一种添加高吸水性树脂的强度自劣化相似材料及应用

本发明属于岩土工程的物理模型试验领域，具体涉及一种添加高吸水性树脂的强度自劣化相似材料及应用。

背景技术：

1、地下工程开挖后，由于开挖爆破对开挖面附近岩体的扰动，会导致岩体结构松动变形，进而导致围岩强度发生劣化。而在地下工程物理模型试验中，一般的岩石相似材料很难模拟围岩的这种强度自劣化特性，罗晶等在论文《地质力学模型试验中变温相似材料的应用与温度影响行为分析》中提出了一种温度控制强度的围岩相似材料，其主要原理是在相似材料配比中添加适量的可熔性高分子材料，然后通过升温调控系统和温度监测系统逐级升温，从而实现围岩相似材料的强度劣化。这一方法的主要问题在于需要在相似材料中设置加热电阻丝，可能会破坏围岩的完整性，另外辅助的加热装置需要专门设计，造价不菲；还有周翠英等提出的发明专利《一种基于软岩遇水软化特性的相似材料及其制备方法》，主要针对软岩遇水软化的特性，通过添加生石灰来实现围岩的强度劣化，这一方法在力学机理上难以反应开挖扰动引起的围岩强度劣化特性；崔远等的发明专利《一种满足水致强度劣化特性的岩石相似材料及其制备方法和应用》，以膨润土作为材料水敏性调节剂，来实现水致强度劣化特性的岩石相似材料配比，虽然膨润土吸水后膨胀会导致岩石相似材料易崩解，一定程度上可以模拟围岩的遇水强度劣化行为，但是膨润土自身具有较高的粘性，会大大增强相似材料的胶结程度，从而提高相似材料的强度(例如论文“膨润土掺量对自密实混凝土强度及变形能力的影响”中表明，当膨润土掺量不超过5％时，抗压强度随着掺量的增加而增大)，说明膨润土吸水后对围岩相似材料的强度既有劣化的作用，同时又伴随有增强的作用，因此利用该专利的方法无法较好地对围岩强度的劣化程度进行量化，在进行相似材料配比时存在难以满足力学相似的问题。另一方面，该专利也不适用于模拟爆破开挖扰动对围岩强度的劣化行为，爆破开挖导致围岩岩体结构松动，结构面发生剪切、张开变形，从而导致围岩强度劣化，而膨润土吸水后膨胀导致岩石相似材料崩解，但膨润土本身也是一种相似材料，它紧密填充于崩解的岩体之中，难以模拟岩体结构的松动变形状态。

技术实现思路

1、基于以上认识，本发明的目的在于提供了一种添加高吸水性树脂的强度自劣化相似材料在模拟围岩强度自劣化行为中的应用，该相似材料在能够模拟围岩强度自劣化行为的同时，高吸水性树脂类添加剂本身性质对相似材料的初始力学性质影响较小，对于围岩结构的完整性也没有不利影响。有利于保证相关物理模型试验的顺利开展，同时能够准确获取围岩劣化条件下的应力与变形演化规律，对于保障地下工程安全具有重要意义。

2、本发明的另一目的在于提供了一种添加高吸水性树脂的强度自劣化相似材料，采用的高吸水性树脂没吸水时体积很小，不会与重晶石粉、石英砂和石膏等建筑材料发生反应，吸水后会和水形成聚合物，本身没有粘性，不会改变相似材料之间的粘结强度，因此对于相似材料的初始力学性质影响很小，从而简化了实验步骤和流程。

3、为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

4、第一方面：一种添加高吸水性树脂的强度自劣化相似材料在模拟围岩强度自劣化行为中的应用，以固体颗粒状高吸水性树脂作为添加剂混入至包括有骨料和胶结材料的相似材料中，再加工成标准试样进行力学测试，当在试样表面喷水，待表面水被吸收后静置1～2小时，然后重复喷水，静置，由于内部高吸水性树脂颗粒吸水持续膨胀，导致试样内部产生微裂纹，最终在试样表面出现肉眼可以观察到的裂纹，从而使试样的强度发生劣化。

