強度梯度材料及其制備與試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種巖土工程的相似強度材料及其制備與試驗方法，特別是一種強度梯度材料及其制備與試驗方法。
【背景技術】
[0002]巖土工程領域中面臨的對象，如土，凍土等，受環境溫度、重力場的耦合作用，常形成顯著的宏細觀梯度特征。而目前的強度準則和本構理論均基于連續均質材料建立發展而來，在描述粒狀巖土材料變形破壞相關問題中孕育諸多問題。利用原型材料研宄多梯度量賦存狀態下巖土材料變形場以及單梯度量巖土材料破壞機制的尺度效應上存在困難和挑戰。因此，發展相似強度材料并通過近似模擬方法實現上述目標，學術和工程價值重大。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是要提供一種來源廣泛，操作簡單，成本低，能夠容易實現的強度梯度材料及其制備與試驗方法。
[0004]本發明的目的是這樣實現的:該材料由基料和輔料兩種材料均勻混合并持續攪拌至凝固而成；基料由硫酸鹽水泥熟料100份、膨潤土 2-4份、去離子水混合攪拌而成；輔料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氫氧化鋰1-2份，保水劑1_2份、去離子水混合攪拌而成；基料和輔料的水灰比均為2:1-4:1，養護時間20-60min。
[0005]制備及試驗過程中，通過控制養護時間和水灰比兩個指標分層澆筑，直至形成具有預期強度梯度特征的復合材料；具體為:
[0006](I)首先依據水灰比及養護時間確定材料強度，建立材料強度與水灰比及養護時間的相互關系，然后根據設定的強度與其梯度，計算各澆筑分層的水灰比和固化時間；
[0007](2)然后根據上述強度與水灰比和養護時間的關系和設定的強度梯度特征，控制每層的水灰比和固化時間，分5-8層澆筑試樣至設定高度，每2-3層保持相同水灰比；
[0008](3)整體成型后在恒溫10°C，恒濕100%條件下養護10-30分鐘；
[0009](4)在材料試驗機上固定試樣并進行單軸壓縮試驗，試驗過程中在試樣高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器，獲得試樣孔壓場特征，在試驗機前50-100cm處布置數碼相機，獲得變形場特征；所述的微型孔壓傳感器的直徑不超過試樣高度的2%。
[0010]有益效果及優點:試驗過程中，沿試樣表面布置3到5只微型孔壓傳感器，聯合數字照相技術進行單軸試驗。利用該材料能夠再現梯度材料的變形場特征和破壞機制的尺度特征，并通過微型孔壓傳感器和數碼相機分別對試樣的孔壓場特征和變形場特征進行觀測，即能完成梯度材料變形過程中滲流-變形耦合測量。
[0011]①利用該材料能夠再現梯度材料的破壞機制的尺度效應，同時能很好克服目前多梯度量巖土材料試驗與測試的困難。
[0012]②利用該材料可以實現變形場-滲流場耦合的測量與其誘導機制，在研宄梯度巖土材料滲流致災問題中具有潛在優勢。
[0013]材料來源廣泛，操作簡單，成本低，能夠容易實現。
【附圖說明】
:
[0014]圖1為本發明實施實例I確定的材料強度與養護時間和水灰比的關系圖。
[0015]圖2-1為本發明實施實例I制作的平行試樣I在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖。
[0016]圖2-2為本發明實施實例I制作的平行試樣2在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖。
[0017]圖3-1為本發明實施實例I對應的原型凍土平行試樣I在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖。
[0018]圖3-2為本發明實施實例I對應的原型凍土平行試樣2在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖。
【具體實施方式】
[0019]該材料由基料和輔料兩種材料均勻混合并持續攪拌至凝固而成；基料由硫酸鹽水泥熟料100份、膨潤土 2-4份、去離子水混合攪拌而成；輔料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氫氧化鋰1-2份，保水劑1-2份、去離子水混合攪拌而成；基料和輔料的水灰比均為2:1-4:1，養護時間 20-60min。
