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摘要：选用石膏相似材料制作模型，工艺简单、材料来源广、价格低廉，其材料与岩石的结构及破坏方式均类似，且性质较稳定，是一种较好的相似材料。本文着重研究了时间、骨料与胶结物的配比（砂胶比）、水与石膏的配比（水膏比）的不同对模块的强度、弹模、比重的影响。得出了相应的变化曲线及变化规律，并确定了利用石膏相似材料如何进行材料配比及配比时的关键因素：水膏比，先控制好弹性模量，在通过砂膏比来调节抗压强度，以达试验目的。并指出石膏相似材料在时间上的力学性质变化，研究了1d强度与4d强度的关系。为今后的试验研究提供参考。
关键词:石膏,物理模拟,相似材料,弹性模量 ,强度,比重
Abstract: choose gesso similar material making model, simple technology and material sources wide, cheap, the material and the structure of rock and failure mode are similar, and nature is stable, it is a kind of good similar material. This paper focuses on time, aggregate and the content of cement ratio (sand glue than), water and gypsum ratio (water anointed ratio) to the strength of the different modules, elastic modulus, the influence of proportion. Draw the corresponding change curve and change rules, and determine the use gesso similar material how to carry on the material ratio and ratio of the key factor when: water than anointed, to control the elastic modulus, in through the arenaceous cream than regulation compressive strength, with a test purpose. And points out that similar material in time in the plaster the mechanics properties change, the 1 d strength and 4 d strength of the relationship. For future trials research to provide the reference.
Keywords: cast, physical simulation, similar materials, elastic modulus, intensity, proportion
中图分类号：P619.26+1文献标识码：A 文章编号：
1.前言
长期以来，模型试验一直是解决复杂工程课题的重要手段，在边坡及其他岩土工程研究中已得到广泛应用。［1］其原理是将实际地形物理的缩小模型置于实验体内，在满足基本相似条件（包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似）的基础上，模拟真实过程的主要特征，比如岩体的极限抗压强度、弹性模量、比重等.其遵循准则是模型的物理过程与原型的物理过程可用同一量纲为一的物理方程描述；描述原型和模型的物理过程的方程组中的同名物理参数应该相同（相似）；并满足模拟相似性条件。根据相似理论应采用相似材料来制作模型。
相似材料的选择、配比及实验模型制作方法对材料的材料成型后的物理力学性质有很大的影响。对实验的成功与否起着决定性的作用。在模拟实验研究中，选择合理的制作工艺、实验材料及配比具有重要意义［2］。
为选择合适的制作工艺、材料及配比进行模拟实验，同时研究个相似材料对模拟参数的影响，本文依托某水电站群锚效应的地质力学物理模型试验研究，从时间、骨料与胶结物的配比（砂胶比）、水与石膏的配比（水膏比）的不同对模块的强度、弹模、比重的影响进行研究。
2.相似试验过程
2.1相似材料的选择
本次实验所模拟的岩体是强卸荷、倾倒拉裂变形砂岩。物理模拟方案依据水电站岩体的实际状况（岩体的等级和裂隙发育程度等），制定了合理的技术参数（岩体的弹性模量、极限抗压强度、容重等）。主要参数有：模拟材料的弹性模量、极限抗压强度、容重。实验主要选用重晶石粉、石英砂、水、石膏、铁粉和橡胶粉作为模拟岩体的实验材料。所用主要实验仪器有台秤、液压传动压砖机、自动化数据采集仪、100T万能拉力—压力机、电脑、照相机等。
