CN105651571B - 一种基于3d打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法 - Google Patents

一种基于3d打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，包括如下步骤：(1)模拟实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，确定用于制作试样的模具的三维数字模型；(2)将该三维数字模型通过3D打印得到模具；(3)根据实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆制备试样，将配制好的水泥砂浆倒入模具，水泥砂浆在模具内固化成型，形成试样；(4)脱模、养护，得到试样。本发明可以精确定位裂隙位置、严格控制裂隙大小、充分考虑裂隙的空间形状，制备的裂隙岩体试样脱模方便，且脱模时不会产生破坏裂隙内部结构、改变裂隙的形状和大小、或者在裂隙周边产生新生裂隙等问题。

Description

一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法
技术领域
本发明涉及一种裂隙岩体试样的制备方法，特别涉及一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，属于岩石力学领域。
背景技术
随着我国水利工程、采矿工程、地下石油和天然气储备工程的发展，裂隙岩体成为工程中经常遇到的一种复杂介质，裂隙对裂隙岩体的力学性质有着控制作用，因此裂隙岩体的力学性质与完整岩体有着显著的区别，国内外学者对于完整岩体的力学性质所作的试验研究已经较为深入，但对于裂隙岩体力学性质所做的试验研究还较少，这是由于裂隙岩体作为一种特殊的结构，其内部裂隙结构较为复杂，目前还没有比较完备的方法制作裂隙岩体试样，普遍存在着对裂隙位置定位不精确、裂隙大小的精度控制不足、不能充分考虑裂隙的空间形状，制备的裂隙岩体试样不易脱模，脱模时容易破坏裂隙内部结构改变裂隙的形状和大小、在裂隙周边产生新生裂隙等问题。因此岩石力学试验领域迫切需要一种比较完备的制备裂隙岩体试样的方法。如下为目前制作裂隙岩体试样通常采用的几种方法。
申请号为201410052815.4的中国发明专利申请《一种随机裂隙岩石试样的制作方法》公开了一种将锡条与水泥砂浆混合搅拌，经过低温处理，锡条变为粉末状形成裂隙的制备裂隙岩石试样的方法。该方法采用锡条模拟岩石的裂隙，不能体现实际岩石中裂隙的复杂空间形态和表面粗糙度，且锡条与水泥砂浆的搅拌过程中，锡条容易断裂、进而影响试样中裂隙的大小和分布。
申请号为201410139078.1的中国发明专利申请《用于断续双裂隙岩石三轴压缩试验的类岩石试件模具》公开了一种包括底座、设在底座上的中间框模、压盖、固定耳、矩形槽的制作断续双裂隙岩石的类岩石试件模具，该模具不能制备有复杂裂隙结构的类岩石材料，且不易脱模。
申请号为201110251080.4的中国发明专利申请《一种室内单裂隙岩石试样制备装置》公开了一种充填一定厚度粘结材料的单裂隙岩石试样制备装置，该装置由底座、上座、上下部岩芯固定套环、螺纹主轴、调节螺帽、固紧螺帽组成，其只能制备含单裂隙的类岩石试样，不能制备含有多裂隙的类岩石试样。
专利号为ZL201010190001.9为的中国发明专利《裂缝各向异性渗流介质制作方法》公开了一种将天然岩石作为原材料加工成小岩块，再将小岩块以预定方式在接触面局部粘结形成大尺度岩体，使小岩块之间的缝隙在大岩体内构成三维的裂缝系统，并定量控制大岩体内裂缝的分布，从而形成各向异性裂隙岩体的方法，通过粘结剂将小岩块人工以点或面粘结成含有裂隙的类岩石材料，与实际岩石的裂隙结构相差甚远，不能充分模拟实际裂隙岩体。
申请号为201310641618.1的中国发明专利申请《断续裂隙岩体模拟试件的制作模具及方法》公开了一种包括底板，固定长侧板、活动长侧板、活动短侧板、刻槽底部垫板、刻槽顶部盖板的模具，并公开了通过插入金属片形成裂隙的制作断续裂隙类岩石试样的方法，该方法通过插入金属片形成裂隙，不能充分模拟实际岩石中裂隙结构，且脱模时需拔出时金属片，会破坏所制备类岩石材料的裂隙结构。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，该方法制备的岩体试样能够充分模拟实际裂隙岩体并能够完整脱模。
技术方案：本发明所述的一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，包括以下步骤：
