文摘

相似模型试验是研究的一个重要手段软岩的工程特性。本研究旨在开发类似的材料为粉砂质泥岩、低强度的特点和水膨胀,基于传统材料包括石膏、重晶石粉、粘土矿物和蒸馏水。采用正交设计方法来确定相似材料的配比。密度,单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比被选为控制指标的类似的材料。结果表明,含水量的主导因素是密度、抗拉强度、弹性模量、泊松比的相似材料的粉砂质泥岩,而石膏含量是单轴抗压强度的主要因素。的物理和机械性能类似的材料和样品含水量为19%,重晶石粉的比例32%,石膏的质量250 g显示好相似的生粉砂质泥岩。相似材料的吸水率和可扩展性的粘土矿物比率为12%是一致的与生粉砂质泥岩。扫描电子显微镜(SEM)观察表明,类似的材料最优混合比率表现出类似的微观结构与粉砂质泥岩。

1。介绍

粉砂质泥岩吸水和扩张的显示明显的特点,所以它的力学性能恶化很容易在一个长期降雨的影响。结果,不稳定通常发生在粉砂质泥岩的斜坡上,这是一个主要地质问题在工程建设中遇到在中国南方1- - - - - -3]。在岩土工程测试中,完整的样本往往需要为了更好地考虑单因素或多因素的影响。然而,自然的粉砂质泥岩由于风化通常包含大量的关节和裂缝。因此,很难提取完全完整的样品没有初始随机损伤。此外,安静的原始样品的准备是相当昂贵的,因为需要高精度设备。如果物理和力学性能是衡量从原始岩石样本与未知的最初的损失,他们不适合用于数值模拟和指导实际工程。此外,由于复杂的实际条件,很少有适用的和廉价的现场测试方法测定的粉砂质泥岩的物理和机械性能。

相比之下,使用相似的材料不仅可以消除初始伤害而且预制裂隙的影响。通过这种方式,不同的裂缝形态的影响可以分析岩体的强度(4- - - - - -6]。因为类似的材料有很多优势,他们被广泛用来研究单因素和多因素的影响在许多科学问题(7]。例如,类似的材料用来准备标本进行实验室测试来确定岩石的物理力学性质,这是数值模拟的重要输入参数(8,9]。相似材料准备也可以采用物理模型相似模型试验,所以模型和原型之间的联系可以确定(10,11]。最后,工程样机的性能可以被预测的根据相似准则(12,13]。

近年来,研究结果相似材料的不同类型的岩石显示改善的关键相似材料和原始岩石之间的相似性是选择合适的原材料和采用合理的比例14- - - - - -16]。例如,杨et al。17),陈和沼泽18王),et al。19),刘,刘20.),他et al。21)等研究了相似材料的配比为不同类型的软岩石,如取自软岩、碳质千枚岩的岩石,岩石和煤。上述学者首先选择合适的原材料和使用正交表设计相似材料的配比。其次,单轴压缩测试,将测试,进行了三轴压缩试验测量的物理和力学性能相似的材料。然后,与不同类型的目标岩石相比,类似如磐石般坚韧的材料适用于各种类型的目标确定岩石。最后,获得了满足相似的最佳混合比(22,23]。此外,王et al。24)进行了蠕变测试类似的开发材料的软岩。作者指出,类似材料的蠕变参数基本满足相似与原始岩石参数反演,奠定了基础相似材料模拟软岩的蠕变特性。楚et al。25)开发了一个类似的材料符合软岩的流变学,可以用来模拟软砂质泥岩的流变特性。虽然上面提到的学者研究了软岩石及其相关的类似的材料特点、吸水和扩张的研究特点相似的材料软岩石很少涉及。

在设计的过程中类似的材料,胶结作用是一个重要手段作出类似的材料样品达到原始岩石的强度。石膏作为常见的胶凝材料,广泛应用于软岩石相似材料的发展。现有研究表明,相似材料的强度由石膏胶结可以模拟各种原始地质作用下岩石的成岩强度(26,27]。此外,一些学者进行了很多的调查粘土矿物的胶结作用。例如,谢et al。28]分析了凹凸棒石的微观结构通过扫描电子显微镜(SEM);他们得出的结论是,粘土矿物的胶结性能的微观结构是分不开的。杨et al。29日]分析了水泥产品通过扫描电镜的微观结构。因此,胶结形成的类似的材料可以满足要求的模拟原始软岩石的强度,通过SEM和胶结机制可以透露。

