一种用于高拱坝动力模型试验的相似材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于高拱坝动力模型试验的相似材料及其制备方法 (Similar material for high arch dam power model test and preparation method thereof ) 是由 曹茂森 魏庆阳 李翼飞 胡帅涛 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于高拱坝动力模型试验的相似材料及其制备方法,涉及模型试验领域。所述相似材料的原材料包括：重晶石砂、重晶石粉、粉煤灰、水泥和水,所述原材料按质量比为：重晶石砂45-55份、重晶石粉25-35份、粉煤灰7-15份、水泥1-5份和水6-13份。制备时,先将重晶石砂和重晶石粉混合,然后再将粉煤灰和水泥混合并干拌,水分为两次加入。这种相似材料具有初凝时间长,力学参数的可调节范围较广的特点,原材料来源广泛、无毒无害、价格低廉,在高拱坝动力模型试验领域具有大规模应用的前景。(The invention discloses a similar material for a high arch dam dynamic model test and a preparation method thereof, and relates to the field of model tests. The raw materials of the similar material comprise: the material comprises the following raw materials in percentage by mass: 45-55 parts of barite sand, 25-35 parts of barite powder, 7-15 parts of fly ash, 1-5 parts of cement and 6-13 parts of water. During preparation, barite sand and barite powder are mixed, then fly ash and cement are mixed and dry-mixed, and water is added twice. The similar material has the characteristics of long initial setting time and wide adjustable range of mechanical parameters, has wide raw material source, no toxicity, no harm and low price, and has a large-scale application prospect in the field of high arch dam power model tests.)
技术领域
本发明涉及模型试验领域，尤其是一种用于高拱坝动力模型试验的相似材料及其制备方法。
背景技术
随着我国水电资源的进一步开发，在我国西南地区正在修建或拟修建许多坝高200米甚至300米级别高拱坝。而这些地区地震概率大、烈度高，抗震问题是高拱坝建设过程中遇到的最具有挑战性的难题之一。研究高拱坝的抗震问题，往往需要观察大坝在地震作用下的全过程行为，因此基于振动台的动力模型试验是研究地震荷载作用下高拱坝的力学行为、坝体性态的重要方法。
动力模型试验是在满足相似条件的前提下将原型工程缩小到实验室所能承担的实体物理模型，通过研究模型的规律来反推原型工程中的规律。对于高拱坝这类工程来说，研究其抗震问题需满足重力-惯性力相似准则，即λρλL＝λE，其中λρ表示原型和模型的密度比尺，λE表示原型和模型的强度比尺，λL表示原型和模型的几何比尺。开展高拱坝模型试验的难点在于，原型和模型的几何比尺特别大，由此带来的相似材料低强度而高密度的要求是一般材料难以满足的。
目前，在岩土工程领域出现了一些性能较好的岩体相似材料，但岩土工程中原型和模型的尺度差异远远没有高拱坝领域中的大，并且一些用于制备相似材料的原材料不易获得且成本较高。既有的极少数用于高拱坝模型试验的相似材料又难以完全满足相似条件的要求，因此研制出一种材料来源广泛、制作工艺简单的高拱坝动力模型试验相似材料是极为迫切的。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题，在于提供一种用于高拱坝动力模型试验的相似材料及其制备方法，以满足基于振动台的高拱坝动力模型试验的需求。
