大体积岩石模型相似材料试验研究

郑庙华　周　杰　杨剑峰

(武汉理工大学资源与环境工程学院)



大体积岩石模型相似材料试验研究

郑庙华周杰杨剑峰

(武汉理工大学资源与环境工程学院)

摘要依据国内外岩土工程中大体积岩石模型相似材料的研究现状及材料的优缺点，选取水泥、石膏、河砂以及水进行岩石大模型相似材料研究。通过改变砂胶比、水固比、石膏占胶体比因素，获取水泥砂浆试件的表观密度、单轴抗压强度、试件压力曲线及变化规律。结果表明，水泥砂浆是一种比较理想的大体积岩石模型相似材料，值得深入探究。

关键词大体积岩石模型相似材料水泥砂浆力学试验

模型试验作为岩石力学研究的方法之一，虽然无法模拟现场岩石力学的活动规律、受力状态、岩石特征等复杂情况，但是具有直接观测到矿山压力实验的整个过程和内应力作用情况的优点，能够提供较有价值的参考数据，与现场实测、理论分析相互配合使用，可达到预期的效果[1]。因此，为尽量缩小试验与现实的差距[2]，在岩土工程模型试验中，特别是在三维结构模型试验中，为了体现自重应力场，在模型体内埋设电阻应变计等测量元件，要求所使用的相似材料必须具有高容重、低强度、高绝缘度等。

目前，国内外许多学者已经在模型材料方面开展了研究，左宝成等[3]选择石英砂、石膏和水泥研究了相似材料中骨料与胶结物的配比、胶结物中胶结材料的配比及不同的养护方式对试块强度的影响规律。试验的砂胶比选取范围很大，基本涵盖了需要的模型范围，但试验过程中主要模拟对象为灰岩。张宁选择水泥、砂、橡胶粉、水、减水剂、早强防冻剂作为混合材料，力学性能稳定，根据橡胶粉的渗入量和水灰比的改变，力学性质变化范围大，但是因为橡胶粉本身密度较小，不能模拟大容重岩体[4]。韩伯鲤等[2，5]选择重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液作为混合材料，各项物理力学指标覆盖面较广，但是材料弹性模量低，在使用电阻应变计时存在明显的钢化效应。吴钰应等[6]选择传统的石膏、水泥、砂作为实验材料，但未对大模型材料进行深入探究。

本研究在前人的基础上，根据相似理论的基本原理，为了在大体积模型中更好地模拟实际地质条件，选择水泥作为主要胶结材料，以砂胶比、水胶比、养护时间、石膏添加量作为研究方向，其中石膏作为调节剂。经过大量的材料力学参数试验，研究了大型岩土模型的相似材料。

1　相似材料试验过程

1.1相似材料选取

因为是破坏性实验，因此要求模型的试验材料与岩石具有相似的结构和破坏特性。为了降低试验材料的脆性，更好的模拟岩体，本文选取水泥作为主要胶结体，石膏作为调节剂，选择粒径合适的河砂作为集料，试验过程中搅拌水为自来水，材料来源广泛。①水泥材料选择为C325普通硅酸盐水泥(华新牌)；②石膏选择半水纤维白石膏模型粉(卧龙牌)；③选择不同粒径的干净河砂，其中粒径配比为d≤2 mm占重94%，d>2 mm占重6%。为了使试验材料具有比较致密的结构和较小的空隙，细颗粒河砂占重达到90%，更好地达到试验要求。

1.2试件制作与试验

材料的物理力学性能测试指标主要为单轴抗压强度与表观密度。立方体试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，选取3个100 mm×100 mm×100 mm的铸铁模具。

试件制作步骤：先按配比要求将水泥、石膏、河砂搅拌均匀，再加入规定量的水搅拌，将搅拌均匀的混合材料放入模具捣实，养护1 d后脱模，然后自然养护28 d即制成所需试件。每组配比制作3个试件，共计144个，选取符合试验要求规范的试件进行力学实验，所得结果求平均值，降低偶然误差，制成的部分标准试件见图1。

图1　标准试件

1.3试验方案

为了选择合适的配比，本次试验的影响因素选择砂胶比、胶结物中石膏密度、水固比对相似材料表观密度和单轴抗压强度进行分析。根据吴钰应等人[6]的研究，石膏凝固速度快，有着增强试块强度的作用，但是当水泥与石膏混合，二者比例在9∶1与3∶7，或胶结物中石膏含量不小于11%时，混合物的凝固时间决定于石膏的凝固时间，因为石膏在本文试验中主要作为调节剂使用，因此选用小于10%的、有代表性的3组参数加入试验方案。本文试验影响因素及配比共48组实验，见表1。

表1　试验影响因素及配比

2　实验结果分析

2.1表观密度

不同砂胶比、石膏占胶体比及水固比条件下，试件表观密度结果如表2所示。经过对表分析，得出如下规律：

表2　不同配比条件下试件表观密度

(1)石膏作为调节剂加入实验配比中，能够小范围的起到调节表观密度的作用，原因是部分石膏与水泥中的水化铝酸钙生成水化硫铝酸钙，阻止了水泥熟料中的铝酸酸钙的迅速水化反应，同时多余的石膏水化反应放热，二水石膏胶粒凝结成晶核，增加其孔隙率，造成试件的表观密度减小。但是因为石膏占胶体比重较小，只是作为调节剂使用，同时由于实验误差的存在，所以表观密度减小的现象并不明显。

(2)砂胶比对于试件的表观密度也有着较大的影响。当水固比一定、石膏占胶体比例一定时，砂胶比增大，试件表观密度减小。原因是因为水泥与石膏的密度大于河砂密度，随着砂胶比的增大，试件中水泥和石膏的比重减小，石膏虽然在一定程度会造成试件空隙的增加，但是因为砂胶比的跨度大，石膏占胶体比重小，所以试件的表观密度减小现象明显。

