相似材料力学性质影响因素试验研究

选取地下工程物理模型试验中常用的石膏作为胶结剂,石英砂作为骨料制成相似材料试件.将相似材料试件置于不同尺寸、温度、含水率及加载速度条件下进行单轴压缩试验,得到单轴抗压强度和弹性模量,分析不同因素对相似材料力学性质的影响规律.研究发现,相似材料力学性质受尺寸、含水率及加载速度影响大,受温度影响小,且相似材料力学性质受不同因素影响原因与岩石的影响原因相同.为避免这些因素的影响,大型相似材料模型铺设时要严格控制用水量、充分搅拌原料、合理控制密实度及养护已经铺设的材料,同时精确控制荷载施加速度.     

一种页岩相似材料的配制及其力学性能的研究

以地质力学模型试验的相似理论和相似材料的选择原则为基础,以砂子为骨料,石蜡为胶结剂,石膏为调节剂作为相似材料制成了一批可以模拟页岩的模型试件。该相似材料满足相似原理,且具有取材方便、经济成本低、制作工艺简单、成型时间短以及变形量大等优点。对5种不同配比下的软岩相似材料试件进行了大量的单轴、三轴试验,验证了该相似材料模拟页岩具有可行性。结果表明,该相似材料的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角随砂胶质量比的增大而减小,泊松比随砂胶质量比的增大而增大。该研究为进一步的模型试验提供了理论指导。     

锦屏大理岩相似材料制备及其力学性能分析

基于深埋隧洞围岩岩爆模拟实验的需要,以锦屏大理岩为工程背景,采用石英砂、重晶石砂、重晶石粉、松香和酒精研制了一种新型的以松香作为胶结剂的岩石相似材料。通过多次试配总结了相似材料的制备方法,以粗细骨料质量比例和松香用量2个参数为主要变量,制作了16组不同配比的试样,开展了单轴压缩实验,并测算了试样的重度。实验结果表明,相似材料的抗压强度和弹性模量受松香用量的影响较大,拟合得到了抗压强度-松香掺量关系式,并计算得到了模拟锦屏大理岩的材料配比。为提高相似材料的适用性,对材料比重和弹性模量的调整方法进行讨论得出,可以将重晶石砂替换为石英砂以调节材料重度,在材料中掺入少量的硅油或橡胶粉,可以调节其弹性模量。     

低强度相似材料正交配比试验

为准确地配出满足相似模拟试验需求的低强度相似材料,以沙子为骨料,粉煤灰和石膏为胶结料,采用正交试验的方法进行配比试验研究.试验结果表明:不同配比相似材料的力学参数分布范围较大,能满足不同比例模拟试验对相似材料的要求;相似材料的抗压强度和弹性模量皆随砂胶比和胶结物比例的增加呈现明显的减小趋势,砂胶比与材料的抗压强度和弹性模量近似呈线性关系,胶结物比例与材料的强度和弹性模量近似呈现乘幂关系;采用极差分析法分析了砂胶比和胶结物比例的敏感度,并作出了其对相似材料力学参数影响的直观分析图,胶结物比例较砂胶比对材料的抗压强度和弹性模量的影响皆更为显著.该成果对相似模型材料配比的选取具有定的参考价值和指导意义.     

沥青砂混合料新型软岩相似材料的试验研究

在地质力学模型材料研究的基础上,根据相似理论,通过大量的力学试验和数据分析,最终研制出一种模拟软岩特性的相似材料.该相似材料是用硬质沥青作为胶结剂,砂和锌粉作为骨料,橡胶粉作为调节剂混合而成的.对相似材料进行了常规的单轴压缩、劈裂拉伸和直剪试验,测定了该相似材料在不同配比下的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、摩擦角等参数;并研究了养护时间对相似材料力学性能的影响.结果表明：该相似材料能很好地满足相似材料的选材要求,其物理力学参数变化范围大,破坏现象与软岩的非常相似,是模拟软岩的理想材料.     

