CN110194611B - 粉砂质泥岩相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉砂质泥岩相似材料及其制备方法，粉砂质泥岩相似材料按照以下质量份数组成：石膏20～80份，有机改性蒙脱石粉20～80份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份。本发明的粉砂质泥岩相似材料，与粉砂质泥岩相似度高，力学参数调整范围广，具有良好的塑形性和均匀性，采用的原材料来源广、价格低，制备方法简单。

Description

粉砂质泥岩相似材料及其制备方法

技术领域

本发明属于地质力学模型试验技术领域，涉及一种粉砂质泥岩相似材料及其制备方法。

背景技术

粉砂质泥岩是一种在我国南方分布较广泛的软岩，具有干缩湿胀、易于风化的特性。在我国南方地区主要为亚热带季风气候，气温的昼夜、季节变化显著，在春夏季时有雨热同期的特点，温度高、湿度大。该地区开展边坡开挖、地下采矿、地下硐室开挖等工程时，开挖临空面下的粉砂质泥岩易受环境温、湿度影响，导致其强度衰减及产生大变形，引起岩体的失稳破坏，危害工程安全。由于粉砂质泥岩干缩湿胀、易于风化的特性，在频繁的降雨及气温显著变化时，含粉砂质泥岩深部岩石工程岩体力学性能易受影响而产生较大变化，影响边坡稳定与安全。实际工程中通过大型三维物理模型试验对深部岩石工程问题进行缩尺处理，将现场工程条件真实的再现到室内试验，可以更方便的设定影响因素，更准确的模拟开挖过程及其影响，更直观的揭示深部岩石工程的变形特点、力学特征和稳定性变化规律。此外，相对工地现场试验，物理模型试验还具有影响因素可重复研究、观察直观、研究周期短、成本低及安全性高等优点。

研制出符合模型试验研究目的的相似材料是大型三维物理模型试验的基础和前提。近些年来国内外学者研制出诸多种类的相似材料，如MIB相似材料、NIOS相似材料、灰岩相似材料、铁晶砂胶结(IBSCM)相似材料、盐岩相似材料、低强度和低弹性模量的软岩等相似材料。

以往研制的岩石相似材料主要利用胶结质的化学反应生成具有粘结力的胶体来调控相似材料的特征，但胶体具脆性性能差以及无法控制压实度等缺点。因此，现有的相似材料通常只具备原岩单一或少数特征的相似，与岩石材料存在相似度低等问题。此外，前人的研究中鲜有涉及具体针对粉砂质泥岩相似材料的制备。总之，现有的相似材料制备方法不能同时和原粉砂质泥岩的重要物理参数相似、力学性能相似、工艺简单、易于成形，原材料获取方便、经济实惠等特点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种粉砂质泥岩相似材料，与粉砂质泥岩相似度高，力学参数调整范围广，具有良好的塑形性和均匀性，采用的原材料来源广、价格低，制备方法简单，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种粉砂质泥岩相似材料，按照以下质量份数组成：石膏20～80份，有机改性蒙脱石粉20～80份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份。

进一步的，所述石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份。

进一步的，所述石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液16份。

进一步的，所述石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝1.5份，饱和酒精松香溶液16份。

进一步的，所述石膏的粒径为2000～3000目，石膏硬度为8.5mp。

进一步的，所述有机改性蒙脱石粉的粒径为200～400目。

进一步的，所述纳米氧化铝的粒径30±10nm，纯度≥98.0％。

一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，称取原料：按照以下质量份数分别称取石膏20～80份，有机改性蒙脱石粉20～80份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份；

S2，将称取的石膏、有机改性蒙脱石粉、纳米氧化铝同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体，搅拌转速30～50rad/s，搅拌5～10min；

S3，向均匀固体混合体中倒入饱和酒精松香溶液快速搅拌均匀，搅拌转速80～100rad/s，搅拌2～5min，快速形成均匀混合料；

S4，将均匀混合料取出，放入模具分层控制压实度，每层压实度为0.75～0.85；

S5，将装填好的试样模具放入17～23℃、湿度95％以上的恒温恒湿的养护箱中养护24～48h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7～8d，即得粉砂质泥岩相似材料。

