CN112345334A

CN112345334A - 一种基于3d打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法

Info

Publication number: CN112345334A
Application number: CN202011371873.5A
Authority: CN
Inventors: 郑艳妮; 张升; 贾朝军
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: CN112345334B

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，包括如下步骤：建立不同倾角节理岩体的节理三维模型；将节理三维模型导入3D打印机，以石膏为原料打印得到节理实体；制作试样外部模具；将试样外部模具套在节理实体外部，放置于水泥浆槽中，采用水泥砂浆浇筑；养护、试样脱模，并进行后期处理，得到含各向异性节理类岩石试样。本发明先以石膏为材料模拟节理，后以水泥砂浆模拟岩石基体，利用模具浇筑成含各向异性节理的类岩石试样，能极高程度地还原天然节理岩体特征，真实地反映天然岩体的节理尺寸及岩体的各向异性产状特征。

Description

一种基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法

技术领域

本发明涉及一种类岩石试样制备方法，特别涉及一种基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，属于岩石力学与工程技术领域。

背景技术

自然界的岩石在形成过程中，由于受到构造运动的影响，大多会产生各种形状的节理或裂隙。因而自然界中的岩石(岩体)大多表现出不连续性、非均质性、各向异性及非线弹性特征。其中，比较有代表性的就是柱状节理玄武岩。柱状节理玄武岩是火山岩冷却时形成的柱状体节理，柱状节理岩体通常呈四方、五方、六方等棱柱体形态，大多数节理面平直且相互平行，节理柱的直径从几厘米到数米不等。我国柱状节理玄武岩多集中于西南地区，以白鹤滩水电站坝基柱状节理玄武岩最为经典。岩体由于各向异性节理的存在，弱化了岩体的完整性和力学性能。岩体的不连续性和各向异性更加突出，其对坝体变形、坝肩及边坡稳定、地下洞室围岩稳定等均有一定影响。

节理岩体的真实力学特性是各类大型岩体工程论证和设计的关键科学与技术问题，节理岩体试样现场取样难度大、易扰动破碎、取不到具有代表性的天然岩样，无法反映初始岩样的力学特性，开展室内模型试验对节理岩体的力学特性进行研究是最直接有效的方法。目前国内外学者采用的室内试验试样制作方法普遍为用相似材料浇筑棱柱体，后用胶水、水泥等将棱柱体粘在一起，养护后用切割机打磨成需要的试样，制样过程复杂、费时，在打磨过程中容易开裂，制样成功率低。牛子豪和朱珍德等申请人在申请号为201811219682.X、名称为“基于3D打印技术的透明类柱状节理岩体试样制备方法”的专利申请中提出了一种采用水溶性材料掺杂发泡剂打印柱状节理栅格，并在栅格上添加原生节理面薄片，后以树脂为材料浇筑成透明类柱状节理试样，然而原生节理面薄片制作过程复杂且困难，不易固定于打印的柱状节理栅格内，同时树脂材料不能很好地类比岩石多孔介质的特性。另外，国内外学者还采用混凝土、粉末状砂岩、粉末状石膏等为材料，利用3D打印机一体打印成含内部缺陷的岩体模型试样，但是3D打印试样存在均一化问题，不能真实地反映节理对岩石的弱化效应及节理岩体显著的各向异性，制样成本极高。

发明内容

发明目的：针对现有节理岩体试样制备过程中存在的问题，本发明提供一种基于3D打印的柱状节理类岩石试样制备方法。

技术方案：本发明所述的一种基于3D打印的柱状节理类岩石试样制备方法，包括如下步骤：

(1)建立不同倾角节理岩体的节理三维模型；

(2)将节理三维模型导入3D打印机，以石膏为原料打印得到节理实体；

(3)制作试样外部模具；

(4)将试样外部模具套在节理实体外部，放置于水泥浆槽中，采用水泥砂浆浇筑；

(5)养护、试样脱模，并进行后期处理，得到含各向异性节理类岩石试样。

步骤(1)中，可先采用地质调查方法，获取工程现场节理角度、形状及尺寸等信息，然后通过Rhino5.0三维建模软件进行建模，得到节理三维模型。其中，节理倾角可包括0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