(1)模拟实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，确定用于制作试样的模具的三维数字模型；
(2)将该三维数字模型通过3D打印得到模具；
(3)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆制备试样，将配制好的水泥砂浆倒入模具，水泥砂浆在模具内固化成型，形成试样；
(4)脱模、养护，得到试样。
本发明将3D打印技术用于制备具有贯通裂隙的岩体试样，可以精确定位裂隙的位置，控制裂隙的大小，数量，充分考虑了裂隙的空间形状，制作裂隙岩体试样的模具其内部轮廓与所制备试样的外部几何尺寸一致，模具的裂隙部分与试样裂隙的结构一致，可以将试样裂隙完全充填。
具体的，步骤(2)中，采用钴铬合金打印模具，并在所得模具与水泥砂浆接触的部分涂抹热熔胶。热熔胶对水泥砂浆的粘结力较强，水泥砂浆固化成型直至试样脱模时，热熔胶均紧密粘结在试样表面，阻断了水泥砂浆与模具的粘结，同时，热熔胶与钴铬合金材料的粘结力较弱，可方便后续脱模，脱模时不破坏类岩石材料的结构。
此时，在步骤(4)中脱模后、养护前，烘烤试样，将试样表面的热熔胶融化。
较优的，涂抹的热熔胶的厚度为0.5～0.6mm。此时，极薄的热熔胶可以完整的在模具表面模拟实际裂隙岩体表面的粗糙度。
进一步的，上述步骤(2)中，在模具底部预留小孔，并将该小孔密封；步骤(4)中，将小孔解除密封，自该小孔向模具内鼓入空气，将试样顶出模具，完成脱模。脱模方便快捷，且不会破坏裂隙内部结构。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：
(1)本发明采用3D打印技术制作制备裂隙岩体试样的模具，通过三维数字空间模型完整表现所制备裂隙岩体试样中裂隙的位置、大小、数量和空间形态，可以精确定位裂隙的位置，控制裂隙的大小，表面粗糙度，充分考虑裂隙的空间形状；而且，形成试样裂隙部分的模具与形成试样外部轮廓的部分是一个整体，脱模时不用拔出形成试样裂隙的预制结构，避免了脱模时因拔出预制结构造成的裂隙形状和大小的破坏以及在裂隙周边产生新生裂隙；
(2)本发明通过采用钴铬合金打印模具中用于形成试样轮廓的部分，并在所得模具的该部分表面涂抹热熔胶，避免水泥砂浆与模具的粘结导致的成型试样不能有效脱模，使3D打印技术在在岩土工程领域类岩石材料制备方面能够得到广泛运用；
(3)本发明通过在模具底部预留小孔，在脱模时，可通过向小孔内鼓入空气，将试样顶出模具，快速脱模，脱模方便快捷，不会破坏裂隙的形状和大小以及在裂隙周边产生新生裂隙；
(4)本发明的方法操作简单，高效，快捷，应用范围广，可以根据实际需要制备并批量生产各种裂隙内部结构不平整、裂隙结构较为复杂的非贯通裂隙岩体，为制作非贯通裂隙岩体开辟了新思路。
附图说明
图1为本发明的基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法的流程图。
图2为本发明的实施例中用于制作试样的模具的三维数字模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明的一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，包括以下步骤：
(1)模拟实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，包括实际裂隙岩体的几何尺寸、裂隙的大小、空间形态、数量集分布情况等，确定用于制作试样的模具的三维数字模型；
(2)将该三维数字模型通过3D打印得到模具；
(3)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆制备试样，将配制好的水泥砂浆倒入模具，水泥砂浆在模具内固化成型，形成试样；可以通过静置等待水泥砂浆自身固化成型，也可以对装载水泥砂浆的模具进行养护使水泥砂浆更快更优地固化成型；
(4)将试样脱模、并对试样进行养护，得到具有非贯通裂隙的岩体试样。
本发明将3D打印技术用于制备具有贯通裂隙的岩体试样，通过三维数字空间模型完整表现所制备裂隙岩体试样中裂隙的位置、大小、数量和空间形态，可以精确定位裂隙的位置，控制裂隙的大小，表面粗糙度，充分考虑裂隙的空间形状；而且，形成试样裂隙部分的模具与形成试样外部轮廓的部分是一个整体，脱模时不用拔出形成试样裂隙的预制结构，避免了脱模时因拔出预制结构造成的裂隙形状和大小的破坏以及在裂隙周边产生新生裂隙。
