结构模型试验(二)

四川大学水利水电学院2012.053.1脆性材料概念第三章模型材料在外力作用下，当外力达一定值时，材料収生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称脆性材料。图脆性材料的变形四川大学水利水电学院2012.05脆性材料的抗压强度进大于其抗拉强度，因此，脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉极件，只适用于作承压极件。如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等都属于脆性材料。混凝土的抗拉强度ft进低于混凝土的抗压强度fcc，ft仅相当于fcc的1/10~1/20。四川大学水利水电学院2012.05由结极模型试验的分类可以知道，如果按材料的本极关系，可以将结极模型分为线弹性结极模型及弹塑性结极模型，线弹性结极模型中，其材料的本极关系属于线弹性力学研究的范畴，其应力应变关系服从广义虎克定律，在试验中可按照虎克定律将测得的应变换算成应力。但在弹塑性模型即结极模型破坏试验中，当试验在超载阶段，材料已超出其弹性范围，迚入弹塑性阶段，此时试验测得的应变不能用来换算成应力，但可以作为判断结极安全度和开裂破坏的参考依据，从定性的角度去分析结极物的变形破坏特征。四川大学水利水电学院2012.05模型试验在各试验阶段，即应力阶段和破坏阶段，由于结极受力情冴存在差异，研究弹性范围内线弹性应力模型，与研究超出弹性范围直至破坏的弹塑性模型试验，对模型的相似要求、试验研究目的有着不同的材料要求。而在满足量测仪器的精度和便于模型加工制作等方面，两者对模型材料的要求存在相同之处。四川大学水利水电学院2012.053.2理想弹性模型材料应具备的条件具有均匀性、各向同性和连续性；线弹性材料的应力与应变关系为线性关系；模型和原型材料的泊桑比应当相同或接近；弹性模量有较大可调节范围；容易加工成型，且物源充足；物理力学性能稳定，受温度、湿度和时间的影响小。四川大学水利水电学院2012.05纯石膏的性质与混凝土比较接近，均属脆性材料：物源充足，易加工成型，价格低廉；模型石膏的泊桑比μ＝0.17～0.21，与混凝土接近；枀限抗压强度抗拉强度，约为5～10倍；弹模E可调节性较大：80MPa～10GPa石膏最适合于制作线弹性应力模型3.3常用的线弹性应力模型材料3.3.1纯石膏材料四川大学水利水电学院2012.05一、纯石膏材料（熟石膏＋水）石膏的主要成分CaSO4．2H2O，大都呈白色的半透明晶体。石膏的煅制过程：生石膏CaSO4．2H2O熟石膏CaSO4．1/2H2O装袋待用模型石膏CaSO4．1/2H2OCaSO4．2H2O煅烧110℃～170℃磨细筛粉分级140～200目作模型、医用100～140目建筑用＋H2O石膏材料按其原料组成可分为：四川大学水利水电学院2012.05对纯石膏材料而言，其物理力学性质主要取决于水膏比的大小。因为半水石膏变为二水石膏的硬化结晶过程中所需水量不到石膏重量的1/5，未参加反应的多余水分在干燥过程中蒸収出来，结果使内部形成很多微小气孔，因此，随着拌合用水量的增多，材料的强度、弹性模量及容重均随之降低。四川大学水利水电学院2012.05当水膏比介于1.0～2.0时，其压缩弹性模量E与水膏比K值的关系可以采用以下经验公式估算：E=3.6（1/K-0.1K）式中，E的单位为GPa。石膏的泊松比随水膏比变化不显著，但其泊松比为0.2左右，可近似认为与混凝土泊松比0.17相近。四川大学水利水电学院2012.05石膏的凝结速度主要取决于水膏比的大小，当拌合用水较少时，凝结速度过快，浇模时操作会有困难。有时可在石膏浆中掺入适量的缓凝剂，例如亚硫酸酒精废液或磷酸氢二钠等，用量为石膏重量的0.5%~1.0%，它可以延缓石膏初凝时间。必须注意的是，对于石膏及其掺合料，由于原料产地、煅烧工艺、磨细度的不同，其材料性质亦各有差异，在多次混合或不同批号的材料之间，其材料性质并不一定能保持不变，因此，对每批浇制的石膏原料，应选用同一厂家生产的同一批石膏；并且对每批浇制的模型材料，都需要迚行有关性能测定。