一种用于隧道衬砌模型挤出式3D打印的相似材料

本发明涉及3d打印和岩体工程技术，具体来说是一种用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料。

背景技术：

1、目前我国正在建设和即将新建的隧道众多，在地下工程中，衬砌结构在防治围岩变形或坍塌发挥重要作用，因此需要研究衬砌结构在复杂地质环境中的受力特点及结构的稳定性。在地下工程结构的研究中，常利用相似理论对地下结构原型进行缩尺，构筑围岩及衬砌结构的相似模型，探究模型在不同加载环境下的力学响应特性，为工程设计、施工、维护提供理论依据。随着地下工程科技的进步，针对各类复杂的地质环境，工程技术人员设计如城门拱、三心拱、马蹄拱等众多异型衬砌结构。不规则衬砌结构对相似模型制备提出了新的要求。

2、目前，地质模型实验所用衬砌多采用模板浇筑成型，这种施工工法在工程中具有工艺简单、施工速度快等优点，但在地质模型浇筑过程中，无法发挥模板浇筑成型的优势。首先，该施工工法的核心是预制模板，模板精度及支撑刚性直接关系到模型质量，大尺度、高精度衬砌模型的模板制作加工成本十分高昂。不仅如此，模板的重复利用率极低，实验中需要的不同结构形式的衬砌结构均需要单独制作模板。其次，模板浇筑过程中为保证浆料密实，需要插捣、振捣、搅动等作业方式，在衬砌模板窄深浇筑空间中，浇筑质量难以控制。最后，模型在浇筑、养护完成后的拆除模板过程中，作业流程十分繁琐刚性模板笨重，拆除过程易损坏模型，柔性模板轻便，但刚性低，无法满足衬砌模型的成型精度要求。

3、相比之下，3d打印隧道衬砌模型不存在上述问题，可轻易的制备各种结构形式、尺寸特点的衬砌模型，实现地质模型用不规则衬砌结构的精细化制备。但目前的喷粉3d打印的相似材料打印效率低、打印尺度小，而现有的挤出式3d打印材料仅满足3d打印要求不能满足相似性要求，截至目前，并没有适用于3d打印挤出工艺的隧道衬砌模型相似材料，因此一种能高效大尺度打印3d打印隧道衬砌模型的相似材料亟需被提出，此相似材料满足挤出式3d打印的挤出性、建造性、凝结时间的严格要求，使实验结果更加符合实际。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，该相似材料能打印出各种不规则的衬砌结构模型，用于制作真正意义上的衬砌结构物理模型。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，所述相似材料包括以下重量份配比的组分：

4、石英砂35.03-35.38份；重晶石粉8.76-11.1份；硅灰18.43-32.84份；粉煤灰21.89-36.85份；纤维0.1-0.3份；快硬水泥0.12-0.99份；硅酸盐水泥0.17-1.11份；

5、所述材料中还加入有减水剂水溶液，减水剂水溶液的加入量使得材料的流动度为19cm～22cm。

6、优选地，所述相似材料中相关物质的质量比为：重晶石粉/石英砂＝0.25，(石英砂+重晶石粉)/(硅灰+粉煤灰)＝0.80。

7、优选地，所述重晶石粉的比重为4.51，粒径小于45μm；所述石英砂的比重为2.67，粒径小于0.42mm；所述粉煤灰的比重为2.26；所述纤维为能够被剪切打磨且不产生粉尘的纤维。

8、优选地，所述纤维为聚丙烯纤维，纤维长12mm；所述快硬水泥为高贝利特硫铝酸盐水泥；所述减水剂为聚羧酸减水剂，最低减水率为30％；所述粉煤灰的细度为45μm方孔筛筛余12％。

9、优选地，所述用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料的流动度为19.2cm～21.6cm，初凝时间为2.2h～4.9h，建造性高度不小于40cm。

10、进一步地，所述相似材料具有与衬砌模型相似的力学性能，相似材料的密度为21.4g/cm3～23.2g/cm3、抗压强度为473.4kpa～1804.6kpa、弹性模量为371.8mpa～1332.9mpa、抗拉强度为45.1kpa～128.4kpa、抗压强度与抗拉强度之比在8.55～15.91之间；满足几何相似比尺1/30～1/100范围内，c20、c30、c40等级混凝土衬砌对相似材料的需求。

11、利用所述相似材料打印衬砌模型的过程是：

12、按照重量份配比称取石英砂35.03-35.38份；重晶石粉8.76-11.1份；硅灰18.43-32.84份；粉煤灰21.89-36.85份；纤维0.1-0.3份；快硬水泥0.12-0.99份；硅酸盐水泥0.17-1.11份；

