表示砂膠比，后面數(shù)字表示膠結(jié)比。力學(xué)性能測定：制模試件－干燥－壓力機下測定強度的影響因素：砂膠比、含水率、泊松比、材料自身力學(xué)性能2.2模型結(jié)構(gòu)材料2.1.3模擬地質(zhì)構(gòu)造巖體的不連續(xù)面－斷層、破碎帶、節(jié)理、裂隙、層面強度特征：內(nèi)摩擦角φ，內(nèi)聚力c模擬材料1.涂料:滑石涂料模擬塑性滑移；油脂涂料模擬黏性滑移2.干粉料：石灰粉、云母粉、滑石粉模擬層面3.砂子：粒徑不同的砂子模擬結(jié)構(gòu)面和斷裂面4.人工鋸縫模擬接觸面和斷層2.3影響石膏膠結(jié)材料力學(xué)性質(zhì)的主要性質(zhì)2.3.1水灰比水灰比不同可呈三種狀態(tài)：流動、正常、干散。水灰比隨石膏含量增加而減少。2.3.2輔助膠結(jié)物(1)水泥：增加相似材料的強度到4mpa，減小拉壓比到1/8(2)石灰：降低強度到0.06mpa；減少拉壓比到1/12(3)鐵砂：提高容重。搗固成型0.02~0.022~0.0245N/cm3(4)爐渣灰：降低容重到0.012n/cm32.3.3材料