CN115372099A - 用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，涉及深部工程物理模型试验技术领域。该方法采用与物理模型试样相近的岩土相似材料制备岩土类隔温材料，在满足良好隔温性能的基础上，使岩土类隔温材料具备与模型试样相协调的力学性能；并使岩土类隔温材料具有良好的3D打印性能，实现工程岩体物理模型及其隔温层的一体化3D打印构建。在满足边界隔温性能的基础上，其隔温层的力学性质与试样整体协调一致，可以保证边界应力加载下的隔温层与工程岩体模型的协调变形。本发明的3D打印构建方法，可以实现工程岩体物理模型试样与隔温层的一体化成型，提高了模型试样的整体性与构建精度，保证了模型边界不同位置的隔温效果的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及深部工程物理模型试验技术领域，尤其涉及一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印方法。
背景技术
随着我国经济、社会的不断发展，地下工程建设与能源资源开发不断向地球深部进军。高温热害是深部常见的工程地质灾害类型，高地温环境对于深部岩体的工程性质及安全具有较大影响。目前，对于该问题的研究手段主要包括室内岩样试验、物理模型试验、数值模拟及现场监测等。
物理模型试验是基于相似理论对工程问题进行缩尺研究的方法，其通过概化表征现场工程岩体的地质构造与地质环境，同时模拟现场工程活动，借助多元信息监测手段揭示工程岩体的动态演化过程及灾害的孕育机制。物理模型试验可以方便地控制边界条件，开展平行对比试验，因此得到了广泛的应用与快速的发展。
在开展物理模型试验的过程中，为研究温度场对于深部工程岩体的影响规律，需要在模型体中设置加热系统。为避免高温扩散至模型边界时对应力加载设备造成影响，需要在模型边界位置设置隔温层。目前，对于模型边界的隔温处理，一般采用传统的玻璃纤维、石棉、岩棉等隔温材料。但这些隔温材料与模型试样的物理、力学性质存在显著差异，在边界应力的影响下，将不可避免的产生边界变形与破坏的不协调问题，影响应力的传递效果，降低试验结果的准确性与可靠度。鉴于此，亟待研发一种与模型试样物理力学性质接近的，且具有良好隔温效果的新型隔温材料，并建立其构建方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，采用与模型试样相近的岩土相似材料制备岩土类隔温材料，在满足良好隔温性能的基础上，使岩土类隔温材料具备与模型试样相协调的力学性能；并使岩土类隔温材料具有良好的3D打印性能，可以实现工程岩体物理模型及其隔温层的一体化3D打印构建。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，包括岩土类隔温材料制备及工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印两部分；
所述岩土类隔温材料的制备，包括以下步骤：
步骤1：确定隔温材料的目标参数；
步骤1.1：根据物理模型试验的内部温度场与边界隔温要求，确定隔温材料的目标导热系数；
步骤1.2：根据所模拟工程的原岩参数及模型试验的相似比，确定隔温材料的目标物理参数和力学参数，具体包括密度、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角；
步骤2：确定隔温材料的物质组成；
步骤2.1：根据所模拟工程现场岩石的矿物成分、化学成分、微观结构、物理参数和力学参数，确定用于制备隔温材料的岩土相似材料骨料与胶结剂类型及岩土相似材料骨料的粒径范围；
步骤2.2：选择适用于制备隔温材料的岩土相似材料的发泡剂，制备泡沫；步骤3：调控隔温材料的湿料流动性能；
步骤3.1：将步骤2确定的岩土相似材料骨料、胶结剂及通过发泡剂制备的泡沫按照一定的比例混合均匀，形成隔温材料湿料；
步骤3.2：进行隔温材料湿料的流动性能试验，通过添加缓凝剂与保水剂，使得隔温材料湿料具备要求的流动性能、初凝时间和自持能力；
步骤4：设计隔温材料配比试验方案，并打印不同配比方案下的隔温材料试样；
步骤4.1：针对步骤2确定的岩土相似材料骨料、胶结剂及发泡剂制备的发泡剂，选取影响因素，设计正交或均匀试验方案；
所述影响因素，包括岩土相似材料骨料与胶结剂之比，不同岩土相似材料骨料含量之比，不同胶结剂含量之比以及泡沫掺量(％)；
步骤4.2：基于步骤4.1设计的试验方案及步骤3确定的缓凝剂与保水剂用量，采用湿料挤出沉积成型3D打印工艺，打印不同配比方案下的隔温材料试样，并对隔温材料试样进行养护；