[0020]制備及試驗過程中，通過控制養護時間和水灰比兩個指標分層澆筑，直至形成具有預期強度梯度特征的復合材料；具體為:
[0021](I)首先依據水灰比及養護時間確定材料強度，建立材料強度與水灰比及養護時間的相互關系，然后根據設定的強度與其梯度，計算各澆筑分層的水灰比和固化時間；
[0022](2)然后根據上述強度與水灰比和養護時間的關系和設定的強度梯度特征，控制每層的水灰比和固化時間，分5-8層澆筑試樣至設定高度，每2-3層保持相同水灰比。
[0023](3)整體成型后在恒溫10°C，恒濕100%條件下養護10-30分鐘；
[0024](4)在材料試驗機上固定試樣并進行單軸壓縮試驗，試驗過程中在試樣高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器，獲得試樣孔壓場特征，在試驗機前50-100cm處布置數碼相機，獲得變形場特征；所述的微型孔壓傳感器的直徑不超過試樣高度的2%。
[0025]實施實例1:以澆筑直徑50mm、高度100mm、強度梯度為14.350kPa/cm試樣為例:
[0026]首先，通過均勻強度試樣確定材料強度與水灰比和養護時間的關系。分別制備水灰比為2.50,2.75,3.00,3.25,3.50和3.75的基料和輔料，基料和輔料將混合并持續攪拌至凝固制成直徑50mm、高度10mm的試樣共6組，對應標準養護時間分別為60分鐘、55分鐘、50分鐘、45分鐘、40分鐘、35分鐘，每組制備平行試樣3個。對成型試樣進行單軸壓縮試驗，獲得了強度F與水灰比C和養護時間T的關系，如附圖1所示，圖中考慮單個試樣單軸壓縮試驗時間為10分鐘，且為了盡可能多地獲取強度與時間的關系，因此試樣的實際養護時間為標準養護時間加上附加養護時間。
[0027]其次，確定分層數并制備強度梯度試樣。如分層為7層的前提下，第1、第2層設定水灰比為Cl，第I層澆筑時間Λ Tl，第2層澆筑時間為Λ Τ2，第2至5層水灰比為C2，第3層澆筑時間Λ Τ3，第4層澆筑時間為Λ Τ4，第5層澆筑時間Λ Τ5，第6至7層水灰比為C3，第6層澆筑時間為Λ Τ6，第7層澆筑時間為Λ Τ7，整體養護時間為Λ Τ8。強度=f (水灰比C，養護時間Λ T)，則第I至第7層強度分別為f (Cl，Λ Tl + Λ Τ2+ Λ Τ3+ Λ Τ4+ ΛΤ5+ Δ Τ6+ Δ Τ7+ Λ Τ8)，f (Cl, Δ Τ2+ Δ Τ3+ Δ Τ4+ Δ Τ5+ Δ Τ6+ Δ Τ7+ Δ Τ8) f (C2, Δ Τ3+ Δ Τ4+ ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8), f (C2, ΔΤ4+ ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8), f (C2, ΔΤ5+ ΔΤ6+ ΔΤ7+ ΔΤ8)f(C3, AT6+AT7+AT8),f(C3, ΔΤ7+ΔΤ8),且為試樣高度的線性函數。【具體實施方式】為:第1、第2層設定水灰比為2.34，第I層澆筑時間3.3分鐘，第2層澆筑時間為3.3分鐘，第2至5層水灰比為2.85，第3層澆筑時間3.3分鐘，第4層澆筑時間為6分鐘，第5層澆筑時間6分鐘，第6至7層水灰比為3.75，第6層澆筑時間為6分鐘，第7層澆筑時間為2分鐘，整體養護時間為33分鐘；則第I至第7層強度分別為(2.34，63.0) = 0.0413kPa，f2(2.34, 59.6) = 0.0656kPa，f3(2.85, 56.3) = 0.0899kPa，f4(2.85, 53) = 0.1141kPa，f5(2.85，47) = 0.1384kPa，f6(3.75，41) = 0.1627kPa，f7(3.75，35) = 0.1870kPa ;試樣強度梯度為 14.350kPa/cm。