进一步的，所述S1中，饱和酒精松香溶液的制备方法：将称好的松香粉末放入容器内，缓慢倒入酒精，用玻璃棒按顺时针匀速搅拌均匀，滤出底部剩余松香，得到饱和酒精松香溶液，酒精采用质量浓度90％的医用酒精或者工业酒精。

进一步的，所述步骤S1中，原料的质量比确定方法，具体按照以下步骤进行：

S11，以石膏20～80份、有机改性蒙脱石粉20～80份、饱和酒精松香溶液16份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定单轴抗压强度，绘制石膏与有机改性蒙脱石粉质量比对单轴抗压强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样单轴抗压强度的石膏与有机改性蒙脱石粉质量比，即石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比；

S12，以石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比、饱和酒精松香溶液10～21份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定单轴抗压强度，绘制饱和酒精松香溶液对单轴抗压强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样单轴抗压强度的饱和酒精松香溶液加入量，即饱和酒精松香溶液最佳加入量；

S13，以石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比、饱和酒精松香溶液最佳加入量、纳米氧化铝0.3～3.6份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定劈裂强度，绘制纳米氧化铝含量与劈裂强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样劈裂强度的纳米氧化铝加入量，即得。

本发明的有益效果是，具有以下优点：

1、本发明制备的粉砂质泥岩相似材料密度范围达到1.9g/cm³～2.5g/cm³，单轴抗压强度峰值应力调整范围在2.21～28.55MPa之间，劈裂强度在1.6～2.0MPa之间，同时满足抗压强度、劈裂强度、密度与粉砂质泥岩原岩的相似比接近于1:1；实现多特征相似，能够替代现场采样的原岩试样开展相关实验研究，避免人工现场采样及采样速度，有效节约制样成本，提高实验速度；为复杂的粉砂质泥岩原岩试验研究提供便利，克服以往相似材料只注重单一指标的缺点。

2、本发明粉砂质泥岩相似材料采用两种细骨料混合提高试样均匀性，采用纳米氧化铝添加剂以有效的填充细骨料中孔隙、改善孔隙结构，增加内部的密实度；松香作为有机胶结剂，将骨料颗粒粘接在一起；有机改性蒙脱石粉具有亲水性较强，易于发生水化反应，发生水化反应产物能包裹住凝胶颗粒，产生胶结结构，改善了界面结构；石膏作为粘结剂在养护过程中与水发生反应进一步提高相似材料的抗拉及抗压强度，满足粉砂质泥岩抗压强度与劈裂强度的要求。

3、本发明原材料来源广泛，价格低廉，无毒无害，工艺简单，浇筑压实成型，操作方便，结合胶结作用、调节剂和制样过程中的压实度控制，对相似材料的各个指标的影响，通过实验配比实现多指标的设定，克服胶体脆性性能差以及无法控制压实度等缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明有机改性蒙脱石粉与细骨料质量比对相似材料密度的影响规律。

图2为本发明石膏与有机改性蒙脱石粉质量比对相似材料单轴抗压强度的影响规律。

图3为本发明调和剂与细骨料质量比对相似材料单轴抗压强度的影响规律。

图4是本发明实施例4的三轴压缩应力应变曲线。

图5是真实粉砂质泥岩的三轴压缩应力应变曲线。

图6为纳米氧化铝用量与细骨料质量比对相似材料劈裂强度的影响规律。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明粉砂质泥岩相似材料，采用石膏和有机改性蒙脱石粉为细骨料，纳米氧化铝为添加剂，松香为胶结剂，酒精为调和剂；按照以下质量份数组成：石膏20～80份，有机改性蒙脱石粉20～80份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份。

石膏的粒径为2000～3000目，石膏硬度为8.5mp；有机改性蒙脱石粉的粒径为200～400目，纳米氧化铝的粒径30±10nm，纯度≥98.0％。

饱和酒精松香溶液作为胶结剂，对细骨料起到塑形和胶结作用，形成凝胶颗粒；采用饱和酒精松香溶液拌和的混合料在成型后强度发展快，性能稳定，且可方便地将界面通过酒精粘合起到塑形作用。采用饱和酒精松香溶液将细骨料搅拌成半固体，易于浇筑成型，同时避免直接采用水与细骨料石膏搅拌浇筑过程中，快速发生反应，产生气泡及孔隙的不良情况。

