[发明专利]强度梯度材料的制备与试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩土工程的相似强度材料及其制备与试验方法，特别是一种强度梯度材料及其制备与试验方法。

背景技术

岩土工程领域中面临的对象，如土，冻土等，受环境温度、重力场的耦合作用，常形成显著的宏细观梯度特征。而目前的强度准则和本构理论均基于连续均质材料建立发展而来，在描述粒状岩土材料变形破坏相关问题中孕育诸多问题。利用原型材料研究多梯度量赋存状态下岩土材料变形场以及单梯度量岩土材料破坏机制的尺度效应上存在困难和挑战。因此，发展相似强度材料并通过近似模拟方法实现上述目标，学术和工程价值重大。

发明内容

本发明的目的是要提供一种来源广泛，操作简单，成本低，能够容易实现的强度梯度材料及其制备与试验方法。

本发明的目的是这样实现的：该材料由基料和辅料两种材料均匀混合并持续搅拌至凝固而成；基料由硫酸盐水泥熟料100份、膨润土2-4份、去离子水混合搅拌而成；辅料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氢氧化锂1-2份，保水剂1-2份、去离子水混合搅拌而成；基料和辅料的水灰比均为2：1-4：1，养护时间20-60min。

制备及试验过程中，通过控制养护时间和水灰比两个指标分层浇筑，直至形成具有预期强度梯度特征的复合材料；具体为：

(1)首先依据水灰比及养护时间确定材料强度，建立材料强度与水灰比及养护时间的相互关系，然后根据设定的强度与其梯度，计算各浇筑分层的水灰比和固化时间；

(2)然后根据上述强度与水灰比和养护时间的关系和设定的强度梯度特征，控制每层的水灰比和固化时间，分5-8层浇筑试样至设定高度，每2-3层保持相同水灰比；

(3)整体成型后在恒温10℃，恒湿100％条件下养护10-30分钟；

(4)在材料试验机上固定试样并进行单轴压缩试验，试验过程中在试样高度方向布置3-5只微型孔压传感器，获得试样孔压场特征，在试验机前50-100cm处布置数码相机，获得变形场特征；所述的微型孔压传感器的直径不超过试样高度的2％。

有益效果及优点：试验过程中，沿试样表面布置3到5只微型孔压传感器，联合数字照相技术进行单轴试验。利用该材料能够再现梯度材料的变形场特征和破坏机制的尺度特征，并通过微型孔压传感器和数码相机分别对试样的孔压场特征和变形场特征进行观测，即能完成梯度材料变形过程中渗流-变形耦合测量。

①利用该材料能够再现梯度材料的破坏机制的尺度效应，同时能很好克服目前多梯度量岩土材料试验与测试的困难。

②利用该材料可以实现变形场-渗流场耦合的测量与其诱导机制，在研究梯度岩土材料渗流致灾问题中具有潜在优势。

材料来源广泛，操作简单，成本低，能够容易实现。

附图说明：

图1为本发明实施实例1确定的材料强度与养护时间和水灰比的关系图。

图2-1为本发明实施实例1制作的平行试样1在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。

图2-2为本发明实施实例1制作的平行试样2在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。

图3-1为本发明实施实例1对应的原型冻土平行试样1在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。

图3-2为本发明实施实例1对应的原型冻土平行试样2在单轴压缩试验中测试到的变形场分布状态图。

具体实施方式

该材料由基料和辅料两种材料均匀混合并持续搅拌至凝固而成；基料由硫酸盐水泥熟料100份、膨润土2-4份、去离子水混合搅拌而成；辅料由硬石膏20-40份、石灰10-15份、氢氧化锂1-2份，保水剂1-2份、去离子水混合搅拌而成；基料和辅料的水灰比均为2：1-4：1，养护时间20-60min。

制备及试验过程中，通过控制养护时间和水灰比两个指标分层浇筑，直至形成具有预期强度梯度特征的复合材料；具体为：

(1)首先依据水灰比及养护时间确定材料强度，建立材料强度与水灰比及养护时间的相互关系，然后根据设定的强度与其梯度，计算各浇筑分层的水灰比和固化时间；

(2)然后根据上述强度与水灰比和养护时间的关系和设定的强度梯度特征，控制每层的水灰比和固化时间，分5-8层浇筑试样至设定高度，每2-3层保持相同水灰比。

(3)整体成型后在恒温10℃，恒湿100％条件下养护10-30分钟；