深埋隧硐模型试验相似材料配比的多元回归分析

为研究深埋岩体相似材料影响因素的显著性,以确定相似材料配比的多元回归方程,采取正交试验方法,选取传统相似材料配比方案中砂胶比(A)、胶结材料石灰含量(B)、胶结材料石膏含量(C)和云母含量(D)为试验因素,同时设置空列为误差列以考虑试验误差的影响,通过单轴抗压和直剪试验等物理试验得到试件的内摩擦角、抗压强度、抗拉强度和粘聚力等物理力学指标,通过极差法求出各因素各水平均值极差,通过分析得出影响规律,即随着试验因素胶结材料(B)的石灰含量增大,相似材料内摩擦角、粘聚力、抗拉强度和抗压强度显著增大,而随着因素砂胶比(A)的减少,相似材料密度与内摩擦角显著减小。通过方差法将各因素影响参数大小进行量化,获得了各因素影响参数贡献率,其中,试验因素胶结材料中的石灰含量(B)对试件内摩擦角、抗拉强度、抗压强度和粘聚力影响贡献率最大,依次为59.1%、53.7%、53.4%和48.3%,表明试验因素胶结材料中的石灰含量(B)对试件内摩擦角、抗拉强度、抗压强度和粘聚力起到主要控制作用,而试验因素砂胶比(A)对试件的密度和粘聚力影响贡献率最大,依次为77.4%和42.0%,表明试验因素砂胶比(A)对试件的密度和粘聚力起到显著控制作用。最后根据各因素对相似材料力学参数影响的贡献率,选取具有显著控制作用的影响因素进行多元回归分析,得到了可用于试验配比的多元回归方程。     

复合胶凝材料在矿山尾矿胶结中的应用研究

采用两种胶凝材料混合使用的方法,研究了一种HP复合型尾矿胶结剂。对不同浓度、不同种类、不同粒度的矿山尾矿进行胶结实验,并测定了胶结块3d、7d、28d、56d的抗压强度。通过对胶结块的强度和胶结剂材料成本的综合分析来确定新型复合胶凝材料的最佳配比和使用方法。实验表明:料浆含水量对胶结剂的配比无影响;骨料种类对胶结剂配比的影响实际上为骨料粒度对胶结剂配比的影响。     

类岩石材料力学特性参数多元线性回归模型

为探究多因素对类岩石材料力学特性的影响,采用正交设计方法,选取水泥含量、石膏含量、骨料粒径、冲击力、冲击次数作为影响因素,得到25组类岩石材料单轴压缩条件下抗压强度、弹性模量及容重的正交试验结果。应用方差分析获得各因素的敏感性,并运用SPSS(Statistical Package for the Social Science)对试验结果进行多元线性回归分析,研究显著因素对类岩石材料力学特性的影响规律。研究结果表明:类岩石材料抗压强度受水泥含量、石膏含量、骨料粒径、冲击力的影响显著,且随着水泥含量、石膏含量和冲击力的增加而增大,随粒径增大而减小;弹性模量受水泥含量、石膏含量、骨料粒径的影响显著,且与水泥含量、冲击力呈正线性关系,与粒径大小呈负线性关系;容重受冲击力的影响显著,并随之增加而增大。针对多因素不同水平的正交试验结果应用多元线性回归分析可以建立类岩石材料力学特性的回归方程模型,能够在一定范围内预测类岩石材料的抗压强度、弹性模量及容重,为进一步定量化开展物理模型试验奠定了基础。     

不同黏土矿物对岩石相似材料性质的影响

岩石相似材料配比中水敏材料的合理选择是开展水岩劣化作用下岩体工程大型物理模型实验研究的重要基础与前提。从研制适用于开展水岩作用相关物理模型试验相似材料的角度出发,以石英砂、重晶石粉为骨料,水泥、石膏为胶结材料,分别添加膨润土、伊利石粉、高岭土作为水敏性调节剂来制作岩石相似材料,开展了单轴压缩、直剪以及水理性试验,获得了不同配比相似材料的物理力学参数和水理性质指标,并采用单因素控制法深入分析了不同黏土矿物类型与不同掺入量对相似材料试样物理力学性质与水理性质的影响。结果表明：(1)添加黏土矿物的相似材料,其物理力学参数分布范围广,能满足岩石相似材料的需求;(2)黏土矿物的添加显著改变了试样的物理力学性质,随着其掺入量的增加,试样密度、抗压强度、弹性模量以及黏聚力整体呈下降趋势,内摩擦角呈增大趋势,其中膨润土的影响程度强于伊利石粉和高岭土;(3)含有膨润土的相似材料相对于其他黏土矿物吸水率更大,更易于发生崩解,更适合作为研究水岩相互作用的物理模型试验相似材料的水敏性添加剂。该研究成果可为研制适用于开展水岩相互作用的物理模型试验相似材料提供参考。     

