一種基于3d打印技術(shù)的貫通裂隙巖體試樣的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種裂隙巖體試樣的制備方法，特別涉及一種基于3D打印技術(shù)的貫通裂隙巖體試樣的制備方法，屬于巖石力學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國水利工程、采礦工程、地下石油和天然氣儲備工程的發(fā)展，裂隙巖體成為工程中經(jīng)常遇到的一種復(fù)雜介質(zhì)，裂隙對裂隙巖體的力學(xué)性質(zhì)有著控制作用，因此裂隙巖體的力學(xué)性質(zhì)與完整巖體有著顯著的區(qū)別，國內(nèi)外學(xué)者對于完整巖體力學(xué)性質(zhì)所作的試驗(yàn)研究已經(jīng)較為深入，但對于裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)所做的試驗(yàn)研究還較少，這是由于裂隙巖體作為一種特殊的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前還沒有比較完備的方法制作裂隙巖體試樣，普遍存在著對裂隙位置定位不精確、裂隙大小的精度控制不足、不能充分考慮裂隙的空間形狀，制備的裂隙巖體試樣不易脫模、脫模時容易破壞裂隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、改變裂隙的形狀和大小、在裂隙周邊產(chǎn)生新生裂隙等問題。因此巖石力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域迫切需要一種比較完備的制備裂隙巖體試樣的方法。如下為目前制作裂隙巖體試樣通常采用的幾種方法。
[0003]申請?zhí)枮?01410052815.4的中國發(fā)明專利申請《一種隨機(jī)裂隙巖石試樣的制作方法》公開了一種將錫條與水泥砂漿混合攪拌，經(jīng)過低溫處理，錫條變?yōu)榉勰钚纬闪严兜闹苽漕惲严稁r石試樣的方法。該方法采用錫條模擬巖石的裂隙，不能體現(xiàn)實(shí)際巖石復(fù)雜的裂隙空間形態(tài)和表面粗糙度，且錫條與水泥砂漿的攪拌過程中，錫條容易斷裂、進(jìn)而影響類巖石試樣中裂隙的大小和分布。
[0004]申請?zhí)枮?01410139078.1的中國發(fā)明專利申請《用于斷續(xù)雙裂隙巖石三軸壓縮試驗(yàn)的類巖石試件模具》公開了一種包括底部、設(shè)在底部上的中間框模、壓蓋、固定耳、矩形槽的制作斷續(xù)雙裂隙巖石的類巖石試件模具，但該模具不能制備有復(fù)雜裂隙結(jié)構(gòu)的類巖石材料，且不易脫模。
[0005]申請?zhí)枮?01110251080.4的中國發(fā)明專利申請《一種室內(nèi)單裂隙巖石試樣制備裝置》公開了一種充填一定厚度粘結(jié)材料的單裂隙巖石試樣制備裝置，該裝置由底部、上座、上下部巖芯固定套環(huán)、螺紋主軸、調(diào)節(jié)螺帽、固緊螺帽組成，其只能制備含單裂隙的類巖石試樣，不能制備有多裂隙的類巖石試樣。
[0006]專利號為ZL201010190001.9為的中國發(fā)明專利《裂縫各向異性滲流介質(zhì)制作方法》公開了一種將天然巖石作為原材料加工成小巖塊，再將小巖塊以預(yù)定方式在接觸面局部粘結(jié)形成大尺度巖體，使小巖塊之間的縫隙在大巖體內(nèi)構(gòu)成三維的裂縫系統(tǒng)，并定量控制大巖體內(nèi)裂縫的分布，從而形成各向異性類巖石材料的方法，通過粘結(jié)劑將小巖塊人工以點(diǎn)或面粘結(jié)成含有裂隙的類巖石材料，與實(shí)際巖石的裂隙結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，不能充分模擬實(shí)際裂隙巖體。
[0007]申請?zhí)枮?01310641618.1的中國發(fā)明專利申請《斷續(xù)裂隙巖體模擬試件的制作模具及方法》公開了一種包括底板，固定長側(cè)板、活動長側(cè)板、活動短側(cè)板、刻槽底部墊板、刻槽頂部蓋板的模具，并公開了通過插入金屬片形成裂隙的制作含有斷續(xù)裂隙的類巖石材料的方法，該方法通過插入金屬片形成裂隙，不能充分模擬實(shí)際巖石中的裂隙結(jié)構(gòu)，且脫模時需拔出金屬片，會破壞所制備類巖石材料的裂隙結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種基于3D打印技術(shù)的貫通裂隙巖體試樣的制備方法，該方法制備的巖體試樣能夠充分模擬實(shí)際裂隙巖體并能夠完整脫模。
[0009]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種基于3D打印技術(shù)的貫通裂隙巖體試樣的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)模擬實(shí)際裂隙巖體的幾何形態(tài)以及該巖體中裂隙的形態(tài)和分布，確定用于制作試樣的模具的三維數(shù)字模型；
[0011](2)將該三維數(shù)字模型通過3D打印得到模具，其中，用于形成試樣裂隙的部分采用水溶性材料打印，并在所得模具的該部分表面涂抹熱熔膠，用于形成試樣輪廓的部分采用不溶于水的材料打??；
[0012](3)模擬實(shí)際裂隙巖體的力學(xué)性能配制水泥砂漿制備試樣，將配制好的水泥砂漿倒入模具，水泥砂漿在模具內(nèi)固化成型、形成初具形狀的試樣；