提出了一个实验性的工作开发类似的材料粉砂质泥岩的物理模型试验。石膏和重晶石粉选为胶结材料和聚合,分别和粘土矿物(即。、伊利石、蒙脱石、绿泥石)被用作膨胀添加剂。首先,一系列的混合比率是根据正交设计表。其次,类似材料的物理和机械性能的各种混合比率通过实验室试验研究;不同的影响因素对敏感的属性进行分析。后来,类似材料的吸水率和可扩展性。因此,混合比例,可以满足力学性能和粉砂质泥岩的饮用水膨胀特性。最后,类似材料的粘合机理的粉砂质泥岩由扫描电镜显示。类似的开发材料可以模拟粉砂质泥岩的工程行为,为相似模型试验奠定了基础工程情况下参与粉砂质泥岩。

2。设计类似的材料

2.1。相似的比例

量纲分析方法被用来确定相似材料的属性的相似比例的原始岩石。基于三个基本维度,即长度(L)、时间(T)和质量(M),其他重要的物理和机械性能的维度。在这项研究中,相似比例的长度(L)、时间(T)和质量(M)被认为是1,这意味着长度、时间和质量涉及到类似的材料是完全一样的原始岩石。然后,可以获得其他属性的相似率,如表所示1。因此,目标属性相似的材料是来自原始岩石的性质基于相似性的比率(13,14]。

表1
量纲分析。
2.2。材料选择

从岳麓山顶收集的强风化粉砂质泥岩(长沙,中国)被选为原型。x射线衍射分析表明,粉砂质泥岩是主要由石英、伊利石、蒙脱石、绿泥石和长石,如图1和表2。根据工程地质手册编辑委员会(30.、密度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比的粉砂质泥岩是最重要的属性。因此,这些物理和机械性能被用作控制指标设计类似的材料(见表3)。


图1
粉砂质泥岩的x射线衍射模式。
表2
粉砂质泥岩的矿物成分。
表3
粉砂质泥岩的主要物理和机械性能。

先前的研究显示可能产生相似的岩石材料与石膏、重晶石粉、粘土(26,27,31日]。因此,重晶石粉、石膏和粘土矿物选择开发相似材料的粉砂质泥岩。在上述材料,重晶石粉作为骨料,石膏作为粘合剂,粘土矿物(蒙脱石伊利石:绿泥石= 1:0.14:0.23,这是符合原始岩石)的比例)被用作添加剂控制吸水肿胀和饮用水膨胀特征相似的材料。去离子水也采用了类似的材料形式。以上原料的粒度分布如图所示2。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
粒径分布不同的原材料:(一)粘土矿物和重晶石粉;(b)石膏粉。
2.3。正交设计方案

并运用正交设计研究混合比率为了提高开发效率的类似的材料。评估属性包括密度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比。正交试验设计是一种高效、快速、经济的实验设计方法,考虑多种因素和水平32]。用这种方法,我们可以获得水平对不同因素的最佳组合和少量的样本基于正交数组。

因为每个组件都有一个占主导地位的内容对相似材料的物理机械性能的影响(13、含水量、重晶石粉比,石膏质量,和粘土矿物比选为因素正交试验设计。重晶石粉比重晶石粉的质量比石膏和重晶石粉的总质量,和粘土矿物比率是粘土矿物的质量比所有固体组件。经过大量的试验测试,适当水平的四个因素,可能做出类似的材料有着密切的物理和机械性能原始岩石如下:含水量(因素)= 23% - -17%,重晶石粉率(系数B) = 44% - -26%,石膏质量(因子C) = 225 g - 300 g,和粘土矿物比(因子D) = 0% - -18%。

具体实验方案如表所示4。在实验中,每个测试计划重复了四次,平均价值被进行分析。自材料再造的人造岩石,非常均匀的结构,四个平行测试基本上是足以描述他们的主要特性19,33]。

