一种岩体模型3D打印相似材料配合比设计方法
本发明属于岩土/地下工程物理模拟相似材料，尤其涉及一种岩体模型3d打印相似材料配合比设计方法，用于物理模型试验中。
背景技术：
1、国家重大基础设施工程建设对于社会经济的可持续发展、生态环境的保护和修复以及人民生活水平的改善具有重要的意义。这些工程的建设与非连续不良地质体存在密切联系。地质模型试验是研究不良地质体变形、失稳、坍塌等地质灾害的主要技术手段，3d打印技术是制备复杂地质结构的新型技术手段。增材-减材3d打印技术打印复杂裂隙岩体模型取得一定突破，增材打印实现岩体快速建模，减材切割实现复杂裂隙制备，所构建模型更贴近原型中的岩石和裂隙，该方法实现了高精度、数字化、机械化、自动化的模型制备，相对于传统岩体模型构筑技术具有显著的技术优势。在3d打印前，需要优先确定打印材料配比，打印材料不光满足模型材料物理性质与力学性能的要求，还需具备优异的可打印性。目前，裂隙岩体模型3d打印材料的确定基本基于建筑结构3d打印材料的研发思路，对于特性力学性能参数的打印材料配置，还存在一定的盲目性和随机性，没有相关的相似材料配置理论及方法，严重限制了复杂裂隙岩体模型3d打印技术的推广和应用。
2、相似材料是物理模型试验成功的前提和保证，现有相似材料不具有可打印性，有必要进行更深入的研究，以获得岩体模型3d打印材料配制理论及方法。本发明提出的方法可以为大型裂隙岩体物理模型3d打印制备及相关研究提供理论和材料基础。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种岩体模型3d打印相似材料配合比设计方法。首先通过岩体基本物理性质与力学、渗流及热学参数(密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角、渗透系数、渗流流量、渗流流速、渗透压力、导热系数、热膨胀率)以及地应力赋存环境，获取力学参数；其次根据相似理论，确定相似常数，得到模型材料物理特性与力学参数；同时根据材料可打印性等参数，确定骨料，胶结剂，外加剂等；然后通过正交设计法设计配比方案，浇筑试样，测试试样物理力学参数，初选可用打印配比，优化打印参数并检验；最终确定材料配比及打印参数。本发明方法为大型三维裂隙岩体物理模型制备及力学研究提供理论和物质基础。
2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
3、一种岩体模型3d打印相似材料配合比设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
4、步骤1：参数获取：获取岩体原型中岩石的基本物理特性、力学、渗流及热学参数，
5、步骤2：相似理论：基于物理、静力、渗流、热学的相似准则，首先根据研究的岩体原型确定密度相似常数cρ及长度相似常数cl，然后基于相似准则，获得同时满足热学、力学和渗流三方面要求的其他物理量的相似常数，进而获得模型材料参数；
6、相似准则为：
7、
8、cf＝cε＝1
9、
10、cp＝cρcl
11、cα＝1
12、cξ＝1
13、其中，cl、cρ、cσ、ce、cc、cf、cε、ck、cq、cv、cp、cα、cξ分别表示长度、密度、应力、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角、应变、渗透系数、渗透流量、渗透流速、渗透压力、热膨胀率、导热系数的相似常数；cl、cρ为物理相似常数，cσ、ce、cc、cf、cε为力学相似常数，ck、cq、cv、cp为渗流相似常数，cα、cξ为热学相似常数；
14、步骤3：原料选择：根据岩体原型中岩石物理系数以及相似常数，确定原料中各物质的种类和初始掺量范围；所述原料包括石英砂、重晶石粉、粉煤灰、硅灰、硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和减水剂；
15、步骤4：以混合砂浆可打印性为指标采用动态水灰比方式实施配比试验，获得满足可打印性指标的试验配方：
16、根据正交试验法确定试验因素，包括a(粉煤灰质量/石英砂质量)、b(硅灰质量/石英砂质量)、c(胶凝剂质量/骨料总质量)、d(高贝利特水泥质量/胶凝剂质量)四个因素，每因素设置4个水平；优先确定重晶石粉/石英砂质量，设置重晶石粉与石英砂质量比固定；采用动态水灰比方式实施，固定水中减水剂掺量配置混合水，砂浆搅拌过程中逐步加入混合水，并梯次测试流动度、坍落度和凝结时间，满足可打印性指标所对应水量即为配比水量；
17、步骤5：采用浇筑法对步骤4确定的试验配方进行制模和性能测试：
18、制样：根据水工混凝土试验规程(sl/t 352-2020)中水工砂浆室内拌和方法制备砂浆；
19、筑模：采用φ50mm×100mm圆柱试模和100mm×100mm×100mm立方体试模制备试样；
20、养护：在温度20℃和90％湿度的标准养护环境养护48h后，脱模，随后把脱模后的试验继续养护至28天；
21、测试：对试样进行物理力学测试，以及根据研究对象和目的的需求测试关键材料参数，将测试获得的力学测试结果及关键材料参数与步骤2中所确定的模型材料参数进行对比分析，筛选能用于模型打印的可用配比；
22、步骤6：基于步骤5获得的可用配比，利用挤出式3d打印方式在固定重叠率和浆条宽度下改变浆条厚度制备打印试样；