步骤(2)中，优选的，节理实体的打印原料由石膏与水按照质量比1.5:1配制得到。

步骤(3)中，试样外部模具包括模具外壁，优选的，该模具外壁可拆卸，由至少两片模具片拼接而成。试样外部模具可为标准圆柱样模具或标准立方体样模具。

具体的，步骤(4)中，先在试样外部模具内外及水泥浆槽内涂脱模剂，然后配制水泥砂浆，将配制好的水泥砂浆装入水泥浆槽内，装浆高度大于试样高度，搅拌、震荡，排出气泡；再将节理实体放入水泥浆槽，待节理实体各柱体孔内充满水泥砂浆后，将试样外部模具自上而下套在节理实体上、直至模具顶部被水泥砂浆淹没。优选的，水泥砂浆浇筑前，在节理实体外表面涂覆一层防水固化胶，以增强其强度，防止后续浇筑过程中因吸水而强度减弱。本步骤采用的水泥浆槽可为长方体，包括上壁、下壁和侧壁，相邻槽壁之间可拆卸固定。

较优的，步骤(5)中，养护为：在温度20±2℃，相对湿度95％以上条件下养护。后期处理主要包括试样表面填补、打磨、试件尺寸检查等。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本发明先以石膏为材料模拟节理，后以水泥砂浆模拟岩石基体，利用模具浇筑成含各向异性节理的类岩石试样，能极高程度地还原天然节理岩体特征，真实地反映天然岩体的节理尺寸及岩体的各向异性产状特征；而且，采用本发明的方法可以在室内制备任意角度节理的室内试验类岩石试样，制样过程简单，成品率高，制得的试样可用于开展岩石单轴压缩试验、三轴压缩试验、流变试验等。

附图说明

图1为本发明的一种基于3D打印的柱状节理类岩石试样制备方法流程图；

图2为典型柱状节理倾角为90°的圆柱体试样(a)及立方体试样(b)的横截面图；

图3为典型不同倾角的柱状节理圆柱体试样的节理模型图；

图4为典型不同倾角的柱状节理立方体试样的节理模型图；

图5为试样外部模具模型示意图，其中，(a)为圆柱体试样外部模具，(b)为立方体试样外部模具；

图6为水泥浆槽模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，包括如下步骤：

(1)建立不同倾角节理岩体的节理三维模型；

可先采用地质调查方法，获取工程现场节理角度、形状及尺寸等信息，然后通过Rhino5.0三维建模软件进行建模，得到节理三维模型。

节理倾角可按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°设置。

可将石膏与水按照质量比1.5:1配制得到打印原料，加入3D打印机中，打印得到节理实体。

(3)制作试样外部模具；

试样外部模具可为标准圆柱样模具或标准立方体样模具。试样外部模具包括模具外壁，该模具外壁可拆卸，由至少两片模具片拼接而成。

水泥浆槽一般为长方体，包括上壁、下壁和侧壁，相邻槽壁之间可拆卸固定。

上述浇筑过程具体可为：先在试样外部模具内外及水泥浆槽内涂脱模剂，然后配制水泥砂浆，将配制好的水泥砂浆装入水泥浆槽内，装浆高度大于试样高度，搅拌、震荡，排出气泡；在节理实体外表面涂覆一层防水固化胶，然后放入水泥浆槽，待节理实体各柱体孔内充满水泥砂浆后，将试样外部模具自上而下套在节理实体上、直至模具顶部被水泥砂浆淹没。

养护条件为：在温度20±2℃，相对湿度95％以上条件下养护。后期处理主要包括试样表面填补、打磨、试件尺寸检查等。

本发明先以石膏为材料模拟节理，后以水泥砂浆模拟岩石基体，利用模具浇筑成含各向异性节理的类岩石试样，能极高程度地还原天然节理岩体特征，真实地反映天然岩体的节理尺寸及岩体的各向异性产状特征。

实施例

采用本发明的方法制备含不同倾角的柱状节理岩石试样，制备过程包括如下步骤：

步骤1：采用地质调查方法，获取工程现场节理角度、形状等尺寸信息，用Rhino5.0三维建模软件建立岩体节理三维模型，根据设计尺寸大小进行建模，保存为3D打印机可识别的STL文件格式。图2(a)、图2(b)分别为柱状节理倾角为90°的圆柱体试样横截面图和立方体试样横截面图，其中，正六边形可视为节理，节理边长5mm，厚度2mm。