表4
实验方案。
2.4。二次细化测试方案

粉砂质泥岩具有明显的吸水和饮用水膨胀特征。一些学者指出的解体泥岩的岩石是由水引起的扩张,胶结物质的溶解,wetting-heating周期(34]。

据报道,粘土矿物吸水率有很大的影响和土壤的扩张35]。因此,二次细化测试计划被认为是为了检查相似材料的吸水率和饮用水膨胀特征在不同因子D(粘土矿物比率)(表5)。如果吸水和饮用水膨胀特性之间的关系,确定粘土矿物比率,类似的设计材料,吸水和饮用水膨胀特征相同的原始岩石可以实现通过简单调节粘土矿物比率。吸水率进行了测试和可扩展性测试测量吸水和饮用水膨胀特征。

表5
二次细化测试方案相似的材料。

3所示。实验的细节

3.1。样品制备

一个标准化的方法旨在减少人为因素的干扰样品制备过程中。根据IRSM [36),圆柱为单轴压缩测试样品的直径50毫米和50毫米的高度,和分裂的测试有直径50毫米和100毫米的高度。

标准样品制备过程见图3。准备样品,固体材料(见表3)被添加到在恒速搅拌罐和混合5分钟然后去离子水添加到固体材料和他们再次混合5分钟。之后,形成混合物填充到模具在三层,每一层是静态压缩为2分钟使用偏航- 300机由济南Zhongluchang试验机制造公司(图4(a))。随后,样品与模具一起放入养护箱在温度20±3°C,湿度95%的24 h。demolding后,样本不断治愈28 d。最后,样品和光滑的表面没有明显的缺陷。


图3
样品制备过程。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图4
测试设备:(a)偏航- 300压机;(b) ZT801超声波波速测试;(c)游标卡尺、电子天平;(d)普遍压力试验机。
3.2。样本筛选

在制作的过程中类似的材料,可能存在一些缺陷的样本,因为非均匀搅拌,大气泡,其他不可控因素。特别是,内部缺陷肉眼无法看见的。缺陷的存在,不同的样本,样本肯定会给实验结果带来误差。根据现有的研究,岩石本身的物理性质会影响超声波的传播速度在岩石3,37]。因此,岩石的物理力学性质可以推断间接通过测量超声波的速度在岩体38- - - - - -40]。

在最近的研究中,超声波的速度在所有类似的材料样本检测到的岩体参数测试仪ZT801(图4(b))。具体测试结果展示在表6。这表明相似材料的超声波速度介于2.84公里/秒,3.25公里/秒。每个方案的样本非常接近超声波速度,确保这些样品有相似的初始条件。

表6
超声波速度相似的材料样品。
3.3。实验方法
3.3.1。物理和机械测试

密度,单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和泊松比的样品测定使用的样品准备根据正交设计表(表4)。

每个样本的密度测量在机械测试。如图4(c),每个样品的体积是由一个游标卡尺的精度为0.02毫米,而质量是使用电子天平称重精度为0.01 g。

进行了单轴压缩测试和分割测试通过万能压力试验机(见图4(d))。圆柱样品为单轴压缩测试有直径50毫米和50毫米的高度36,41]。最大负载和测试机是100 kN的准确性和0.001 N,分别。整个测试过程是按照中国规范(GB / T 50266 - 2013)。装货率为0.8 MPa /秒和0.4 MPa /单轴压缩测试和分割测试,分别。

根据GB / T 50266 - 2013(推荐的方法42弹性模量),可以估计基于应力-应变曲线的斜率得到单轴压缩试验。泊松比是通过电阻应变仪测量方法(43,44]。在这种方法中,横向应变增量比纵向应变增量测量,因此每个样本的泊松比可以计算。