13、将石英砂、硅灰、粉煤灰、重晶石粉、快硬水泥、硅酸盐水泥、纤维混合并搅拌均匀，得到混合料a；

14、将减水剂与水混合并搅拌均匀，减水剂固含量为4％，得到混合溶液b；

15、将混合溶液b逐步倒入混合料a，充分搅拌，在混合溶液b逐步加入后的搅拌过程中及时测量流动度，若流动度达到19-22cm，则停止加入混合溶液，获得拌合物；

16、将得到的拌合物放入挤出式3d打印设备进料模块，随后在试验台上打印出模型；

17、模型经过减材机械臂精密切削打磨加工后，在室温条件下覆膜养护14-28天获得表面平整的成品。

18、所述相似材料打印衬砌模型的高度不小于500mm，衬砌模型呈现弹性-塑性破坏特性，且衬砌轴力和弯矩沿加载轴线左右对称。

19、与现有技术相比，本发明至少具备以下有益效果：

20、本发明相似材料能够在较低的水泥含量(水泥含量不超过2％)下，以两种水泥为胶结材料，配合石英砂和重晶石粉、粉煤灰和纤维，经过大量实验配比，得出能够进行大尺度3d挤出式打印的衬砌相似材料，所述相似材料具有良好的挤出性、可建造性，并具有力学参数可调整的特点，满足相似性要求，适用于不规则结构衬砌的3d打印。

21、本发明相似材料的建造性不低于40cm，优选为40cm-50cm的建造高度，在较低的水泥含量下，在较高的建造高度下，相似材料打印的试件不会发生变形扭曲，因此本申请在满足相似材料相似性要求的强度、弹性模量等，较低的强度比下获得了较高的建造性，实现了大尺度打印的需求。

22、本发明相似材料的配方各组分之间协同作用，相互支撑，满足3d挤出式打印要求，且能保证打印衬砌模型被平整打磨，且施工环保，不会产生大量粉尘，且打印圆型衬砌模型利用径向点荷载测试其力学性能，荷载过程，衬砌呈现弹性-塑性破坏特性，且衬砌轴力和弯矩沿加载轴线左右对称，模型内部均质，无明显缺陷。

23、本发明所用原料种类少、价格低、来源广，填补了挤出式3d打印衬砌相似材料制备技术的空白，打印效率高、打印尺度大，且衬砌模型的韧性高。

技术特征：

1.一种用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，其特征在于，所述相似材料包括以下重量份配比的组分：

2.根据权利要求1所述的用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，其特征在于，所述相似材料中相关物质的质量比为：重晶石粉/石英砂＝0.25，(石英砂+重晶石粉)/(硅灰+粉煤灰)＝0.80。

3.根据权利要求1所述的用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，其特征在于，所述重晶石粉的比重为4.51，粒径小于45μm；所述石英砂的比重为2.67，粒径小于0.42mm；所述粉煤灰的比重为2.26；所述纤维为能够被剪切打磨且不产生粉尘的纤维。

4.根据权利要求1所述的用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，其特征在于，所述纤维为聚丙烯纤维，纤维长12mm；所述快硬水泥为高贝利特硫铝酸盐水泥；所述减水剂为聚羧酸减水剂，最低减水率为30％；所述粉煤灰的细度为45μm方孔筛筛余12％。

5.根据权利要求1所述的用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，其特征在于，所述用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料的流动度为19.2cm～21.6cm，初凝时间为2.2h～4.9h，建造性高度不小于40cm。

6.根据权利要求1所述的用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，其特征在于，所述相似材料具有与衬砌模型相似的力学性能，相似材料的密度为21.4g/cm3～23.2g/cm3、抗压强度为473.4kpa～1804.6kpa、弹性模量为371.8mpa～1332.9mpa、抗拉强度为45.1kpa～128.4kpa、抗压强度与抗拉强度之比在8.55～15.91之间；满足几何相似比尺1/30～1/100范围内，c20、c30、c40等级混凝土衬砌对相似材料的需求。

7.根据权利要求1所述的用于隧道衬砌模型挤出式3d打印的相似材料，其特征在于，利用所述相似材料打印衬砌模型的过程是：

技术总结本发明为一种用于隧道衬砌模型挤出式3D打印的相似材料。所述相似材料包括以下重量份配比的组分：石英砂35.03‑35.38份；重晶石粉8.76‑11.1份；硅灰18.43‑32.84份；粉煤灰21.89‑36.85份；纤维0.1‑0.3份；快硬水泥0.12‑0.99份；硅酸盐水泥0.17‑1.11份；减水剂0.1‑0.8份。本发明在较低水泥含量下，以普通水泥和快硬水泥作为胶结物质，选用标准砂、重晶石粉、硅灰和粉煤灰为骨料，经过大量实验配比，得出能进行挤出式3D打印的衬砌相似材料，具有良好的挤出性、可建造性、力学参数可调整且具有一定的韧性。技术研发人员：张伟,邵亚建,马国伟,乔金丽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：2024/5/29