煤层开采“固-气”耦合相似材料特性分析

为研究采动裂隙演化规律,选取适合的"固-气"耦合相似材料,结合岩石力学和流体力学理论,运用自行改进的单轴压力仪及渗透性测试装置,对不同材料配比所制作试件的力学及渗透特性进行研究。最终确定以砂子作为骨料,淀粉及水泥作为胶结剂,水作为溶剂,并对这种原材料组合在不同配比条件下制作试件的力学及渗透性影响因素开展试验研究,以此为依据开展"固-气"耦合物理相似模拟试验,揭示不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律。结果表明:最终确定的材料配比组合能够满足岩石力学性能的要求,较原始固相相似模拟材料及"固-气"耦合相似材料PSO(Paraffin石蜡,Sand砂子,Oil油),其渗透速度平均分别下降91.61%及68.29%;通过对新型材料制作出的试件开展力学及渗透特性影响因素试验并进行非线性回归拟合,得出相应变化趋势的拟合方程,同时得到不同淀粉含量对试件抗压强度及渗透性影响趋势的拟合方程。开展二维煤层开采物理相似模拟试验,得到采动覆岩裂隙演化及不同覆岩层位瓦斯浓度分布规律,为进一步开展煤与瓦斯共采多场耦合物理相似模拟试验提供理论依据。     

新型岩石相似材料物理力学参数影响因素的试验研究

运用岩石力学、单因素分析法等理论与方法,通过制作以砂子、石蜡、油等原料的相似材料试件,开展了不同冲击次数、骨料粒径、油含量试件力学性质测试试验。试验结果表明:在石蜡砂子质量之比、油含量等因素一定时,冲击次数为7次、5次、3次,其峰值分别为0.180,0.142,0.123 MPa,冲击次数多的试件抗压强度高于冲击次数少的。骨料粒径为:0.2~0.3,0.3~0.45,0.45~0.9 mm,其峰值分别为0.079,0.114,0.145 MPa,骨料粒径大的试件的抗压强度总是高于骨料粒径小的。油含量为0,10,20 m L,其峰值分别为0.197,0.124,0.108 MPa,油含量大的试件抗压强度低于油含量少的。试件的抗压强度随着冲击次数的不断增大,均随之增大;随着骨料粒径不断增大,均随之增大;随着油含量的不断增加,均随之减小。这些研究成果对相似材料模拟试验具有一定意义。     

成型工艺对废旧瓦楞纸箱制备包装材料性能的影响

 通过实验测试, 研究了利用废旧瓦楞纸箱制备高强度包装材料过程中, 成型工艺对制备材料性能的影响。结果表明, 在打浆度相同时, 热压压力的增大会使试样的抗张强度、断裂伸长率和弹性模量均得到提升, 而热压温度的升高只能使抗张强度和弹性模量得到提升;在热压温度165℃、打浆度35°SR、热压压力2 MPa 条件下试样的断裂伸长率最大, 150℃、27°SR、5 MPa 条件下试样的耐破度出现峰值;热压温度越高, 热压压力越小, 试样的挺度越好。综合考虑, 为了节约能源、缩短制备周期, 较优的成型工艺方案为:打浆度27°SR, 热压温度165℃, 干燥方式根据实际需要选择5 MPa 热压干燥或0.08 MPa 真空干燥。     

聚丙烯纤维增强磷石膏复合材料力学性能研究

利用纤维增强原理对工业废弃磷石膏进行改性,提高其材料力学性能,促进废弃磷石膏的资源化利用。通过在磷石膏基体中掺入长度为3 mm和6 mm的聚丙烯纤维,共制作了78个立方体试件进行压缩试验,研究纤维掺量对磷石膏复合材料力学性能的影响。研究结果表明:聚丙烯纤维可提高磷石膏的延性,复合材料的抗压强度和弹性模量先随纤维掺量的增大而增大,超过一定值后,将随纤维掺量的增加而减小。对于3 mm长的聚丙烯纤维,掺量为2.5%时,其抗压强度达到最大值4.64 MPa,比未掺加纤维的抗压强度3.70 MPa增加25%,弹性模量达到最大值3498 MPa,比未掺纤维的弹性模量2078 MPa增加了68%;对于6 mm长的聚丙烯纤维,掺量为1.5%时,其抗压强度达到最大值4.51 MPa,比未掺加纤维的抗压强度3.70 MPa增加22%,弹性模量达到最大值3413 MPa,比未掺纤维的弹性模量2078 MPa增加了64%。     

生坯制备工艺参数对反应烧结SiC组织性能的影响

分析了生坯制备工艺参数对反应烧结SiC显微组织和性能的影响。结果表明:石油焦含量、石油焦和SiC粒径及成型压力影响生坯气孔率与碳含量的匹配,从而决定了反应烧结SiC材料的组织和性能。当石油焦加入量为ωC=10%,SiC和石油焦粒径为42μm。生坯成型压力为140MPa时,可获得最佳的组织及性能配合,材料的断裂强度和密度分别为310MPa和3.11g·cm-3。     