为解决以上技术问题，本发明提供一种用于高拱坝动力模型试验的相似材料及其制备方法，具体如下技术方案：
本发明提供一种用于制备高拱坝相似材料，原材料包括：重晶石砂、重晶石粉、粉煤灰、水泥、水。原材料的质量比为：重晶石砂35-55份、重晶石粉25-45份、粉煤灰7-15份、水泥1-6份和水6-13份。
进一步的，本发明所提出的用于制备高拱坝相似材料的原材料，重晶石砂的粒径为2-4mm，比重为4.0-4.2g/cm3。
进一步的，本发明所提出的用于制备高拱坝相似材料的原材料，重晶石粉的粒径为0.1-0.2mm，比重为4.3-4.5g/cm3。
进一步的，本发明所提出的用于制备高拱坝相似材料的原材料，粉煤灰的质量等级为二级，细度要求按45μm方孔筛余量不大于25％。
进一步的，本发明所提出的用于制备高拱坝相似材料的原材料，水泥为M32.5水泥。
本发明还公开了一种用于高拱坝动力模型试验的相似材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、利用电子秤，按照重量配合比分别称取相应质量的重晶石砂、重晶石粉、粉煤灰、水泥和水。
步骤2、将步骤1中称取的重晶石砂、重晶石粉、粉煤灰和水泥倒入搅拌机中。
步骤3、启动搅拌机干拌，将步骤2中倒入的材料搅拌均匀；向搅拌机中倒入一半步骤1中称取的水搅拌；之后，向搅拌机中倒入剩下的一半步骤1中称取的水，再次搅拌。
步骤4、将步骤3中搅拌均匀的混合料装入内表层均匀涂抹机油塑料模具中，在振动台上振动至试件表层均匀出水，停止振动。
步骤5、将步骤4中成型的材料在常温常湿下静置24小时后，使用压强不大于0.3Mpa的气泵脱模，脱模后获得试件，对所述试件养护48小时。
步骤6、待试件养护完成后，在量程不大于100KN的电子万能试验机上对所述试件进行力学性能测试，获取在该配合比下制备出的相似材料的力学性能参数。
进一步的，制备方法的步骤2为，先将称取的重晶石砂和重晶石粉加入搅拌机，然后再将粉煤灰和水泥同时倒入搅拌机中。
进一步的，制备方法的步骤3为，启动搅拌机，在转速80rad/min的速度下干拌3分钟，将步骤2中倒入的材料搅拌均匀；向搅拌机中倒入一半步骤1中称取的水，在转速50rad/min的速度下搅拌2分钟；向搅拌机中倒入剩下的一半步骤1中称取的水，在转速60rad/min的速度下再次搅拌3分钟。
进一步的，制备方法的步骤4中振动台的参数为，振动频率50-60Hz、振幅1-2mm。
进一步的，制备方法的步骤5中脱模后的养护条件为在温度18-22度、湿度93％-97％的环境中养护。
本发明采用以上技术手段，与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以重晶石砂作为粗骨料，以重晶石粉作为细骨料，这两种材料的比重均达到了4.0g/cm3以上，因此制备出的相似材料的密度较大，能充分满足相似条件的要求。
2、本发明的胶结材料为标号M32.5的低强度水泥，相对于高强度水泥用量较大，因此避免出现因搅拌不均匀导致混合料不同区域差异性大的缺点。粉煤灰的引入取代了一部分水泥，因此制备出的相似材料在强度很低的同时保持了良好的和易性。
3、本发明制备的相似材料初凝时间在60分钟以上，相对于初凝时间很短的石膏等用于模型试验的传统材料，利用本发明制备的相似材料开展模型试验有足够成型时间。
4、本发明制备的相似材料的抗压强度在0.2-5MPa之间，抗拉强度在5-500KPa之间，弹性模量在8-400MPa之间，力学参数的可调节范围较广，对不同的工程需求适用性强。
5、本发明使用的原材料来源广泛、无毒无害、价格低廉，具有大规模应用的前景。
附图说明
图1是本发明中用于制备高拱坝相似材料的原材料图。
图2是本发明中制备的高拱坝相似材料试件的破坏形态图。
图3是本发明实施例1中高拱坝相似材料的劈裂和压缩曲线。
图4是本发明实施例2中高拱坝相似材料的劈裂和压缩曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，应理解这些实施例，仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围：