步骤5：对养护好的隔温材料试样进行性能测试，确定岩土类隔温材料的最优配比；
步骤5.1：隔温材料试样养护完成后，测试不同配比方案下，隔温材料试样的物理、力学和热物理性质，具体包括密度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角及导热系数；
步骤5.2：对比步骤1中的各目标参数，优选出符合要求的配比方案，确定岩土类隔温材料的配比。
所述工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印，包括以下步骤：
步骤S1：根据拟开展的工程岩体物理模型试验，分别建立工程岩体及边界隔温层的三维数字模型；
所述工程岩体物理模型为长方体试样，包括完整岩体部分、岩体结构部分以及用于构建模型内部高温环境的加热系统，完成实验过程中多元信息监测的监测系统；
所述边界隔温层，布置在工程岩体物理模型试样的六个端面，将工程岩体物理模型试样包裹在内部，以实现工程岩体物理模型内部高温与边界加载设备的有效隔离；根据3D打印顺序，边界隔温层分为底部隔温层，四侧壁隔温层及顶部隔温层；
步骤S2：根据工程岩体及边界隔温层的三维数字模型，分别规划工程岩体物理模型与边界隔温层的打印路径与打印参数，并完成路径融合；
步骤S3：使用3D打印机进行工程岩体物理模型与隔温层的一体化3D打印；
将工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料放置在3D打印机不同的料仓内，通过泵送装置，经过输料管，分别输送工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料至对应的打印喷头，按照既定的规划路径行走，自下至上完成工程岩体物理模型与边界隔温层的一体化3D打印；并在打印过程中完成模型加热系统及相关传感器的预埋；
步骤S4：评价3D打印的隔温层性能；
步骤4.1：评价3D打印的隔温层的隔温性能；
启动工程岩体物理模型试样内部的加热装置，实时监测隔温层内外两侧的温度，评价隔温层的隔温效果；
步骤4.2评价3D打印的隔温层的物理力学性能；
对3D打印成型的工程岩体物理模型试样，分别在隔温层与工程岩体物理模型体内部取样，开展密度、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角的参数测试，对比隔温层与工程岩体物理模型体内部取样参数的一致性，完成对3D打印的隔温层的物理力学性能评价。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，(1)提供的岩土类隔温材料采用与工程岩体物理模型试样接近的相似材料构建，其物理力学性能可调可控。在满足边界隔温性能的基础上，其隔温层的力学性质与试样整体协调一致，可以保证边界应力加载下的隔温层与工程岩体模型的协调变形，实现较好的应力传递效果，保证试验结果精度；(2)与现有技术相比，本发明提供的岩土类隔温层3D打印构建方法，可以实现工程岩体物理模型试样与隔温层的一体化成型，提高了模型试样的整体性与构建精度，保证了模型边界不同位置的隔温效果的一致性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的隔温材料制备过程流程图；
图2为本发明实施例提供的工程岩体及边界隔温层3D打印过程流程图；
图3为本发明实施例提供的底部隔温层3D打印过程示意图；
图4为本发明实施例提供的中部物理模型体及四侧壁隔温层3D打印过程示意图；
图5为本发明实施例提供的中间部位物理模型体及隔温层3D打印过程平面示意图；
图6为本发明实施例提供的顶部隔温层3D打印过程示意图。
图中：1、3D打印设备框架；2、模型体材料供料桶；3、模型材料供料管；4、打印喷头运动盘；5、打印喷头；6、隔温层材料供料桶；7、隔温材料供料管；8、底部隔温层；9、中部模型体；10、四侧壁隔温层；11、模型内部岩体结构；12、顶部隔温层；5-1、隔温层；5-2、工程岩体：5-3、传感器预埋区；5-4、加热系统预埋区；5-5岩体结构区；5-6、边界过渡区；图中箭头表示打印路径。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以某高地温深埋地下工程为例，采集现场完整花岗岩试样，采用本发明的岩土类隔温材料及其3D打印方法，打印出具有良好隔温性以及与物理模型试样协调一致的力学性能的隔温层。
本实施例中，一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备方法，包括岩土类隔温材料制备及工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印两部分；
