CN116023118B - 模拟渐进崩解的红层软岩相似材料及其制备方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备方法,以石英砂作为骨料,掺入蒙脱石颗粒、玻璃粉及饱和氯化钠溶液形成混合料,其中,所述玻璃粉的熔点低于石英砂的熔点,玻璃粉的掺量为所述混合料总重的0.5‑2%;将所述混合料拌和均匀,以高于玻璃粉熔点低于石英砂熔点的温度加热,使混合料中的玻璃粉熔化附着在其他固体颗粒表面;在一定压力条件下压制所述混合料,冷却成型后完成制备。本申请还提供一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料和一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备装置。本申请可以制备能模拟红层软岩渐进崩解过程的相似材料,供相关研究的室内模型实验选用。
Description
技术领域
本申请属于岩层相似材料技术领域,具体涉及一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料及其制备方法和装置。
背景技术
红层软岩是一种在干湿循环条件下发生渐进式崩解的地质材料。它是一种沉积岩,形成于漫长的地质历史时期,在漫长的成岩过程中,虽然沉积物所处的温度和压力不是很高,岩石矿物不会发生变质作用,但岩石颗粒在长期的地层压力下,也会发生边角破碎、重结晶等地质作用,从而形成了紧密的嵌固作用,因此天然软岩的强度并非完全来自结合料的胶结作用,还来自颗粒之间的嵌固作用。这种嵌固作用,不会在软岩浸水过程中在水作用下一次性解体,而需要经过多次干湿循环才会逐渐松动,即随着烘干浸水次数或经历干湿循环次数的增多,软岩先解体为大块,然后大块逐步解体为小块,最终解体到最小粒度,以致最终崩解,呈现一种渐进式崩解的状态。
在室内实验研究过程中,由于天然岩石难以制备成需要的几何形状,通常采用相似材料制作相应缩尺试样、模型的方式来进行实验。相似材料与天然岩石特性的相似程度是决定实验结果准确性的关键因素。
相关技术中,以砂、重晶石粉、铁粉等作为骨料,以石膏、石灰、水泥、松香酒精溶液等作为胶结材料,在骨料中掺入胶结料成型后形成相似材料。成型后相似材料的强度主要取决于胶结料的特性,当胶结料易溶于水时,相似材料浸水后一次性崩解;当胶结料不溶于水时,相似材料就不会浸水崩解。这种相似材料可以模拟红层软岩的密度、强度、模量等基本物理力学性质,但是难以模拟红层软岩崩解的渐进性。
因此,实有必要提供一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料及其制备方法和装置以解决上述问题。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料及其制备方法和装置,以石英砂作为骨料,以低熔点的玻璃粉作为掺料,在高温作用下,玻璃粉熔化附着在其他固体颗粒表面,可润滑混合料中固体颗粒表面,加速颗粒间的移动和密实,冷却后凝固,能够使周围颗粒形成嵌固作用结构,可以很好的用于模拟天然红层软岩在干湿循环条件下的渐进崩解过程。
为了解决上述技术问题,本申请是这样实现的:
一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备方法,包括如下步骤:
S1:以石英砂作为骨料,掺入蒙脱石颗粒、玻璃粉及饱和氯化钠溶液形成混合料,其中,所述玻璃粉的熔点低于石英砂的熔点,玻璃粉的掺量为所述混合料总重的0.5-2%;
S2:将所述混合料拌和均匀,以高于玻璃粉熔点低于石英砂熔点的温度加热,使混合料中的玻璃粉熔化附着在混合料中的其他固体颗粒表面;
S3:在一定压力条件下压制所述混合料,冷却成型后完成制备。
