一种基于3d打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种裂隙岩体试样的制备方法，特别涉及一种基于3D打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法，属于岩石力学领域。
【背景技术】
[0002]随着我国水利工程、采矿工程、地下石油和天然气储备工程的发展，裂隙岩体成为工程中经常遇到的一种复杂介质，裂隙对裂隙岩体的力学性质有着控制作用，因此裂隙岩体的力学性质与完整岩体有着显著的区别，国内外学者对于完整岩体力学性质所作的试验研究已经较为深入，但对于裂隙岩体力学性质所做的试验研究还较少，这是由于裂隙岩体作为一种特殊的结构，其内部裂隙结构较为复杂，目前还没有比较完备的方法制作裂隙岩体试样，普遍存在着对裂隙位置定位不精确、裂隙大小的精度控制不足、不能充分考虑裂隙的空间形状，制备的裂隙岩体试样不易脱模、脱模时容易破坏裂隙内部结构、改变裂隙的形状和大小、在裂隙周边产生新生裂隙等问题。因此岩石力学试验领域迫切需要一种比较完备的制备裂隙岩体试样的方法。如下为目前制作裂隙岩体试样通常采用的几种方法。
[0003]申请号为201410052815.4的中国发明专利申请《一种随机裂隙岩石试样的制作方法》公开了一种将锡条与水泥砂浆混合搅拌，经过低温处理，锡条变为粉末状形成裂隙的制备类裂隙岩石试样的方法。该方法采用锡条模拟岩石的裂隙，不能体现实际岩石复杂的裂隙空间形态和表面粗糙度，且锡条与水泥砂浆的搅拌过程中，锡条容易断裂、进而影响类岩石试样中裂隙的大小和分布。
[0004]申请号为201410139078.1的中国发明专利申请《用于断续双裂隙岩石三轴压缩试验的类岩石试件模具》公开了一种包括底部、设在底部上的中间框模、压盖、固定耳、矩形槽的制作断续双裂隙岩石的类岩石试件模具，但该模具不能制备有复杂裂隙结构的类岩石材料，且不易脱模。
[0005]申请号为201110251080.4的中国发明专利申请《一种室内单裂隙岩石试样制备装置》公开了一种充填一定厚度粘结材料的单裂隙岩石试样制备装置，该装置由底部、上座、上下部岩芯固定套环、螺纹主轴、调节螺帽、固紧螺帽组成，其只能制备含单裂隙的类岩石试样，不能制备有多裂隙的类岩石试样。
[0006]专利号为ZL201010190001.9为的中国发明专利《裂缝各向异性渗流介质制作方法》公开了一种将天然岩石作为原材料加工成小岩块，再将小岩块以预定方式在接触面局部粘结形成大尺度岩体，使小岩块之间的缝隙在大岩体内构成三维的裂缝系统，并定量控制大岩体内裂缝的分布，从而形成各向异性类岩石材料的方法，通过粘结剂将小岩块人工以点或面粘结成含有裂隙的类岩石材料，与实际岩石的裂隙结构相差甚远，不能充分模拟实际裂隙岩体。
[0007]申请号为201310641618.1的中国发明专利申请《断续裂隙岩体模拟试件的制作模具及方法》公开了一种包括底板，固定长侧板、活动长侧板、活动短侧板、刻槽底部垫板、刻槽顶部盖板的模具，并公开了通过插入金属片形成裂隙的制作含有断续裂隙的类岩石材料的方法，该方法通过插入金属片形成裂隙，不能充分模拟实际岩石中的裂隙结构，且脱模时需拔出金属片，会破坏所制备类岩石材料的裂隙结构。
【发明内容】
[0008]发明目的:本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法，该方法制备的岩体试样能够充分模拟实际裂隙岩体并能够完整脱模。
[0009]技术方案:本发明所述的一种基于3D打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法，包括以下步骤:
[0010](I)模拟实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，确定用于制作试样的模具的三维数字模型；
[0011](2)将该三维数字模型通过3D打印得到模具，其中，用于形成试样裂隙的部分采用水溶性材料打印，并在所得模具的该部分表面涂抹热熔胶，用于形成试样轮廓的部分采用不溶于水的材料打印；
[0012](3)模拟实际裂隙岩体的力学性能配制水泥砂浆制备试样，将配制好的水泥砂浆倒入模具，水泥砂浆在模具内固化成型、形成初具形状的试样；
