相似材料配比及试样制备

本研究以3.2节所述巴东组粉砂质泥岩和泥灰岩间层面为研究对象，开展相似材料模型试验，探究异性结构面的剪切力学性质及影响因素。

3.3.1.1　相似材料的选取

本研究选择了水泥、微硅粉、减水剂、砂、石膏作为相似试验材料，各材料的具体指标如下:

(1)水泥。巢湖牌PO52.5级硅酸盐水泥，其特性参数如表3-7所示。

表3-7　试验水泥特性参数

(2)微硅粉。由鑫磊矿业生产，组成成分及含量如表3-8所示。

表3-8　试验微硅粉组成成分及含量

(3)减水剂。由德清原秦高科建材添加剂公司生产，成分及含量如表3-9所示。

表3-9　试验减水剂成分及含量

(4)石膏。由商丘市石膏公司生产，基本性质如表3-10所示。

表3-10　试验石膏基本性质

(5)砂。颗粒粒径小于0.45mm。

3.3.1.2　相似材料试样的制备

在黄曼等(2012)研究成果的基础上，初步拟定一系列相似材料配比，进行试验样品的制备，所用到的主要仪器设备包括:

(1)香山EK3820电子秤(LED)、空心圆柱体塑料模具、搅拌棒、烧瓶、烧杯、硬玻璃片、小铲。其中香山EK3820电子秤(LED)的称量范围是0～5kg，精度为0.1kg，如图3-15(a)所示;空心圆柱体塑料模具是根据本次试验所需要的尺寸要求设计加工而成的塑料模具，外径70mm，高100～120mm，其结构如图3-15(b)所示;烧杯、烧瓶主要用来盛放各种原材料，如图3-15(c)所示。

(2)试样打磨机、SHBY-40B型标准恒温恒湿养护箱。其中打磨机主要是为了保证所制备的圆柱型试样上下顶面平直光滑而对其进行打磨操作，如图3-15(d)所示;SHBY-40B型标准恒温恒湿养护箱可提供恒定不变的温度和湿度，对所制备的相似材料试验样品进行养护。

使用电子秤分别称取相应重量的各种材料，放置在已经标记好的烧杯中，再称取相应比例的水放入烧瓶中。取出硬玻璃板(即本次试验的工作台)，将各种材料轻倒在硬玻璃板上，用搅拌棒进行充分的混合搅拌，使混合材料达到均匀状态即可(图3-16)。

图3-15　相似材料试样制备主要仪器

图3-16　相似材料的混合和充分搅拌

当混合材料和水充分搅拌混合后，立即将混合材料放入制样模具中，为了拆模方便，需在模具内表面事先垫一层硬纸片，并用胶带固定。当试样完全振荡捣实后，将试样放置在标准恒温恒湿养护箱中24h后脱模(图3-17)，然后使用打磨机将试样磨平，再放入标准恒温恒湿养护箱中继续养护28d。

图3-17　脱模后的相似材料试样

3.3.1.3　相似材料力学性质试验及配比的确定

为了确定模拟巴东组粉砂质泥岩和泥灰岩的相似材料配比，需开展岩石力学性质试验。若相似材料模型的力学性质与原岩接近，即可近似认为该相似材料配比是合理的。单轴抗压强度为试样在单轴压缩条件下能够承受的最大压应力，是反映岩块基本力学性质的重要参数。按岩石力学实验指导书规程要求的标准试件为圆柱体，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.2cm，高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm;当岩样尺寸不符合标准时，试件的强度应按式(3-2)进行换算:

式中:fccu——试件强度换算值(MPa)，精确至0.1MPa;

　　　F——试件抗压试验测得的最大压力(N);

　　　d——试件的平均直径(mm);

　　　α——不同高径比的试件强度换算系数，应按照表3-11选用。

表3-11　单轴试件混凝土强度换算系数

或者可以根据下式得出α值:

式中:h——试件的高度(mm);

　　　d——试件的直径(mm)。

对相似材料试样在instron1346型岩石伺服机上开展了相关试验，在一系列不同配比得到的相似材料中，材料1(水∶水泥∶石膏∶砂子∶微硅粉=20∶20∶10∶47∶3)的单轴抗压强度为11.2MPa，弹性模量为4.5GPa;材料2(水∶水泥∶砂子∶微硅粉=20∶60∶20∶2)的单轴抗压强度为49.3MPa，弹性模量为40.5GPa。巴东组粉砂质泥岩的单轴抗压强度为11.5MPa，弹性模量为4.7MPa;巴东组泥灰岩的单轴抗压强度为51.8MPa，弹性模量为42.6MPa。因此材料1与巴东组粉砂质泥岩的力学参数相近(误差小于5%)，材料2与巴东组泥灰岩的力学参数相近(误差小于5%)，可用材料1模拟巴东组粉砂质泥岩，用材料2模拟巴东组泥灰岩，开展巴东组典型异性层面，即粉砂质泥岩与泥灰岩间层面的相似材料模型试验研究。