饱和酒精松香溶液中的酒精采用质量浓度90％的医用酒精或者工业酒精，作为调和剂，松香具有黏性，尤其是快黏性，本身就是一种很好的粘合剂；松香易溶于酒精形成饱和酒精松香溶液作为一种调节剂，饱和酒精松香溶液与细骨料搅拌均匀后，又易于塑型；饱和酒精松香溶液作为胶结剂可根据饱和酒精松香溶液用量调节胶结强度；随着酒精和松香中易挥发物质的挥发后，均匀分布在酒精中的松香极易结晶与细骨料很快干燥后胶结在一起，起到很好的调节胶结强度的作用。

采用饱和酒精松香溶液作为调和剂具有以下优点：松香本身具有很强的粘性，液态松香的粘结强度较大，可用于调节粉砂质泥岩的强度，根据需要添加松香的用量；松香可以很好的溶于酒精等有机溶剂，形成饱和酒精松香溶液和骨料一起搅拌，可将所有材料混合均匀后易于成型，又可起到很好的胶结作用；酒精具有易挥发，松香也有易挥发结晶的特点，制成后的试样在养护过程中，随着酒精的挥发和松香的挥发结晶，很快就达到预期强度；根据粉砂质泥岩相似材料的强度要求，添加饱和酒精松香溶液可很好的调节控制试样的胶结强度。

纳米氧化铝的作用：从化学角度进行分析，由于纳米氧化铝比表面积大，其颗粒表面吸附更多的微粒子，且易于发生水化反应，发生水化反应产物能包裹住凝胶颗粒，产生胶结结构，改善了界面结构，所以适量的掺入纳米氧化铝后能够提升相似材料的抗压强度与劈裂强度。

纳米氧化铝具有极强的与有机分子化合物的相容性和吸附性，作用机理是：一方面纳米氧化铝在有机溶液中具有良好的分散性，有效的填充细骨料中孔隙、改善孔隙结构，增加内部的密实度；另一方面，从物理角度进行分析，由于纳米氧化铝的数量级非常的小，并且都具有较强的吸水性能，适量的掺入纳米氧化铝可以填充混凝土中的微小孔洞，并改良孔洞结构，同时随着一定量毛细管水分损失，使得凝胶颗粒之间的距离被拉近，进一步提高了相似材料的密实度，表现出更强的抗压强度与劈裂强度。从化学角度进行分析，由于纳米氧化铝比表面积大，其颗粒表面吸附更多的微粒子，增加离子间的相互作用，纳米粒子与基体界面间强的相互作用使得有机改性纳米蒙脱在有机溶液中具有良好的凝胶性；且易于发生水化反应，发生水化反应产物能包裹住凝胶颗粒，产生胶结结构，改善了界面结构，提高了材料的抗拉强度，所以适量的掺入纳米氧化铝后能够提升相似材料的抗压强度与劈裂强度。

有机改性蒙脱石粉和石膏作为细骨料起支撑作用，其中有机改性蒙脱石粉通过离子交换，将蒙脱石层间的金属离子置换出来，扩大蒙脱石层间距离，增加高分子化合物的相容性和吸附性，使其吸附性能得到很大提高，其本身具有很强的吸附力、阳离子交换性能，因此有机改性蒙脱石粉层面具有更复杂的吸附位置和更强的吸附活性，更易与细微颗粒发生聚团沉降，促进有机改性蒙脱石粉与石膏、纳米氧化铝的相互结合。同时石膏作为粘结剂与饱和酒精松香溶液及养护箱中的水混合反应，最终生成糊状物后快速凝固，增加材料的黏聚力，提高相似材料的抗压强度与劈裂强度，其化学反应式如下：

2CaSO₄·H₂O+3H₂O→2(CaSO₄·2H₂O)

一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，按照以下质量份数分别称取石膏20～80份，有机改性蒙脱石粉20～80份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份；饱和酒精松香溶液的制备方法：将称好的松香粉末放入容器内，缓慢倒入酒精，用玻璃棒按顺时针匀速搅拌均匀，滤出底部剩余松香，得到饱和酒精松香溶液。

