不同調節劑對砂巖相似材料物理性質的影響

中圖分類號：TD315 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1098（2025）02-0086-06

引文格式：，，，等.不同調節劑對砂巖相似材料物理性質的影響[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2025，45（2） ：86-91.

DOI：10.3969/j. issn.1672-1098.2025.02.011

Effect of Different Modifiers on Physical Properties of Sandstone-like Materials LI Zhongqing ^1，2 ，YUE Tingle'，XU Zhen' ，TANG Haopeng

（1.SchoolofSfetyScienceandEnginering，Anhui UniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui220o1，China;.State KeyLaboratoryforMining Responseand DisasterPreventionandControlinDeepCoal Mines，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，Huainan Anhui ，China）

Abstract：Objective To explore the efects of diffrent modifiers onphysical parameters and failure characteristics of sandstone-like materials.Methods By using river sand，lime，gypsum and water as base materials，uniaxial compression tests were performed on specimens incorporating paraffin，glycerin or silicone oil.The influence of modifiers on densityuniaxial compressive strength and failure modes were analyzed.Results With the increaseof modifier content，the density increased while compressive strength decreased overall Glycerol exhibited the lowest compressive strength among modifiers and provided superior water retention，folowed by silicone oil，and parafin. Under uniaxial compression，specimens with parafin or silicone oil developed primary and secondary tensile cracks without shear ones，with crack counts varying by modifier content. Glycerin-enhanced specimens displayed increased plasticity. 3% glycerol caused tensile cracks，while 5% and 7% glycerol induced both tensile and shear cracks.Conclusion Considering water retention and failure characteristics，glycerin is recommended as an optimal modifier for sandstone-like materials.

Key Words ： similar materials;ratio experiment;uniaxial compression experiment;characteristics of destruction

巖石相似材料模擬實驗是基于相似理論的一種廣泛應用于巖石力學領域的重要手段，相似實驗原材料的選取與配比關系起到了關鍵性作用。在相似模擬實驗過程中，因膠結材料石膏等凝結過快，試件快速失水而產生裂隙，影響試件的完整性。所以，在相似實驗研究中，通常會選擇加入液體石蠟、甘油和硅油等保水類調節劑，起到保水保濕、緩慢凝結和減少干裂的作用。目前，很多學者采用不同調節劑開展了實驗研究工作，文獻［1]以河沙、水泥、大白粉及淀粉為原材料，以液體石蠟為調節劑，發現液體石蠟含量增加，相似材料的吸水率逐漸減小;文獻[2]分別以重晶石粉、鐵精砂、石英砂、水泥、石膏為原材料，以甘油為調節劑，發現甘油含量對相似材料的抗壓強度和彈性模量影響顯著;文獻[3]以石英砂、重晶石粉、水泥、硅酸鈉等為原材料，甘油為調節劑，發現相似材料的抗壓強度和彈性模量隨著甘油含量的增加而減?。晃墨I[4]以細河沙、膨潤土、石膏、固體石蠟為原材料，硅油為調節劑，發現隨著硅油含量的增加，相似材料的單軸抗壓強度和滲透性系數不斷減??；文獻[5]以石英砂、重晶石粉、滑石粉等為原材料，硅油為調節劑，發現相似材料的吸水率隨硅油含量增加而顯著減小；文獻［6]以鐵粉、石英砂、重晶石粉、白水泥為原料，以硅油為調節劑，發現相似材料的滲透系數隨著硅油含量的增加而減小；文獻［7]以鈣質砂、白水泥、水為原材料，硅油為調節劑，發現相似材料的強度隨著硅油的增加而降低；上述研究得出不同調節劑在相似材料中發揮重要作用，能夠有效降低相似材料彈性模量、強度等各項力學性能，但沒有綜合比較其相互之間的差異。