优选的,所述玻璃粉选自硅钛透明玻璃粉。
优选的,所述玻璃粉的熔点为400-500℃,粒径为800目;石英砂的熔点为800-1000℃,采用多种粒径的砂体混合而成,其中40-70目砂体占比35%,70-110目砂体占比10%,110-200砂体占比20%,200-300目砂体占比35%。
优选的,所述步骤S2中,加热温度为500℃,所述步骤S3中,压制的压力为15-20MPa。
优选的,所述混合料中,石英砂的重量占比为38-39.5%,蒙脱石的重量占比为50%,饱和氯化钠溶液的重量占比为10%。
一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料,采用上述的制备方法制备而成。
优选的,所述模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的密度为1.83-1.95g·cm-3,孔隙度为14-21%,单轴抗压强度为5.94-10.42MPa,弹性模量为183.31-457.97MPa。
一种用于制备上述的模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的装置,包括支架、模具、加热***及液压***,所述模具包括模座、上模和下模,所述模座、上模和下模配合围成所述相似材料成型的型腔,所述加热***用于对所述模具加热,所述上模与所述支架固定,下模与所述液压***连接,所述液压***驱动所述下模向靠近所述上模方向移动。
优选的,所述支架包括底部反力梁、顶部反力梁、第一支杆,所述底部反力梁和顶部反力梁相对平行间隔,所述第一支杆连接所述底部反力梁和顶部反力梁,所述顶部反力梁和所述第一支杆活动连接,用于调节所述顶部反力梁在所述第一支杆上的安装高度。
优选的,所述支架还包括第二支杆,所述第二支杆固定于所述底部反力梁上,并设置于第一支杆的内侧,所述加热***包括加热炉、电阻丝、温度传感器及温控器,所述液压***包括千斤顶及液压控制***,所述加热炉固定于所述第二支杆的顶部,所述模座收容于所述加热炉内,所述上模穿过所述加热炉的顶部与所述顶部反力梁固定,所述下模穿过所述加热炉的底部与所述千斤顶的输出轴连接,所述千斤顶驱动所述下模向靠近所述上模方向移动,所述电阻丝及所述温度传感器均设置于所述加热炉内,所述电阻丝通电后对所述加热炉形成加热效果,所述温度传感器用于检测所述加热炉内的温度,所述温度传感器与所述温控器连接,向所述温控器发送检测数据,所述温控器根据检测数据控制所述电阻丝的运行;所述千斤顶与所述液压控制***连接,由所述液压控制***控制运行。
在本申请实施例中,以石英砂作为骨料,以低熔点的玻璃粉作为掺料,在高温作用下,玻璃粉熔化附着在混合料中的其他固体颗粒表面,可起到润滑固体颗粒表面的作用,加速颗粒间的移动和密实,冷却后凝固,能够使周围颗粒形成嵌固作用结构,可以很好的用于模拟天然红层软岩在干湿循环条件下的渐进崩解过程。
附图说明
图1(a)表示的是压实压溶作用引起的颗粒嵌固,图1(b)表示的是石英砂次生加大引起的颗粒嵌固;
图2表示红层软岩干湿循环气压致裂示意图;
图3(a)表示的是试样Q1断面放大150倍的断面图,图3(b)表示的是试样Q1断面放大1500倍的断面图;
图4(a)表示的是试样Q2断面放大150倍的断面图,图4(b)表示的是试样Q2断面放大1500倍的断面图;
图5(a)表示的是试样Q3断面放大150倍的断面图,图5(b)表示的是试样Q3断面放大1500倍的断面图;
图6表示的是天然红层软岩微观结构电镜扫描图,(a)表示的是放大150倍的断面图,(b)表示的是放大1500倍的断面图;
图7表示的是试样A1、A2、A3及天然红层软岩烘干-浸水崩解表现图;
