一種用于實驗室澆筑型材料成型的一次性紙質模具

嚴澤臣 吳蘭冬 潘 軼

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京淳振建設有限公司，江蘇 南京 210016； 3.94968部隊，江蘇 南京 210000)

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一種用于實驗室澆筑型材料成型的一次性紙質模具

嚴澤臣1吳蘭冬2潘 軼3

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京淳振建設有限公司，江蘇 南京 210016； 3.94968部隊，江蘇 南京 210000)

針對澆筑成型相似材料強度較低，極易在脫模時造成損傷等問題，研制了一種用于實驗室澆筑型材料成型的一次性紙質模具，指出其具有結構簡單、加工方便、易于拆模、造價低廉等優(yōu)點，可以滿足大批量標準試件澆筑成型的需求。

相似材料，澆筑型，紙質模具

1 概述

地質力學模型試驗是巖石力學研究的重要手段[1]。模型試驗用適當?shù)谋瘸吆拖嗨撇牧现瞥膳c原型相似的試驗對象，其科學性取決于模型與原型具有相同的物理變化過程，這就對相似材料的物理力學性質提出了定量的要求。

單軸壓縮試驗是實驗室中對巖石類材料最常采用的測試手段，它可以獲得材料的楊氏模量、抗壓強度等基本物理力學參數(shù)[2]。根據(jù)國際巖石力學協(xié)會實驗室及現(xiàn)場實驗標準委員會的建議，測試時試樣應按照標準試件尺寸φ50×100 mm取樣。地質力學模型試驗中的試件通常采用膠結劑拌合骨料制模成型，模具一般按照標準試件尺寸要求進行設計。

實驗室環(huán)境中相似材料主要有壓實成型和澆筑成型兩種類型[3]。澆筑成型的相似材料中膠結劑發(fā)生不可逆化學反應產(chǎn)生膠體，將骨料緊密粘合，無需外在壓力作用也可成型，因此對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度較低，極易在脫模時造成損傷，因此使用金屬模具或塑料模具制樣時次品率很高。同時，由于一次制樣數(shù)量較大，制樣過程中污損嚴重，使用金屬模具和塑料模具在經(jīng)濟上代價較高。為此，本文研制了一種用于實驗室澆筑型材料成型的一次性紙質模具，該模具結構簡單，加工方便，易于拆模，造價低廉，解決了澆筑型材料所用模具不易脫模、不易清洗、造價高的問題，利用本實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國家實用新型專利。

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底座，附屬部分是金屬壓頭，如圖1所示。

圓柱狀紙筒和紙質底座均采用硬度較高、材質優(yōu)良的紙張進行加工，筒體為圓柱形，底部進行封裝，保持模具底部的平整性，圓柱狀紙筒與紙質底座緊密連接，形成一個上部開口、底部密封的紙質模具；金屬壓頭外徑與紙筒內徑基本一致或略小，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。該新型模具結構簡單，加工簡便，造價低廉，實用性強，解決了實驗室條件下澆筑成型試樣脫模困難易造成損壞的問題。

2.2 具體使用方法

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

3 新型模具的實際應用

結合實驗室模型試驗的研究需要，本研究小組研制了一種偏硅酸鈉膠結巖石相似材料[4]。偏硅酸鈉膠結巖石相似材料以石英砂、重晶石砂、重晶石粉為粗、細骨料，以無水偏硅酸鈉(Na2SiO3)、氟硅酸鈉(Na2SiF6)與水(H2O)發(fā)生化學反應生成的硅膠作為膠結劑，是一種新型的無機相似模型材料。根據(jù)成型機理，可以得知偏硅酸鈉膠結巖石相似材料屬于澆筑型材料，由此將紙質模具應用于該型相似材料標準試件的制作。

具體的制作過程為：稱取一定配比的組成材料，倒入攪拌機中進行攪拌；待相似材料拌合物攪拌完畢后，對紙質模具編號并進行裝填，采取邊裝填邊振搗的試驗操作方法；待模具裝填完畢后，整平并采用鋼質圓柱形壓頭壓緊試樣，放置在養(yǎng)護箱內養(yǎng)護24 h，取出試樣進行拆模，拆模過程中直接將紙模從一端拆開即可，簡便快捷，整個過程如圖2所示。

4 與其他類型模具的對比

為制作標準試樣，在發(fā)明紙質模具之前，還先后制作了鋼質模具(見圖3)、塑料模具(見圖4)進行前期試樣成型的模具試制。

鋼質模具由于金屬與水長期接觸且暴露在空氣中遭受腐蝕生銹，通過刷油的措施避免生銹腐蝕，經(jīng)試驗可操作性不強，并不能達到預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填塞，導致組裝模具及拆卸模具極其困難，待試樣養(yǎng)護成型后，如要脫模取出試樣均需要使用鐵錘等工具用力敲擊，會造成試樣不同程度的損壞。同時，考慮到后期大批量試樣制作，該模具的適用性較差，因此不能滿足試驗室模型試樣制作的需要。

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

導致試樣內部膠結劑硅酸膠體發(fā)生不可逆的變化，甚至由于水分的散失導致試樣干縮變形從而對試驗結果造成不同程度的偏差，影響實驗的準確性，對大批量試樣制作時也存在不適用的問題。因此這兩種模具的試驗結果均不理想。相比之下，一次性紙質模具結構簡單，實用性強，解決了實驗室條件下澆筑成型試樣脫模困難易造成損壞的問題。

5 結語

本文研制的用于實驗室澆筑型材料成型的一次性紙質模具，該模具結構簡單，加工方便，易于拆模，造價低廉。與鋼質模具、塑料模具相比，成功解決了實驗室條件下澆筑成型試樣脫模困難易造成損壞的問題，從而可以滿足大批量標準試件澆筑成型的需求。

[1] 張強勇,李術才,李 勇,等.地下工程模型試驗新方法、新技術及工程應用[M].北京：科學出版社,2012.

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

[3] 陳安敏,顧金才,沈 俊.地質力學模型試驗技術應用研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(22):3785-3789.

[4] 范鵬賢,王明洋,吳蘭冬.一種偏硅酸鈉膠結巖石相似材料及其制備方法：中國專利：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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