3.3.2。吸水率测试和可扩展性测试

岩石的吸水率和饱和吸水和类似的材料来衡量自由吸水测试(42,45]。五个原始岩石样本或类似的材料样本用于每个测试方案。主要测试过程如下:(1)样品被放在烤箱的温度105°C - 110°C。干燥后12 - 24 h,样品取出,冷却到室温(20°C±2°C)。质量(米d)的样品然后记录(精度:0.01 g)。(2)决心的自然吸水:首先,干水样本放在一个容器中。然后,水都是样品的高度的1/4。两个小时后,水满到容器的1/2和3/4之间达到一个水平的高度。6小时后,水不断添加到20毫米的高度高于样品的顶面。通过这种方式,样本的空气能轻易逃脱。48 h后浸在水里,取出样品,表面水擦了一块湿纱布。样品质量(米1)再次测量。因此,吸水率可以被计算 在哪里 是样品的吸水率。(3)饱和吸水率的测定:干样本放置在真空容器中,容器内的水位是20毫米高于样品的顶面。然后,真空泵开始撤离容器。真空压力应该达到并保持在100 kPa不少于4小时。之后,样品仍在大气压力容器4 h。然后标本取出,用一块干的湿纱布。最后,质量(米2)的样品测量。吸水率可以通过以下表达式计算: 在哪里 是样品的饱和吸水。

免费饮用水膨胀测试也为了进行评估的饮用水膨胀特征相似材料和原始岩石(JTG出价- 2005)。五个样本用于每个测试方案表5。材料的自由膨胀率被定义为 在哪里PH是轴向自由膨胀率;ΔH是样品的轴向变形;H是初始轴向高度的样本。

3.3.3。扫描电镜观察

扫描电子显微镜(SEM)观察进行检查相似材料的微观结构,并进一步证实吸水和饮用水膨胀特性的相似性,因为它们是高度依赖于孔隙结构。SEM观察结果进行了水平和垂直平面上的小标本从圆柱形样本中提取二次细化测试(表5)。两个长方体与维度的20毫米×10毫米×10毫米提取从每个样本的核心37,46]。长方体的纵向方向平行或垂直于轴向的圆柱形样本。这种方法对于小样本的抽取,类似于在高的工作等。46,47]。在SEM观察,观察飞机之前的样本被涂上一层薄层的黄金在真空。目的是使平面导电为了防止电荷积聚的样本。此后,样品放置在扫描电子显微镜室(蔡司EVO MA10)观察。一系列的SEM图像从典型地区不同的放大得救了每个样本的观察平面上。最后,表面形态(如孔隙尺寸和孔隙度)后的样本进行了分析描述的方法在高的工作等。48]。

4所示。结果与讨论

4.1。混合比率相似的物理和机械性能

在本节中,各种因素的影响(即。、一个含水量;B、重晶石粉比;C,石膏质量;和D,粘土矿物比率)物理和力学性能(即。,the density, uniaxial compressive strength, tensile strength, elastic modulus, and Poisson’s ratio) of similar materials are examined. Then, the optimal mixing ratios for similar materials to have similar physical and mechanical behaviors to those of the raw silty mudstone are determined. In addition, typical stress-strain curves and failure modes of similar materials and the raw rock after uniaxial compression tests are compared and discussed.

以下4.4.1。物理力学测试的结果

表7总结了平行样品的平均结果在每个测试计划根据正交设计安排。这表明准备类似材料的密度变化从1.82到2.08克/厘米3单轴抗压强度的范围是8.28到18.19 MPa,和抗拉强度介于1.01和4.00 MPa。它也观察到,弹性模量变化从1.01到2.38的绩点,和泊松比的范围从0.20到0.40。比较结果表7与那些在表3,一个人可以注意,粉砂质泥岩的属性(目标值)是由类似的数据材料。这证实了粉砂质泥岩的物理力学行为可以通过相似模拟材料。

表7
物理和机械性能相似的材料。
4.1.2。敏感性分析

区间分析和方差分析进行调查的敏感性物理和机械性能的各种因素。

(1)岩石密度影响因素敏感性分析:从表可以看到8和图5因子(含水量)和因子C(石膏质量)对类似的密度影响最大的材料。根据排名,每个因素的影响程度相似材料的密度一个≈C>B≈D。因此,主要控制因素影响相似材料的密度因子(含水量)和因子C(石膏质量)。

表8
分析岩石密度范围。

图5
密度范围的影响因素分析。

方差分析的结果密度如表所示8。置信水平为0.1的情况下,意义是5.390的临界值。可以看出因素(含水量)和C(石膏质量)有重大影响的密度相似的材料,而因子B(重晶石粉比)和D(粘土矿物比率)显示更少的影响。这是与区间分析的结果(表一致9)。

