一種高脆性類巖石材料試件制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種類巖石材料試件制備方法，特別是一種高脆性類巖石材料試件制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)是研宄巖石力學(xué)工程及科學(xué)問題的主要手段之一，我國現(xiàn)階段的巖石工程規(guī)模大、難度高，無論是礦山工程，還是水電工程和交通工程，很多工程的開發(fā)進(jìn)入深部地下空間，不少工程都遇到了動力災(zāi)害，造成人員傷亡和施工設(shè)備嚴(yán)重破壞，為了解決深地下礦產(chǎn)能源資源開發(fā)，西南巨大水能源開發(fā)，長距離、大埋深交通隧道開挖，高放核廢料地下處置等一系列深部巖石工程問題，為深部巖石工程順利開展提供科學(xué)理論和技術(shù)支持，國內(nèi)巖石力學(xué)工作者近幾年在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)，為模擬出災(zāi)害的動力特征亟需配制出能夠滿足現(xiàn)場高彈模高強(qiáng)度脆性巖體相似縮比，且能夠真實(shí)反映其力學(xué)特性的相似材料。
[0003]實(shí)驗(yàn)室多采用水泥、沙子、石膏等材料作為主要基材加入其它材料獲取具有較高強(qiáng)度和彈性模量的類巖石相似模擬材料，但是這些材料在峰后均具有明顯的塑性或延性特征，脆性特征不明顯。
[0004]松香作為高脆性材料單獨(dú)使用時(shí)成型時(shí)易產(chǎn)生大量內(nèi)部微裂紋，雖然能模擬脆性巖石，但由于強(qiáng)度和彈性模量均較低，在作用荷載小于材料強(qiáng)度時(shí)破壞即發(fā)生，與巖石力學(xué)特性差距較大。因此，脆性類巖石材料多以松香作為基材摻入其它材料進(jìn)行改性制作試件。
[0005]膨潤土顆粒細(xì)小，單位晶層之間易分離，在溶液中很難凝聚成大顆粒，具備懸浮穩(wěn)定性，目前采用松香與膨潤土配制的材料基本能滿足試驗(yàn)需求，但在試件制備過程中存在如下問題:(I)松香與膨潤土的拌合工藝有兩種，一種是高溫下使松香達(dá)到熔點(diǎn)后進(jìn)行固體混合料拌合，這種方法難以保證兩種材料的充分拌合，形成的試件均質(zhì)性難以保證，另一種方法是松香熱熔達(dá)到沸點(diǎn)后加入膨潤土攪拌成懸濁液澆筑試件成型，這種方法在混合料冷卻成型過程中，懸濁液沉淀明顯，澆制的試件上部和下部不同性；(2)松香與膨潤土的密度均較小，強(qiáng)度低，制成的試件承載低，在相似模擬中比重?zé)o法滿足相似比，彈模低，彈性儲能少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是要提供一種具有脆性好、均質(zhì)性好，強(qiáng)度高、彈模高、各向均質(zhì)、易于成型的高脆性類巖石材料試件制備方法。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:該試件的原材料包括松香、鈉基膨潤土、碳納米管、明膠，四者的質(zhì)量比為65:26:7:2 ;其中碳納米管的比重可根據(jù)需要適當(dāng)提高，但不能高于總質(zhì)量的15%，原材料選材如下:
[0008]a.松香采用《松香試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T8146-2003)中顏色分級特級或I級松香；
[0009]b.鈉基膨潤土采用《膨潤土》(20973-2007) NaB鈉基膨潤土，200目?1000目；
[0010]c.碳納米管采用CNT102?CNT107多壁碳納米管；
[0011]d.明膠采用《工業(yè)明膠》(QB/T1995-2005)工業(yè)明膠。
[0012]其制備工藝如下:
[0013]a.按照原材料的質(zhì)量比進(jìn)行稱量，并將稱量好的松香和膨潤土各自分為等量的5?10份；
[0014]b.將第一份松香加熱至沸騰狀態(tài)，加入第一份膨潤土，用玻璃棒以一定的攪拌速度充分?jǐn)嚢栊纬煞序v懸濁液；
[0015]c.向沸騰懸濁液中加入第二份松香，保持一定的攪拌速度直至松香完全液化并沸騰，加入第二份膨潤土，充分?jǐn)嚢栊纬煞序v懸濁液；
[0016]d.重復(fù)c動作直至所稱量松香與膨潤土全部充分?jǐn)嚢栊纬煞序v懸濁液；
[0017]e.沸騰懸濁液停止加熱放置12?24小時(shí)，室溫條件下自然冷卻固化，再次加熱至沸騰懸濁液，過程中固體液態(tài)化后即保持一定的攪拌速度進(jìn)行攪拌；