步骤(2)中，可以采用钴铬合金打印模具，并在所得模具与水泥砂浆接触的部分涂抹热熔胶。
3D打印通常以ABS、PLA和PVA为原材料，所得模具在水泥砂浆干燥成型的过程中易与水泥砂浆发生粘接，干燥完成后粘接较为牢固，使得成型的试样不能有效脱模，因此3D打印技术很难在岩土工程领域类岩石材料制备方面得到广泛运用。本发明通过采用钴铬合金材料打印制备试样的模具，然后在模具与水泥砂浆接触的部分涂抹热熔胶，热熔胶在常温下是固体状态，受热后融化，对水泥砂浆的粘结力较强，但与钴铬合金材料的粘结力较弱，热熔胶紧密粘结在试样表面，阻断了水泥砂浆与模具的粘结，又由于热熔胶与钴铬合金材料的粘结力较弱，因此可以较为方便的脱模，且脱模时不破坏试样的结构。
脱模后试样放入烘箱中烘烤，即可将试样表面的热熔胶融化，然后经养护制得所需非贯通裂隙岩体试样。
涂抹热熔胶时，可控制热熔胶的厚度为0.5～0.6mm。此时较薄的热熔胶可以完整的在模具表面模拟实际岩石材料表面的粗糙度，制作出的试样表面的粗糙度与实际材料较为接近。可通过采用高精度的热熔胶枪涂抹热熔胶。将热熔胶放入高精度热熔胶枪内，将热熔胶高温融化，由高精度热熔胶枪的小直径喷口将热熔胶喷出，可以精确的控制热熔胶喷出的体积，涂抹的热熔胶的精度可以控制在0.1mm左右。
上述步骤(2)中，可在模具底部预留小孔，并将该小孔密封；步骤(4)中，先将小孔解除密封，然后自该小孔向模具内鼓入空气，将试样顶出模具，完成脱模。脱模方便快捷，且不会破坏裂隙内部结构。整个脱模过程方便快捷，且不会破坏裂隙内部结构或者在裂隙周边产生新生裂隙。
实施例
以制备某水电站河床坝基处非贯通裂隙岩体岩样为例，本发明的基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过查阅该水电站河床坝基处的地质报告资料，确定该处发育的非贯通裂隙岩体的裂隙的发育状况，包括裂隙的长度，宽度，空间形态，数量，分布情况，根据相似关系确定岩体试样的体积，裂隙的大小，空间形态，数量及分布情况，做出与该试样对应模具的三维数字模型，如图2。
(2)将模具的三维数字模型输入3D打印机，打印机喷头装入钴铬合金材料，按照输入的三维数字模型逐层打印模具。模具打印完成后在所得模具与水泥砂浆接触的部分表面均匀涂抹0.5～0.6mm的热熔胶，为了方便使用空气压缩脱模，在模具底部留有与空气压缩装置出口相同尺寸的小孔，用树脂材料制作的塞子塞住密封。
(3)根据某水电站河床坝基处实际裂隙岩体的力学性质，由相似关系确定制备试样的材料各成分配比，最终确定试样由普通硅酸盐水泥，天然河砂和水按质量比例1:0.5:0.4混合而成，其中河砂径粒小于1mm，加入总质量0.5％的防渗剂和减水剂加强材料的防渗性能和水泥的流动性、减小孔隙度，加入少许消泡剂减少水泥水化过程中产生的气泡。将水泥砂浆搅拌均匀后倒入模具中，在温度22℃，湿度90％的恒温恒湿箱中下养护至水泥砂浆固化成型。
(4)将模具下部小孔处的塞子打开，将空气压缩装置出口插入小孔，向模具内鼓入空气，短时间内可以将试样顶出模具，快速脱模，试样脱模后，放入烘箱中以80℃的温度进行烘烤，使试样表面的热熔胶在高温下融化后流出；然后将试样放入温度22℃，湿度90％的恒温恒湿箱中养护33天，试样制备完成。

Claims (2)

1.一种基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)模拟实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，确定用于制作试样的模具的三维数字模型；
(2)将该三维数字模型通过3D打印得到模具，其中，采用钴铬合金打印模具，并在所得模具与水泥砂浆接触的部分涂抹热熔胶，热熔胶的厚度为0.5～0.6mm；
(3)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆制备试样，将配制好的水泥砂浆倒入模具，水泥砂浆在模具内固化成型，形成试样；
(4)脱模、烘烤试样、将试样表面的热熔胶融化、养护，得到试样。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的非贯通裂隙岩体试样的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在模具底部预留小孔，并将该小孔密封；步骤(4)中，将所述小孔解除密封，自该小孔向模具内鼓入空气，将试样顶出模具，完成脱模。
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