不少學者也對相似材料單軸壓縮下破壞模式進行了研究，文獻[8]選取重晶石粉、石英砂、細砂、石膏和水泥為原材料，發現相似材料和原巖單軸壓縮破壞形態基本吻合，屬于剪切破壞和拉伸破壞；文獻[9]開展了不同水膏比相似材料配比實驗，發現單軸壓縮破壞主要表現為劈裂破壞，縱向拉裂紋由上至下萌生、貫通，拉裂紋方向接近垂直并相互平行；文獻[10]采用水泥、石膏及全粒徑煤粉為原材料，發現相似材料試件破壞模式主要是沿斜截面剪切破壞；文獻［11]制備了5類質量比硬脆性玄武巖相似材料試件，發現單軸壓縮沿軸向脆性張拉劈裂破壞，與實際玄武巖相近；文獻［12]以鐵細粉、重晶石粉、石英砂、石膏、可再分散乳膠粉為原材料，發現相似材料的破壞模式逐漸轉變為軟巖中常見的X形共軛破壞；文獻[13]以石英砂、重晶石粉和石蠟為原材料制備相似材料，發現石蠟含量增加，試件破壞發生從劈裂到破碎的轉變；文獻[14]以石英砂、重晶石粉、膨潤土、石膏和水泥為原材料，發現相似材料試件主要表現為拉伸破壞，與天然巖體非常相似；文獻[15]通過研究發現，隨著石英砂含量的增加，相似材料試件單軸壓縮破壞趨向簡單且剪切裂紋逐漸減小。上述研究發現不同的原材料制備的相似材料破壞特征表現不同，但現有的研究中幾乎沒有開展不同調節劑對相似材料破壞特征影響研究。

為探究不同調節劑對相似材料物理參數及破壞特征的影響，本文以河砂為骨料、石灰和石膏為膠結劑、水為融合劑，分別以液體石蠟、甘油和硅油作為調節劑，開展3種調節劑的保水能力強弱及對相似材料物理參數及破壞特征的影響研究，為相似材料模擬實驗中調節劑的選取提供參考。

1實驗過程

1.1 原材料選擇

相似材料通常由骨料、膠結劑和調節劑共同組成。本次相似材料配比實驗以河砂、石灰、石膏為原材料，分別以石蠟、甘油和硅油為調節劑，研制相似材料進行實驗。其中液體石蠟作為調節劑可以減少干裂，增加相似材料的非親水性；甘油可以起到保水的作用，可以適當延長材料的凝結時間，防正失水過快產生裂隙;硅油具有保濕和減少干裂的作用，可提高材料的非親水性

1. 2 實驗方案

本實驗共10組，每組3個平行試件，進行單軸壓縮實驗。以各組分質量比為M砂：M石灰：M石膏=10：0.4：0.6 ，調節劑摻人量為0的配比方案作為基礎對照組A組，摻入不同質量的石蠟、甘油、硅油分別為B組、C組、D組。通過改變調節劑類型及摻入量等因素，采用單因素控制法分析不同調節劑在不同摻入量的條件下，對相似材料試件物理參數與破壞特征的影響。

1.3 試件制作

為了保證相似材料試件的均勻性和密實度，并與模型實驗材料的性質保持一致，相似材料試件的制作均采用手工壓實的方式。采用標準混凝土試?？箟涸噳K模具，制作 ?50mm×100mm 標準圓柱形試件。每組同規格的試件制作3個，共計30個。

試件具體的制作工藝如下：首先，按照實驗方案稱取砂、石灰、石膏、水和調節劑，并將干料混合，攪拌均勻;然后，將稱好的水倒入拌好的干料中，攪拌均勻后加入液體石蠟等調節劑，繼續攪拌均勻；最后，將攪拌好的混合料分多次加入到塑料模具中，利用鋼制圓柱體壓實，等待 20～30min ，拆除模具，將成型的相似材料試件放置在干燥的環境中進行養護，養護時間為 ^3d 。將養護完成后的試件，通過游標卡尺進行測量，測量其上、中、下3個位置的直徑以及圓柱試件的高，如若偏差較大，將其進行打磨，使其成為表面平整度 ?±0 ： 1mm/100mm 的標準試件。