[0013](4)将装载有初具形状试样的模具进行烘烤，使热熔胶完全融化并从裂隙处流出；
[0014](5)将烘烤后装载有试样的模具放入水中浸泡，使模具的水溶性材料部分完全溶解，形成最终形态的试样，将装载有该试样的模具取出并烘干；
[0015](6)脱模、养护，得到试样。
[0016]本发明将3D打印技术用于制备具有贯通裂隙的岩体试样，可以精确定位裂隙的位置，控制裂隙的大小，数量，充分考虑了裂隙的空间形状，制作裂隙岩体试样的模具其内部轮廓与所制备试样的外部几何尺寸一致，模具的水溶性结构部分与试样裂隙的结构一致，可以将试样裂隙完全充填;模具打印完成后在模具内部水溶性材料部分涂抹热熔胶，保证水泥砂浆在模具中养护的过程中模具内部水溶性材料部分不被溶解。
[0017]具体的，步骤(2)中，采用钴铬合金打印模具中用于形成试样轮廓的部分，并在所得模具的该部分表面涂抹热熔胶。热熔胶与钴铬合金的粘结力较弱，对水泥砂浆的粘结力较强，将热熔胶均匀涂抹在钴铬合金模具的表面，在水泥砂浆固化形成试样前，阻断水泥砂浆与模具的粘结，避免后续脱模时破坏试样的结构。较优的，在所得模具用于形成试样轮廓的部分表面涂抹的热熔胶的厚度为0.5?0.6mm。此时，可以完整的在模具表面模拟实际裂隙岩体表面的粗糙度。
[0018]进一步的，上述步骤(2)中，在模具底部预留小孔，并将该小孔密封;步骤(6)中，先将试样裂隙上端密封，然后将小孔解除密封，自该小孔向模具内鼓入空气，将试样顶出模具，完成脱模。脱模方便快捷，且不会破坏裂隙内部结构。
[0019]优选的，上述水溶性材料为PVA材料。
[0020]有益效果:与现有技术相比，本发明的显著优点在于:
[0021](I)本发明采用3D打印技术制作制备裂隙岩体试样的模具，通过三维数字空间模型完整表现所制备裂隙岩体试样中裂隙的位置、大小、数量和空间形态，可以精确定位裂隙的位置，控制裂隙的大小，表面粗糙度，充分考虑裂隙的空间形状;同时，采用水溶性材料打印模具中用于形成试样裂隙的部分，模具的水溶性结构部分与试样裂隙的结构一致，可以将试样裂隙完全充填;而且，形成试样裂隙部分的模具与形成试样外部轮廓的部分是一个整体，脱模时不用拔出形成试样裂隙的预制结构，避免了脱模时因拔出预制结构造成的裂隙形状和大小的破坏以及在裂隙周边产生新生裂隙；另外，在模具打印完成后在该部分涂抹热熔胶，热熔胶可以紧密粘在水溶性材料表面，不会在与水泥砂浆的接触过程中脱落，防止构件在与水泥砂浆接触过程中遇水溶解；
[0022](2)本发明通过采用钴铬合金打印模具中用于形成试样轮廓的部分，并在所得模具的该部分表面涂抹热熔胶，避免水泥砂浆与模具的粘结，使得成型试样不能有效脱模，使3D打印技术在在岩石工程领域类岩石材料制备方面能够得到广泛运用；
[0023](3)本发明通过在模具底部预留小孔，在脱模时，可通过该小孔向模具内鼓入空气，将试样顶出模具，快速脱模，脱模方便快捷，不会破坏裂隙的形状和大小以及在裂隙周边产生新生裂隙；
[0024](4)本发明的方法操作简单，高效，快捷，应用范围广，可以根据实际需要制备各种裂隙内部结构不平整、裂隙结构较为复杂的贯通裂隙岩体，为制作贯通裂隙岩体开辟了新思路。
【附图说明】
[0025]图1为本发明的基于3D打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法的流程图。
[0026]图2为本发明的实施例中用于制作试样的模具的三维数字模型。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0028]如图1，本发明的一种基于3D打印技术的贯通裂隙岩体试样的制备方法，包括以下步骤:
[0029](I)模拟实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，包括实际裂隙岩体的几何尺寸、裂隙的大小、空间形态、数量及分布情况等，确定用于制作试样的模具的三维数字模型；
[0030](2)将该三维数字模型通过3D打印得到模具，采用水溶性材料打印用于形成试样裂隙的部分，采用不溶于水的材料打印用于形成试样轮廓的部分;模具打印完成后，在模具用于形成试样裂隙部分的表面涂抹热熔胶；
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