CN109724855B - 应用3d打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法。用CT设备扫描原状土试样，得到试样的孔隙结构；使用图像处理建立原状土的孔隙结构，将其整合为3D模型，再以一种强度高、易挥发的有机材料作为3D打印材料，打造原状土试样的孔隙结构骨架，待土体3D孔隙结构骨架稳定成形后，采用造粒技术所得的冰粒和土粒混合均匀，将其倒入孔隙结构骨架中，震动使颗粒全部进入孔隙结构骨架中。升温使冰粒融化，但温度低于有机材料的沸点。土水混合均匀稳定后，再升温至有机材料的沸点，使有机材料从孔隙结构挥发，从而形成与原土样具有相同孔隙分布的土样。重复以上步骤，可制备多个具有相同孔隙结构的平行试样。

Description

应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的 方法

技术领域

本发明涉及一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法。

背景技术

原状土所得的物理化学参数可以真实地反映土样性质，因此实验人员常用原状土样进行试验，但缺点是不能利用原状土样进行可重复性试验，往往不能确保得到的结果与真实指标之间的差异在合理范围内。目前通常采用重塑土样来获得土的各种指标，但重塑土样的孔隙分布与原状土已有了很大不同。土体孔隙结构对土体的工程性质如渗透、变形及强度特性等有着非常重要的影响，土体孔隙结构的些许改变都会影响特性的改变，测出数据点的离散性会较大。为保证试验数据的可靠性，孔隙结构保持不变是非常有必要的。用CT系统与X射线集于一身的扫描仪扫描土样，获得清晰、准确、直观的土样内部结构，然后使用数字图像处理技术，建立土中孔隙结构的3D模型，再结合3D打印技术制备与原状土具有相同孔隙结构的多个平行土样，最终通过试验比对新制备土样与原状土的性能指标。由此，本专利拟采用造粒和3D打印两种技术制备具有相同孔隙结构的平行试验土样，不仅可验证原状土的相关试验数据的正确性，而且可以进行批量平行试验，获得准确的试验参数。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，能制备与原状土具有相同孔隙结构的多个平行土样，可供平行试验用，进行试样数据校准和对比，提高相关试验数据的准确结果。在无损伤的条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结构，然后使用数字图像处理技术，建立土中孔隙结构，并整合为3D模型。将不影响土体性质的那部分极小的孔隙可当作土体，以一种强度高、易挥发的有机材料作为3D打印材料，打造土孔隙结构，待打印的孔隙结构稳定之后，根据试样的目标含水率、目标干密度，将一定质量的采用造粒技术所得的冰粒和具有一定级配配比的土粒配合均匀，将其倒入孔隙结构骨架中，轻微震动，使颗粒全部进入孔隙结构骨架中，确保新制备试样与原状样具有相同的密实度。略升高温度使冰粒融化，但温度低于有机材料挥发的熔点，使骨架中冰粒与土粒充分混合均匀。升温至有机材料的沸点，使有机材料从孔隙结构挥发，从而形成与原土样具有相同孔隙分布的土体。重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，可以制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，具体操作步骤如下：

1).原状土试样制备

(1)取土

钻孔方法的选择首先应考虑避免钻动取土过程中因工具振动而对土体造成过多的扰动。可采用泥浆护孔等措施。钻孔的孔径与深度要适当，且保证有一定的静水压力，防止取土过程中土体变得松软。取土过程中，在尽量减少土体扰动、保持土体天然状态与结构的前提下，采用钻进工具在预定深度选取土样；采取土试样宜用快速静力连续压入法，避免锤击时摇晃，击入过程中要注意操作工序应细致稳妥，以免造成扰动；

(2)土体保存与运输

保存要求：野外所取土样往往不能立即送往实验室，故应对不能立即进行试验的土样进行合理保存，可采用蜡封；保存土样的环境应满足温度、湿度的要求，且应将样盒封严，避免风吹、雨淋、日晒和冰冻；

运输要求：运输途中尽量避免剧烈的颠簸、振荡，以免造成土样开裂；

(3)制样

从薄壁取土器中取出原状土样，用切土器制备成形状、尺寸均符合CT扫描要求的试样；采用切土器所取土样部位应具有代表性，切土器应垂直下压，同时测量并记录好土样的物理力学指标；

2).CT扫描土样

为评价孔隙对土体渗透特性的影响,必须确定土壤中大孔隙的大小、数目、形状和连通性。X-射线CT扫描仪可测量不透明体内部结构并可准确揭示孔隙的大小、数目位置及连通性；CT扫描技术还具有无损和实时优点。CT图像由一定数量的图形元素组成，每1个图形元素对应扫描物体的1个位置，依据于物体各个位置的X-射线衰减系数把亮度值付给图像中的每个图形元素，扫描物体不同容重区就可在图像中以不同亮度表示，土体大孔隙就可清晰地显示出；由于X-射线CT扫描仪主要用于医学领域的人体扫描，若对土体进行扫描，必须重新设定扫描系统参数。

