嚴(yán)澤臣 吳蘭冬 潘 軼

(1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京淳振建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210016； 3.94968部隊(duì)，江蘇 南京 210000)

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一種用于實(shí)驗(yàn)室澆筑型材料成型的一次性紙質(zhì)模具

嚴(yán)澤臣1吳蘭冬2潘 軼3

(1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京淳振建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210016； 3.94968部隊(duì)，江蘇 南京 210000)

針對(duì)澆筑成型相似材料強(qiáng)度較低，極易在脫模時(shí)造成損傷等問(wèn)題，研制了一種用于實(shí)驗(yàn)室澆筑型材料成型的一次性紙質(zhì)模具，指出其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、易于拆模、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足大批量標(biāo)準(zhǔn)試件澆筑成型的需求。

相似材料，澆筑型，紙質(zhì)模具

1 概述

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是巖石力學(xué)研究的重要手段[1]。模型試驗(yàn)用適當(dāng)?shù)谋瘸吆拖嗨撇牧现瞥膳c原型相似的試驗(yàn)對(duì)象，其科學(xué)性取決于模型與原型具有相同的物理變化過(guò)程，這就對(duì)相似材料的物理力學(xué)性質(zhì)提出了定量的要求。

單軸壓縮試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室中對(duì)巖石類(lèi)材料最常采用的測(cè)試手段，它可以獲得材料的楊氏模量、抗壓強(qiáng)度等基本物理力學(xué)參數(shù)[2]。根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的建議，測(cè)試時(shí)試樣應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸φ50×100 mm取樣。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的試件通常采用膠結(jié)劑拌合骨料制模成型，模具一般按照標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中相似材料主要有壓實(shí)成型和澆筑成型兩種類(lèi)型[3]。澆筑成型的相似材料中膠結(jié)劑發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生膠體，將骨料緊密粘合，無(wú)需外在壓力作用也可成型，因此對(duì)于模具的剛度要求較低。目前可以選用的模具主要有不銹鋼模具、塑料模具和鑄鐵模具等。但是由于澆筑成型相似材料強(qiáng)度較低，極易在脫模時(shí)造成損傷，因此使用金屬模具或塑料模具制樣時(shí)次品率很高。同時(shí)，由于一次制樣數(shù)量較大，制樣過(guò)程中污損嚴(yán)重，使用金屬模具和塑料模具在經(jīng)濟(jì)上代價(jià)較高。為此，本文研制了一種用于實(shí)驗(yàn)室澆筑型材料成型的一次性紙質(zhì)模具，該模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，易于拆模，造價(jià)低廉，解決了澆筑型材料所用模具不易脫模、不易清洗、造價(jià)高的問(wèn)題，利用本實(shí)用新型模具可滿足大批量試件澆筑成型的需求。目前該型模具正在申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利。

2 新型模具介紹

2.1 新型模具的組成

新型模具的主體是圓柱狀紙筒和紙質(zhì)底座，附屬部分是金屬壓頭，如圖1所示。

圓柱狀紙筒和紙質(zhì)底座均采用硬度較高、材質(zhì)優(yōu)良的紙張進(jìn)行加工，筒體為圓柱形，底部進(jìn)行封裝，保持模具底部的平整性，圓柱狀紙筒與紙質(zhì)底座緊密連接，形成一個(gè)上部開(kāi)口、底部密封的紙質(zhì)模具；金屬壓頭外徑與紙筒內(nèi)徑基本一致或略小，金屬壓頭用于放置于澆筑材料上部，主要作用是在相似材料澆筑后至終凝前保證澆筑試件頂部的平整性。該新型模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工簡(jiǎn)便，造價(jià)低廉，實(shí)用性強(qiáng)，解決了實(shí)驗(yàn)室條件下澆筑成型試樣脫模困難易造成損壞的問(wèn)題。

2.2 具體使用方法

澆筑型材料裝填入所述模具后，需將模具內(nèi)填料振實(shí)，然后將金屬壓頭光滑面朝下，壓在填料和模具的頂部；填料初凝結(jié)束具備一定強(qiáng)度后，取下金屬壓頭，將一次性紙質(zhì)模具撕下，即可完成脫模。

