水泥和石膏胶结相似材料配比的确定方法

水泥和石膏胶结相似材料配比的确定方法

冯蒙

叶城天山公司，新疆 叶城 844900

摘要：采用正交试验法开发了物理力学参数可调的类似岩石材料。以重晶石、铁精矿、石英砂为骨料开发了几个试验组，基于线性回归和方差分析，研究了物理力学参数与影响因素之间的定量关系。可比材料的物理力学参数发生了不同程度的变化。这符合大多数类似材料和石头的建模要求，线性回归分析定量评估了相似材料的物理力学参数与影响因素之间的关系。并计算了不同因素的大小，水泥含量显著影响相似材料的密度、附着力和内摩擦角，甘油含量对相似材料的抗压强度和弹性模量有重要影响，这些因素对抗拉强度和泊松比没有显著影响，类似于岩浆物质的注入。

关键词：相似材料；正交试验设计；材料配比；

1、前言

相似模型试验在高山、矿山等复杂地质构造的研究中经常使用，与数值模拟分析相比，可以为实际工作提供科学的理论依据。模型试验可以分析结构从弹丸塑性到整个破坏过程，这是一种直观而有说服力的研究方法相似材料的选择和比较对模拟结果起着重要作用，因此，开发岩石相似材料非常重要，它对应于原型和模型之间物理和力学参数的类比。

2、水泥砂浆的损伤特性

这些模型中的许多都需要失败的尝试。大多数模拟试验是在沉积岩中进行的。大多数沉积岩，如砂岩、页岩和石灰石，主要由骨料和水泥组成，或者骨料本身是水泥颗粒，类似于所选灰泥的结构。大量实验表明，水泥砂浆材料的降解性能基本上与现场岩石的降解性能相似，换句话说，与可比材料相比，水泥泡沫更适合模拟岩石。

2.1相似材料的选择

相似材料选择的正确性将直接影响模型的试验结果。根据材料可用性原则，回顾以往关于相似材料的工作和回顾建模方法，制造过程简单且无害，材料比率的变化极大地改变了材料的物理和机械参数。以铁精矿和石英砂为骨料，石膏和水泥为粘结剂，甘油为调节剂，考察岩石中相似材料的比例，选用模型和水泥基质，甘油纯度为95%，三种骨料密度大，物理化学性能稳定，选材性好，是理想的模拟材料^[1]。

2.2正交试验方案

正交设计方法是多因素、多水平的，根据综合试验的正交性选择典型的水平组合。代表性水平组合具有一致性和可比性，正交试验采用综合法。正交表。正交表具有平衡性、正交性和代表性，以减少试验次数并获得更具代表性的数据，在一些试验结果之后，引入综合试验，使其更有效、更经济。

2.3石膏的影响

研究了灰泥含量对水泥灰泥抗压强度的影响。在小范围内，随着石膏含量的增加，水和砂显著增加。由于水合石膏粉，在有水的情况下形成硫酸钙，溶液中的自由水减少，当石膏粉水合时，凝胶控制增加了凝胶和填料之间的接触面积，并改善了凝胶和填料之间的附着力。

2.4水泥使用的影响

研究了水泥用量对水泥砂浆抗压强度的影响，即在一定的水和砂量条件下，水泥砂浆的抗压强度和抗折强度。随着水泥用量的增加，小面积抹灰砂浆的用量显著增加，因为水泥砂浆的强度主要取决于水泥与水泥、水泥凝胶与填料之间的粘结力。随着水泥用量的增加，水泥污泥中产生的水泥凝胶量增加，从而增加了水泥凝胶与骨料的接触面，提高了水泥与骨料的结合程度。

2.5用水的影响

研究了水对水泥砂浆抗压性能的影响，研究了含固砂水泥石膏的抗压强度和抗折强度。随着用水量的增加，小面积的污泥明显减少。由于水泥脱水需要约20-25%的水泥污泥才能满足水泥污泥的流动性，因此水量必须增加40%-75%，水泥软管中的自由水将增加。当水泥硬化时，多余的自由水逐渐蒸发，并在溶液中留下许多小孔，降低水泥火焰的密度，从而降低水泥火焰的耐压性^[2]。