3).土样孔隙结构再现

CT扫描土样获取土样孔隙结构，并对孔隙通道进行提取处理以后，便可运用3D打印技术，用有机材料作为打印材料打印出土体孔隙骨架；用有机材料打印出的土体骨架与原状土土体内的孔隙结构相同。

3D打印技术是将三维实体加工变为由点到线、由线到面、由面到体的离散堆积成形过程，极大地降低了制造复杂度。它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造的特点和优势，为快速大批量重复仿制土样奠定了技术基础。

4).土样的仿制

根据原状土的物理力学指标，按原状土的目标含水率、目标干密度，采用造粒技术制备出冰粒以及与原状土相同级配的土粒，将冰粒与土粒配合均匀，倒入孔隙结构骨架中，轻微震荡，使颗粒全部进入孔隙结构骨架中，确保制备试样与原状土具有相同的密实度；再适当升温，使冰粒融化成液体水进入土体，注意所升温度可使冰粒融化即可，不至于达到有机材料的熔点，使有机材料骨架融化；将制好的土样放置于恒湿箱，恒湿箱内的湿度应与原状土的含水率相同；再升温至有机材料的沸点，使有机材料骨架挥发，即可得到与原状土相同孔隙结构的土样；重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，可以制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样。

优选应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，步骤3)、步骤4)中提及的有机材料应具有一种强度高、易挥发、能够形成憎水性保护膜，又可在给定温度下挥发的特点。

优选应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，

1).取土尺寸：根据实验所需，可仿制不同形状、尺寸的土样，其形状为方形或圆柱形；

2).X-射线CT扫描仪用于对土体进行扫描，必须重新设定扫描系统参数；即输送到X-射线管的峰值电压、脉冲次数、每次扫描的时间可按规定进行设定，可将输送到X-射线管的峰值电压为125±10kV，脉冲次数为960±50，每次扫描的时间5s±0.1。

3)以上所述制备方法适用于除膨润土等孔隙率较低的一切土体，如砂性土、粉土、低液限黏土，还适用于含有盐分的土体的制备。

附图说明

图1是本发明的实现的具体流程框图。

图2是未扰动块状土样照片图。

图3是扫描所得到的土体孔隙结构图。

具体实施方式

下面以实例对本发明的实施方式做进一步的说明。该实例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例一：制备仿制土样的一般方法

参见图1-图3，应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，具体操作步骤如下

1.原状土试样制备

(1)取土

钻孔方法的选择首先应考虑避免钻动取土过程中因工具振动而对土体造成过多的扰动。可采用泥浆护孔等措施。钻孔的孔径与深度要适当，且保证有一定的静水压力，防止取土过程中土体变得松软。取土过程中，在尽量减少土体扰动、保持土体天然状态与结构的前提下，采用钻进工具在预定深度选取土样；采取土试样宜用快速静力连续压入法，避免锤击时摇晃，击入过程中要注意操作工序应细致稳妥，以免造成扰动；

(2)土体保存与运输

保存要求：野外所取土样往往不能立即送往实验室，故应对不能立即进行试验的土样进行合理保存，可采用蜡封；保存土样的环境应满足温度、湿度的要求，且应将样盒封严，避免风吹、雨淋、日晒和冰冻；

运输要求：运输途中尽量避免剧烈的颠簸、振荡，以免造成土样开裂；

(3)制样

从薄壁取土器中取出原状土样，用切土器制备成形状、尺寸均符合CT扫描要求的试样；采用切土器取样，则所取部位应具有代表性，切土器应垂直下压，同时测量并记录好土样的物理力学指标；

2).CT扫描土样

为评价孔隙对土体渗透特性的影响,必须确定土壤中大孔隙的大小、数目、形状和连通性。X-射线CT扫描仪可测量不透明体内部结构并可准确揭示孔隙的大小、数目位置及连通性；CT扫描技术还具有无损和实时优点。CT图像由一定数量的图形元素组成，每1个图形元素对应扫描物体的1个位置，依据于物体各个位置的X-射线衰减系数把亮度值付给图像中的每个图形元素，扫描物体不同容重区就可在图像中以不同亮度表示，土体大孔隙就可清晰地显示出；在对土体进行扫描前，必须对X-射线CT扫描仪重新设定扫描系统参数。

3).土样孔隙结构再现

CT扫描土样获取土样孔隙结构，并对孔隙通道进行提取处理以后，便可运用3D打印技术，用有机材料作为打印材料打印出土体孔隙骨架；用有机材料打印出的土体骨架与原状土土体内的孔隙结构相同。