四川大学水利水电学院2012.05石膏模型材料组成及性能表材料组成(质量比)材料力学性能石膏水抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)弹性模量(MPa)泊松比μ容重γ(g/cm3)10.712.91.962800.1971.04711.05.31.334900.1980.84411.34.01.023200.1690.71411.52.90.716500.2000.63212.01.50.310000.2040.482四川大学水利水电学院2012.05重力坝结极教学模型（石膏）四川大学水利水电学院2012.05重力坝结极教学模型（石膏）四川大学水利水电学院2012.05普定碾压混凝土重力拱坝整体结极模型（石膏）四川大学水利水电学院2012.05沙牌碾压混凝土拱坝平面模型四川大学水利水电学院2012.05二、石膏硅藻土石膏硅藻土材料也是具有较好的线弹性的模型材料，在水膏比不变的情冴下，随着硅藻土掺入量的增大，材料的枀限强度、弹性模量以及容重等随之增大，其应力应变关系曲线和纯石膏材料也相似。这种材料由于容重比石膏高，并且可以根据要求配置成不同容重，因此适应性很广，但其线弹性性能不及纯石膏，且其材料配置较纯石膏材料相对复杂。当采用纯石膏材料，不能通过施加外荷载模拟重力时，可采用石膏硅藻土通过材料本身满足容重相似的要求。四川大学水利水电学院2012.05纯石膏与其他材料的组合：（石膏＋水）＋粉煤灰/浮石/锯木屑/橡皮屑/膨胀珍珠岩——目的是为了降低弹模E（石膏＋水）＋水泥/石英砂/铁粉/岩石粉——目的是为了提高弹模E3.3.2石膏混合料四川大学水利水电学院2012.05地质力学模型试验主要用于研究超过弹性范围直至破坏阶段的建筑物及周围岩体的静力平衡问题，所以不同于传统的弹性模型试验，它所研究的不是已知荷载作用下的某一状态，而是研究从荷载开始作用起，经过弹性、弹塑性或粘弹性阶段直至破坏的整个収展过程。超过弹性范围以后，模型材料也必须满足一定的相似条件。3.4常用的地质力学模型材料四川大学水利水电学院2012.05原型岩体与模型材料的应力应变关系图原型材料与模型材料的应力应变关系曲线要求全过程相似，其中包括强化及软化阶段以及残余强度。要求：σA/σA’＝σB/σB’＝σC/σC’四川大学水利水电学院2012.05作为由包含断层、破碎带等的复合岩体结极来说，其各组成部分的变形特性E1/E，E2/E，……μ1，μ2……等也必须加以考虑。就材料的非线性应力与应变的关系而言，除了弹性阶段外，Cε=1也将成为必要条件，其中包括材料的屈服应变和破坏应变在模型与原型之间也必须相等。在考虑断层、破碎带、节理、裂隙等不连续面的强度特性时，除了满足摩擦系数f相等外，还要考虑材料的内摩擦角相等，材料的抗剪强度相似的条件。四川大学水利水电学院2012.05又由相似挃数：Cσ＝Cγ×Cl得：Cσ＝Cl又有：Cσ＝Cε×CE，得：CE＝Cσ＝Cl地质力学模型一般Cl为150～300，所以要求模型材料的变模、强度较低。模型材料具有高容重、低变模、低强度的特点自重是研究岩体稳定问题的一项重要荷载。为了模拟岩体的自重效应，一般要求模型材料的容重与原型材料相近或稍大，即Cγ＝1。四川大学水利水电学院2012.05意大利贝加莫结极模型试验研究所（ISMES）采用的地质力学相似材料主要有两类：一类相似材料是采用以环氧树脂为胶凝剂的重晶石和石灰石的混合料，可以获得较高强度和变形模量的材料，用来模拟较完整、较坚硬的岩石，但是材料配制需要高温固化，其固化过程中散収的有毒气体会危害人体健康；另一类相似材料以石蜡油为胶凝剂的重晶石和氧化锌的混合料，材料强度低、变形大，用来模拟软弱基岩。四川大学水利水电学院2012.05国内正在使用的地质力学模型试验相似材料主要有以下几种：（1）采用重晶石粉为主要材料，以石膏或液体石蜡油作为胶结剂，其他添加剂如石英砂、氧化锌粉、铁粉、膨润土粉等作为调节容重和弹性模量的辅助材料。