表9
方差分析的密度。

如表所示3,原始岩石的平均密度为2.01克/厘米3。这一目标价值之间的相似材料评价指标时的结果K2和K3关于因子A,它等于结果当评价指标K2关于系数C(表8)。因此,合适的因素(含水量)19%(要求等级2)和21%(三级)和最优系数C(石膏质量)是250 g(要求等级2)为了使这样一个目标物理性质类似的材料。

(2)单轴抗压强度影响因素敏感性分析:表10和图6表明因子C(石膏质量)最高影响因子D(粘土矿物比率)第二高对相似材料的单轴抗压强度的影响。根据排名,每个因素的影响程度相似材料的单轴抗压强度C≈D>一个≈B。分析表明因素C(石膏质量)和D(粘土矿物比)在控制中起主导作用的单轴抗压强度相似的材料样品。

表10
单轴抗压强度的分析范围。

图6
范围的单轴抗压强度影响因素分析。

表11方差分析的结果显示相似材料的单轴抗压强度。我们可以注意到,单轴抗压强度而言,这些检查的影响因素对单轴抗压强度都不是那么重要。

表11
单轴抗压强度的方差分析。

(3)抗拉强度影响因素敏感性分析:表12和图7现在的结果范围相似材料的抗拉强度的分析。它指出因素(含水量)对相似材料的抗拉强度影响最大的。根据每个因素的影响程度的抗拉强度、排名的因素一个>B>D>C。分析表明,因子(含水量)和因子B(重晶石粉比)发挥主导作用在控制类似的材料样品的抗拉强度。

表12
分析抗拉强度范围。

图7
抗拉强度影响因素的分析。

表13列表的结果方差分析的相似材料的抗拉强度。人能注意因素(含水量)和因子B(重晶石粉比例)在抗拉强度有重要影响,而其他因素显示有限的影响。这也是同意的结果分析(表范围12)。

表13
方差分析的抗拉强度。

(4)弹性模量影响因素的敏感性分析。它是观察从表14和图8这因素(含水量)最重要的影响类似材料的弹性模量。根据排名,每个因素的影响程度相似的材料样品的弹性模量一个>D≈B>C。分析表明,因子(含水量)扮演着主导的角色在控制类似的材料样品的弹性模量。其他因素之间的关系和样品的弹性模量不是很明显。

表14
分析弹性模量范围。

图8
范围的弹性模量影响因素分析。

此外,根据方差分析(表的结果15),它是指出因素(含水量)抗拉强度有显著影响,而其他因素影响不显著,这证实了区间分析的结果。

表15
弹性模量的方差分析。

如表所示3,原始岩石的平均弹性模量是1.38的绩点。结合表15和表4,可以得出最优含水量是19%为了准备一个相似的材料,也有类似的弹性模量随着生粉砂质泥岩。

(5)泊松比影响因素敏感性分析:基于结果见表16和图9,一个人可以把检查因素一个≈D≈B≈C根据其影响程度相似材料的泊松比样本。因此,泊松比模拟很难判断因素。

表16
泊松比的范围分析。

图9
泊松比影响因素的分析。

方差分析表所示的结果17表明,关于泊松比,所有因素的影响并不显著。这是与区间分析的结果一致。

表17
泊松比的方差分析。

基于上述灵敏度分析,类似材料显示良好的最佳混合比例相似性的生粉砂质泥岩的物理和机械性能。最优含水量为19%,重晶石粉的最佳比例是32%,最佳石膏质量是250 g。然而,因子D(粘土矿物比率)还不确定,因为它没有明确的贡献上面的物理和机械性能相似的材料。

4.1.3。典型的应力-应变曲线和故障特征

图10 ()呈现典型的应力-应变曲线得到的类似的材料和粉砂质泥岩单轴压缩试验。图10 (b)说明了相应样品的失效模式。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
典型的应力-应变曲线和失效模式图:(一)应力-应变曲线;(b)失效模式。

比较分析失效模式的相似材料样品和原始的岩石。粉砂质泥岩样品显示了明显的剪切破坏后单轴压缩试验,这是符合结果报告(49]。它也指出,类似的材料样品的剪切破坏模式非常类似于原始的岩石在单轴压缩下测试(图10)。