步骤2：准备打印材料，石膏粉末及水，配比为石膏:水质量比为1.5:1。

步骤3：将各向异性节理三维模型STL文件导入3D打印机，如图3～4，从左至右节理柱体倾角依次为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°；其中，圆柱体试样直径50mm，高度100mm；立方体试样边长150mm。对节理三维模型进行打印，得到各向异性节理实体，真空干燥，去除多余粉末，去粉完毕后在模具外面刷一层防水固化胶，增强其强度，防止因吸水而减弱。

步骤4：采用有机玻璃制作试样外部模具，如图5(a)～5(b)，圆柱样模具1为两半圆柱外壳(模具内径50mm，壁后10mm，高100mm)，立方体样模具2为两半立方体外壳(模具内边长150mm，壁后10mm，高150mm)，以便后期脱模，同时壳体中部可设有适配的卡扣11、21和卡槽12、22，以便模具准确定位。采用有机玻璃制作水泥浆槽3，如图6，浇筑圆柱样的水泥浆槽尺寸内径为长×宽×高为370mm×90mm×110mm，壁后10mm，可同时浇筑5个标准试样，浇筑立方体样的水泥浆槽尺寸内径为长×宽×高为360mm×190mm×160mm，壁后10mm，可同时浇筑2个标准试样。水泥浆槽3侧壁为拼接式，同时设有卡槽，以便模具准确定位。

步骤5：在试样外部模具内外及水泥浆槽内涂抹凡士林以便浇筑试样脱模。

步骤6：浇筑不同倾角的节理试样。首先，配置水泥砂浆，配合比为高强度硅酸盐水泥、粒径小于1mm的细砂、水的质量比为1:0.5:0.4；将配置好的水泥砂浆装入水泥浆槽，装浆高度大于试样高度(100mm)，搅拌、震荡，排出气泡；将节理实体从上至下缓慢放入水泥浆槽，待各孔内充满水泥浆后将外部模具从上至下套入节理放入水泥浆槽，直至顶部被水泥浆淹没(该浇筑方式可使所有节理网格内充满浇筑液体)；去掉水泥浆槽上部挡板，令超过模具顶部水泥浆流出；在温度20±2℃，相对湿度95％以上条件下养护2小时，使水泥初凝；打开水泥槽侧壁下部挡板，去掉多余水泥块；最后将浇筑试样在温度20±2℃，相对湿度95％以上条件下养护24小时，使浇筑试样具有一定强度。

步骤7：浇筑试样脱模，进行打磨填补处理，后在温度20±2℃条件下养护28天，得到符合要求的标准试样，标准圆柱试样直径50mm、高度100mm，标准立方体试样边长150mm。

Claims

1.一种基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立不同倾角节理岩体的节理三维模型；

(2)将所述节理三维模型导入3D打印机，以石膏为原料打印得到节理实体；

(3)制作试样外部模具；

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用地质调查方法，获取工程现场节理角度、形状及尺寸信息，然后通过Rhino5.0三维建模软件进行建模，得到所述节理三维模型。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述倾角包括0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将石膏与水按照质量比1.5:1配制得到节理实体的打印原料。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述试样外部模具包括模具外壁，该模具外壁可拆卸，由至少两片模具片拼接而成。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述试样外部模具为标准圆柱样模具或标准立方体样模具。

7.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(4)中，先在试样外部模具内外及水泥浆槽内涂脱模剂，然后配制水泥砂浆，将配制好的水泥砂浆装入水泥浆槽内，装浆高度大于试样高度，搅拌、震荡，排出气泡；再将节理实体放入水泥浆槽，待节理实体各柱体孔内充满水泥砂浆后，将试样外部模具自上而下套在节理实体上、直至模具顶部被水泥砂浆淹没。

8.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，水泥砂浆浇筑前，在节理实体外表面涂覆一层防水固化胶。

9.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述水泥浆槽为长方体，包括上壁、下壁和侧壁，相邻槽壁之间可拆卸连接。

10.根据权利要求1所述的基于3D打印的含各向异性节理类岩石试样制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述养护为：在温度20±2℃，相对湿度95％以上条件下养护。