2 實驗及結果分析

2.1 實驗結果

待試件養護結束后，對試件進行常規的單軸壓縮實驗。實驗在巖石力學參數測定試驗機（WDW-100B）上進行，該實驗機最大試驗載荷可達 100kN 。實驗加載方式采用位移控制，加載速率是 0.2mm/min 。

實驗測定了試件的密度和單軸抗壓強度。參數的測定方法參照《煤與巖石物理力學性質測定方法》（ GB/T23561-2009） 。對10組相似材料試件進行密度及單軸抗壓強度測定實驗，得到各組相似材料的密度和單軸抗壓強度物理力學參數，相似材料試件的密度分布在 1.56～1.77g/cm³ ，單軸抗壓強度分布在 0.064～0.275MPa 。

2.2 實驗結果分析

1）密度由圖1可知，加入添加劑后，經過3d的養護時間，測量其質量并計算密度，發現密度變化趨勢都隨著調節劑含量的增加而逐漸增大，其變化趨勢與文獻「16]在相似材料研究中的趨勢一致。3種調節劑中，摻入甘油的試件密度大于另外兩種調節劑，這是因為甘油在分子結構上有3個羥基能與水中的羥基互溶，因此能夠與水混溶，降低水與石灰石膏的水化反應效率，從而減少水與石灰石膏水化反應的量，并且水和甘油混合能夠吸收空氣中的水分，降低試件中水分的蒸發效率，導致其密度增加。而石蠟是正構烷烴，硅油是一種有機硅物料，都是疏水類物質，在常溫下非常穩定且不易揮發，會增加相似材料的非親水性，兩者對試件密度的影響趨勢基本一致。

從圖1中可以看出，3種調節劑含量為 5% 左右時均出現轉折點。調節劑為甘油時，含量從 5% 到 7% 比 3% 到 5% 對試樣密度的影響降低，而添加劑為石蠟和硅油時，影響效果增加。這是因為試樣在自然養護中，接觸空氣的表面積不變，試樣中甘油含量增加到 5% 時，親水性達到了一定的閾值，這時對試樣密度的增加效果會逐漸降低；而石蠟和硅油由于其疏水性，隨著含量的增加，會逐漸包裹在顆粒表面，從而阻降低了水分蒸發，形成對試樣密度逐漸增加的效果

2）應力-應變曲線 根據得到的實驗數據利用Origin軟件，分別作出不同調節劑試件的應力一應變曲線，如圖2所示，

觀察圖2可知，與調節劑含量為 0% 的原試件相比，摻入調節劑之后，峰后并沒有出現明顯的應力驟降，表明摻入調節劑后試件的脆性減弱，塑性增強，且隨著調節劑含量的增加，塑性變形逐漸增強。由圖2（a）可知，石蠟作為調節劑時，不同含量的石蠟試件破壞的峰值應力均降低，所對應的峰值應變基本相同，但都小于原試件。由圖2（b）可知，對比石蠟和硅油，加入甘油之后，試件峰后階段并沒有出現明顯的應力驟降，而是表現出塑性特征，峰值應力下降變得緩慢，且隨著甘油含量的增加，塑性逐漸增強；這是因為在甘油作用下，相似材料試件中骨料被潤滑和軟化，顆粒棱角平滑，削弱了顆粒間的黏性，使試件內部結構變得松散，峰值應力下降速率減小，塑性增強。由圖2（c）可知，摻入硅油后，試件破壞的峰值應力均降低，且對應的峰值應變基本相同但均小于原試件

3）單軸抗壓強度根據作出的應力-應變曲線中得出不同組的峰值應變，即試件的單軸抗壓強度，結果如圖3所示。由圖3可知，加人相同的調節劑，隨著其含量的增加，試件的抗壓強度呈減小的趨勢相比之下，甘油組試件單軸抗壓強度下降幅度最大，當含量從 3% 增加到 7% 時，甘油組試件的單軸抗壓強度降低了 64.2% ，石蠟組和硅油組的下降幅度大體一致，分別降低了 33.9% 和 35.7% 。這表明甘油能更好的與水混溶，降低石灰石膏的水化反應速率，減少水與石灰石膏反應的量，使試件內殘留水分增多，極大地弱化試件的強度

