CN108593373A - 基于3d打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法，其步骤：首先采用CT扫描仪扫描岩石表面，确定节理面的形态和分布，设计节理面曲线，在CAD里建立3D模型，通过3D打印得到节理面三维模型；在铜制模具内壁均匀涂抹一层润滑油，放入打印好的三维模型；加入配比好的水泥、石英砂及水，静置约24h后进行拆模，得到半个试样，分离试样与岩石节理面三维模型，清理铜制模具表面，并抹好润滑油；将刚预制好的半个试样放入模具中，在试件的节理面抹上润滑油，然后将铜制模具组装起来，重复过程，得到一个完整的试样；试样养护一段时间后，用磨石机打磨试样的上下端面，得到符合试验要求的50mm×100mm标准圆柱体试样。

Description

基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法

技术领域

本发明涉及一种采用3D技术制备节理岩石，尤其是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造制备节理岩石。

背景技术

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。节理岩石是岩体工程中常遇到的复杂介质，它具有非均质性、各向异性和非连续性等特点，其强度、变形、破坏以及流变等特性，将直接影响岩体工程的设计、施工、运营、稳定和加固方案。现有文献表明，对岩石节理流变特性的规律很少加以分析，这方面的试验研究成果更是寥寥无几，毋庸置疑，这是目前岩石流变特性研究中的重要缺陷。因而，开展岩石节理剪切流变特性的试验研究，不仅对于分析整个岩体工程的流变特性具有重要的实践意义，而且能为岩石流变特性理论研究和数值分析提供基础。然而岩石试样制备困难是限制岩石流变特性规律研究的主要原因，现有的岩石试样主要依靠野外取样后打磨成型，虽然速度快，但是存在着一定缺陷，甚至所得的实验数据会对实验者产生误导，得出错误的结论。

对于节理岩石剪切流变试验来说，因为自然界不存在节理完全相同的两块天然岩石，这就使得岩石试验无法重复进行，另外天然岩石的表面粗糙度也难以确定，所以野外取样并不可行。

因此，岩石力学试验领域迫切需要一种比较完善的制备岩石节理剪切流变试验试样的方法。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法，该方法以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，与传统模具加工相比，最突出的优点就是能直接从计算机模型中生成零件的形状，无需机械加工或制造模具，从而极大地缩短了生成试样的时间，提高了制备效率，打印精度高，能够满足试验的严密性要求；并可以有效的解决岩体结构面不可重复试验的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法，具体包括如下步骤：

（１）采用CT扫描仪扫描岩石表面，确定岩石节理面的形态和分布，设计岩石节理面曲线，使用设计好的岩石节理面曲线，在CAD里建立3D模型；

（２）将该3D模型通过3D打印得到岩石节理面三维模型，打印采用热塑性材料；

（３）在事先准备的铜制模具内壁抹好油，然后在其中放入打印好的岩石节理面三维模型，并在岩石节理面三维模型的节理表面抹好润滑油，避免试样拆卸过程中破坏节理面，接着将其组装好；

（４）加入一定配合比称量的水泥、石英砂及水，静置约24h后进行拆模，得到半个试样，分离试样与岩石节理面三维模型，清理铜制模具表面，并抹好润滑油；

（５）将刚预制好的半个试样放入模具中，在试件的节理面抹上润滑油，然后将铜制模具组装起来，重复（４）的过程，得到一个完整的试样。

（６）试样养护一段时间后，用磨石机打磨试样的上下端面，得到符合试验要求的50mm×100mm标准圆柱体试样。

涂抹润滑油时，控制涂抹的润滑油的次数为1-2次，涂抹的润滑油的厚度控制在1-3mm。

本发明的有益效果是：

本发明将3D打印技术用于制备岩石节理剪切流变试验的岩体试样，通过3D模型完整表现所制备岩体试样中节理的形态、走向和分布情况，同时，采用热塑性材料，这样打印出的模具具有强度高，节理面光滑，不易粘上混合材料且不会被混合材料腐蚀等优点。

本发明的方法以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，与传统模具加工相比，最突出的优点就是能直接从计算机模型中生成零件的形状，无需机械加工或制造模具，从而极大地缩短了生成试样的时间，提高了制备效率，打印精度高，能够满足试验的严密性要求；并可以有效的解决岩体结构面不可重复试验的问题。

