一种增强3D打印类岩石材料强度与改善其力学性能的方法与流程

本发明属于3d打印和岩石力学领域，具体涉及到一种增强3d打印类岩石材料强度与改善其力学性能的方法，主要适用于基于粉末分层胶结打印技术的类岩石材料，可提高打印岩样的强度和耐用性，显著改善其力学性能。

背景技术：

在实际工程中，研究复杂工况下的岩石力学特性面临着较大的不确定性和困难。工程岩体结构面分布错综复杂、尺寸各异，岩体内部难以观测，随机性强；而人工制备岩石试样精度低，边界效应大耗时长，因此基于工程岩石试样的物理模拟试验逐渐成为岩石力学领域的热门研究方向。

随着3d打印技术的快速发展，其应用领域已经拓展至岩石类材料领域，采用该技术可自然高效地获得类岩石材料物理模型，为复杂岩石结构下的力学特性研究提供了有效手段。与此同时，3d打印技术也面临着诸多问题，通过3d打印制成的岩石试样，尤其是基于粉末分层胶结打印技术的类岩石材料，其低强度和高延性是模拟天然岩石力学性能的巨大缺点。因此，采用一定的手段和处理措施提高3d打印类岩石试样的脆性和强度成为亟待解决的问题。

目前，将3d打印技术应用到岩石力学性能领域仍属于较新的研究方向，有效提高3d打印岩样强度和力学性能的方法较少。经查阅相关文献，提高3d打印岩样强度和力学性能的主要方法有三种：①选择合适的3d打印原材料；②调整3d打印机的打印选项，例如打印方向、胶水浓度、打印速度和打印层厚度等打印机参数，选择最优的打印参数，打印出符合要求的岩石试样；③对打印完成的岩石试样采用有效合理的后处理措施，强化岩石试样的各项力学性能。但是上述方法存在着如下问题：

1.相关文献表明通过改变3d打印原材料打印制成的岩石试样可以达到模拟真实岩石力学性能的要求，但在要求特定材料的情况下如提高石膏材质3d打印试样强度上，此方法无法达到预想的效果；

2.通过改变打印机的打印选项，可以改变打印岩样的力学性能，但对提高强度效果不明显，且通过改变打印方向打印的岩样具有各向异性，对试验破坏裂纹方向有较大影响，影响试验效果；

3.目前3d打印和岩石力学性能交叉领域研究者们多是直接利用打印完成后的岩石试样进行试验，并未对打印岩样进行相应的后处理；根据打印机厂家使用建议，打印完成后需要对打印物件使用渗透液进行渗透后处理，处理方法为简单将试样完全浸没于渗透液内，常规处理下的岩石试样，渗透液只是进入了岩石试样的表面，试验过程中打印岩样内部仍然有较多因破坏而形成的裂纹，不能达到有效增强岩石材料强度的目的。

基于上述问题，本发明提出一种增强3d打印类岩石材料强度的方法，利用真空饱和装置和固化渗透剂，通过大气压强增加固化渗透剂与岩石试样材料的渗透速率和渗透量，加强渗透效果，极大提高岩石试样的力学强度，改善其力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有3d打印岩样低强度高延性的不足，提供一种能够利用真空饱和装置和固化渗透剂，实现大幅度提高3d打印岩样强度，改善力学性能的试验方法。本发明方法操作过程高效，试验效果良好，能完全满足科研与实际工程的需要。

本发明提供一种增强3d打印类岩石材料强度与改善其力学性能的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，将打印好之后的岩石试样放入干燥箱进行干燥，干燥时间大于24h，将干燥后的岩石试样放置于真空饱和容器中，并进行密封，所述真空饱和容器上设有止逆阀；

步骤(2)，利用抽真空装置对真空饱和容器进行抽气，使真空饱和容器内接近当地一个大气压力值，之后继续抽气，抽气时间大于等于48h至完全排出容器内空气；

步骤(3)，开启止逆阀，使固化渗透剂经进水管注入真空饱和缸内，在注液过程中，继续使用抽真空装置对真空饱和容器抽气，使得真空饱和容器内的大气压力值基本保持不变；

步骤(4)，待固化渗透剂浸没岩石试样后，即固化渗透剂液面高于岩石试样最高点2mm处，停止抽气，开启止逆阀将空气压入真空饱和缸内，静置至少5min，使岩石试样充分饱和；

