一种隧道温度场模型试验地层相似材料及其制备方法

1.本发明涉及应用于寒区隧道模型试验的技术领域，尤其涉及一种隧道温度场模型试验地层相似材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着寒区隧道建设数量的增加，隧道冻害问题日益严重。在我国西北和东北等地区，寒区隧道贯穿运行后，隧道洞内空气-衬砌、衬砌-围岩之间发生强烈的传热，导致结构开裂、漏水、及冰堵塞排水管等冻害。部分隧道因冻害问题导致隧道不能使用的时间长达8～9个月，这对我国的交通运输产生了严重的负面影响。因此，研究寒区隧道温度场演化规律对冻害防治具有重要应用价值。模型试验是一种以相似理论为基础的科学研究方法，采用比例模型相似模型试验研究隧道温度场演化规律，并将实验结果推广应用至实际寒区隧道工程温度场分析中，可以有效解决寒区隧道冻害防治的一些问题。
3.目前，对寒区隧道温度场的模型试验研究中采用的围岩材料大多是原始隧道围岩和混凝土材质。然而采用原始隧道围岩材料存在远距离取样代价高且破碎的岩石空隙率远大于实际情况的问题，采用混凝土相似材料存在实验次数单一、不利于其他设备重复使用、材料重复利用低等缺陷；因此，建立一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，进而构建一种兼顾配质简单、成型快、材料易获取、成本低、混合料可二次利用的围岩相似材料是很有必要的。
4.中国专利cn 202011181069.0公开了一种高强度耐硫酸盐腐蚀混凝土及其制备方法。包括按质量百分比配比的下述组分：硅酸盐水泥18-22％，改性玄武岩纤维6-10％，硅粉5-8％，河砂15-20％，花岗岩破碎石20-25％，亚硝酸钠防冻剂0.5-1.0％，聚羧酸缓凝减水剂1.0-1.5％，余量为水。混凝土制备方法为先将聚羧酸缓凝减水剂加入水中搅拌溶解配制成聚羧酸缓凝减水剂水溶液；将硅酸盐水泥、河砂和花岗岩破碎石加入搅拌机中干拌得到干拌料；将聚羧酸缓凝减水剂水溶液倒入干拌料中湿拌，然后加入改性玄武岩纤维、硅粉和亚硝酸钠，搅拌均匀即得。本发明制备得到的混凝土同时具有良好的力学性能和耐硫酸盐腐蚀性能。