3D打印技术是将三维实体加工变为由点到线、由线到面、由面到体的离散堆积成形过程，极大地降低了制造复杂度。它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造的特点和优势，为快速大批量重复仿制土样奠定了技术基础。

4).土样的仿制

根据原状土的物理力学指标，按原状土的目标含水率、目标干密度，采用造粒技术制备出冰粒以及与原状土相同级配的土粒，将冰粒与土粒配合均匀，倒入孔隙结构骨架中，轻微震荡，使颗粒全部进入孔隙结构骨架中，确保制备试样与原状土具有相同的密实度；再适当升温，使冰粒融化成液体水进入土体，注意所升温度可使冰粒融化即可，不至于达到有机材料的熔点，使有机材料骨架融化；将制好的土样放置于恒湿箱，恒湿箱内的湿度应与原状土的含水率相同；再升温至有机材料的沸点，使有机材料骨架挥发，即可得到与原状土相同孔隙结构的土样；重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，可以制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样。

实施实例二：使用不同的有机材料作为土体骨架

(1)获取原状土样

(1-1)采用合理的钻进方法，在不受大的扰动情况下，取出一定规格圆柱形原状土样。

(1-2)野外所取土样往往不能立即送往实验室，故应对不能立即进行试验的土样进行合理保存。保存土样的环境应满足温度、湿度的要求，且应将样盒封严，避免风吹、雨淋、日晒、冰冻等。

(1-3)按照《土工试验规范》上的方法步骤原状土样的物理力学指标的测定，如用烘干法测量土体的含水率，用比重瓶法测土体的比重等等。

(2)仿制与原状土样相同孔隙结构的土样

(2-1)采用CT扫描仪获得原状土的孔隙结构

(2-2)将CT扫描结果输入电脑进行数据处理，并与3D打印机相连。

(3)有机材料的选用

(3-1)环十二烷

环十二烷(化学式为C₁₂H₂₄)常温下是一种半透明蜡状固体，熔点58 61℃，闪点98℃，相对密0.83g/cm³，沸点122-125℃(20hPa)，是不溶于水的极性溶剂,具有强烈的憎水性。

根据原状土的物理力学指标，遵循等含水率的原则，采用造粒技术制作出冰粒及不同级配的土粒。将冰粒与土粒倒入模具，轻微震荡，使土粒与冰粒混合均匀，再适当升温，使冰粒融化成液体水进入土体(注意所升温度可使冰粒融化即可，不至于达到环十二烷的熔点，使环十二烷骨架融化)。将制好的土样放置于恒湿箱，恒湿箱内的湿度应与原状土的含水率相同。再升温至环十二烷的沸点，使环十二烷骨架挥发，即可得到与原状土相同孔隙结构的土样。重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，可以制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样。

(3-2)改性的薄荷醇

薄荷醇(分子式：C₁₀H₂₀O)是一种无色针状结晶或粒状有机化合物，是植物所产生的高挥发性精油。薄荷醇有若干个种类，如左旋薄荷醇为无色透明针状晶体，熔点44℃，沸点216.4℃。薄荷醇本身具有一定的强度，但其强度不至于支持土体，因此可以对薄荷醇进行改性作为3D打印材料。

根据原状土的物理力学指标，遵循等含水率的原则，采用造粒技术制作出冰粒及不同级配的土粒。将冰粒与土粒倒入模具，轻微震荡，使土粒与冰粒混合均匀，再适当升温，使冰粒融化成液体水进入土体(注意所升温度可使冰粒融化即可，不至于达到薄荷醇的熔点，使薄荷醇骨架融化)。将制好的土样放置于恒湿箱，恒湿箱内的湿度应与原状土的含水率相同。再升温至薄荷醇的沸点，使薄荷醇骨架挥发，即可得到与原状土相同孔隙结构的土样。重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，可以制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样。

实施实例三：制造的形状、尺寸不同的土样

(1)获取原状土样

实施方式与实施实例一中的方法相同。

(2)制作方法

实验室中可用切土器制作土样，本专利也可根据需要，制作其他形状(如方形)、尺寸的土样，只要能放在CT扫描仪下并全部能被CT扫描仪扫描即可。CT扫描获得土体孔隙结构后，采用3D打印技术，将有机材料作为3D打印的材料，即可打印出不同土体的孔隙结构骨架。然后根据原状土的物理力学指标，遵循等含水率的原则，采用造粒技术制作出冰粒及不同级配的土粒。将冰粒与土粒倒入模具，轻微震荡，使土粒与冰粒混合均匀，再适当升温，使冰粒融化成液体水进入土体(注意所升温度可使冰粒融化即可，不至于达到有机材料的熔点，使有机材料骨架融化)。将制好的土样放置于恒湿箱，恒湿箱内的湿度应与原状土的含水率相同。再升温至有机材料的沸点，使有机材料骨架挥发，即可得到与原状土相同孔隙结构的土样。重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，可以制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样。