2.2试块制作与试验
室内试验试块的制作采用液压传动压砖机压制，试块几何尺寸长10cmX10cm，高度平均12cm。主要测量指标极限抗压强度、弹性模量、比重。每个配比压制5块试样制作一天后进行100T万能压—拉机压缩试验，测定试块的强度、弹模，每次压缩三块，余两块测四天强度，并用数字化采集系统采集数据。所选用仪器及部分实验辅助工具如图所示：
部分實验辅助工具 压砖机
数字化采集系统 100T万能压拉试验机
图1
实块制作步骤:
1.将按要求配好的组细骨料与胶结物放入如图所示的大塑料盆中,手动均匀搅拌后加入规定量的水,搅拌均匀。2
2.用铁勺将混合材料装入压砖机砖槽里直至装满,在启动压砖机，直至压砖机油压最大时停止，在顶出试块。
3.试块已经成型后采用常温下自然风干的保养方式，第二天即进行抗压强度试验。
4.试验时启动100T万能压拉试验机连通数字采集系统如图1所示，将试块放至于台枰测得试块重量及试块高度。
5.然后放置与试验机规定位置，压缩柄下放至试块表面，采用2mm/s的压缩速度，直至应力-应变曲线从最高点开始下滑，试块破裂为止。此时利用数字采集系统可以收集试块的极限抗压强度，利用切线原理取得弹性模量。最后通过数据计算、整理即可得试块的参数指标值。试块试样如图所示：
3.模拟试验结果及分析
3.1试块的材料性质与破坏特质
本次试验为破坏性试验，要求模拟材料与砂岩具有相似的结构和破坏特征，这样才能达到相似目的，符合相似性原则。而此砂岩结构上主要是由骨料与胶结物组成，高比重低弹模，所以本次试验是以石英砂为骨料，石膏为胶结物，重晶石粉、铁粉为细料作为调节比重材料，橡胶粉作为弹模调节材料。经过试验研究发现相似材料的破坏特性经历了弹性阶段、弹塑性阶段直至最终的脆性破坏阶段，与砂岩破坏特性相似。因此证明用石膏、石英砂、重晶石粉、铁粉、橡胶粉模拟高比重、低弹模、中强度的砂岩是合适的。
3.2试验结果
对于不同砂膏比、水膏比配比做了6组试验，其实验数据如下表：
序号 砂膏比 水膏比 比重
(g/cm3) 弹模
（Gpa） 强度
（MPa） 4d
强度
1 4:1 2:3 2.8 0.45 4.45 5.39
2 4:1 4:5 2.78 0.2 4.5 4.78
3 4:1 1:1 2.65 0.15 2.84 3.84
4 3:1 2:3 2.78 0.35 3.27 4.29
5 3:1 4:5 2.66 0.24 3.35 4.25
6 3:1 1；1 2.56 0.1 2.76 3.84
3.3试验结果分析
图2 砂膏比4:1
图3 砂膏比3:1
从图2、图3可以看出，试块的抗压强度、弹性模量、比重都随着砂胶比、水膏比
的不同而产生较大差异。
当砂胶比固定时,水泥石膏的抗压强度随水膏比值的增大呈较为明显的规律。先小幅度上升后大幅度下降。这是因为水膏比4:5时水与石膏间混合接近了最佳比例，混合物中的存在很少的游离态的水，其水化后的凝胶成分多而增加了胶体与骨料的接触面，从而提高了其抗压强度。而弹性模量则随着水膏比的增大而降低。
当固定水膏比时,从图中可以看出砂膏比的变化对弹性模量影响较小，对抗压强度影响较大，有先增长后减小的趋势。而对比重有增大的趋势。
3.44d强度分析
1d 4d
强度 强度
4.45 5.39
4.5 4.78
2.84 3.84
3.27 4.29
3.35 4.25
2.76 3.84
强度表
由上数据可以看出四天后试块的强度有所提升，它们之间存在着某种线性关系. 利用EXCEL求解线性回归方程，可以得出以下线性回归关系：
Y=0.728X+1.829
线性趋势线图
其中相关系数R2=0.877，拟合度较好。
4 结语
选用石膏配比时,应先根据配比资料确定合理的砂胶比,再改变水石膏的比例进行小范围调节试验。
本次试验砂胶比为4 的情况比砂胶比为3 的情况的石膏试样的强度大。进行室内试样试验时,试样应在自然干燥的条件下养护1d 后测量其强度值,时间过长对试块强度产生影响。
砂膏比的改变对弹性模量无明显影响，通过对水膏比的变化来调节弹模。弹性模量在水膏比的 变化下呈增大而降低的趋势；抗压强度则呈下增大后减小得趋势。由于砂膏比对弹性模量影响较小，所以在试验时应选择适当的水膏比，控制好弹性模量，在通过砂膏比来调节抗压强度，以达到试验目的。
试块1d强度与4d强度间存在着线性关系，其回归关系试为：
Y=0.728X+1.829
由此可知用石膏做胶结材料进行模拟试验时，需要控制试块养护时间，选择合适的试验段，以使试块强度符合模拟参数指标。
参考文献：
[1]梅刚，秦权，林道锦．公路桥梁车辆荷载的双峰分布概率模型[J]．清华大学学报，2OO3，43(10)：26—37．
[2]白占平，曹兰柱，白润才. 相似材料配比的正交试验研［J］.露天采煤技术,1996,(3):22-23.