S2，将称取的石膏、有机改性蒙脱石粉、纳米氧化铝同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成固体混合体；搅拌转速30～50rad/s，搅拌5～10min，快速形成均匀混合材料，节约制样时间，避免搅拌出现材料不均匀性，造成试样初始材料不均匀产生的缺陷；

S3，向均匀混合材料中倒入饱和酒精松香溶液快速搅拌均匀，搅拌转速80～100rad/s，搅拌2～5min，以更快的搅拌速度和较短的搅拌时间，可快速形成均匀混合材料，节约制样时间，避免搅拌时间过长出现酒精松香的快速挥发，又可以避免时间太短搅拌不均匀而出现的浇筑成型后的缺陷；

S4，将拌合均匀的混合料取出，每次称取总质量的三分之一，放入模具中采用预先调试设定好的加载仪分层控制压实度，每层压实度为0.75～0.85，每层稳压2分钟，每次装样前都要将上次底层刮毛，装样完毕后顶部要用刮刀刮平；

S5，将装填好的试样模具放入17～23℃、湿度95％以上的恒温恒湿的养护箱中养护24～48h，取出试样拆除模具螺丝，进行脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7～8d，即得粉砂质泥岩相似材料。

实施例1，

一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，按照以下质量份数分别称取石膏20份，有机改性蒙脱石粉80份，纳米氧化铝0.3份，饱和酒精松香溶液21份；

S2，将称取的石膏、有机改性蒙脱石粉、纳米氧化铝同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体，搅拌转速50rad/s，搅拌5min；

S3，向均匀固体混合体中倒入饱和酒精松香溶液快速搅拌均匀，搅拌转速80rad/s，搅拌5min，快速形成均匀混合料；

S4，将均匀混合料取出，放入模具分层控制压实度，每层压实度是0.75；用于将相似材料的密度控制接近于粉砂质原岩的密度；

S5，将装填好的试样模具放入23℃、湿度95％的恒温恒湿的养护箱中养护24h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7d，即得粉砂质泥岩相似材料。

实施例2，

一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，按照以下质量份数分别称取石膏80份，有机改性蒙脱石粉20份，纳米氧化铝3.6份，饱和酒精松香溶液10份；

S2，将称取的石膏、有机改性蒙脱石粉、纳米氧化铝同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体，搅拌转速30rad/s，搅拌10min；

S3，向均匀固体混合体中倒入饱和酒精松香溶液快速搅拌均匀，搅拌转速100rad/s，搅拌2min，快速形成均匀混合料；

S4，将均匀混合料取出，放入模具分层控制压实度，每层压实度是0.85；

S5，将装填好的试样模具放入17℃、湿度97％的恒温恒湿的养护箱中养护48h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护8d，即得粉砂质泥岩相似材料。

实施例3，

一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，具体按照以下步骤进行：

S1，按照以下质量份数分别称取石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝1.5份，饱和酒精松香溶液16份；

S2，将称取的石膏、有机改性蒙脱石粉、纳米氧化铝同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体，搅拌转速40rad/s，搅拌8min；

S3，向均匀固体混合体中倒入饱和酒精松香溶液快速搅拌均匀，搅拌转速90rad/s，搅拌4min，快速形成均匀混合料；

S4，将均匀混合料取出，放入模具分层控制压实度，每层压实度是0.80；

S5，将装填好的试样模具放入20℃、湿度99％的恒温恒湿的养护箱中养护36h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7d，即得粉砂质泥岩相似材料。

将实施例3制得的粉砂质泥岩相似材料采用标准的Ф50×h100mm的标准双开钢制样模具制样，测定单轴抗压强度为16.51MPa，与粉砂质泥岩原岩的平均单轴抗压强度(16.12MPa)非常接近；测定劈裂强度为1.67MPa，与粉砂质泥岩原岩的平均劈裂强度(1.75MPa)非常接近；说明实施例3获得了相似度较高的粉砂质泥岩相似材料。

粉砂质泥岩相似材料的制备中原料的质量比确定方法，具体按照以下步骤进行：

S11，以石膏20～80份、有机改性蒙脱石粉20～80份、饱和酒精松香溶液16份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定单轴抗压强度，绘制石膏与有机改性蒙脱石粉质量比对单轴抗压强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样单轴抗压强度的石膏与有机改性蒙脱石粉质量比，即石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比；