綜合比較不同調節劑對試件密度和單軸抗壓強度的影響，表明甘油能更好的與水混溶，減少試件中水分的蒸發，而石蠟和硅油因其疏水性，增加試件的非親水性。3種調節劑中，甘油的保水性能最好，硅油次之，硅油最差。因此，在進行相似材料配比實驗時，為防止在實驗過程中試件因失水過快發生干裂，可以選擇加入甘油作為保水材料

3 宏觀破壞特征分析

為了得到相似材料試件經過單軸壓縮后的破壞形態特征，對其進行破壞形式分析，各試件的最終破壞形態共產生3種裂紋：T主拉伸裂紋、Ts次生拉伸裂紋和S剪切裂紋。對試件破壞產生的裂紋進行描繪，如圖4所示，黑色粗線為主要裂紋，藍色細線為次生裂紋。

相似材料試件在經過單軸壓縮破壞后，產生不同類型的裂紋。不摻入調節劑和分別摻入石蠟和硅油的試件，均產生T型主拉伸裂紋和Ts型次生拉伸裂紋。但各組試件的裂紋起裂位置不同，不摻調節劑的試件起裂于底端，摻石蠟的試件裂紋起裂位置隨含量變化， 3% 和 5% 石蠟起裂于頂端， 7% 石蠟起裂于兩端且未貫通，摻硅油的試件裂紋起裂于底端，如圖4（a） ～ 圖4（d）、圖4（h）＼～圖4（j）。摻入甘油后，試件破壞模式逐漸由拉伸轉為剪切。3% 甘油試件仍為拉伸破壞，產生T型和Ts型裂紋， 5% 和 7% 甘油試件塑性增強，出現S型剪切裂紋，如圖4（e）＼～圖 。其中 7% 甘油含量的試件產生的T型裂紋與其中兩條S型裂紋連接，共同形成倒“Y\"狀，這是由剪切與拉伸破壞共同作用形成的，試件的底部在局部范圍內發生剪切破壞，形成一個錐形體，在軸向壓力的作用下，錐形體對試件其他區域產生擠壓作用，使試件受到軸向壓力和徑向張力，試件發生劈裂，形成拉伸剪切混合裂紋，最終裂紋逐漸擴展直至貫穿整個試件。

綜上所述，未摻人調節劑時，試件以拉伸破壞為主；摻入不同種類的調節劑，石蠟和硅油的試件產生了主拉伸裂紋和次生拉伸裂紋;而甘油試件不僅產生了主拉伸裂紋和次生拉伸裂紋，還產生了剪切裂紋。綜合比較摻入不同調節劑后相似材料在單軸壓縮下的破壞特征，并與不同類型巖石在單軸壓縮條件下的變形特征[相對比，結果表明摻入甘油后，得到的相似材料和巖石的單軸壓縮實驗的典型破壞形態基本吻合，屬于拉伸破壞和剪切破壞。

4結論與展望

本文以砂、石灰、石膏、水為原材料，分別摻入石蠟、甘油和硅油作為調節劑，配制了10組標準試件進行相似材料力學實驗。研究發現調節劑類型與摻入量都增大了試件的密度，降低了相似材料的單軸抗壓強度，增加相同含量的調節劑，甘油的保水能力強于石蠟和硅油。觀察不同調節劑對相似材料破壞特征的影響，發現其破壞形式與不同類型巖石基本吻合。綜合考慮不同調節劑的保水能力和對破壞特征的影響，在相似材料實驗過程中可以選擇加入甘油作為調節劑。

本文研究了摻人不同調節劑的砂巖相似材料的物理參數及破壞特征，但本文僅進行了單軸壓縮實驗，后續研究可以開展相似材料水理性質的研究，更好的反映調節劑在相似材料中非親水性的影響差異。此外，本文僅在標準養護條件下進行破壞特征的研究，今后可以采用不同的養護條件進行單軸抗壓實驗，對相似材料的力學性能及破壞特征開展更加深入的研究。

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（責任編輯：丁 寒）