CN108225859A - 一种基于3d打印技术制备单裂隙岩石试样的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，包括以下步骤：步骤一，采集单裂隙岩石中裂隙的形态以及分布数据，根据该形态以及分布数据建立单裂隙岩石的试样模具的3D虚拟模型；步骤二，通过3D打印采用水溶性材料打印3D虚拟模型的内腔；步骤三，通过3D打印采用不溶于水的材料打印3D虚拟模型的轮廓以及裂隙，得到初始模具；步骤四，采用溶剂将初始模具中的水溶性材料溶解得到有效模具；步骤五，在有效模具中的内腔内涂抹润滑油1～2次；步骤六，根据单裂隙岩石的力学性能制备水泥砂浆并倒入有效模具中；步骤七，待水泥砂浆固化成型得到初始试样；以及步骤八，将初始试样脱模并养护得到具有单裂隙的单裂隙岩石试样。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备试样的方法，具体涉及一种基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法。
背景技术
21世纪是地下工程的世纪，岩石力学的研究重点也日益转入地下。自然界中的岩石作为一种复杂的地质体，在其生成过程以及形成后的各个时期内受到不同的地质作用，岩石内部会产生众多类型的缺陷，如裂隙、节理、层理、褶皱及弱面等。这些缺陷会对岩石的物理力学性质产生显著的影响。在地下工程建设中，裂隙岩体广泛存在，裂隙的稳定性在一定程度上对整个地下工程的岩体结构的安全性具有至关重要的作用。岩体裂隙分布的随机性、形态的多样性、分布的不均匀性和空间组合的复杂性，使得工程存在失稳的风险。为有效地评价裂隙岩体的工程稳定性，进一步揭示裂隙岩石的力学变形特性与破坏规律，需要开展单裂隙岩石试样的力学试验研究。
然而现有的试验所用样品制备主要是依靠两种方法所取得，一是野外取样，二是模具浇筑，但是这两种方法都存在着一些不足，均会为室内试验带来困难，而所得的实验数据甚至会误导试验人员得出错误的结论。
首先，对于野外所取得的样品来说，存在着以下两个问题：第一，不存在完全相同的两块天然岩石，而岩石试验又大多是破坏性试验，这就使得岩石试验无法重复进行，即使试样是从同一地方所取得，但其试验所得参数也有着较大的偏差；第二，某些天然岩样获取非常困难，取样所花费的成本非常高，无法在较短的时间内重复取样。
其次，对于模具浇筑来说，也同样存在着以下几个不足之处：第一，制备过程中不可避免所产生的气泡及沉淀等问题；第二，裂隙倾角的角度定位不准确、裂隙大小的精度控制不足、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。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法。
本发明提供了一种基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，采集单裂隙岩石中裂隙的形态以及分布数据，根据该形态以及分布数据建立单裂隙岩石的试样模具的3D虚拟模型；步骤二，通过3D打印采用水溶性材料打印3D虚拟模型的内腔；步骤三，通过3D打印采用不溶于水的材料打印3D虚拟模型的轮廓以及裂隙，得到初始模具；步骤四，采用溶剂将初始模具中的水溶性材料溶解得到有效模具；步骤五，在有效模具中的内腔内涂抹润滑油1～2次；步骤六，根据单裂隙岩石的力学性能制备水泥砂浆并倒入有效模具中；步骤七，待水泥砂浆固化成型得到初始试样；以及步骤八，将初始试样脱模并养护得到具有单裂隙的单裂隙岩石试样。
在本发明提供的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤二中，水溶性材料为抗冲击性聚苯乙烯。
在本发明提供的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤三中，不溶于水的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。
在本发明提供的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤四中，溶剂为柠檬酸。
在本发明提供的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤五中，润滑油的涂抹次数为2次。
在本发明提供的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤五中，润滑油的涂抹厚度为0.4～0.6mm。
在本发明提供的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤一中，形态以及分布数据半括裂隙的大小、倾角以及分布情况。
在本发明提供的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，还可以具有这样的特征：其中，单裂隙岩石试样为整齐的圆柱体，其直径与高度的比为1:2～1:3。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，通过3D虚拟模型完整表现所制备裂隙岩体试样中裂隙形态以及分布，同时，采用不溶于水的材料打印模具中用于形成试样裂隙的部分，模具的水溶性结构部分与试样裂隙的结构一致，可以将试样裂隙完全充填，而且，形成试样裂隙部分的模具与形成模具轮廓的部分是一个整体，涂润滑油后，脱模时试样裂隙与模型一同脱出，避免了脱模时因摩擦力过大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。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法的流程图；以及
图2是本发明的实施例中有效模具的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法作具体阐述。