图8表示的是试样A1、A2、A3及天然红层软岩干湿循环下表面裂缝分布分形维数变化情况图;
图9表示的是试样A1、A2、A3及天然红层软岩单轴抗压实验的应力-应变曲线;
图10表示的是用于制备模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
请结合参阅图1-10,本申请提供一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备方法,包括如下步骤:
S1:以石英砂作为骨料,掺入蒙脱石颗粒、玻璃粉及饱和氯化钠溶液形成混合料,其中,所述玻璃粉的熔点低于石英砂的熔点,玻璃粉的掺量为所述混合料总重的0.5-2%;
S2:将所述混合料拌和均匀,以高于玻璃粉熔点低于石英砂熔点的温度加热,使混合料中的玻璃粉熔化附着在混合料中的其他固体颗粒表面;
S3:在一定压力条件下压制所述混合料,冷却成型后完成制备。
研究表明,红层软岩的强度主要来源于两种作用:①颗粒间的矿物胶结作用;②颗粒间的嵌固作用。嵌固作用形成的原因主要来自于两个方面:
(1)压实作用,岩石碎屑颗粒在上覆颗粒的重力作用及构造作用下发生压实变形,导致颗粒定向排列,呈凹凸状接触;
(2)石英砂次生加大,溶解于水中的硅质以石英碎屑颗粒表面为共同的基底生长、连接,使加大前呈点或漂浮状接触的石英碎屑颗粒在加大后呈凹凸状接触。
请参阅图1,图1(a)表示的是压实压溶作用引起的颗粒嵌固,图1(b)表示的是石英砂次生加大引起的颗粒嵌固。
导致红层软岩崩解的主要原因有三种:①胶结物溶解导致固体颗粒脱离;②浸水后固体颗粒吸水体积膨胀不均匀;③软岩浸水后水分进入岩石裂隙中压缩封闭裂隙中空气形成气压的气致开裂。
这三个崩解作用的破坏机制和进程并不完全相同:①胶结物溶解,该作用破坏岩石的矿物胶结作用,其进展较迅速,只要溶液没有达到相应离子的饱和状态,胶结物就会一直溶解。因此在足够清水的浸泡下,胶结物溶解不会导致渐进式崩解;②颗粒浸水不均匀膨胀,该作用破坏岩石颗粒胶结和嵌固作用结构,因为一次不均匀膨胀只会令嵌固作用结构张开一点,因此不均匀膨胀导致开裂需要若干反复过程,对嵌固紧密的结合作用,需要重复干燥浸泡才可以解开;③气致崩溃,该作用是致红层软岩崩解的主要原因,其原理如图2所示,含有微空隙的软岩烘干浸水后,在毛细力(表面张力)的作用下,孔隙水蔓延至岩石内部孔隙深处,孔隙中原有的空气受到压迫,体积从V 1减小到V 2,伴随着孔隙压力从P 1增大到P 2,同时令致裂抗裂强度小于P 2的裂隙扩张。裂隙扩张后,可容纳空气的体积增大,空气压力随之减小,扩张停止。待后续烘干浸水循环不断重复以上过程,最终呈现出渐进式崩解的特征。
红层软岩具备以下几种性质:(1)具有软岩的基本力学特征;(2)部分能遇水溶解;(3)有一定的吸水膨胀性;(4)能够形成具有一定抗水能力的嵌固作用结构,在多次干湿循环条件下,嵌固作用结构逐渐被破坏;(5)内部形成有微孔隙。
相似材料的性质应该与红层软岩的上述性质具备相似性。现有技术的相似材料依靠选用不同的胶结物来模拟,只能形成胶结强度,不能形成嵌固强度,因此所得相似材料要么一次性崩解要么不崩解,不能体现崩解的渐进性特征。本申请的技术方案中,以石英砂作为骨料,以低熔点的玻璃粉作为掺料,制备得到的相似材料具备性质(1)和性质(5),在高温作用下,玻璃粉熔化附着在其他固体颗粒表面,可起到润滑固体颗粒表面的作用,加速颗粒间的移动和密实,冷却后凝固,能够使周围颗粒形成嵌固作用结构,可以用于模拟性质(4);高温条件下,饱和氯化钠溶液结晶,并对周围固体颗粒形成胶结,氯化钠晶体又可以遇水溶解,可以用于模拟性质(2);蒙脱石颗粒具有吸水膨胀的性质,膨胀后使内部产生不均匀应力,可以用于模拟性质(3)。