23、对打印试样，分别按力学性能测试的标准试样尺寸要求沿与打印方向夹角0°、15°、30°和45°切割，获得不同切割角度下的多个测试试样(相同条件下的试样不少于三个)，测试试样尺寸100mm×100mm×100mm，对夹角为0°切割的测试试样进行x、y、z方向的单轴抗压强度测试，获得正交角度下的各项异性参数，角为15°、30°和45°切割的测试试样进行x-y方向力学单轴抗压强度测试，获得非正交角度下的各项异性参数；
24、当正交角度下的各项异性参数中x和y方向单轴抗压强度与z方向差异在1.7％～5.0％之间，且非正交角度下的各项异性参数中不同切割角度下x-y方向试样的抗压强度差异在5.0％以内时，认为满足要求，选定满足要求的浆条厚度的最大值为最终的打印参数，至此获得3d打印相似材料的配方参数和打印参数。
25、进一步地，所述混合砂浆可打印性，包括：流动度175～210mm，坍落度35～85mm，初凝时间90～120min。
26、进一步地，所述骨料为硅灰、粉煤灰、石英砂、重晶石粉中的至少两种，胶凝剂为高贝利特水泥、p·c42.5水泥中的至少一种，优先确定重晶石粉/石英砂质量，确保材料密度优先满足要求，取重晶石粉质量/石英砂质量为50％；粉煤灰质量/石英砂质量为40％，硅灰质量/石英砂质量为40％，胶凝剂质量/骨料总质量为1.2％，高贝利特水泥质量/胶凝剂质量为30％，减水剂质量/水质量为1.5％。
27、进一步地，所述粉煤灰为ⅰ级粉煤灰，需水量最大为95％；所述硅灰细度为1250目，sio2含量达95％以上；所述石英砂细度为40～80目；所述减水剂为聚羧酸减水剂粉剂，最低减水率为30％。
28、进一步地，利用所述设计方法获得的3d打印相似材料，其抗压强度为1.39mpa～7.36mpa；抗拉强度为0.07mpa～0.46mpa；内聚力为0.54mpa～1.77mpa；渗透率为1.43×10-12m2～1.88×10-10m2；收缩率约为0.1％～0.2％；拉压比在0.04～0.06之间，满足几何相似比尺10-100间各类裂隙岩体模型的制备。
29、进一步地，优化打印参数，包括浆条宽度、厚度、重叠率等。根据打印效率和质量要求，预设浆条宽度为25mm，浆条厚度为5mm、10mm、15mm、20mm，层间夹角90°。
30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31、本发明方法可以为大型裂隙岩体物理模型3d打印制备及相关研究提供理论和物质基础。在以往的相似材料中，配置材料没有针对性的打印检验；缺乏打印参数优化环节和完整的技术路线。本发明研制的相似材料可以解决上述问题，更好的应用于裂隙岩体模型制备以及其他相关试验。
32、本发明方法以可打印性为指标参数，使得粗细颗粒相互填充，降低孔隙率，提高材料密实程度，实现了打印结构体致密/密实，在满足可打印性及相似性要求后优化打印参数(浆条宽度、厚度、重叠率等)，提高得打印浆条间贴合度，减少打印层间和条间缝隙，能够获得满足物理、力学和渗透、热学等综合性能的3d打印相似材料。
33、本发明方法针对挤出型3d打印设计，根据研究对象和目的的需求，确定需要研究参数和相似比尺，采用层间90°正交打印路径，消除x与y方向间的异性，提供了打印参数优化环节和完整的技术路线，性能可靠。
技术特征：
1.一种岩体模型3d打印相似材料配合比设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合砂浆可打印性，包括：流动度175～210mm，坍落度35～85mm，初凝时间90～120min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述骨料为硅灰、粉煤灰、石英砂、重晶石粉中的至少两种，胶凝剂为高贝利特水泥、p·c42.5水泥中的至少一种，优先确定重晶石粉/石英砂质量，确保材料密度优先满足要求，取重晶石粉质量/石英砂质量为50％；粉煤灰质量/石英砂质量为40％，硅灰质量/石英砂质量为40％，胶凝剂质量/骨料总质量为1.2％，高贝利特水泥质量/胶凝剂质量为30％，减水剂质量/水质量为1.5％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述粉煤灰为ⅰ级粉煤灰，需水量最大为95％；所述硅灰细度为1250目，sio2含量达95％以上；所述石英砂细度为40～80目；所述减水剂为聚羧酸减水剂粉剂，最低减水率为30％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述设计方法获得的3d打印相似材料，其抗压强度为1.39mpa～7.36mpa；抗拉强度为0.07mpa～0.46mpa；内聚力为0.54mpa～1.77mpa；渗透率为1.43×10-12m2～1.88×10-10m2；收缩率约为0.1％～0.2％；拉压比在0.04～0.06之间，满足几何相似比尺10-100间各类裂隙岩体模型的制备。
技术总结
本发明一种岩体模型3D打印相似材料配合比设计方法，属于岩土/地下工程物理模拟相似材料技术领域。首先明确岩体原型中岩石基本物理性质、力学、渗流、热学以及地应力赋存环境；然后根据裂隙岩体原型和相似比尺，确定模型材料所需的参数需求，筛选材料种类和确定掺量范围；再通过正交设计法设计配比方案，浇筑试样，测试试样物理力学参数，初选可用打印配比；优化打印参数并检验，最终确定材料配比及打印参数。本发明提出的配合比设计方法为大型三维裂隙岩体物理模型制备及地质力学研究提供理论和材料基础。
技术研发人员：马国伟,邵亚建,王酉钰,王惠栋,王里
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23