3 新型模具的實(shí)際應(yīng)用

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)的研究需要，本研究小組研制了一種偏硅酸鈉膠結(jié)巖石相似材料[4]。偏硅酸鈉膠結(jié)巖石相似材料以石英砂、重晶石砂、重晶石粉為粗、細(xì)骨料，以無(wú)水偏硅酸鈉(Na2SiO3)、氟硅酸鈉(Na2SiF6)與水(H2O)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的硅膠作為膠結(jié)劑，是一種新型的無(wú)機(jī)相似模型材料。根據(jù)成型機(jī)理，可以得知偏硅酸鈉膠結(jié)巖石相似材料屬于澆筑型材料，由此將紙質(zhì)模具應(yīng)用于該型相似材料標(biāo)準(zhǔn)試件的制作。

具體的制作過(guò)程為：稱取一定配比的組成材料，倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌；待相似材料拌合物攪拌完畢后，對(duì)紙質(zhì)模具編號(hào)并進(jìn)行裝填，采取邊裝填邊振搗的試驗(yàn)操作方法；待模具裝填完畢后，整平并采用鋼質(zhì)圓柱形壓頭壓緊試樣，放置在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，取出試樣進(jìn)行拆模，拆模過(guò)程中直接將紙模從一端拆開(kāi)即可，簡(jiǎn)便快捷，整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

4 與其他類(lèi)型模具的對(duì)比

為制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，在發(fā)明紙質(zhì)模具之前，還先后制作了鋼質(zhì)模具(見(jiàn)圖3)、塑料模具(見(jiàn)圖4)進(jìn)行前期試樣成型的模具試制。

鋼質(zhì)模具由于金屬與水長(zhǎng)期接觸且暴露在空氣中遭受腐蝕生銹，通過(guò)刷油的措施避免生銹腐蝕，經(jīng)試驗(yàn)可操作性不強(qiáng)，并不能達(dá)到預(yù)期防銹脫模容易的效果，以及骨料屬于散體顆粒物容易在模具的卡槽內(nèi)填塞，導(dǎo)致組裝模具及拆卸模具極其困難，待試樣養(yǎng)護(hù)成型后，如要脫模取出試樣均需要使用鐵錘等工具用力敲擊，會(huì)造成試樣不同程度的損壞。同時(shí)，考慮到后期大批量試樣制作，該模具的適用性較差，因此不能滿足試驗(yàn)室模型試樣制作的需要。

塑料模具存在的問(wèn)題是成型后的試樣與模具內(nèi)壁摩擦力較大，往往需要干燥箱加熱至70 ℃～80 ℃才能勉強(qiáng)脫模，加熱后會(huì)

導(dǎo)致試樣內(nèi)部膠結(jié)劑硅酸膠體發(fā)生不可逆的變化，甚至由于水分的散失導(dǎo)致試樣干縮變形從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不同程度的偏差，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)大批量試樣制作時(shí)也存在不適用的問(wèn)題。因此這兩種模具的試驗(yàn)結(jié)果均不理想。相比之下，一次性紙質(zhì)模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，解決了實(shí)驗(yàn)室條件下澆筑成型試樣脫模困難易造成損壞的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研制的用于實(shí)驗(yàn)室澆筑型材料成型的一次性紙質(zhì)模具，該模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，易于拆模，造價(jià)低廉。與鋼質(zhì)模具、塑料模具相比，成功解決了實(shí)驗(yàn)室條件下澆筑成型試樣脫模困難易造成損壞的問(wèn)題，從而可以滿足大批量標(biāo)準(zhǔn)試件澆筑成型的需求。

[1] 張強(qiáng)勇,李術(shù)才,李 勇,等.地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2012.

[2] 黃秋楓.地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的相似材料[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009(479):50-53.

[3] 陳安敏,顧金才,沈 俊.地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(22):3785-3789.

[4] 范鵬賢,王明洋,吳蘭冬.一種偏硅酸鈉膠結(jié)巖石相似材料及其制備方法：中國(guó)專利：201410591283.1[P].2015-04-14.

On disposable paper mould in shaping of lab grouting material

Yan Zechen1Wu Landong2Pan Yi3

(1.DefenseEngineeringCollege,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.NanjingChunzhenConstructionCo.,Ltd,Nanjing210016,China; 3.Unit94968,Nanjing210000,China)

According to the similar materials of the grouting shaped materials with lower strength and vulnerability to being damaged in demoulding, the paper researches the disposable paper mould used in the lab grouting material, and points out it is featured with simple structure, convenient processing, easily demolished, and lower cost, so it can meet the large-scale demands of the standard trials for the grouting shaping.

similar material, grouting, paper mould

1009-6825(2016)20-0057-02

2016-05-06

嚴(yán)澤臣(1991- )，男，在讀碩士； 吳蘭冬(1989- )，男，工程師； 潘 軼(1986- )，女，工程師

TU411

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