低强度相似材料参数敏感性正交试验研究

用相似模拟试验进行低强度相似材料参数敏感性试验,选择铁矿粉、重晶石粉、砂及石膏用量4因素5水平进行正交试验。结果表明,铁矿粉和石膏用量分别对相似材料的容重和抗压强度有显著影响,随铁矿粉用量增大,相似材料容重呈增大趋势,随石膏用量增大,相似材料抗压强度逐渐增大;模拟铁矿体合理配比为:m(重晶石)∶m(铁矿粉)∶m(砂)∶m(石膏)=21∶78∶40∶8。     

井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行0.5和1.0 MPa煤层气渗流压力、0.5和1.0 MPa煤层气恒定压力条件下原煤样全应力-应变过程三轴压缩试验,研究井周煤层气渗流特征及煤层气渗流与恒压对煤岩力学性质的影响。结果表明:煤岩渗透系数和煤层气流量随轴向应变增加先降低,在屈服点减小到最低点后逐渐增大,最后趋于稳定;煤层气恒压下的煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量显著低于相应煤层气渗流压力下的值;恒定煤层气压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量越小;煤层气渗流压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量越小;研究结果可为煤层气欠平衡钻井压力控制、固井及储层改造等设计与施工提供技术支持。     

相似材料极限密度及抗压强度稳定性分析

为研究相似材料极限密度和抗压强度稳定性,选取沙子为骨料,水泥为胶结剂,大白粉为调节剂,水为溶剂,以冲击载荷和冲击次数作为影响变量,在特定配比下通过称重和理论计算的方法对填料密度和影响抗压强度稳定性的因素进行了探讨,对饱和点进行了定义。结果表明:随着冲击次数的增加,填料量变化率逐渐减小,随着冲击载荷在100～700 kg范围内的增加,填料量呈线性增加;随着冲击次数的增加,填料密度变化率逐渐减小,当冲击载荷越大,饱和点出现时对应的冲击次数越小,饱和点曲线符合指数函数变化,利用其拟合关系得出极限密度为2. 042 g/cm3;随着冲击次数的增加,抗压强度变化曲线在四、五、六和七等级时的变化率无明显减小,随着冲击载荷在100～700 kg的增加,抗压强度呈线性变化。为提高相似材料抗压强度的稳定性,当填料量越大时,越应控制冲击载荷和冲击次数来制作试件。     

多孔Ti的正压氛围烧结条件及其影响

以高纯Ti粉为原料,在正压(<0.1 MPa,表压)高纯Ar保护下,对多孔Ti的制备条件进行研究。结果表明:Ti粉体中加入的黏结剂聚乙烯醇(PVA)和致孔剂NH4HCO3可通过300～350℃前期热处理除去;体积收缩率随烧结温度的升高和保温时间的延长而增大,当烧结温度>1 000℃时,可得到微观形貌圆滑、具有较粗烧结颈的Ti材料;在实验条件下保温时间从1 h延长至3 h,体积收缩率增加量可达10%;多孔Ti的密度随成型压力的增大而增大,在成型压力>230 MPa时密度随压力变化渐趋平缓;体积收缩率随成型压力的增大而降低,二者呈近线性关系,其中成型压力100 MPa时的试样体积收缩率可达27%;实验制备的多孔Ti在测试中发生塑性屈服,屈服强度可达222.36 MPa,显示了较高的屈服强度和较好的抗压性能。     

水泥和石膏胶结岩样材料参数的敏感性分析

采用正交试验设计的方法进行水泥石膏胶结岩样材料参数的敏感性分析,以含砂率、含水率、胶结比以及砂的粗细比为4因素5水平,设计了25组材料的配比方案对胶结岩样进行了研究.通过称重测量、单轴压缩试验得到岩样密度、抗压强度、峰值应变和弹性模量等参数,运用极差分析,结果表明:掺水率对人工制备岩样的密度、单轴抗压强度和弹性模量影响最大;掺砂率对岩样的峰值应变最大;其他因素的影响不是很明显.     

冷压成型活性材料准静态压缩特性

采用准静态压缩实验的方法,对冷压成型PTFE/Al/W活性材料的力学特性进行了研究。基于准静态应力-应变曲线分析,得到了活性材料密度对抗压强度和杨氏模量的影响规律。结果表明,随着活性材料密度的提高,抗压强度和杨氏模量呈逐渐增大趋势,材料失效裂纹与轴线基本呈30°~45°角。进一步对准静态压缩前、后活性材料试样细观结构电镜扫描分析发现,在一定密度范围内,随着基体材料含量的减少和活性材料密度的提高,准静态压缩载荷作用下材料内部形成的力链数量随之增加,从而导致活性材料抗压强度和杨氏模量的增大。