本发明提出一种用于动力模型试验的高拱坝相似材料及其制备方法，如图1所示，选用重晶石砂、重晶石粉、粉煤灰、水泥、水作为原材料。根据具体的模型试验的要求，通过调整以上几种原材料的质量配合比，以获得满足相似要求下物理力学性能的高拱坝相似材料。所述的用于制备高拱坝相似材料的原材料的质量配合比为：重晶石砂35-55份、重晶石粉25-45份、粉煤灰5-15份、水泥1-6份和水6-13份。其中，重晶石砂的粒径为2-4mm，比重为4.0-4.2kg/m3；重晶石粉的粒径为0.1-0.2mm，比重为4.3-4.5kg/m3；粉煤灰的质量等级为二级，细度要求按45μm方孔筛余量不大于25％；水泥为M32.5水泥。
实施例1：
利用电子秤，按照重量配合比称取相应质量的重晶石砂51.1份、重晶石粉25.6份、粉煤灰7.9份、水泥5.6份、水9.8份；先将称取的重晶石砂倒入搅拌机中，然后称取的重晶石粉倒入搅拌机中，最后将称取的粉煤灰和水泥同时倒入搅拌机中；启动搅拌机，在转速80rad/min的速度下将倒入搅拌机的重晶石砂、重晶石粉、粉煤灰、水泥材料干拌3分钟，然后向搅拌机中倒入一半已称取的水后在转速50rad/min的速度下搅拌2分钟，最后向搅拌机中倒入剩下的一半已称取的水在转速60rad/min的速度下再次搅拌3分钟；将搅拌均匀的混合料装入内表层均匀涂抹机油的塑料模具中，在振动台上按照振动频率50-60Hz、振幅1-2mm的条件下振动至表层均匀出水，停止振动。将成型的材料在常温常湿下静置24小时后使用压强不大于0.3Mpa的气泵脱模，脱模后在温度18-22度、湿度93％-97％的环境中养护48小时。待试件养护完成后，在量程不大于100KN的电子万能试验机上对试件进行力学性能测试，获取制备出的相似材料在该配合比下的力学性能参数。图2所示为制备的高拱坝相似材料试件的破坏形态图。
该质量配合比下，最终测试出的相似材料的力学性能为：密度为2627.50kg/m3，抗压强度为2.05MPa，抗拉强度为139.40KPa，弹性模量为162.90MPa，初凝时间为80min，适用于在严格控制弹性模量相似的条件下，原型以C30混凝土浇筑的300米级别高拱坝的模型试验。据附图3，该配合比相似材料在劈裂过程中具有明显的线弹性阶段，在压缩过程中也有较好的近似线弹性阶段。该相似材料的劈裂和压缩应力应变曲线都与实际混凝土材料的应力应变曲线非常相似，具有很好的相似性。
实施例2：
利用电子秤，按照重量称取重晶石砂36.5份、重晶石粉36.5份、粉煤灰14.2份、水泥1.4份、水11.4份；先将称取的重晶石砂倒入搅拌机中，然后称取的重晶石粉倒入搅拌机中，最后将称取的粉煤灰和水泥同时倒入搅拌机中；启动搅拌机，在转速80rad/min的速度下将倒入搅拌机的重晶石砂、重晶石粉、粉煤灰、水泥材料干拌3分钟，然后向搅拌机中倒入一半已称取的水后在转速50rad/min的速度下搅拌2分钟，最后向搅拌机中倒入剩下的一半已称取的水在转速60rad/min的速度下再次搅拌3分钟；将搅拌均匀的混合料装入内表层均匀涂抹机油的塑料模具中，在振动台上按照振动频率50-60Hz、振幅1-2mm的条件下振动至表层均匀出水，停止振动。将成型的材料在常温常湿下静置24小时后使用压强不大于0.3Mpa的气泵脱模，脱模后在温度18-22度、湿度93％-97％的环境中养护48小时。待试件养护完成后，在量程不大于100KN的电子万能试验机上对试件进行力学性能测试，获取制备出的相似材料在该配合比下的力学性能参数。
该质量配合比下，最终测试出的相似材料的力学性能为：密度为2512.33kg/m3，抗压强度为0.38MPa，抗拉强度为7.56KPa，弹性模量为9.54MPa，初凝时间为65min，适用于在严格控制抗压强度相似的条件下，原型以C30混凝土浇筑的200米级别高拱坝的模型试验。据附图4，该配合比相似材料在劈裂过程中具有明显的线弹性阶段，在压缩过程中也有较好的近似线弹性阶段。该相似材料的劈裂和压缩应力应变曲线都与实际混凝土材料的应力应变曲线非常相似，具有很好的相似性。综合实施例1和实施例2，该相似材料具有与现有其他材料相比，材料性能调节范围广泛的优点，具有更大的应用前景。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为本发明的保护范围。
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