[0018]f.重復(fù)e動作3?5個(gè)循環(huán)，最終形成沸騰懸濁液，保持一定的攪拌速度攪拌5?10分鐘；
[0019]g.向沸騰懸濁液中加入碳納米管，沸騰狀態(tài)下以攪拌速度攪拌25?30分鐘；
[0020]h.向沸騰混合懸濁液加入明膠，沸騰狀態(tài)下以一定的攪拌速度攪拌5?10分鐘后室溫條件下自然降溫至170?200 °C ；
[0021]1.將170?200°C懸濁液用玻璃棒引流入模具，用玻璃棒沿模具內(nèi)壁以一定的攪拌速度攪拌2?5分鐘；
[0022]j.將模具放入真空箱做除氣泡處理15?30分鐘；
[0023]k.將模具放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱養(yǎng)護(hù)，干燥箱初始溫度設(shè)置170°C，每2小時(shí)降低設(shè)置溫度10°c，當(dāng)干燥箱設(shè)置溫度降低至30°C時(shí)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)36?40小時(shí)；
[0024]1.拆模將試件放置在20?30°C陰涼環(huán)境下養(yǎng)護(hù)15?28天即完成試件制作。
[0025]所述的一定的攪拌速度為5?20r/min，模具內(nèi)壁要求做耐高溫處理，減小模具的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0026]有益效果，由于采用了上述方案，制備工藝中量化控制材料加入順序、混合料加溫溫度、澆制溫度、養(yǎng)護(hù)溫度、攪拌速度、澆制速度六大因素，保證了各材料在混合料中分散均勻，通過加入碳納米管提高了材料的強(qiáng)度、彈性模量和耐疲勞性，工業(yè)明膠作為分散劑加入有效抑制懸濁液在冷凝固化過程中的沉淀，改善了材料的均質(zhì)性，同時(shí)顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)凝膠，改善了松香的過脆性特征，同時(shí)碳納米管的抗拉韌性、明膠的柔性、對模具的耐高溫處理以及養(yǎng)護(hù)溫度的控制可有效消除試件在成型過程中由于內(nèi)部溫度梯度過大而產(chǎn)生的微裂紋發(fā)生，提高試件的成型率和各向均質(zhì)性。
[0027]在松香及膨潤土混合料基礎(chǔ)上加入碳納米管作為加強(qiáng)材料，碳納米管抗拉強(qiáng)度達(dá)到50?200GPa，彈性模量可達(dá)lTPa，CNT102?CNT107型多壁碳納米管管徑8?50nm，長度10-50um，比表面積40?500m2/g，碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，同時(shí)擁有良好的柔韌性，可以拉伸，粒徑較小，填充松香顆粒與膨潤土顆?？臻g，調(diào)節(jié)混合料級配，可有效提高混合料的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性和各向同性；加入工業(yè)明膠作為懸濁液分散劑，在懸濁液溫度降低時(shí)，明膠的凝膠性發(fā)揮作用，可在一定程度上減緩懸濁液的沉淀，同時(shí)顆粒間形成網(wǎng)絡(luò)凝膠，提高試件的柔性和彈性模量，調(diào)節(jié)試件的力學(xué)特性。工藝中的液固態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換提高了材料的和易性，溫度和攪拌速度的控制保證了材料的力學(xué)均質(zhì)和各向同性特征。
[0028]制備的試件具有脆性好、均質(zhì)性好，強(qiáng)度高、彈模高、各向均質(zhì)、易于成型的特點(diǎn)。
[0029]由該方法制備的試件在深部巷道開挖巖爆孕育過程中，采用175X 175X 200mm試件，呈現(xiàn)了脆性的斷裂特征，在加載和圍壓條件下模擬了高應(yīng)力脆性巖體的巖爆迸射事件演化過程。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
[0031]該試件的原材料包括松香、鈉基膨潤土、碳納米管、明膠，四者的質(zhì)量比為65:26:7:2，其中碳納米管的比重可根據(jù)需要適當(dāng)提高，但不宜高于總質(zhì)量的15%，原材料選材如下:
[0032]a.松香采用《松香試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T8146-2003)中顏色分級特級或I級松香；
[0033]b.鈉基膨潤土采用《膨潤土》(20973-2007) NaB鈉基膨潤土，200目?1000目；
[0034]c.碳納米管采用CNT102?C