附图说明

图1是本发明的基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法的流程图；

图2是粗糙度为2的节理面曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明进行进一步说明：

如图１所示，一种基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法，具体包括如下步骤：

（１）采用CT扫描仪扫描岩石表面，确定岩石节理面的形态和分布，设计岩石节理面曲线，使用设计好的岩石节理面曲线，在CAD里建立3D模型；

（２）将该3D模型通过3D打印得到岩石节理面三维模型，打印采用热塑性材料；

（３）在事先准备的铜制模具内壁抹好油，然后在其中放入打印好的岩石节理面三维模型，并在岩石节理面三维模型的节理表面抹好润滑油，避免试样拆卸过程中破坏节理面，接着将其组装好；

（４）加入一定配合比称量的水泥、石英砂及水，静置约24h后进行拆模，得到半个试样，分离试样与岩石节理面三维模型，清理铜制模具表面，并抹好润滑油；

（５）将刚预制好的半个试样放入模具中，在试件的节理面抹上润滑油，然后将铜制模具组装起来，重复（４）的过程，得到一个完整的试样。

（６）试样养护一段时间后，用磨石机打磨试样的上下端面，得到符合试验要求的50mm×100mm标准圆柱体试样。

涂抹润滑油时，可控制涂抹的润滑油的次数为1-2次，2次为最佳。涂抹的润滑油的厚度可以控制在1-3mm左右，2mm为最佳。

实施例：

首先，通过CT技术扫描岩石表面，确定节理面的形态和分布，设计节理面曲线，使用设计好的粗糙度为2的节理面曲线如附图2所示，在CAD里建立模型，生成.STL格式文件S1。建模选用的AutoCAD版本为2017最好，该版本的软件在三维建模方面功能全面，AutoCAD2014-2016这三个版本也可以。

接着，将该3D模型通过3D打印得到岩石节理面模型S2，以下简称三维模型，打印采用热塑性材料，本案例采用的是PC塑料，即聚碳酸酯塑料。采用的3D打印设备为ZortraxM200，最大可打印尺寸为200mm×200mm×185mm，打印方式为熔融堆积（FDM），即通过分层、层层堆叠的方式制作模具，三维模具采用的打印层厚度为0.14mm。

紧接着，在事先准备的铜制模具内壁均匀涂抹一层润滑油，然后在其中放入打印好的三维模型，并在三维模型的节理表面均匀涂抹润滑油2次，避免试样拆卸过程中破坏节理面，接着将其组装好S3。

加入一定配合比（本案例为C32.5水泥：70-140石英砂：水=1:0.86:0.355）称量的水泥、石英砂及水，静置约24h后进行拆模，得到半个试样，分离试样与三维模型，清理铜制模具表面，并涂抹润滑油2次S4。

再将刚预制好的半个试样放入模具中，在试样的节理面均匀涂抹润滑油2次，然后将铜制模具组装起来S5，重复S4的过程，得到一个完整的试样。

最后，试样养护28d后，用磨石机打磨试样的上下端面，得到符合试验要求的50mm×100mm标准圆柱体试样S6。

Claims (2)

1.一种基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

（1）采用CT扫描仪扫描岩石表面，确定岩石节理面的形态和分布，设计岩石节理面曲线，使用设计好的岩石节理面曲线，在CAD里建立3D模型；

（2）将该3D模型通过3D打印得到岩石节理面三维模型，打印采用热塑性材料；

（3）在事先准备的铜制模具内壁抹好油，然后在其中放入打印好的岩石节理面三维模型，并在岩石节理面三维模型的节理表面抹好润滑油，避免试样拆卸过程中破坏节理面，接着将其组装好；

（4）加入一定配合比称量的水泥、石英砂及水，静置约24h后进行拆模，得到半个试样，分离试样与岩石节理面三维模型，清理铜制模具表面，并抹好润滑油；

（5）将刚预制好的半个试样放入模具中，在试件的节理面抹上润滑油，然后将铜制模具组装起来，重复（４）的过程，得到一个完整的试样；

（6）试样养护一段时间后，用磨石机打磨试样的上下端面，得到符合试验要求的50mm×100mm标准圆柱体试样。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术制备岩石节理剪切流变试验试样的方法，其特征在于：涂抹润滑油时，控制涂抹的润滑油的次数为1-2次，涂抹的润滑油的厚度控制在1-3mm。