S12，以石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比、饱和酒精松香溶液10～21份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定单轴抗压强度，绘制饱和酒精松香溶液对单轴抗压强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样单轴抗压强度的饱和酒精松香溶液加入量，即饱和酒精松香溶液最佳加入量；

S13，以石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比、饱和酒精松香溶液最佳加入量、纳米氧化铝0.3～3.6份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定劈裂强度，绘制纳米氧化铝含量与劈裂强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样劈裂强度的纳米氧化铝加入量，即得。

为简化实验难度，避开正交实验中的因素选取，上述原料的质量比确定方法尽管试验次数比较多，但相对比较简单，易于实施，且可以得到满足原岩要求的相似材料相关的力学指标。

实施例A1-A13中制备粉砂质泥岩相似材料各原料质量比见表1，实施例A1-A13的的S2不加纳米氧化铝，其它操作步骤与实施例3相同。

表1实施例A1-A13中粉砂质泥岩相似材料的各原料质量比

实施例	配方
		A1	石膏20份，有机改性蒙脱石粉80份，饱和酒精松香溶液16份；
A2	石膏25份，有机改性蒙脱石粉75份，饱和酒精松香溶液16份；
		A3	石膏30份，有机改性蒙脱石粉70份，饱和酒精松香溶液16份；
A4	石膏35份，有机改性蒙脱石粉65份，饱和酒精松香溶液16份；
		A5	石膏40份，有机改性蒙脱石粉60份，饱和酒精松香溶液16份；
A6	石膏45份，有机改性蒙脱石粉55份，饱和酒精松香溶液16份；
		A7	石膏50份，有机改性蒙脱石粉50份，饱和酒精松香溶液16份；
A8	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液16份；
		A9	石膏60份，有机改性蒙脱石粉40份，饱和酒精松香溶液16份；
A10	石膏65份，有机改性蒙脱石粉35份，饱和酒精松香溶液16份；
		A11	石膏70份，有机改性蒙脱石粉30份，饱和酒精松香溶液16份；
A12	石膏75份，有机改性蒙脱石粉25份，饱和酒精松香溶液16份；
		A13	石膏80份，有机改性蒙脱石粉20份，饱和酒精松香溶液16份；

实施例A1-A13的石膏与有机改性蒙脱石粉质量比对单轴抗压强度变化曲线，见图2，由图2可知石膏55份、有机改性蒙脱石粉45份(质量比为1.2：1)时，单轴抗压强度(16.51MPa)最接近与粉砂质泥岩原样单轴抗压强度(16.12MPa)，即石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比为1.2：1；实施例A1-A13制备粉砂质泥岩相似材料的密度，见图1，通过图1说明该相似材料密度大(1.9g/cm³～2.5g/cm³)且可以在较大范围内通过石膏和有机改性蒙脱石粉用量调整。

实施例B1-B12中制备粉砂质泥岩相似材料各原料质量比见表2，实施例B1-B12的的S2不加纳米氧化铝，其它操作步骤与实施例3相同。

表2实施例B1-B12中粉砂质泥岩相似材料的各原料质量比

实施例	配方
		1	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液10份；
2	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液11份；
		3	石膏50份，有机改性蒙脱石粉50份，饱和酒精松香溶液12份；
4	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液13份；
		5	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液14份；
6	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液15份；
		7	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液16份；
8	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液17份；
		9	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液18份；
10	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液19份；
		11	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液20份；
12	石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液21份；

实施例B1-B12，石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，饱和酒精松香溶液10-21份；模具采用Ф50×h100mm的圆柱形模具，制成标准单轴压缩试样，通过三轴压缩试验进行物理力学参数测试。饱和酒精松香溶液(调和剂)与细骨料质量比对单轴抗压强度变化曲线见图3，由图3可知饱和酒精松香溶液用量占总细骨料质量的16％时(即16份)，相似材料单轴抗压强度(15.548MPa)最接近相似比为1:1的粉砂质泥岩原岩的平均单轴抗压强度(16.12MPa)，饱和酒精松香溶液最佳加入量为16份。