步骤(5)，饱和完成之后将岩石试样取出，清除表面多余固化渗透剂，放入干燥箱进行干燥，干燥温度40～60℃，干燥时间大于等于10天。

进一步的，所述抽真空装置由真空泵和抽气管组成，用于为待处理岩石试样提供真空环境。

进一步的，所述真空饱和容器由真空饱和缸、真空缸密封盖、真空压力表组成，其中真空饱和缸和真空缸密封盖用于维持真空环境，同时提供渗透剂渗透岩石试样的场所，真空压力表用于显示真空饱和缸内实时气压。

为了进一步节省时间及提高效率，优选的，步骤(2)中的抽气时间为48h，步骤(4)中静置5min，步骤(5)中干燥温度取40℃，干燥时间为10天。

因此，本方法具有如下优点：1.所需试验设备简单，试验过程高效，可重复性高，且经济实惠；2.通过本试验方法，极大加快了固化渗透剂与岩石试样材料渗透反应速度，提高3d打印石膏材料岩石试样固化渗透剂的渗透量；3.渗透处理后的岩石试样显著提高了强度和力学性能，为其在软岩力学性能研究道路上提供了可能。

附图说明

图1为真空饱和装置示意图；

图2为整个试验装置示意图；

图3为真空渗透过程示意图；

图中各标号表示：1、真空泵，2、抽气管，3、进水管，4、真空饱和缸，5、真空缸密封盖，6、止逆阀，7、真空压力表，8、固化渗透剂，9、岩石试样，10、真空环境。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

为验证本发明一种增强3d打印类岩石材料强度与改善其力学性能的方法对打印岩样力学性能的影响，通过设计三种不同渗透方式的后处理方法，改变固化渗透剂在岩石试样中的渗透量，来定量分析渗透量对3d打印岩样强度的影响。其中未处理组：对照组，不使用固化渗透剂；常规处理组：使用固化渗透剂浸没岩石试样；真空饱和处理组：用本发明方法对打印岩样进行处理。

真空饱和处理组具体实施方式如下：

(1)岩石试样打印好之后放入干燥箱进行干燥(干燥时间大于24h)，将干燥后的岩石试样9放置于真空饱和缸4中，盖紧真空缸密封盖5，必要时可搭配橡胶圈使用，保证空间密闭良好；

(2)连接真空泵1和抽气管2，启动真空泵1进行抽气，当真空压力表7读数接近当地一个大气压力值并稳定后继续抽气，抽气时间为48h；

(3)开启止逆阀6，使固化渗透剂8经进水管3注入真空饱和缸4内，在注液过程中，真空泵1继续抽气，使得真空压力表7读数基本保持不变；

(4)待固化渗透剂8浸没岩石试样9后，即固化渗透剂8液面高于岩石试样9最高点2mm处，停止抽气，开启止逆阀6将空气压入真空饱和缸4内，静置5min，使岩石试样9充分饱和；

(5)饱和完成之后将岩石试样9取出，清除表面多余固化渗透剂8，放入干燥箱进行干燥，干燥温度40℃，干燥时间为10天。

对不同处理方式后的试样进行单轴压缩试验。

试验结果显示，未处理组的岩石试样在达到应力峰值后，残余应力在应力峰后持续了相当长的一段时间，呈现明显塑性力学特征。而真空饱和组岩石试样弹性阶段与屈服阶段较明显，轴向总应变大于1％，属于脆延性破坏。随着固化渗透剂渗透量的增加，打印岩石试样的破坏特征由延性破坏向脆性破坏趋势明显，说明此发明方法通过改变固化渗透剂后处理方式对其破坏特征有明显的作用。

试验结果显示，未处理组与常规处理组强度均在12mpa以下，强度较低；真空饱和组抗压强度高达56mpa，较未处理组增加517.63％，真空饱和组岩石试样的弹性模量达到6.756gpa，泊松比达到0.212，其力学性能可以满足模拟软岩力学性质的要求。

另外，从单轴压缩试验后岩石试样可以看出，真空饱和组岩石试样固化渗透剂在压力作用下得以进入岩石试样的深部，加快渗透剂与岩石试样的反应速度，加强渗透效果，对岩石试样力学性能的强化效果显著提高。

本发明方法克服原打印岩样强度不够的缺点，提高固化渗透剂对打印岩样的渗透量，由原渗透量20.84g提高至80.11g，其抗压强度相较于常规处理方式岩样强度提高5倍，弹性模量也提高2.8倍，采用本发明方法处理后的岩石试样力学性能得到极大的提高。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等效替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。