[0013](4)將裝載有初具形狀試樣的模具進(jìn)行烘烤，使熱熔膠完全融化并從裂隙處流出；
[0014](5)將烘烤后裝載有試樣的模具放入水中浸泡，使模具的水溶性材料部分完全溶解，形成最終形態(tài)的試樣，將裝載有該試樣的模具取出并烘干；
[0015](6)脫模、養(yǎng)護(hù)，得到試樣。
[0016]本發(fā)明將3D打印技術(shù)用于制備具有貫通裂隙的巖體試樣，可以精確定位裂隙的位置，控制裂隙的大小，數(shù)量，充分考慮了裂隙的空間形狀，制作裂隙巖體試樣的模具其內(nèi)部輪廓與所制備試樣的外部幾何尺寸一致，模具的水溶性結(jié)構(gòu)部分與試樣裂隙的結(jié)構(gòu)一致，可以將試樣裂隙完全充填;模具打印完成后在模具內(nèi)部水溶性材料部分涂抹熱熔膠，保證水泥砂漿在模具中養(yǎng)護(hù)的過程中模具內(nèi)部水溶性材料部分不被溶解。
[0017]具體的，步驟(2)中，采用鈷鉻合金打印模具中用于形成試樣輪廓的部分，并在所得模具的該部分表面涂抹熱熔膠。熱熔膠與鈷鉻合金的粘結(jié)力較弱，對水泥砂漿的粘結(jié)力較強(qiáng)，將熱熔膠均勻涂抹在鈷鉻合金模具的表面，在水泥砂漿固化形成試樣前，阻斷水泥砂漿與模具的粘結(jié)，避免后續(xù)脫模時破壞試樣的結(jié)構(gòu)。較優(yōu)的，在所得模具用于形成試樣輪廓的部分表面涂抹的熱熔膠的厚度為0.5?0.6mm。此時，可以完整的在模具表面模擬實(shí)際裂隙巖體表面的粗糙度。
[0018]進(jìn)一步的，上述步驟(2)中，在模具底部預(yù)留小孔，并將該小孔密封;步驟(6)中，先將試樣裂隙上端密封，然后將小孔解除密封，自該小孔向模具內(nèi)鼓入空氣，將試樣頂出模具，完成脫模。脫模方便快捷，且不會破壞裂隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0019]優(yōu)選的，上述水溶性材料為PVA材料。
[0020]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021](I)本發(fā)明采用3D打印技術(shù)制作制備裂隙巖體試樣的模具，通過三維數(shù)字空間模型完整表現(xiàn)所制備裂隙巖體試樣中裂隙的位置、大小、數(shù)量和空間形態(tài)，可以精確定位裂隙的位置，控制裂隙的大小，表面粗糙度，充分考慮裂隙的空間形狀;同時，采用水溶性材料打印模具中用于形成試樣裂隙的部分，模具的水溶性結(jié)構(gòu)部分與試樣裂隙的結(jié)構(gòu)一致，可以將試樣裂隙完全充填;而且，形成試樣裂隙部分的模具與形成試樣外部輪廓的部分是一個整體，脫模時不用拔出形成試樣裂隙的預(yù)制結(jié)構(gòu)，避免了脫模時因拔出預(yù)制結(jié)構(gòu)造成的裂隙形狀和大小的破壞以及在裂隙周邊產(chǎn)生新生裂隙；另外，在模具打印完成后在該部分涂抹熱熔膠，熱熔膠可以緊密粘在水溶性材料表面，不會在與水泥砂漿的接觸過程中脫落，防止構(gòu)件在與水泥砂漿接觸過程中遇水溶解；
[0022](2)本發(fā)明通過采用鈷鉻合金打印模具中用于形成試樣輪廓的部分，并在所得模具的該部分表面涂抹熱熔膠，避免水泥砂漿與模具的粘結(jié)，使得成型試樣不能有效脫模，使3D打印技術(shù)在在巖石工程領(lǐng)域類巖石材料制備方面能夠得到廣泛運(yùn)用；
[0023](3)本發(fā)明通過在模具底部預(yù)留小孔，在脫模時，可通過該小孔向模具內(nèi)鼓入空氣，將試樣頂出模具，快速脫模，脫模方便快捷，不會破壞裂隙的形狀和大小以及在裂隙周邊產(chǎn)生新生裂隙；
[0024](4)本發(fā)明的方法操作簡單，高效，快捷，應(yīng)用范圍廣，可以根據(jù)實(shí)際需要制備各種裂隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)不平整、裂隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的貫通裂隙巖體，為制作貫通裂隙巖體開辟了新思路。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的基于3D打印技術(shù)的貫通裂隙巖體試樣的制備方法的流程圖。
[0026]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中用于制作試樣的模具的三維數(shù)字模型。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
[0028]如圖1，本發(fā)明的一種基于3D打印技術(shù)的貫通裂隙巖體試樣的制備方法，包括以下步驟:
[0029](I)模擬實(shí)際裂隙巖體的幾何形態(tài)以及該巖體中裂隙的形態(tài)和分布，包括實(shí)際裂隙巖體的幾何尺寸、裂隙的大小、空間形態(tài)、數(shù)量及分布情況等，確定用于制作試樣的模具的三維數(shù)字模型；
[0030](2)將該三維數(shù)字模型通過3D打印得到模具，采用水溶性材料打印用于形成試樣裂隙的部分，采用不溶于水的材料打印用于形成試樣輪廓的部分;模具打印完成后，在模具用于形成試樣裂隙部分的表面涂抹熱熔膠；
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