根据实施例A1-A13，确定细骨料石膏与有机改性蒙脱石粉大致配比后的单轴抗压强度值，再根据实施例B1-B12，调节饱和酒精松香溶液的用量，作用是通过饱和酒精松香溶液的用量来精确微调，精确粉砂质泥岩的单轴抗压强度值，拟定最终相似材料的配比。

实施例4，

一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，按照以下质量份数分别称取石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝0.3份，饱和酒精松香溶液16份；其它操作步骤与实施例3相同。

图4是实施例4的三轴压缩应力应变曲线，图5是真实粉砂质泥岩的三轴压缩应力应变曲线；图4和图5的曲线峰值应力相差不大，变化趋势比较接近，得知实施例4的三轴抗压强度接近真实粉砂质泥岩的抗压强度。

通过分别调节石膏与有机改性蒙脱石粉的配比及饱和酒精松香溶液用量实现单轴抗压强度的调节；接着在满足控制单轴抗压强度接近粉砂质泥岩原岩指标的同时，再通过调节纳米氧化铝的用量实现劈裂强度的调节。

实施例C1-C5中制备粉砂质泥岩相似材料各原料质量比见表3，纳米氧化铝的质量份数分别为0.3份、0.6份、0.9份、1.2份、1.5份、1.8份2.1份、2.4份、2.7份、3.0份、3.3份、3.6份(即纳米氧化铝加入质量为细骨料质量的0.3％、0.6％、0.9％、1.2％、1.5％、1.8％、2.1％、2.4％、2.7％、3.0％、3.3％、3.6％)；实施例C1-C5的其它操作步骤与实施例3相同。

表3实施例C1-C5中粉砂质泥岩相似材料的各原料质量比

将实施例C1-C5制备粉砂质泥岩相似材料，使用标准Ф50×h50mm圆柱形模具制成标准单巴西劈裂圆盘试样，进行抗拉强度物理力学参数测试，测得劈裂强度；纳米氧化铝加入量与劈裂强度变化曲线，见图6，由图6可知，石膏与有机改性蒙脱石粉质量比为1.2：1时，纳米氧化铝为1.5份时，粉砂质泥岩相似材料的劈裂强度(1.80MPa)与粉砂质泥岩原岩劈裂强度(1.75MPa)最接近，更符合原岩相似材料的性质。

通过相似材料配比实验，对多组试样进行单轴压缩试样，可以得到对应的试验数据单轴抗压强度峰值应力最小配比为石膏20份，有机改性蒙脱石粉80份，饱和酒精松香溶液16份配比下的2.21MPa,单轴抗压强度峰值应力最大配比为石膏80份，有机改性蒙脱石粉20份，饱和酒精松香溶液16份28.55MPa，之间的强度可通过调配细骨料配比及饱和酒精松香溶液用量来实现单轴抗压强度峰值应力调整范围在2.21～28.55MPa之间。对于劈裂强度在1.6～2.0MPa之间，同样根据在最接近相似比为1:1的单轴抗压强度下，通过添加纳米氧化铝，提高了材料的抗拉强度，所以适量的掺入纳米氧化铝后能够提升相似材料的劈裂强度，在参入石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝0.3份，饱和酒精松香溶液16份下，劈裂强度为1.0MPa；石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝3.6份,饱和酒精松香溶液16份，劈裂强度为1.8MPa，劈裂强度之间变化。

本发明粉砂质泥岩相似材料的原材料来源广泛，价格低廉，无毒无害；本发明制备的粉砂质泥岩相似材料密度范围达到1.9g/cm³～2.5g/cm³，单轴抗压强度峰值应力调整范围在2.21～28.55MPa之间，劈裂强度在1.6～2.0MPa之间，粉砂质泥岩原岩的平均密度为2.23g/cm³，平均单轴抗压强度16.12MPa，平均劈裂强度1.75MPa；可见本发明制得的粉砂质泥岩相似材料的抗压强度、劈裂强度、密度与粉砂质泥岩原岩相符，且三个参数同时满足粉砂质泥岩原岩的相似比接近于1:1；可以模拟大部分粉砂质泥岩变形破坏过程；通过纳米氧化铝调节劈裂强度，调节方便，本发明粉砂质泥岩相似材料的制备方法简单，浇筑成型，操作方便，易于成型，均一性好，性质稳定，可广泛应用于精确模拟粉砂质泥岩的相关力学模型试验研究。