作者簡介：黄星星（1988-），男，江西南昌人，硕士研究生，主要从事地 质工程和地质灾害防治的研究
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:石膏,物理模拟,相似材料,弹性模量 ,强度,比重
Abstract: choose gesso similar material making model, simple technology and material sources wide, cheap, the material and the structure of rock and failure mode are similar, and nature is stable, it is a kind of good similar material. This paper focuses on time, aggregate and the content of cement ratio (sand glue than), water and gypsum ratio (water anointed ratio) to the strength of the different modules, elastic modulus, the influence of proportion. Draw the corresponding change curve and change rules, and determine the use gesso similar material how to carry on the material ratio and ratio of the key factor when: water than anointed, to control the elastic modulus, in through the arenaceous cream than regulation compressive strength, with a test purpose. And points out that similar material in time in the plaster the mechanics properties change, the 1 d strength and 4 d strength of the relationship. For future trials research to provide the reference.
Keywords: cast, physical simulation, similar materials, elastic modulus, intensity, proportion
中图分类号：P619.26+1文献标识码：A 文章编号：
1.前言
长期以来，模型试验一直是解决复杂工程课题的重要手段，在边坡及其他岩土工程研究中已得到广泛应用。［1］其原理是将实际地形物理的缩小模型置于实验体内，在满足基本相似条件（包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似）的基础上，模拟真实过程的主要特征，比如岩体的极限抗压强度、弹性模量、比重等.其遵循准则是模型的物理过程与原型的物理过程可用同一量纲为一的物理方程描述；描述原型和模型的物理过程的方程组中的同名物理参数应该相同（相似）；并满足模拟相似性条件。根据相似理论应采用相似材料来制作模型。
相似材料的选择、配比及实验模型制作方法对材料的材料成型后的物理力学性质有很大的影响。对实验的成功与否起着决定性的作用。在模拟实验研究中，选择合理的制作工艺、实验材料及配比具有重要意义［2］。
为选择合适的制作工艺、材料及配比进行模拟实验，同时研究个相似材料对模拟参数的影响，本文依托某水电站群锚效应的地质力学物理模型试验研究，从时间、骨料与胶结物的配比（砂胶比）、水与石膏的配比（水膏比）的不同对模块的强度、弹模、比重的影响进行研究。
2.相似试验过程
2.1相似材料的选择
本次实验所模拟的岩体是强卸荷、倾倒拉裂变形砂岩。物理模拟方案依据水电站岩体的实际状况（岩体的等级和裂隙发育程度等），制定了合理的技术参数（岩体的弹性模量、极限抗压强度、容重等）。主要参数有：模拟材料的弹性模量、极限抗压强度、容重。实验主要选用重晶石粉、石英砂、水、石膏、铁粉和橡胶粉作为模拟岩体的实验材料。所用主要实验仪器有台秤、液压传动压砖机、自动化数据采集仪、100T万能拉力—压力机、电脑、照相机等。
2.2试块制作与试验