[0028]最后，在試樣表面沿高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器(直徑2_)，在試驗機前50-100cm處架設數碼相機，獲得試樣變形場特征和滲流場特征，最終獲得不同工程環境變量條件下材料研宄的特征尺度，附圖2給出了試樣在單軸壓縮試驗中測量得到的變形場，附圖3為本發明實施實例I制備的強度梯度為14.350kPa/cm的試樣對應的原型凍土在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布。
[0029]前期室內試驗表明，對于常規模擬巖土(如軟土和凍土)材料，5-7層的分層即可再現原型的變形場特征和破壞機制特征。如對于其它特殊材料，亦可適當增加分層。
[0030]圖1為本發明確定的材料強度與養護時間和水灰比的關系。圖中考慮單個試樣單軸壓縮試驗時間為10分鐘，且為了盡可能多地獲取強度與時間的關系，因此試樣的實際養護時間為標準養護時間加上附加養護時間。
[0031]圖2-1為本發明實施實例I制作的平行試樣I在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖，試樣強度梯度為14.350kPa/cm，直徑50mm，高度100mm。
[0032]圖2-2為本發明實施實例I制作的平行試樣2在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖，試樣強度梯度為14.350kPa/cm，直徑50mm，高度100mm。
[0033]圖3-1為本發明實施實例I對應的原型凍土平行試樣I在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖。
[0034]圖3-2為本發明實施實例I對應的原型凍土平行試樣2在單軸壓縮試驗中測試到的變形場分布狀態圖。
【主權項】
1.一種強度梯度材料，其特征是:該材料由基料和輔料兩種材料均勻混合并持續攪拌至凝固而成；基料由硫酸鹽水泥熟料100份、膨潤土 2-4份、去離子水混合攪拌而成；輔料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氫氧化鋰1-2份，保水劑1_2份、去離子水混合攪拌而成；基料和輔料的水灰比均為2:1-4:1，養護時間20-60min。
2.權利要求1所述的強度梯度材料的制備與試驗方法，其特征是:制備及試驗過程中，通過控制養護時間和水灰比兩個指標分層澆筑，直至形成具有預期強度梯度特征的復合材料；具體為: (1)首先依據水灰比及養護時間確定材料強度，建立材料強度與水灰比及養護時間的相互關系，然后根據設定的強度與其梯度，計算各澆筑分層的水灰比和固化時間； (2)然后根據上述強度與水灰比和養護時間的關系和設定的強度梯度特征，控制每層的水灰比和固化時間，分5-8層澆筑試樣至設定高度，每2-3層保持相同水灰比； (3)整體成型后在恒溫10°C，恒濕100%條件下養護10-30分鐘； (4)在材料試驗機上固定試樣并進行單軸壓縮試驗，試驗過程中在試樣高度方向布置3-5只微型孔壓傳感器，獲得試樣孔壓場特征，在試驗機前50-100cm處布置數碼相機，獲得變形場特征；所述的微型孔壓傳感器的直徑不超過試樣高度的2%。
【專利摘要】一種強度梯度材料及其制備與試驗方法。屬于巖土工程的相似強度材料的制備與試驗方法。該材料由基料和輔料均勻混合并持續攪拌至凝固；基料由硫酸鹽水泥熟料、膨潤土和去離子水混合攪拌；輔料由硬石膏、石灰、氫氧化鋰，保水劑和去離子水攪拌；基料和輔料水灰比均為2-4，養護時間20-60min。制備：控制養護時間和水灰比指標分層澆筑，直至形成預期強度梯度；確定材料強度與水灰比及養護時間，控制水灰比和養護時間，分層澆筑至設定高度，在恒溫和恒濕條件下整體養護；養護完成后，沿試樣表面布置微型孔壓傳感器，聯合數字照相技術進行單軸試驗。利用該材料能夠再現梯度材料的變形場特征和破壞機制的尺度特征，完成梯度材料變形過程中滲流-變形耦合測量。
【IPC分類】G01N3-08, G01N1-28
【公開號】CN104849117
【申請號】CN201510270829
【發明人】趙曉東, 周國慶, 李瑞林, 賴澤金, 林超, 熊玖林, 王建洲, 梁恒昌, 陳鑫
【申請人】中國礦業大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月25日