模拟红层软岩颗粒间的嵌固作用是制备渐进式崩解相似材料的关键,而天然红层软岩的形成过程历经时间长久,因此在制备相似材料的过程,通过加温加压的方式来加快相似材料内部嵌固作用结构的形成,缩短制备的周期。但是过高的温度和压力会导致骨料颗粒发生变质作用,所得样品不再是沉积岩,因此选择的制备温度高于玻璃粉的熔点,低于石英砂的熔点,在保证玻璃粉融化的同时,避免石英砂变质。
优选的,所述玻璃粉选自硅钛透明玻璃粉,其熔点为400-500℃,粒径为800目;石英砂的熔点为800-1000℃,采用多种粒径的砂体混合而成,其中40-70目砂体占比35%,70-110目砂体占比10%,110-200砂体占比20%,200-300目砂体占比35%。
混合料中,石英砂的重量占比为38-39.5%,蒙脱石的重量占比为50%,饱和氯化钠溶液的重量占比为10%。
所述步骤S2中,加热温度为500℃,在步骤S3中,压制的压力为15-20MPa。
实施例1
本实施例用于研究玻璃粉的掺量对相似材料的性能影响。
调整混合料中玻璃粉的掺量,在550℃、20MPa的条件下,将混合料压制20h,冷却成型后形成试样Q1、Q2、Q3,试样Q1、Q2、Q3中物料的配比如表1所示:
表1试样Q1、Q2、Q3物料配比
试样编号 | 玻璃粉/% | 蒙脱石/% | 石英砂/% | 饱和氯化钠溶液/% |
Q1 | 0.5 | 50 | 39.5 | 10 |
Q2 | 2 | 50 | 38 | 10 |
Q3 | 5 | 50 | 35 | 10 |
采用JSM-IT500LV型扫描电子显微镜观察试样Q1、Q2、Q3的新鲜断面,结果如图3-5所示,其中图3(a)表示的是试样Q1断面放大150倍的断面图,图3(b)表示的是试样Q1断面放大1500倍的断面图;图4(a)表示的是试样Q2断面放大150倍的断面图,图4(b)表示的是试样Q2断面放大1500倍的断面图;图5(a)表示的是试样Q3断面放大150倍的断面图,图5(b)表示的是试样Q3断面放大1500倍的断面图。
扫描电子显微镜在观测过程中,可识别颗粒的化学成分,由此判断颗粒是何种组分,再可圈出其中骨料颗粒的外轮廓,即可确定颗粒的间距,进而识别其嵌固程度。由图3-5可知,玻璃粉、氯化钠晶体与蒙脱石颗粒以混合填充物的形式存在于石英砂颗粒骨料间,玻璃粉掺量不同会导致试样微观结构上呈现以下不同:
其一、石英砂颗粒骨料间距不同:随着玻璃粉掺量的增加,石英砂颗粒的间距逐渐减小;
其二、石英砂颗粒与其周围填充物胶结程度不同:当玻璃粉掺量为0.5%时,填充物与石英砂颗粒胶结不紧密,石英砂颗粒边缘存在裂隙;当玻璃粉掺量为2%时,填充物与石英砂颗粒形成紧密的胶结,可见混合物附着于石英砂颗粒表面,试样内部存在微孔隙;当玻璃粉掺量为5%时,大量填充物附着于石英砂颗粒表面,填充物对石英砂颗粒形成致密的胶结和包裹(因填充物的致密包裹,只能观测到部分未被包裹的石英砂颗粒表面),试样内不存在微孔隙的发育。
而微孔隙的发育是红层软岩呈现渐进式崩解的关键所在,若相似材料内部不存在微孔隙,则无法顺利的完成气致崩解的过程。因此,选择玻璃粉的掺量为0.5-2%,可以在保证相似材料内部形成嵌固作用结构的同时,保持相似材料内部形成有微孔隙,使相似材料内部结构与红层软岩更为接近。
实施例2
本实施例用于研究相似材料的基本物理力学性质与天然红层软岩的相似性,其中基本物理力学性质包括:密度、孔隙度、单轴抗压强度、弹性模量和崩解性。
采集天然红层软岩样本形成对照,本实施例中所用的天然红层软岩采集至四川省广安市的天然崩解性红层软岩(泥质粉砂岩),经过实验测得该天然红层软岩的密度为2.18g/cm3,单轴抗压强度10.21MPa,XRD测试其矿物成分如表2所示,岩样微观结构电镜扫描结果如图6所示。
表2天然红层软岩XRD分析结果