5、可选地，所述骨料包括石英砂、重晶石粉。

6、可选地，所述胶结材料包括水泥、石膏。

7、可选地，所述固体颗粒状高吸水性树脂包括聚丙烯酸钠固体颗粒、聚丙烯酸丁酯固体颗粒。

8、进一步地，对于ⅱ级以下围岩，所需骨料为20～40目石英砂，胶结材料为石膏，添加剂为粒径不大于5mm的聚丙烯酸钠固体颗粒；

9、对于ⅱ级及ⅱ级以上围岩，所需骨料为20～40目石英砂和300～350目重晶石粉，胶结材料为水泥，添加剂为粒径不大于2mm的聚丙烯酸丁酯固体颗粒。

10、优选地，所述高吸水性树脂添加量为相似材料总质量的1％～3％。

11、可选地，所述自劣化相似材料的试验方法，包括以下步骤：

12、a.根据力学相似与几何相似确定两种围岩相似材料的配方和配比：

13、ⅱ级围岩按质量比为：重晶石粉:石英砂:水泥:水＝440:66:50:60，配置好后，再添加质量比1％的聚丙烯酸丁酯固体颗粒搅拌均匀；

14、ⅲ级围岩按质量比为：石英砂:石膏:水＝560:50:60，配置好后，再添加质量比1％的聚丙烯酸钠固体颗粒搅拌均匀；

15、b.将配置好的ⅱ级和ⅲ级围岩相似材料分别加工成至少各20组，每组不少于3个的50mm×100mm的圆柱标准试样；

16、c.针对两种围岩相似材料的圆柱标准试样，分别进行1组单轴压缩和4组三轴压缩试验，围压分别为2mpa、4mpa、6mpa、8mpa，根据实验结果计算试样的单轴抗压强度与抗剪强度，并分别与添加高吸水性树脂之前的ⅱ级和ⅲ级围岩相似材料强度进行对比；

17、d.针对两种围岩相似材料的圆柱标准试样，分别选取5组标准试样，按喷洒-静置-再喷洒的流程，分别在试样的圆柱侧面喷洒水，水的用量根据添加的高吸水性树脂质量确定，待吸收完成水后，进行1组单轴压缩和4组三轴压缩试验，围压分别为2mpa、4mpa、6mpa、8mpa，根据实验结果计算试样的单轴抗压强度与抗剪强度；

18、e.再分别选取5组标准试样，预定吸收水量为步骤d中所用水的水量的2倍，重复步骤d；

19、f.再分别选取5组标准试样，预定吸收水量为步骤d中所用水的水量的3倍，重复步骤d，还可根据需要增加不同吸收水量的试样的测试；

20、g.整理步骤c～f的试验结果，分析试样强度与试样吸收水量的关系变化曲线；

21、h.根据试样强度与试样吸收水量的关系变化曲线，估算围岩强度劣化所需的吸收水量；

22、i.在物理模型试验时可按估算的吸收水量在开挖面上，按照喷洒-静置-再喷洒的流程进行喷洒作业；

23、j.利用回弹仪在开挖面上进行测试，将测试结果与喷洒前的测试结果进行对比，以评估喷洒后围岩的劣化程度是否满足要求，如未达到要求，则需重复步骤h，修正围岩强度劣化所需的吸收水量，直至围岩强度满足要求。

24、进一步地，所述步骤h中：假设围岩开挖面的面积为ae，圆柱体试样的侧面面积为a0＝0.05π×0.1＝0.0157m2，预计ⅱ级围岩强度劣化至原来的67％，则对于ⅱ级围岩试样，需吸收水20g，围岩吸收水量为wⅱ＝20×ae/a0；

25、预计ⅲ级围岩强度劣化至原来的50％，对于ⅲ级围岩试样，需吸收水11g，围岩吸收水量为wⅲ＝11×ae/a0。

26、第二方面：一种添加高吸水性树脂的强度自劣化相似材料，包括骨料、胶结材料、水以及高吸水性树脂固体颗粒，其中，所述高吸水性树脂固体颗粒的用量为骨料、胶结材料以及水的总质量的1％～3％。

27、优选地，所述骨料包括石英砂、重晶石粉；所述胶结材料包括水泥、石膏；所述高吸水性树脂固体颗粒包括聚丙烯酸钠固体颗粒、聚丙烯酸丁酯固体颗粒。

28、由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：

29、(1)添加高吸水性树脂的岩石相似材料，只需要在围岩开挖面上喷洒水即可实现围岩的强度自劣化特性，操作方便，成本低廉，同时还有利于提高物理模型试验模拟的可靠性和准确性。

30、(2)添加的高吸水性树脂本身无毒无害，对于开展物理模型试验、配置相似材料的试验人员身体健康无不利影响，同时对于物理模型试验后的废弃物处理也非常方便，不会出现环保方面的隐患。

31、(3)高吸水性树脂没吸水时体积很小，也不会与重晶石粉、石英砂和石膏等建筑材料发生反应，吸水后会和水形成聚合物(类似果冻)，本身没有粘性，不会改变相似材料之间的粘结强度，因此对于相似材料的初始力学性质影响很小，所以在设计围岩相似材料的配方比例时，可不考虑添加剂的影响，从而简化了实验步骤和流程。