3、影响类似石膏材料性能的因素分析

影响灰泥性能的因素很多，砂灰泥混合物可分为以下几个方面：

3.1密度

样品的密度对其强度和弹性模量有很大影响。密度的变化通常会改变样品的大部分力学参数。单轴压实下材料的强度增加。如果砂和软膏的含量保持不变，则密度（即孔隙率降低）会降低附着力并增加颗粒之间的相互作用。在样品制备过程中，密度的变化可通过改变填料和压力来控制。在具体试验中，可通过模拟和实际碳和软化密度选择相应的比例^[3]。

3.2混合水

混合水是指取样时使用的水量，石膏混合物对水混合物有一定的要求，石膏溶液在浇铸过程中可能溢出，从而改变混合物的数量和水与软膏的比例，材料无法满足结构要求，拌和用水过少，成型后材料松散，不能满足设计要求。如果混合物的体积过大，甚至超过石膏染色所需的水，则样品在干燥过程中形成多孔结构，样品的密度和强度降低。作为设计的一部分，通常通过改变混合水来调整材料的机械指数^[4]。

3.3油平衡

试样的强度随涂砂比的变化而变化，砂含量的增加随石膏含量的增加而减小，降低了材料的粘结强度。如果砂膏小于3.1~8.1，则永久提高试样的强度；如果超过糊号，则材料松散，制备样品困难，强度显著降低，如果浆料小于3.1，则材料可以烧结，原始强度略有降低，最终强度逐渐增加。在实际实验中，人们经常考虑砂的选择和3%和3%、1和8.1之间的比例。

3.4砂粒径

较大的砂粒（尤其是强度较高的砂粒）通常会增加试样的内摩擦角。试样的内摩擦角越小，试样的粗糙表面越小，这是由于试验期间石英砂中的大颗粒造成的，轨道宽度只能在加工后使用^[5]。

3.5其他因素

其他影响因素包括砂的成分、样品制备过程中混合物和振动的影响以及样品形成后的储存条件。例如：如果砂粒径均匀，材料孔隙度大，颗粒边缘和闭合角度差，收敛性不强，材料强度低，反之，选择合适的材料可以增加材料的密度，增加内摩擦角，提高材料的强度。混合和抗振性也会影响类似抹灰材料的强度。生产过程中必须严格遵守试验程序。特别是，必须规定混合和振动试验的时间。每次试验的混合条件必须尽可能均匀，样品的硬化条件包括标准温度和湿度。然而，根据收集的数据，不同成分的石膏在凝结过程中有不同的调整时间，因此在不同的湿度条件下，其强度基本相同，因此，操作条件不能被视为影响因素。当然，还有其他影响样品性能的因素，如样品制备和测试期间的温度、砂纯度、原材料湿度和混合物质量，后续测试中考虑并总结了原材料的稠度^[6]。

4、结束语

本文在力学实验中考察了抹灰材料的力学参数，并对各种因素进行了分析。为下一步大比例尺地质模型试验提供了良好的基础，根据具体试验背景，类似材料的理想单轴抗压强度，重量范围必须可调，若试验选用纯石膏，石膏比应设置为1.0~1.5。如果需要混合较重的材料并添加更多的砂，则适量的水泥可以提高材料的整体强度。水泥的混合应设置在材料总质量的0-4%范围内。与其他类似材料相比，石膏本身的密度较小且聚集，降低了类似材料的整体强度。因此，当石膏大量消耗时，类似材料不适用于大型地质模型试验中固体致密岩石的模拟，需要进一步研究。

参考文献

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[2] 宫嘉辰, 陈士海. 隧道爆破力学模型相似材料配比的正交试验[J]. 华侨大学学报(自然科学版), 2020, v.41;No.172(02):34-40.

[3] 朱墨然, 文光才, 桂小玲,等. 煤与瓦斯突出相似材料常用黏结剂对比试验研究[J]. 煤矿安全, 2019, v.50;No.537(03):11-14.

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