室内试验试块的制作采用液压传动压砖机压制，试块几何尺寸长10cmX10cm，高度平均12cm。主要测量指标极限抗压强度、弹性模量、比重。每个配比压制5块试样制作一天后进行100T万能压—拉机压缩试验，测定试块的强度、弹模，每次压缩三块，余两块测四天强度，并用数字化采集系统采集数据。所选用仪器及部分实验辅助工具如图所示：
部分實验辅助工具 压砖机
数字化采集系统 100T万能压拉试验机
图1
实块制作步骤:
1.将按要求配好的组细骨料与胶结物放入如图所示的大塑料盆中,手动均匀搅拌后加入规定量的水,搅拌均匀。2
2.用铁勺将混合材料装入压砖机砖槽里直至装满,在启动压砖机，直至压砖机油压最大时停止，在顶出试块。
3.试块已经成型后采用常温下自然风干的保养方式，第二天即进行抗压强度试验。
4.试验时启动100T万能压拉试验机连通数字采集系统如图1所示，将试块放至于台枰测得试块重量及试块高度。
5.然后放置与试验机规定位置，压缩柄下放至试块表面，采用2mm/s的压缩速度，直至应力-应变曲线从最高点开始下滑，试块破裂为止。此时利用数字采集系统可以收集试块的极限抗压强度，利用切线原理取得弹性模量。最后通过数据计算、整理即可得试块的参数指标值。试块试样如图所示：
3.模拟试验结果及分析
3.1试块的材料性质与破坏特质
本次试验为破坏性试验，要求模拟材料与砂岩具有相似的结构和破坏特征，这样才能达到相似目的，符合相似性原则。而此砂岩结构上主要是由骨料与胶结物组成，高比重低弹模，所以本次试验是以石英砂为骨料，石膏为胶结物，重晶石粉、铁粉为细料作为调节比重材料，橡胶粉作为弹模调节材料。经过试验研究发现相似材料的破坏特性经历了弹性阶段、弹塑性阶段直至最终的脆性破坏阶段，与砂岩破坏特性相似。因此证明用石膏、石英砂、重晶石粉、铁粉、橡胶粉模拟高比重、低弹模、中强度的砂岩是合适的。
3.2试验结果
对于不同砂膏比、水膏比配比做了6组试验，其实验数据如下表：
序号 砂膏比 水膏比 比重
(g/cm3) 弹模
（Gpa） 强度
（MPa） 4d
强度
1 4:1 2:3 2.8 0.45 4.45 5.39
2 4:1 4:5 2.78 0.2 4.5 4.78
3 4:1 1:1 2.65 0.15 2.84 3.84
4 3:1 2:3 2.78 0.35 3.27 4.29
5 3:1 4:5 2.66 0.24 3.35 4.25
6 3:1 1；1 2.56 0.1 2.76 3.84
3.3试验结果分析
图2 砂膏比4:1
图3 砂膏比3:1
从图2、图3可以看出，试块的抗压强度、弹性模量、比重都随着砂胶比、水膏比
的不同而产生较大差异。
当砂胶比固定时,水泥石膏的抗压强度随水膏比值的增大呈较为明显的规律。先小幅度上升后大幅度下降。这是因为水膏比4:5时水与石膏间混合接近了最佳比例，混合物中的存在很少的游离态的水，其水化后的凝胶成分多而增加了胶体与骨料的接触面，从而提高了其抗压强度。而弹性模量则随着水膏比的增大而降低。
当固定水膏比时,从图中可以看出砂膏比的变化对弹性模量影响较小，对抗压强度影响较大，有先增长后减小的趋势。而对比重有增大的趋势。
3.44d强度分析
1d 4d
强度 强度
4.45 5.39
4.5 4.78
2.84 3.84
3.27 4.29
3.35 4.25
2.76 3.84
强度表
由上数据可以看出四天后试块的强度有所提升，它们之间存在着某种线性关系. 利用EXCEL求解线性回归方程，可以得出以下线性回归关系：
Y=0.728X+1.829
线性趋势线图
其中相关系数R2=0.877，拟合度较好。
4 结语
选用石膏配比时,应先根据配比资料确定合理的砂胶比,再改变水石膏的比例进行小范围调节试验。
本次试验砂胶比为4 的情况比砂胶比为3 的情况的石膏试样的强度大。进行室内试样试验时,试样应在自然干燥的条件下养护1d 后测量其强度值,时间过长对试块强度产生影响。
砂膏比的改变对弹性模量无明显影响，通过对水膏比的变化来调节弹模。弹性模量在水膏比的 变化下呈增大而降低的趋势；抗压强度则呈下增大后减小得趋势。由于砂膏比对弹性模量影响较小，所以在试验时应选择适当的水膏比，控制好弹性模量，在通过砂膏比来调节抗压强度，以达到试验目的。
试块1d强度与4d强度间存在着线性关系，其回归关系试为：
Y=0.728X+1.829
由此可知用石膏做胶结材料进行模拟试验时，需要控制试块养护时间，选择合适的试验段，以使试块强度符合模拟参数指标。
参考文献：
[1]梅刚，秦权，林道锦．公路桥梁车辆荷载的双峰分布概率模型[J]．清华大学学报，2OO3，43(10)：26—37．
[2]白占平，曹兰柱，白润才. 相似材料配比的正交试验研［J］.露天采煤技术,1996,(3):22-23.
作者簡介：黄星星（1988-），男，江西南昌人，硕士研究生，主要从事地 质工程和地质灾害防治的研究
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。