相似材料模型试验原料选择及配比试验研究

摘要

论文以国家科技支撑计划项目“盾构施工煤矿长距离斜井关键技术研究与示范”——课题六“煤层开采对斜井管片结构稳定性影响规律研究”为背景，就课题研究中采用相似材料模型试验，选择什么样原料以及如何确定原材料之间的比例关系进行了试验研究。
　　本论文选择水泥石膏作为模型试验研究所用的相似材料，用石英砂做骨料，同时加入重晶石来调节材料密度。通过分析比较常用试验设计方法的优缺点，选择正交试验设计法进行相似材料配比试验研究，利用编制的MATLAB程序进行数据分析，取得的成果如下:
　　1、通过试验研究可知，水泥石膏是一种较好的模拟岩石的相似材料，并对水泥石膏相似材料的物理力学指标规律有了更进一步的认识。
　　2、经过分析和研究，设计制作了用于材料标准试件制作的模具，并且在本次试验中得到了很好的使用。在使用中，操作方便、结实耐用、在很大程度上降低了由于操作者技术差异引起的误差，降低了同一批次试件物理力学性质的差异，提高了材料试验的精度和速度。用该套模具制作的材料试件尺寸完全能够达到材料试验规范的要求。
　　3、应用正交试验设计方法，以砂胶比、水泥石膏比和重晶石占骨料百分比为3个因素，每个因素设置5个水平，设计了25组材料配比方案，进行了外形体积测量、称重、含水率测试、单轴压缩试验和劈裂试验。经过试验得到了一系列不同配比下的水泥石膏相似材料的基本物理力学指标。不同配比的相似材料物理力学指标分布的范围较大，能够满足不同性质岩体模型试验对岩体相似材料的要求。对于后期的模型试验可以从中选择合适配比的相似材料，而无需再进行配比试验。也可以为其它模型试验相似材料原料选择和配比设计提供依据。
　　4、基于MATLAB计算软件编制了用于正交试验设计数据分析的程序。利用编制的正交试验设计软件，对相似材料密度、抗压强度、抗拉强度进行极差和方差分析，得到主要和次要影响因素。影响密度的主要因素为砂胶比和重晶石的含量，其规律为:随着砂胶比的减小、重晶石含量的增加，材料密度增大。在对材料强度影响的因素中，砂胶比是影响材料抗压、抗拉强度最显著的因素，其次是水泥石膏比，重晶石在骨料中含量的变化对材料强度的影响非常小，可以忽略。各因素对材料强度影响规律为:随着砂胶比的增加材料抗压、抗拉强度减小;随着胶结材料中水泥的增加材料抗压、抗拉强度也增加;重晶石与石英砂的比例对材料强度的影响几乎为零。在选择相似材料时，所选取重晶石的粒径应与石英砂粒径相同。这样在确定材料强度选取砂胶比之后，我们可以随意调整重晶石与石英砂的比例关系，从而来调整材料密度以模拟不同密度岩层。
　　5、基于MATLAB计算软件编制了用于回归分析的软件。回归分析中，设砂胶比为X1、水泥占胶结材料百分比为X2、重晶石占骨料百分比为X3、密度指标为Y1、抗压强度指标为Y2、抗拉强度指标为Y3。利用编制的回归分析软件，分别对X1、X2、X3与Y1、Y2、Y3进行了回归分析，得到由水泥石膏相似材料密度、抗压强度和抗拉强度指标推算材料配比的经验公式:
　　1) X1=9.621-0.637Y2-12.362Y3;
　　2) X2=0.123+0.915Y2-8.165Y3;
　　3) X3=-5.561+3.706Y1-0.915Y2+5.658Y3;
　　在以后的水泥石膏相似材料配比试验中可以用上述经验方程根据欲得到的材料物理力学指标进行配比设计。
　　本论文的研究成果，为今后水泥石膏相似材料的研究提供了一定的参考依据。

目录

声明

致谢

摘要

1．引言

1．1 选题背景及研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 相似材料原料选择

1．2．2 相似材料配比研究

1．3 本文主要研究内容和思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路和技术路线

2．模型试验相似理论

2．1 物理现象相似

2．2 相似现象的几个基本概念

2．3 相似理论

2．3．1 相似第一理论——相似现象的性质

2．3．2 相似第二定理(π定理)——相似判据的确定

2．3．3 相似第三定理——相似现象的必要和充分条件

2．3．4 相似条件

2．4 相似关系的分析方法

2．5 相似材料物理力学性质

3．相似材料原料选择

3．1 相似材料的选择原则

3．2 相似材料原料的选择

3．2．1 胶结材料

3．2．2 充填材料

3．2．3 水

3．2．4 添加剂

3．3 相似材料原料间的化学反应

3．3．1 石膏和水间的相互作用

3．3．2 水泥和水间的相互作用

3．3．3 胶结材料和充填材料间的粘结特性

3．4 相似材料原料基本参数

3．4．1 石膏

3．4．2 水泥

3．4．3 石英砂

3．4．4 重晶石

3．4．5 硼砂溶液

4．正交试验设计方法

4．1 试验设计和数据分析的意义

4．2 试验设计中的几个常用概念

4．3 正交试验设计方法

4．3．1 正交试验设计方法

4．3．2 正交试验设计法的优越性

4．4 试验结果的数据处理

4．4．1 常用统计方法

4．4．2 常用分析工具

4．4．3 试验数据的误差分析

4．4．4 试验数据的整理方法

4．4．5 MATLAB简介及应用

5．相似材料配比正交试验设计

5．1 试验设计

5．1．1 试件的选取及要求

5．1．2 混合料的搅拌与密实

5．1．3 试验因素及水平

5．2 试验过程

5．2．1 模具制作

5．2．2 试件制作

5．2．3 试件物理力学性质测定

6．试验结果分析

6．1 试验数据整理

6．1．1 试验初始数据

6．1．2 试验数据初步整理

6．2 试验结果分析

6．2．1 各因素敏感性分析

6．2．2 试验数据的回归分析

7．结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录A 模具设计图纸

附录B MATLAB程序代码

作者简历

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