4.2。混合比率相似的吸水和扩张

在本节中,D的影响因素(粘土矿物比率)相似材料的吸水率和饮用水膨胀特性进行了分析。最重要的是,最优水平的系数D(粘土矿物比率)。

如图11,平均生粉砂质泥岩的自然吸水率是10.85%,平均饱和吸水率是11.83%。根据二次细化测试方案,类似的平均自然吸水率与不同的粘土矿物材料样品计划S1-S4比率是8.41%,9.82%,10.86%,和11.52%,分别。饱和吸水率平均为9.89%,10.85%,11.84%,和12.33%,分别。此外,平均自然吸水和饱和吸水率相似的材料样品与粘土矿物的增加比率增加。因此,粘土矿物的变化比率使控制类似的吸水材料。根据测试数据,我们可以注意到的平均吸水第三测试方案S3是相似的材料样品最接近原始岩石的平均价值(误差小于1%)。


图11
吸水率和饱和水的吸收。

图12表明,自由膨胀率的变化曲线类似的材料样品和粉砂质泥岩可分为三个阶段。第一个是快速扩张阶段(t< 2 h),在此期间,类似的材料样品的平均轴向膨胀率与不同粘土矿物比率和原始岩石迅速增加最后平均轴向膨胀率为0.1154%,0.1238%,0.1342%,0.1966%,和0.1369%,分别。后,所有样品的膨胀率输入不断扩张阶段(t=男童h)。在这个阶段,类似的材料样品S1∼S4和原始岩石显示一个常数11.54×10的线性增长−5/分钟,12.38×10−5/分钟,13.42×10−5/分钟,19.66×10−5/分钟和13.86×10−5分别/分钟。之后,所有样品的膨胀率进入减速阶段(t= 15 - 120 h)和膨胀率逐渐稳定。这段时间需要很长时间,占总数的87.5%扩张阶段。可以看出,类似的材料有相似的吸水和可扩展性与原始的岩石。样本的扩张率S1-S4范围内的都是原始的岩石,和膨胀率的增加逐渐增加粘土矿物比率。其中,曲线的轴向膨胀率样本S3(粘土矿物的比例是12%)最接近平均值的原始岩石。


图12
粉砂质泥岩及类似材料的轴向膨胀率曲线。

表18总结了意味着相似的材料样品准备的物理参数最优含水量(19%)、重晶石粉比例(32%),和石膏质量(250克),但不同的粘土矿物比率(0 - 18%)。还包括原始岩石样本的数据进行比较。可以注意到,类似的材料样品在测试计划S3显示最相似的密度和孔隙度原始岩石样本。这一结果进一步证实了水含量的最佳值,重晶石粉比,石膏质量,粘土矿物比率。

表18
类似的材料样品的基本物理参数和原始的岩石样本。

基于上述分析,确定相似材料的最优比例,它允许生产类似的材料有相似的物理和机械性能以及吸水性和饮用水膨胀特性的平均属性的粉砂质泥岩岳麓山(长沙,中国)。这些最优比率可以为设计提供参考指导其他地区的类似的材料为粉砂质泥岩。

4.3。微观结构相似的材料

SEM观察结果进行小样本从圆柱形相似的材料样品和提取原始岩石样本。图13显示了扫描电镜的图像水平和垂直平面的类似材料标本(S1-S4)和原始的岩石标本。在扫描电镜图片,白色箭头代表重晶石颗粒,黑色箭头代表粘土矿物微粒。它可以观察到当粘土矿物比例为0%(图13 (a)和(b) 13日),重晶石颗粒的表面不是完全由石膏包裹,和有很多的毛孔。由于压实,重晶石颗粒和石膏粒子主要是安排面对面的水平面。重晶石颗粒和石膏粒子主要出现在形式的粒子边缘在垂直平面上,形成大量的毛孔。与粘土矿物比率的增加,图13所示的SEM图像(c) -13 (f)。石膏和重晶石颗粒之间的孔隙不断充满粘土矿物颗粒,和毛孔完全填补了水平面;特别是,当粘土矿物比率是18%(图13 (g)和13 (h)),几乎没有大的毛孔在水平面和垂直面。从SEM图像从原始岩石在图的水平面13(我),它可以观察到,岩石颗粒的表面是平坦顺利由于沉降,但它仍然包含小主毛孔。垂直平面的扫描电镜图像的原始岩石样本(图13(j)),它可以观察到,原始的岩石是由原始岩石的胶结颗粒,导致毛孔粗大的颗粒。