所述岩土类隔温材料的制备，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：确定隔温材料的目标参数；
步骤1.1：根据物理模型试验的内部温度场与边界隔温要求，确定隔温材料的目标导热系数；本实施例中，确定隔温材料的目标导热系数小于0.2W/(m·K)。
步骤1.2：根据所模拟工程的原岩参数及模型试验的相似比，确定隔温材料的目标物理参数和力学参数，具体包括密度、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角；
步骤2：确定隔温材料的物质组成；
步骤2.1：根据所模拟工程现场岩石的矿物成分、化学成分、微观结构、物理参数和力学参数，确定用于制备隔温材料的岩土相似材料骨料与胶结剂类型及岩土相似材料骨料的粒径范围；
本实施例中，某高地温深埋地下工程岩体为花岗岩，其主要矿物成分为：长石60％、碱长石17％、石英15％。长石，粒径约1～2mm；石英，无色，粒径约0.25～0.5mm，内部无裂隙；花岗岩的物理、热力学参数如表1所示。根据上述信息，确定岩土相似材料骨料为1.5mm长石砂，0.38mm石英砂和0.045mm石英粉；胶结剂为半水石膏和标号42.5的硅酸盐水泥。
表1花岗岩物理、热力学参数
步骤2.2：选择适用于制备隔温材料的岩土相似材料的人工复合发泡剂，制备泡沫；
人工复合发泡剂，其水溶液在机械作用力下引入空气而产生大量泡沫，主要成分有十二烷基硫酸钠(SDS)、α-烯基磺酸钠(AOS)和动物蛋白；
本实施例中，将发泡剂与水按1：60比例稀释，再将稀释溶液倒入高速搅拌机中，采用700r/min转速制成大小均匀、稳定的泡沫，然后用器皿量取制好的泡沫，在后续试验中定量加入预制好的泡沫继续搅拌30s，制成混合均匀的湿料。
步骤3：调控隔温材料的湿料流动性能；
步骤3.1：将步骤2确定的岩土相似材料骨料、胶结剂及通过人工复合发泡剂制备的泡沫按照一定的比例(2.65：1：0.12)混合均匀，形成隔温材料湿料；
步骤3.2：进行隔温材料湿料的流动性能试验，通过添加适量的缓凝剂与保水剂，使得隔温材料湿料具备要求的流动性能、初凝时间和自持能力；
缓凝剂，可降低胶结剂的水化速度和水化热、延长凝结时间。
保水剂，具有保水作用，可改善湿料和易性、及流变性。
本实施例中，采用葡萄糖酸钠作为缓凝剂，羟丙基甲基纤维素作为保水剂，通过试验确定每500g隔温材料湿料中缓凝剂的添加量为0.4g，保水剂的添加量为0.8g。
步骤4：设计隔温材料配比试验方案，并打印不同配比方案下的隔温材料试样；
步骤4.1：针对步骤2确定的岩土相似材料骨料、胶结剂及发泡剂制备的发泡剂，选取影响因素，设计正交或均匀试验方案；
所述影响因素，包括岩土相似材料骨料与胶结剂之比，不同岩土相似材料骨料含量之比，不同胶结剂含量之比以及泡沫掺量(％)；
本实施例中，影响因素可选择(长石砂+石英砂)与(硅酸盐水泥+石膏)之比，长石砂与石英砂之比，石膏与水泥之比以及泡沫掺量(％)。
本实施例基于以上影响因素，采用均匀设计方法，开展岩土类隔温材料的制备，均匀试验设计方案如表2所示。
表2均匀试验设计方案
注：表2中的泡沫掺量指的是质量百分比(包括骨料、胶结剂和泡沫)；
步骤4.2：基于步骤4.1设计的试验方案及步骤3确定的缓凝剂与保水剂用量，采用湿料挤出沉积成型3D打印工艺，打印不同配比方案下的隔温材料试样，试样尺寸50mm×50mm×100mm，并按照混凝土的自然养护方法对隔温材料试样进行养护；
湿料挤出沉积成型3D打印工艺，是指岩土相似材料浆体在空气压力、螺旋泵压力等驱动力作用下通过打印喷头一层层堆叠，经过自身的物理化学反应，最终形成打印模型的3D打印技术。
步骤5：对养护好的隔温材料试样进行性能测试，确定岩土类隔温材料的最优配比；
步骤5.1：隔温材料试样养护完成后，测试不同配比方案下，隔温材料试样的物理、力学和热物理性质，具体包括密度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角及导热系数；
步骤5.2：对比步骤1中的各目标参数，优选出符合要求的配比方案，确定岩土类隔温材料的配比。
本实施例中，工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1：根据拟开展的工程岩体物理模型试验，分别建立工程岩体及边界隔温层的三维数字模型；
所述工程岩体物理模型为长方体试样(2m×2m×1.5m)，包括完整岩体部分、岩体结构部分以及用于构建模型内部高温环境的加热系统，完成实验过程中多元信息监测的监测系统；