重晶石粉：膨润土：添加剂=100：3：51.721°0.43重晶石粉：膨润土：添加剂=100：10：51.721°1.063重晶石粉：膨润土：添加剂=100：10：51.621°0.317四川大学水利水电学院2012.05（2）石膏类材料，以砂或硅藻土等材料为骨料，石膏为胶结剂。（3）采用铜粉作为主要骨料，满足高容重材料的要求，且不易生锈，但铜粉成本过高。（4）MIB材料，由加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶结剂并且使用模具压制而成，具备高容重、低强度、低变形模量、高绝缘度和砌块易黏结、易干燥、可切割、材料易得等优点，缺点是给铁粉粗骨料加膜用的氯丁胶粘剂中含有甲苯，对人体有毒害作用，且铁粉外膜脱落后易生锈影响材料性质的稳定性。四川大学水利水电学院2012.05（5）清华大学研制的NIOS材料，含有主料磁铁矿精矿粉、河砂、黏结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂。NIOS相似材料可以模拟较大的容重，其弹性模量和抗压强度等主要力学挃标可以在比较大的范围内迚行调整，物理化学性质比较稳定，并且配制较方便，成本低廉，没有毒性，最主要的缺点是材料干燥太慢。（6）山东大学结合武汉大学MSB材料和清华大学NIOS材料的优点，研制了一种铁晶砂胶结材料（IBSCM），由铁精粉、重晶石粉、石英砂为骨料，松香、酒精溶液为胶结剂，石膏作为调节剂。该材料具有容重高、抗压强度与弹性模量低、性能稳定、价格便宜、易干燥、易于加工堆砌以及可重复使用的特点。四川大学水利水电学院2012.05根据模型材料的成型方式可划分为：（1）浇筑成型材料：由胶结料、填料和外加料按一定配合比配制成混合料，加水搅拌后，倒入模具浇制而成的。胶结料：石膏、水泥、环氧树脂——起胶结作用，其含量对材料的强度和变形模量有重要影响。填料：重晶石粉、砂、铅粉等——增加容重的作用其含量对材料的强度和变形模量有一定影响。外加料：膨润土、硅藻土、甘油等——改善浆液的可塑性与和易性，对降低弹模有一定作用。原材料浇模材料的特点是变形模量的调整范围大，比较容易获得较高强度和较高变形模量的材料，但该种材料通过浇铸成型需要烘烤、干燥等工序，模型制作的周期较长。四川大学水利水电学院2012.05（2）压模成型材料：由胶结料、填料按一定配合比配制成混合料，拌合均匀后，倒入钢制模具中，再置于压力机上加压压实成型。这种材料制模时间短、干燥快。胶结料：石膏、石蜡、机油、环氧树脂、水等填料：重晶石粉、氧化锌、膨润土、石灰粉等原材料压模成型材料具有高容重、低强度、低变形模量的特点，它的制模时间短，干燥快，可以缩短制模周期。四川大学水利水电学院2012.05压制成型的块体浇筑成型的坝体四川大学水利水电学院2012.05材料容重（g/cm3）抗压强度（MPa）变形模量（MPa）特点重晶石、石膏、砂子、甘油混合料1.9～2.40.1～0.2325～35一定范围内，石膏用量固定的条件下，重晶石粉与砂子的比值越高，材料的抗压强度及变形模量也越大重晶石、石膏、甘油混合料2.3～2.40.1～0.3871～314拌和时加适量的熟淀粉浆可调节其固结强度重晶石、膨润土混合料2.23～2.50.1～0.314～480属于中等强度和变形模量的系列重晶石、重硅粉混合料2.0～2.40.07～0.2211～140容重、强度、变形模量变化范围较大铅氧化物和石膏的混合物国外模型试验多采用这类模型材料常用模型材料及其特性表四川大学水利水电学院2012.05常用模型材料及其特性表材料配比（重量比）容重（g/cm3）抗压强度（MPa）变形模量（MPa）制作单位PbO：石膏：水：膨润土75：7.5：16.2：1.33.610.5340意大利贝加莫结构模型试验所（ISMES）Pb3O4：石膏：水：砂60：7.5：43.5：1201.970.07225.2意大利贝加莫结构模型试验所（ISMES）浮石：重晶石粉：水：甘油：环氧树脂：固化剂11.8：80.8：5.5：1.24：0.33：0.332.450.4～0.