图13
扫描电镜图像的原始岩石和类似的材料标本:(a, b) S1标本(0%);(c, d) S2标本(6%);(e, f) S3标本(12%);(g h) S4标本(18%);(i, j)原始岩石标本。

是指出,类似的材料标本不同粘土矿物比率,水平面非常密集的垂直面相比,但水平面有许多小主毛孔在垂直的平面上。这主要是由于压力水平面原岩成岩作用过程中,样品制作类似的材料,导致粒子的面对面的安排。在相似的材料样本,粘土矿物比率的增加,石膏角重晶石颗粒逐渐结束,粘土矿物,和水化产品,结构越来越紧凑,毛孔逐渐减少。最后,没有明显的毛孔形成致密结构。具体的变化与椭圆标记图。上述现象的主要原因有以下几点:石膏和粘土矿物逐渐与水反应,针状的、杆状的石膏晶体逐渐消失在水化反应的过程中,颗粒之间的孔隙不断填充,和重晶石颗粒不参与水化反应不断包装;最后,随着水化反应,大部分石膏水化产物。凝胶包没有棱角,形成一个密集的整体和一定程度的力量。同时,水化产品巩固和充满粒间孔隙,而且毛孔不断减少,形成一个密度结构,起着很大的支持作用。一句话,与粘土矿物比率的增加,气孔在水平和垂直平面相似材料的标本是越来越少,结构更紧凑。 When the clay mineral ratio is 12% (scheme S3), the dense structure is generated because of the hydration of gypsum and the filling of clay minerals; meanwhile, there are some pores on this basis, similar to pore morphology of the raw rock. When the clay mineral ratio is 18% (scheme S4), there are almost no pores and the structural morphology is very close in the horizontal plane and vertical plane of the similar material specimen. A quantitative analysis of the pore structures of all specimens is made based on the image processing method described in [47];结果呈现在图14。可以看出,大部分的毛孔在水平和垂直平面的标本直径0.01和100之间μm。当粘土矿物的比率是12%,类似的材料样品的孔隙大小分布方案S3非常接近原始的岩石标本。

(一)
(一)
(b)
(b)
图14
孔隙面积比和孔隙直径之间的关系:水平面(a)和(b)在垂直的平面上。

5。结论

根据粉砂质泥岩的物理和机械性能,类似材料的粉砂质泥岩吸水和可扩展性是基于传统材料包括石膏、重晶石粉、粘土矿物(即。、蒙脱石、伊利石和绿泥石)和蒸馏水。具体结论如下:(1)水内容扮演重要的角色在控制密度、抗拉强度、弹性模量相似材料的样品。重晶石粉的效果比在单轴抗压强度是很有意义的。石膏质量也有类似材料的密度的显著影响。(2)类似的材料提出的混合比率,密度1.82 - -2.08克/厘米38.28 - -18.19 MPa,单轴抗压强度,抗拉强度是1.01 - -4.00 MPa,弹性模量是1.01 - -2.38的绩点,泊松比是0.20 - -0.40。类似的材料产生了19%的含水量,重晶石粉的比率为32%,石膏的质量250 g显示原始岩石的最佳相似的物理和力学性能。(3)最优混合比率终于确定了基于二级细化测试的结果。除了最优含水量为19%,最佳的重晶石粉的比率为32%,和250克的最佳石膏质量,最优的粘土矿物比率是12%。这些最优比率可以为设计提供参考指导其他地区的类似的材料为粉砂质泥岩。(4)原始的岩石表面非常密集,但也有许多小主毛孔。随着粘土矿物的增加比例,相似的吸收材料不断增加。毛孔在类似的材料样品的粘土矿物比12%是由石膏产品和粘土矿物水化;因此,这些类似的材料样品有相似的水吸收和扩张的原始岩石。

数据可用性

部分或全部数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认金融支持来自中国的国家自然科学基金(51838001号,51878070,51908069,51908073),湖南省的主要研究和发展项目(没有。2019 sk2171),开放式基金的公路养护技术国家工程实验室,长沙科技大学(没有。kfj170103),湖南省毕业生的研究和创新计划(没有。CX20190654)。