在以下实施例中，采用的3D打印的打印方式为熔融堆积，即通过分层、层层堆叠的方式制作样本，所以对于打印的层厚需要进行设定，过薄会导致打印时长增加，而过厚的层厚会影响到模型精度，本实施例中选择层厚为0.15mm。
图1是本发明的实施例中基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法的流程图。
步骤一，采集单裂隙岩石中裂隙的形态以及分布数据，根据该形态以及分布数据建立单裂隙岩石的试样模具的3D虚拟模型。形态以及分布数据半括裂隙的大小、倾角以及分布情况。在本实施例中，采用AutoCAD2018软件来建立3D虚拟模型。实际应用中，采用AutoCAD2016或AutoCAD2017也可以。
步骤二，通过3D打印采用水溶性材料打印3D虚拟模型的内腔。在本实施例中，该水溶性材料为抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)。
步骤三，通过3D打印采用不溶于水的材料打印3D虚拟模型的轮廓以及裂隙，得到初始模具。在本实施例中，不溶于水的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。
图2是本发明的实施例中有效模具的结构示意图。
步骤四，采用溶剂将初始模具中的水溶性材料溶解得到如图2所示的有效模具。在本实施例中，溶剂为柠檬酸，用量为8mL，若柠檬酸的获取比较困难时，也可采用含有柠檬酸的洗洁精。
步骤五，在有效模具中的内腔内涂抹润滑油1～2次，涂膜厚度为0.4～0.6mm。在本实施例中，润滑油的涂抹次数为2次，涂抹厚度为0.5mm。
步骤六，根据单裂隙岩石的力学性能制备水泥砂浆并倒入有效模具中。在本实施例中，水泥砂浆配合比为水泥：石英砂：水＝1:0.86:0.355，水泥为C42.5水泥105。
步骤七，待水泥砂浆固化成型得到初始试样。水泥筛浆固化成型的方法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有效模具进行养护使水泥砂浆更快更优地固化成型。在本实施例中，将装载有水泥砂浆的有效模具放置在温度为22℃，湿度为90％的恒温恒湿箱中氧化至水泥砂浆固化成型。
步骤八，将初始试样脱模得到试样，将该试样放置在温度为22℃，湿度为90％的恒温恒湿箱中养护29天得到具有单裂隙的单裂隙岩石试样。该单裂隙岩石试样的规格依据中华人民共和国国家标准《岩石试验方法标准》中的规定：为整齐的圆柱体，其直径与高度之比为1:2～1:3。在本实施例中，单裂隙岩石试样的直径确定为50mm，高度确定为100mm。
实施例的作用与效果
根据上述实施例中的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法中，通过3D虚拟模型完整表现所制备裂隙岩体试样中裂隙形态以及分布，同时，采用不溶于水的材料打印模具中用于形成试样裂隙的部分，模具的水溶性结构部分与试样裂隙的结构一致，可以将试样裂隙完全充填，而且，形成试样裂隙部分的模具与形成模具轮廓的部分是一个整体，涂润滑油后，脱模时试样裂隙与模型一同脱出，避免了脱模时因摩擦力过大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。
另外，在本实施例的3D打印中，采用不溶于水的ABS塑料及水溶性HIPS塑料打印制备试样的模具，解决了常规的以PLA、PVA为原材料进行3D打印时，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的问题。
此外，本实施例中，采用柠檬烯溶解掉水溶性的HIPS塑料形成的内腔后，均匀涂抹润滑油在内腔表面，水泥砂浆成型的过程中润滑油阻断了水泥砂浆与模具的粘结，后续可以较为方便的脱模，且脱模时不破坏试样的结构。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采集单裂隙岩石中裂隙的形态以及分布数据，根据该形态以及分布数据建立所述单裂隙岩石的试样模具的3D虚拟模型；
步骤二，通过3D打印采用水溶性材料打印所述3D虚拟模型的内腔；
步骤三，通过3D打印采用不溶于水的材料打印所述3D虚拟模型的轮廓以及所述裂隙，得到初始模具；
步骤四，采用溶剂将所述初始模具中的所述水溶性材料溶解得到有效模具；
步骤五，在所述有效模具中的内腔内涂抹润滑油1～2次；
步骤六，根据单裂隙岩石的力学性能制备水泥砂浆并倒入所述有效模具中；
步骤七，待所述水泥砂浆固化成型得到初始试样；以及
步骤八，将所述初始试样脱模并养护得到具有单裂隙的所述单裂隙岩石试样。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于：
其中，在步骤二中，所述水溶性材料为抗冲击性聚苯乙烯。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于：
其中，在步骤三中，所述不溶于水的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于：
其中，在步骤四中，所述溶剂为柠檬酸。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于：
其中，在步骤五中，所述润滑油的涂抹次数为2次。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于：
其中，在步骤五中，所述润滑油的涂抹厚度为0.4～0.6mm。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于：
其中，在步骤一中，所述形态以及分布数据半括所述裂隙的大小、倾角以及分布情况。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备单裂隙岩石试样的方法，其特征在于：
其中，所述单裂隙岩石试样为整齐的圆柱体，其直径与高度的比为1:2～1:3。
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