实施实例四：盐份含量不同

(1)获取原状土样

实施方式与实施实例一中的方法相同。

(2)制备不同盐分的土样

自然界土体含盐量不同，本专利也可根据需要制备含盐量不同的测试土样。运用造粒技术制成不同颗粒级配的盐粒，按浓度含量要求，称重，与一定质量的冰粒、土粒混合。其他操作步骤同前。

Claims (3)

1.一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，其特征在于：适用于除孔隙率较低的膨润土之外的土体的土样的制备，所述土体为砂性土、粉土、低液限黏土，或者为含有盐分的土体；操作步骤如下：

1）原状土试样制备：

（1）取土：

钻孔方法的选择，首先应考虑避免钻动取土过程中因工具振动而对土体造成过多的扰动；采用泥浆护孔措施；钻孔的孔径与深度要适当，且保证有一定的静水压力，防止取土过程中土体变得松软；取土过程中，在尽量减少土体扰动、保持土体天然状态与结构的前提下，采用钻进工具在预定深度选取土样；采取土试样宜用快速静力连续压入法，避免锤击时摇晃，击入过程中要注意操作工序应细致稳妥，以免造成扰动；

（2）土体保存与运输：

保存要求：采用蜡封；保存土样的环境应满足温度、湿度的要求，且应将样盒封严；

运输要求：运输途中尽量避免剧烈的颠簸、振荡，以免造成土样开裂；

（3）制样：

从薄壁取土器中取出原状土样，用切土器制备成形状、尺寸均符合CT扫描要求的试样；采用切土器取样，所取部位应具有代表性，切土器应垂直下压，同时测量并记录好土样的物理力学指标；

2）CT扫描土样：

为评价孔隙对土体渗透特性的影响，必须确定土体中大孔隙的大小、数目、形状和连通性；X-射线CT扫描仪测量不透明体内部结构，并准确揭示孔隙的大小、数目位置及连通性；CT图像由一定数量的图形元素组成，每1个图形元素对应扫描物体的1个位置，依据于物体各个位置的X-射线衰减系数把亮度值付给图像中的每个图形元素，扫描物体不同容重区在图像中以不同亮度表示，出土体大孔隙清晰显示；在对土体进行扫描前，必须对X-射线 CT扫描仪重新设定扫描系统参数；

3）土样孔隙结构再现：

CT扫描土样获取土样孔隙结构，并对孔隙通道进行提取处理以后，运用3D打印方法，用有机材料作为打印材料，打印出土体孔隙骨架；用有机材料打印出的土体骨架与原状土土体内的孔隙结构相同；

以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体；

4）土样的仿制：

根据原状土的物理力学指标，按原状土的目标含水率、目标干密度，采用造粒方法，制备出冰粒以及与所述步骤1）中的原状土试样相同级配的土粒，将冰粒与土粒配合均匀，倒入孔隙结构骨架中，轻微震荡，使颗粒全部进入孔隙结构骨架中，确保制备试样与原状土试样具有相同的密实度；

再适当升温，使冰粒融化成液体水进入土体，注意所升温度使冰粒融化即可，不至于达到有机材料的熔点，使有机材料骨架融化；

将制好的土样放置于恒湿箱，恒湿箱内的湿度应与原状土的含水率相同；

再升温至有机材料的沸点，使有机材料骨架挥发，得到与所述步骤1）中的原状土试样具有相同孔隙结构的土样；重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样；

在所述步骤4）中，当制备含有盐分的土体时，则采用造粒方法，制备出冰粒以及与所述步骤1）中的原状土试样相同级配的土粒，并制成不同颗粒级配的盐粒，按浓度含量要求，称重，将盐粒与一定质量的冰粒、土粒配合均匀，倒入孔隙结构骨架中，轻微震荡，使盐粒、冰粒和土粒全部进入孔隙结构骨架中，确保制备试样与原状土试样具有相同的密实度。

2.根据权利要求1所述的应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，其特征在于：步骤3)、步骤4)中的有机材料具有强度高、易挥发、能够形成憎水性的保护膜，又能在给定温度下挥发。

3.根据权利要求1所述的应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，其特征在于：

在所述步骤1）中，取土尺寸根据实验所需，仿制不同形状、尺寸的土样，其形状为方形或圆柱形；

在所述步骤2）中，X-射线CT扫描仪用于对土体进行扫描，必须重新设定扫描系统参数；即输送到X-射线管的峰值电压、脉冲次数、每次扫描的时间按规定进行设定，输送到X-射线管的峰值电压为125±10kV，脉冲次数为960±50，每次扫描的时间5s±0.1。

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