所述边界隔温层，布置在工程岩体物理模型试样的六个端面，将工程岩体物理模型试样包裹在内部，以实现工程岩体物理模型内部高温与边界加载设备的有效隔离；根据3D打印顺序，边界隔温层分为底部隔温层，四侧壁隔温层及顶部隔温层；
步骤S2：根据工程岩体及边界隔温层的三维数字模型，分别规划工程岩体物理模型与边界隔温层的打印路径与打印参数，并完成路径融合；
打印路径，指为完成打印而规划的喷头行走路线；
打印参数，包括单层打印厚度、线条宽度、层间夹角、喷头行走速度和出料速度。
步骤S3：使用3D打印机进行工程岩体物理模型与隔温层的一体化3D打印；
本实施例中，3D打印机具有两套供料系统，并设计好打印程序，自动更换。将工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料放置在3D打印机不同的料仓内，通过泵送装置，经过输料管，分别输送工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料至对应的打印喷头，按照既定的规划路径行走，自下至上完成工程岩体物理模型与边界隔温层的一体化3D打印；并在打印过程中完成模型加热系统及相关传感器的预埋；
料仓，是指存放工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料的容器，下端开口，可在空气压力的作用下被挤出；
泵送装置，为打印材料的输送提供驱动力的装置，采用螺旋驱动原理提供驱动力；
输料管，为连接料仓和打印喷头的柔性管道，为打印材料的输送提供通道；
打印喷头，为最终将打印材料挤出使其沉积成型的装置。
本实施例中，首先进行底部隔温层打印，如图3所示，按照规划路径进行打印，形成50mm厚的底部保温层，然后进行中部物理模型体及四侧壁隔温层打印，如图4所示，具体包括工程岩体(包括完整岩体、岩体结构)、边界隔温层的打印，同时预留加热系统、及传感器的埋设位置。本实施例中，中间部位物理模型体及隔温层3D打印过程平面如图5所示，包括隔温层5-1，工程岩体5-2，传感器预埋区5-3，加热系统预埋区5-4，岩体结构区5-5和边界过渡区5-6，图中箭头表示打印路径。最后进行顶部隔温层打印，如图6所示，按照规划路径进行打印，形成50mm厚的顶部保温层，最终使得物理模型与隔温层一体化成型。本实施例中，工程岩体物理模型与边界隔温层的一体化3D打印具体涉及3D打印设备框架1，模型体材料供料桶2，模型材料供料管3，打印喷头运动盘4，打印喷头5，隔温层材料供料桶6，隔温材料供料管7，底部隔温层8，中部模型体9，四侧壁隔温层10，模型内部岩体结构11和顶部隔温层12。
步骤S4：评价3D打印的隔温层性能；
步骤4.1：评价3D打印的隔温层的隔温性能；
启动工程岩体物理模型试样内部的加热装置，实时监测隔温层内外两侧的温度，评价隔温层的隔温效果；
步骤4.2评价3D打印的隔温层的物理力学性能；
对3D打印成型的工程岩体物理模型试样，分别在隔温层与工程岩体物理模型体内部取样，开展密度、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角的参数测试，对比隔温层与工程岩体物理模型体内部取样参数的一致性，完成对3D打印的隔温层的物理力学性能评价。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (9)
1.一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，包括岩土类隔温材料制备及工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印两部分，其特征在于：
所述岩土类隔温材料的制备的方法为：
确定隔温材料的目标参数；
确定隔温材料的物质组成；
调控隔温材料的湿料流动性能；
设计隔温材料配比试验方案，并打印不同配比方案下的隔温材料试样；
对养护好的隔温材料试样进行性能测试，确定岩土类隔温材料的最优配比；
所述工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印的方法为：
根据拟开展的工程岩体物理模型试验，分别建立工程岩体及边界隔温层的三维数字模型；
根据工程岩体及边界隔温层的三维数字模型，分别规划工程岩体物理模型与边界隔温层的打印路径与打印参数，并完成路径融合；
使用3D打印机进行工程岩体物理模型与隔温层的一体化3D打印；
评价3D打印的隔温层的隔温性能和物理力学性能。
2.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：所述确定隔温材料的目标参数的具体方法为：