矿物成分 | 石英砂 | 长石 | 云母 | 赤铁矿 | 方解石 | 绿泥石 | 其他 |
含量/% | 30.1 | 10.9 | 9.6 | 2.8 | 8 | 6.4 | 32.2 |
从图6可以看出,大量微孔隙存在于试样中,大量微孔隙烘干后可吸水,这是红层软岩崩解的组成成分基础。试样中的原生矿物石英砂颗粒排列紧密,颗粒间形成嵌固作用,并被黏土矿物紧密包裹。
调整混合料中玻璃粉的掺量,在500℃、20MPa的条件下,将混合料压制20h,冷却成型后形成试样A1、A2、A3,试样A1、A2、A3中物料的配比如表1所示:
表3试样A1、A2、A3物料配比
试样编号 | 玻璃粉/% | 蒙脱石/% | 石英砂/% | 饱和氯化钠溶液/% |
A1 | 0.5 | 50 | 39.5 | 10 |
A2 | 1 | 50 | 39 | 10 |
A3 | 2 | 50 | 38 | 10 |
取天然红层软岩的样本与试样A1、A2、A3分别开展烘干-浸水崩解试验,拍照记录其每次干湿循环后表面裂缝发展状况。为显示裂缝形态,用点划线描出试样表面裂缝,结果汇总如图7所示。从图7可以看出,试样A1、A2的裂缝发育情况相似,裂缝均由小、短、局部的逐渐发育为宽、长和贯通的,其中试样A1与天然红层软岩渐进崩解时裂缝的发育情况最为接近,试样A3直至第3次干湿循环表面才有少量裂缝出现,体现出明显的不崩解性。由此可知,在干湿循环次数相同的情况下,玻璃粉掺量越多,试样表面裂缝的发育越少。为定量表征试样表面裂缝发育程度,按盒维数法,计算试样表面裂缝分布对应的分形维数,将其与干湿循环次数的关系绘制在图8中。由图8可以发现,试样表面裂缝分布分形维数随干湿循环变化的情况能够很好地反映试样崩解的进程,即初次浸水崩解剧烈,随着干湿循环次数的增多,崩解程度逐渐变缓,其中试样A1、A2与天然岩样表面裂缝分布分形维数的变化趋势基本一致,试样A1与天然红层软岩崩解进程相符程度更高。由此本发明,采用本申请制备方法制得得相似材料可以很好的模拟天然红层软岩的渐进崩解过程。
依据《岩石物理力学性质试验规程》(DZ/T 0276.9-2015),对天然红层软岩试样与试样A1、A2、A3开展了基本物理力学性质试验,得到实验结果如表4所示,各试样单轴抗压实验的应力-应变曲线如图9所示。
表4天然红层软岩与试样A1、A2、A3基本物理力学性质
由表4可知,随着玻璃粉掺量的增加,试样A1、A2、A3的密度、单轴抗压强度、弹性模量均增加,孔隙度减小,试样A1、A2、A3与天然红层软岩的强度均属于软岩范畴(5MPa≤Rc≤15MPa),两者弹性模量也符合天然红层软岩泥质粉砂岩弹性模量115.7-518.5MPa,可见试样A1、A2、A3与天然岩样应力-应变关系一致性较好。实验结果说明,掺入玻璃粉可以制备得到与原岩物理力学性质接近的相似材料。另一方面,也说明改变玻璃粉掺量对密度影响较小。
本申请还提供一种用于模拟渐进崩解的红层软岩相似材料,采用上述的制备方法制备而成。所述模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的密度为1.83-1.95g·cm-3,孔隙度为14-21%,单轴抗压强度为5.94-10.42MPa,弹性模量为183.31-457.97MPa。
请参阅图10,本申请还提供一种用于模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备装置100,包括支架10、模具20、加热***30及液压***40。
所述支架10包括底部反力梁11、顶部反力梁12、第一支杆13及第二支杆14。
所述底部反力梁11和顶部反力梁12相对平行间隔,所述第一支杆13连接所述底部反力梁11和顶部反力梁12,所述顶部反力梁12和所述第一支杆13活动连接,用于调节所述顶部反力梁12在所述第一支杆13上的安装高度。所述第二支杆14固定于所述底部反力梁11上,并设置于第一支杆13的内侧。
