相似材料综述

相似材料配比试验研究综述

研究意义：

岩石力学试验模拟技术是以模拟岩土工程中部分工程结构进行研究，模拟的主要对象是岩体，由于岩体是由各种非均质、各向异性的岩石与地质结构面组成的，因此研究岩体的工程问题是非常复杂的。采用数学力学的研究方法只能为形状简单的圆形或椭圆形的地下通道提供围岩应力场与位移场的理论解。对于不同材料、形状各异的岩土工程结构的应力、应变问题，目前是无法求解的。许多岩土工程分析的预见和推断大多来自现场实测与模拟研究。有限元与边界元等数值分析与计算机相结合为岩石力学的分析与计算提供了有力的工具。同时岩石力学模拟试验本身随着现代科学技术的进步也有所发展，使原有的试验模拟技术更加完善，再加上这类方法具有直观性与全场逐点给出有关参数与结论的优点，因而岩石力学试验模拟是当前研究岩土工程必不可少的研究手段。

岩石力学试验模拟是在室内用某种人工材料(单一或多种材料混合的)，根据相似原理做成相似模型，模型是根据所模拟的原型来塑造的。通过对模型上应力、应变的观测来认识与判断原型(模拟实体)上所发生的力学现象和应力-应变的变化规律，以便为岩土工程设计和施工方案的选择提供依据。在模型试验研究中，选择合理的模型材料及配比具有重要意义。模型相似材料的选择、配比以及试验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响，对模型试验的成功与否起着决定性作用模型试验关键的一步就是要找到一种合适的相似材料。正确的选择相似材料往往是模型试验成功与否的关键，相似材料选取正确了，模型试验的成功就有了一大半的把握。在相似材料配比确定中，一般很难准确快速的确定其配比达到想要的容重和强度，都要经过很多次反复试验来调整配合比来达到预期的容重和强度。由于影响因素的多样性和复杂性，要确定出合适的配比，制作出符合要求的相似材料并非易事，它需要根据前人的研究成果，结合欲解决问题的特殊性，经过大量的试验才能最终配出满意的相似材料并制作出所需的相似材料模型。但这个过程往往费事费力，给模型试验带来一定的困难。

研究现状

关于相似材料试验，已进行了大量的研究工作。对相似材料试验主要是材料的选择和各材料对模型力学性能的影响。

在目前的岩性模拟试验中，以石膏为胶结物的相似材料由于其脆性与岩石比较接近，弹性模量和抗压强度的调节范围较大，且制作工艺简单，材料来源方便，是国内外应用最为广泛的一种岩性相似材料。

康希井用河沙为骨料，石膏和石灰为胶结材料作为相似材料做配比试验，得出不同配比的力学性能。顾大钊在研究岩石可犁松性时，选用了以石膏、砂、硼砂和水混合料作为相似材料，展示了石膏、砂相似材料中各影响因素对其物理力学性质的影响。赵国旭、谢和平、马伟民为首的研究小组依据兖州矿区的地质采矿条件来研究大条带综放开采引起的覆岩层破坏特征、地表沉陷规律而设计的相似材料模型试验在模拟基岩时采用河砂、云母为骨料，碳酸钙、石膏为胶结物的相似材料。对于表土和煤，由于容重小，加进适量的锯末以减少相似材料的容重。东北大学范鹤以砂、石膏、硅藻土混合物为相似材料，进行相似材料模拟试验。用正交法设计初次试验，用抗压强度相似指标控制试验的相似程度。通过极差分析，得出材料力学指标4个影响因素的重要程度，并在此基础上小范围调整配比进行二次试验，得到符合力学相似指标要求的材料配比。河南理工大学李宝富研究了如何用砂子、碳酸钙、石膏配制满足煤岩体力学性质的低强度相似材料，结果表明：砂胶比、胶结物比例和容重对相似材料的单轴抗压强度均有较显著影响。北京交通大学肖杰用水泥石膏作为模型试验研究所用的相似材料，用石英砂做骨料，同时加入重晶石来调节材料密度，应用正交试验设计方法，以砂胶比、水泥石膏比和重晶石占骨料百分比为3个因素，得到了一系列不同配比下的水泥石膏相似材料的基本物理力学指标。

综上，国内大多以石膏石灰水泥单独或混合为胶结材料，河沙为骨料，配以其他辅助材料为相似材料。

目前确定相似材料配比，大多用正交试验设计试验。正交试验设计是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，充分利用标准化的正交表来安排与分析多因素试验的方法，并对试验结果进行计算分析，最终达到减少试验次数，

缩短试验周期，迅速找到优化方案的一种科学计算方法。正交试验设计方法在多因素试验分析中能够凸显它特有的优势。模型试验相似材料配比问题就是一种多因素试验，因而将正交试验设计方法运用到相似材料配比问题中能够体现它的优势并达到预期的目的。

以后做配比试验采用正交设计省时省力且能较好的达到试验目的，找出符合条件的相似配比。

在今后的研究中应该突破传统材料的配比试验，找到一些新的辅助材料对模型力学性能的影响，或者找到别的新的材料来代替石膏、石灰和水泥等来更好的模拟岩石的是研究的方向。

试件加工：

以北京交通大学肖杰为例：

一、试件模具：

如下图：

图1试件加工模具

二、试件制作：

1、准备原料，按照表5计算的各试验号中砂、重晶石粉、水泥、石膏

以及硼砂水溶液的用量备置原料。称量精度为:骨料±1%，硼砂为±

0.5%。由于搜拌机单次拌和量的限制我们需要每个试验组分两次拌和。

2、准备试模，为了方便拆模，将塑料薄膜贴于试模的内壁。

3、拌合，开动搅拌机，向搅拌机内依次加入石英砂砂、重晶石粉、水

泥、石膏，干拌均勾，再将水溶液徐徐加入，全部加料时间控制在2min，

水溶液全部加入后，继续拌合2min。拌合好后，将混合料取出备用。

4、装料，将拌合好的材料依次装满7个模具并捣实，捣实后装量控制

在试件体积的110%?115%之间。

5、压制，安装模具顶盖，加压，将试件压制到预定的尺寸。

6、脱模，在室温条件下，静置30分钟，脱模，将7个试件分别编号，

试件编号为:i-U-2，i-3，i-4，i-5，i-6，i-7，其中/为试验组号r/=l，2，3，...，

25)。

7、养护，将编好号的试件，在室温20℃左右、自然干燥条件下，养护

7天。

参考文献：

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[2]范鹤，刘斌，等.高填土相似材料研究[J].东北大学,2007,8(8):1194-1197.

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[4]顾大制.相似材料和相似模型[M].徐州:中国矿业大学出版社.1995.

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