(3)因为水泥与石膏的水化反应是连续而复杂的过程，本实验中水固比和石膏占胶体比重的变化范围较小，所以当水固比变化、砂胶比和石膏比重固定时，试件的表观密度呈现无规律的变化。

2.2单轴抗压强度

试件的单轴抗压强度变化值为0.35～3.55 MPa，变化范围大，满足大体积岩石模型实验要求。不同砂胶比、石膏占胶体比及水固比的试样实验结果如图2所示，经过分析,得出如下规律：

(1)当石膏占胶体比、水固比一定时，随着砂胶比的减小，试件的单轴抗压强度明显逐渐增大。因为随着砂胶比的减小，试件中的胶体比重增大。

图2　不同水固比试件单轴抗压强度 ■—砂胶比20∶1；●—砂胶比16∶1；▲—砂胶比12∶1；◆—砂胶比8∶1

(2)当砂胶比、水固比一定时，在石膏占胶体的比重小于10%的条件下，随着石膏占胶体比的增大，试件的单轴抗压强度增大。

(3)当水固比变化时，因为水泥、石膏、河砂的复杂反应过程，实验参数选取跨度小，导致强度呈现无规律变化。

根据实验数据，采用Excel及SPSS对试件强度数据进行线性回归分析，对材料抗压强度与砂胶比、石膏占胶体比的关系进行了回归分析，水固比分别为8∶1、9∶1、10∶1、11∶1时的回归方程：

(1)

式中,S8、S9、S10、S11分别为水固比为8∶1、9∶1、10∶1、11∶1时单轴抗压强度；x为胶体占固体质量的百分比，%；y为石膏占胶体的百分比，%。

相关统计学参数如表3所示，R2可解释样本百分比，F为显著性系数，P为置信概率。 由表3可知，强度预测模型具有统计学意义。

表3　相关统计学参数

2.3试样的破坏特征

本试验单轴抗压强度采用YAW-300微机控制恒加荷速率压力试验机，当砂胶比为20∶1、石膏占膏体比为5%、水固比为11∶1时，试件的时间-载荷曲线如图3所示。

图3　水泥胶砂抗压曲线 ———试件1；---—试件2；……—试件3

当试件变形完全是弹性时，弹性力学公式为

(2)

式中,Δl为伸长量；F′为试件承受的载荷；l为试件原长；S为受压面积；E为弹性模量。

由于试验过程中采用的加载方式为恒加荷速率，即试件载荷与时间成正比，即F=Ftt。可得出

(3)

图3为相同配比时3个试件的时间-载荷曲线，假定试件的弹性模量为定值，因为Ft也为定值，所以时间-载荷曲线的横轴可作为位移，纵轴可作为单轴压力。从图3中可以看出试件具有典型的岩石力学特性，作为大型岩石模型相似材料是可取的。

2.4时间载荷曲线对比

由于试验条件的限制，本文仅仅得到时间-载荷曲线，如图4所示。3条曲线分别是不同配比条件下的时间-载荷曲线，4组实验的砂胶比均为12∶1，石膏占胶体比均为0，水固比改变范围为1∶8，1∶9，1∶10，根据图表内容，可以初步确定不同配比间弹性模量存在区别。

图4　不同配比下的时间-载荷曲线 ———1∶8；---—1∶9；……—1∶10

3　结　论

(1)在河砂、水泥、石膏的实验中，调节砂胶比对试件的影响最大，石膏对试件的影响次之。

(2)试件采用自然养护，表观密度为1.65～1.80kg/m3，单轴抗压强度变化范围大，符合大体积岩石模型试验的要求。

(3)根据试件的时间-压力曲线，不同配比间存在不同的弹性模量，因此该材料作为大型岩石实验相似材料是可取的。

本实验的不足之处在于实验中水固比对试件的表观密度和抗压强度未得到相关结果，同时试件的抗压强度与弹性模量因为实验条件的限制，未得出相关结果，可以继续进行更深入的探究。

参考文献

[1]康希并,张建义.相似材料模拟中的材料配比[J].淮南矿业学院学报,1988(2):50-64.

[2]韩伯鲤,陈霞龄,宋一乐,等.岩体相似材料的研究[J].武汉水利电力大学学报,1997(2):7-10.

[3]左保成,陈从新,刘才华,等.相似材料试验研究[J].岩土力学,2004(11):125-128.

[4]张宁,李术才,李明田,等.新型岩石相似材料的研制[J].山东大学学报：工学版,2009(4):149-154.

[5]韩伯鲤.电阻应变计刚化效应研究[J].武汉水利电力大学学报,1993(2):127-133.

[6]吴钰应,王世远,关玉顺,等.相似材料配比研究[J].阜新矿业学院学报,1981(1):32-49.

(收稿日期2016-04-29)

Test of Similar Material of Massive Rock Model

Zheng MiaohuaZhou JieYang Jianfeng

(College of Resource and Environment Engineering, Wuhan University of Technology)

AbstractBased on analyzing the research status of similar material of massive rock model and the advantages and disadvantages of massive rock model of the geotechnical engineering at home and abroad.The cement,gypsum,river and and water are used to conduct the study of the similar material of massive rock model.The apparent density,uniaxial compressive strength and specimen pressure curve are obtained and thiers change regularities are summarized by changing the parameters of sand cement ratio,water solid ratio and gypsum colloid ratio.The results show that the cement mortar is a ideal similar material of massive rock model,therefore,it worth conducting further study.

KeywordsMassive rock model,Similar material,Cement mortar,Mechanical test

郑庙华(1991—)，男，硕士研究生，430070 湖北省武汉市。