本发明制得的粉砂质泥岩相似材料具备原岩试样的多个特征参数，能够用于开展复杂的类岩石实验，例如可大量用来模拟多因素下粉砂质泥岩原岩的吸水膨胀实验、裂隙蠕变实验、渗流实验、蠕变-渗流等实验，分析不同影响因素对粉砂质泥岩相似材料岩体物理力学性质产生的不同影响及裂隙损伤本构模型，类比得出粉砂质泥岩原岩试样的特性，制样方便快捷、实验成本低，避免原岩存在的缺陷对实验结果的影响；可浇筑成大型粉砂质泥岩相似材料的边坡岩体、基坑、隧道围岩等工程，有效预制裂隙、节理、等初始缺陷，设定不同尺度的模型实验，采用离心式类比分析实际粉砂质泥岩工程，得出相关工程特性，避免开展大型的现场原位实验，可重复性高，节约时间与成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种粉砂质泥岩相似材料，其特征在于，按照以下质量份数组成：石膏20～80份，有机改性蒙脱石粉20～80份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份。

2.根据权利要求1所述的一种粉砂质泥岩相似材料，其特征在于，所述石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份。

3.根据权利要求2所述的一种粉砂质泥岩相似材料，其特征在于，所述石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液16份。

4.根据权利要求3所述的一种粉砂质泥岩相似材料，其特征在于，所述石膏55份，有机改性蒙脱石粉45份，纳米氧化铝1.5份，饱和酒精松香溶液16份。

5.根据权利要求1所述的一种粉砂质泥岩相似材料，其特征在于，所述有机改性蒙脱石粉的粒径为200～400目。

6.根据权利要求1所述的一种粉砂质泥岩相似材料，其特征在于，所述纳米氧化铝的粒径30±10nm，纯度≥98.0%。

7.一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

S1，称取原料：按照以下质量份数分别称取石膏20～80份，有机改性蒙脱石粉20～80份，纳米氧化铝0.3～3.6份，饱和酒精松香溶液10～21份；

S2，将称取的石膏、有机改性蒙脱石粉、纳米氧化铝同时倒入搅拌机，充分拌合均匀，形成均匀固体混合体，搅拌转速30～50rad/s，搅拌时间5～10min；

S3，向均匀固体混合体中倒入饱和酒精松香溶液快速搅拌均匀，搅拌转速80～100rad/s，搅拌时间2～5min，形成均匀混合料；

S4，将均匀混合料取出，放入模具分层控制压实度，每层压实度为0.75～0.85；

S5，将装填好的试样模具放入17～23℃、湿度95%以上的恒温恒湿养护箱中养护24～48h，脱模，放入恒温恒湿箱中再养护7～8d，即得粉砂质泥岩相似材料。

8.根据权利要求7所述的一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，其特征在于，所述S1中，饱和酒精松香溶液的制备方法：将称好的松香粉末放入容器内，缓慢倒入酒精，用玻璃棒按顺时针匀速搅拌均匀，滤出底部剩余松香，得到饱和酒精松香溶液，酒精采用质量浓度90%的医用酒精或者工业酒精。

9.根据权利要求7所述的一种粉砂质泥岩相似材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，原料的质量比确定方法，具体按照以下步骤进行：

S11，以石膏20～80份、有机改性蒙脱石粉20～80份、饱和酒精松香溶液16份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定单轴抗压强度，绘制石膏与有机改性蒙脱石粉质量比对单轴抗压强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样单轴抗压强度的石膏与有机改性蒙脱石粉质量比，即石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比；

S12，以石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比、饱和酒精松香溶液10～21份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定单轴抗压强度，绘制饱和酒精松香溶液对单轴抗压强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样单轴抗压强度的饱和酒精松香溶液加入量，即饱和酒精松香溶液最佳加入量；

S13，以石膏与有机改性蒙脱石粉的最佳质量比、饱和酒精松香溶液最佳加入量、纳米氧化铝0.3～3.6份为原料，进行多组试验，制备粉砂质泥岩相似材料，测定劈裂强度，绘制纳米氧化铝含量与劈裂强度变化曲线，获得最接近于粉砂质泥岩原样劈裂强度的纳米氧化铝加入量，即得。

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