技术实现要素：

5.解决的技术问题：本技术所要解决的技术问题是现有的采用混凝土相似材料存在实验次数单一、不利于其他设备重复使用、材料重复利用低等技术问题，提供了一种隧道温度场模型试验地层相似材料及其制备方法，该种材料以满足导热系数相似为主，具有配质简单、成型快、材料易获取、成本低、混合料可二次利用，且材料性能的不受温度降而导致材料冻结改变导热系数的影响。
6.技术方案：
7.为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为：
8.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石5～7份，
砂1～3份，土3～5份，抗冻液0.5～1.5份，所述抗冻液的冰点为-40℃。
9.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，步骤为：
10.第一步：根据寒区隧道围岩实际热力学参数确定隧道温度场模型试验地层相似材料的导热系数范围；
11.第二步：通过隧道温度场模型试验地层相似材料的导热系数范围确定玄武石、砂、土和抗冻液的材料配比；
12.第三步：称取玄武石、砂、土和抗冻液；
13.第四步：将玄武石、砂和土进行搅拌混合均匀后加入抗冻液，充分搅拌混合均匀；
14.第五步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型，养护24h，脱模后自然风干；
15.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的隧道温度场模型试验地层相似材料导热系数，得到用于寒区隧道温度场模型试验围岩相似材料的导热系数。
16.作为本发明的一种优选技术方案：所述玄武石的粒径小于10mm。
17.作为本发明的一种优选技术方案：所述砂的粒径小于2.36mm。
18.作为本发明的一种优选技术方案：所述土的粒径小于1.16mm。
19.作为本发明的一种优选技术方案：所述抗冻液由去离子水和防冻剂按7：3比例混合而成。
20.作为本发明的一种优选技术方案：所述防冻剂采用的是乙二醇溶液。
21.作为本发明的一种优选技术方案：所述隧道温度场模型试验地层相似材料的原料按质量份数配比为：玄武石7份，砂3份，土3份，抗冻液1.5份。
22.作为本发明的一种优选技术方案：所述搅拌采用型号为：komax 22mm螺旋杆(六角柄)多功能搅拌器，负载功率4600，额定频率50hz，额定电压220v，转速400～2000r/min。
23.原理解释：混凝土作为围岩相似材料，进行寒区隧道围岩温度场模型试验时主要由冷环境、隧道衬砌结构(混凝土)、围岩结构。混凝土作为配方模拟围岩结构，最直观的缺陷是易于凝固成型且不具有重复性、实验结束后造成材料的浪费、无法二次利用、同时混凝土结构的导热系数范围较为固定，无法通过改变配比满足大部分隧道围岩导热系数的要求；另一方面围岩中会埋深大量的传感器，采用混凝土时，混凝土凝固的压力会破坏传感器，采用本技术中的围岩相似材料兼顾配质简单、成型快、材料易获取、成本低、混合料可二次利用。
24.有益效果：本技术所述隧道温度场模型试验地层相似材料及其制备方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
25.1、本发明所述的一种隧道温度场模型试验地层相似材料，采用易获取、成本低、导热系数稳定性好的玄武石、土、砂作为原料，可实现不同围岩导热系数的配比；结合抗冻液可使材料的冰点降至-40℃，可以确保相似材料在寒区隧道温度场模型试验中的导热系数不随温度的降低而冻结，致使相似材料导热系数的改变，确保相似材料导热系数的稳定性。
26.2、本发明所述的一种隧道温度场模型试验地层相似材料，可以用于模拟不同寒区隧道温度场围岩的介质材料，解决了难以模拟隧道围岩导热系数相似材料的难题。本发明相似材料的导热系数基本覆盖现有寒区隧道围岩的导热系数需求，与前人研究相比，真实模拟了寒区隧道温度场演变过程，同时兼顾配质简单、成型快、材料易获取、成本低、混合料可二次利用等优势，所得出的温度场相似模型试验研究结果更加准确。
27.3、本发明可以配比不同寒区隧道围岩导热系数的相似材料，用来模拟寒区隧道温度场的演化规律。
28.4、本发明所提出的寒区隧道围岩相似材料相较于现有的混凝土材料配质简单、成型快、材料易获取、成本低、混合料可二次利用。
29.5、本发明的相似材料的制备方法简单、热力学性能稳定、易于浇筑，能够通过调节材料配比，在不影响整体性质的前提下，改变材料的导热系数，为模拟不同导热系数的围岩提供了可能。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.本发明的实施例所用的玄武石的粒径小于10mm，砂的粒径小于2.36mm，土的粒径小于1.16mm，抗冻液的冰点为-40℃，抗冻液由去离子水和防冻剂乙二醇溶液按7：3比例混合而成。搅拌采用型号为：komax22mm螺旋杆(六角柄)多功能搅拌器，负载功率4600，额定频率50hz，额定电压220v，转速400～2000r/min。
32.实施例1
33.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石5份，砂1份，土3份，抗冻液0.5份。
34.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
35.第一步：按质量份数配比称取玄武石5份，砂1份，土3份，抗冻液0.5份；
36.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
37.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
38.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
39.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
40.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
41.该配比的围岩相似材料的导热系数为2.17w
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42.实施例2
43.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石6份，砂2份，土3份，抗冻液1份。
44.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
45.第一步：按质量份数配比称取玄武石6份，砂2份，土3份，抗冻液1份；
46.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
47.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
48.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
49.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
50.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
51.该配比的围岩相似材料的导热系数为2.70w
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52.实施例3
53.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石7份，砂3份，土3份，抗冻液1.5份。
54.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
55.第一步：按质量份数配比称取玄武石7份，砂3份，土3份，抗冻液1.5份；
56.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
57.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
58.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
59.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
60.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
61.该配比的围岩相似材料的导热系数为2.02w
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62.实施例4
63.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石6份，砂1份，土4份，抗冻液1.5份。
64.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
65.第一步：按质量份数配比称取玄武石6份，砂1份，土4份，抗冻液1.5份；
66.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
67.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
68.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
69.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
70.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
71.该配比的围岩相似材料的导热系数为1.93w
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72.实施例5
73.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石7份，砂2份，土4份，抗冻液0.5份。
74.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
75.第一步：按质量份数配比称取玄武石7份，砂2份，土4份，抗冻液0.5份；
76.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
77.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
78.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
79.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
80.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
81.该配比的围岩相似材料的导热系数为2.66w
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82.实施例6
83.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石5份，砂3份，土4份，抗冻液1份。
84.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
85.第一步：按质量份数配比称取玄武石5份，砂3份，土4份，抗冻液1份；
86.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
87.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
88.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
89.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
90.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
91.该配比的围岩相似材料的导热系数为1.69w
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92.实施例7
93.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石7份，砂1份，土5份，抗冻液1份。
94.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
95.第一步：按质量份数配比称取玄武石7份，砂1份，土5份，抗冻液1份；
96.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
97.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
98.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
99.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
100.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
101.该配比的围岩相似材料的导热系数为2.72w
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102.实施例8
103.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石5份，砂2份，土5份，抗冻液1.5份。
104.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
105.第一步：按质量份数配比称取玄武石5份，砂2份，土5份，抗冻液1.5份；
106.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
107.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
108.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
109.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
110.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
111.该配比的围岩相似材料的导热系数为1.97w
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112.实施例9
113.一种隧道温度场模型试验地层相似材料，原料按质量份数配比为：玄武石6份，砂3份，土5份，抗冻液0.5份。
114.一种隧道温度场模型试验地层相似材料的制备方法，包括以下步骤：
115.第一步：按质量份数配比称取玄武石6份，砂3份，土5份，抗冻液0.5份；
116.第二步：将玄武石、砂和土三种材料混合并在搅拌机中混合均匀；
117.第三步：加入抗冻液，充分搅拌；
118.第四步：将混合好的材料放入成型模具中，夯实成型；
119.第五步：将成型后的材料养护24小时后脱模，脱模后自然风干；
120.第六步：采用导热系数测试仪测定第五步中的相似材料导热系数。
121.该配比的围岩相似材料的导热系数为2.60w
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122.本发明相似材料不同配比的导热系数如表1所示。
123.表1
[0124][0125][0126]
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。