所述模具20包括模座21、上模22及下模23,所述模座21、上模22和下模23配合围成所述相似材料成型的型腔。
所述加热***30包括加热炉31、电阻丝32、温度传感器33及温控器34。所述液压***40包括千斤顶41及液压控制***42。
所述加热炉31固定于所述第二支杆14的顶部,所述模座21收容于所述加热炉31内,所述上模22穿过所述加热炉31的顶部与所述顶部反力梁12固定,所述下模23穿过所述加热炉31的底部与所述千斤顶41的输出轴连接,所述千斤顶41驱动所述下模23向靠近所述上模22方向移动,进而使所述上模22和所述下模23之间形成挤压效果,用于形成加压条件。
所述电阻丝32及所述温度传感器33均设置于所述加热炉31内,所述电阻丝32通电后对所述加热炉31形成加热效果,所述温度传感器33用于检测所述加热炉31内的温度,所述温度传感器33与所述温控器34连接,向所述温控器34发送检测数据,所述温控器34根据检测数据控制所述电阻丝32的运行,使所述加热炉31内的温度保持稳定。
所述千斤顶41驱动所述下模23向靠近所述上模22方向移动,所述千斤顶41与所述液压控制***42连接,由所述液压控制***42控制运行。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述,但是本申请并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本申请的启示下,在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,均属于本申请的保护之内。
Claims (5)
1.一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:以石英砂作为骨料,掺入蒙脱石颗粒、玻璃粉及饱和氯化钠溶液形成混合料,其中,所述玻璃粉的熔点低于石英砂的熔点,玻璃粉的掺量为所述混合料总重的0.5-2%;所述玻璃粉的熔点为400-500℃,粒径为800目;石英砂的熔点为800-1000℃,采用多种粒径的砂体混合而成,其中40-70目砂体占比35%,70-110目砂体占比10%,110-200砂体占比20%,200-300目砂体占比35%;所述混合料中,石英砂的重量占比为38-39.5%,蒙脱石的重量占比为50%,饱和氯化钠溶液的重量占比为10%;
S2:将所述混合料拌和均匀,以高于玻璃粉熔点低于石英砂熔点的温度加热,使混合料中的玻璃粉熔化附着在混合料中的其他固体颗粒表面;
S3:在一定压力条件下压制所述混合料,冷却成型后完成制备。
2.根据权利要求1所述的模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备方法,其特征在于,所述玻璃粉选自硅钛透明玻璃粉。
3.根据权利要求1所述的模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,加热温度为500℃,所述步骤S3中,压制的压力为15-20MPa。
4.一种模拟渐进崩解的红层软岩相似材料,其特征在于,采用权利要求1-3任一项所述的制备方法制备而成。
5.根据权利要求4所述的模拟渐进崩解的红层软岩相似材料,其特征在于,所述模拟渐进崩解的红层软岩相似材料的密度为1.83-1.95g·cm-3,孔隙度为14-21%,单轴抗压强度为5.94-10.42MPa,弹性模量为183.31-457.97MPa。
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