根据物理模型试验的内部温度场与边界隔温要求，确定隔温材料的目标导热系数；
根据所模拟工程的原岩参数及模型试验的相似比，确定隔温材料的目标物理参数和力学参数，具体包括密度、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角。
3.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：确定隔温材料的物质组成的具体方法为：
根据所模拟工程现场岩石的矿物成分、化学成分、微观结构、物理参数和力学参数，确定用于制备隔温材料的岩土相似材料骨料与胶结剂类型及岩土相似材料骨料的粒径范围；
选择适用于制备隔温材料的岩土相似材料的发泡剂，制备泡沫。
4.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：所述调控隔温材料的湿料流动性能的具体方法为：
将确定的岩土相似材料骨料、胶结剂及通过发泡剂制备的泡沫按照一定的比例混合均匀，形成隔温材料湿料；
进行隔温材料湿料的流动性能试验，通过添加缓凝剂与保水剂，使得隔温材料湿料具备要求的流动性能、初凝时间和自持能力。
5.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：设计隔温材料配比试验方案，并打印不同配比方案下的隔温材料试样的具体方法为：
针对步骤2确定的岩土相似材料骨料、胶结剂及发泡剂制备的发泡剂，选取影响因素，设计正交或均匀试验方案；
所述影响因素，包括岩土相似材料骨料与胶结剂之比，不同岩土相似材料骨料含量之比，不同胶结剂含量之比以及泡沫掺量(％)；
基于设计的试验方案及确定的缓凝剂与保水剂用量，采用湿料挤出沉积成型3D打印工艺，打印不同配比方案下的隔温材料试样，并对隔温材料试样进行养护。
6.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：所述对养护好的隔温材料试样进行性能测试，确定岩土类隔温材料的最优配比的具体方法为：
隔温材料试样养护完成后，测试不同配比方案下，隔温材料试样的物理、力学和热物理性质；
对比确定的隔温材料的目标参数，优选出符合要求的配比方案，确定岩土类隔温材料的配比。
7.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：所述工程岩体物理模型为长方体试样，包括完整岩体部分、岩体结构部分以及用于构建模型内部高温环境的加热系统，完成实验过程中多元信息监测的监测系统；
所述边界隔温层，布置在工程岩体物理模型试样的六个端面，将工程岩体物理模型试样包裹在内部，以实现工程岩体物理模型内部高温与边界加载设备的有效隔离；根据3D打印顺序，边界隔温层分为底部隔温层，四侧壁隔温层及顶部隔温层。
8.根据权利要求7所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：所述使用3D打印机进行工程岩体物理模型与隔温层的一体化3D打印的具体方法为：
将工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料放置在3D打印机不同的料仓内，通过泵送装置，经过输料管，分别输送工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料至对应的打印喷头，按照既定的规划路径行走，自下至上完成工程岩体物理模型与边界隔温层的一体化3D打印；并在打印过程中完成模型加热系统及相关传感器的预埋。
9.根据权利要求8所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法，其特征在于：所述评价3D打印的隔温层的隔温性能和物理力学性能的具体方法为：
启动工程岩体物理模型试样内部的加热装置，实时监测隔温层内外两侧的温度，评价隔温层的隔温效果；
对3D打印成型的工程岩体物理模型试样，分别在隔温层与工程岩体物理模型体内部取样，开展密度、孔隙度、单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角的参数测试，对比隔温层与工程岩体物理模型体内部取样参数的一致性，完成对3D打印的隔温层的物理力学性能评价。
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2022
- 2022-08-23 CN CN202211010102.2A patent/CN115372099A/zh active Pending
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