浆液扩散感知型裂隙岩体模型3D打印材料及制备方法与流程

本发明涉及3d打印和岩体工程，特别是涉及一种浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料及制备方法。

背景技术：

1、随着基础建设的不断发展，对于土木建设的要求也不断在提高。隧道、水利枢纽等工程，在工程实践中岩体内部因地质构造及采动影响，形成不同尺度及维度的原生裂隙，对工程安全造成影响，而注浆技术是解决岩体加固问题的重要手段之一。

2、岩体裂隙几何形态、分布形式的复杂性，浆液扩散过程的隐蔽性，导致浆液在岩体裂隙内部扩散方式、浆液状态不易被实时观测，对研究浆液扩散特性造成极大的阻碍，严重影响了注浆理论的发展。现有二维岩体裂隙可视化注浆试验，一般利用透明玻璃板或亚克力板对岩体模型进行封盖，达到可视化的目的，观察浆液在二维裂隙状态下的扩散情况，例如专利cn110514808a，但实际工程中的岩体裂隙均为三维裂隙及裂隙网络，二维岩体裂隙注浆试验与实际工程注浆有一定差距；此外，现有三维可视化注浆试验，采用玻璃块拼接得到三维岩体裂隙模型，例如专利cn115792182a，难以进行非规则裂隙空间的构建，且模型岩性与真实岩体差距较大。

3、综上所述，有必要研制具有感知型的浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料及制备方法，以电信号的方式实现浆液在复杂裂隙岩体内部的可视化，为浆液在大型三维裂隙岩体内部扩散情况提供技术支持。

技术实现思路

1、为了实现三维复杂裂隙岩体灌浆试验“可视化”，本发明提供一种浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料及制备方法，具有外浆条包裹内浆条的“铅笔芯”结构，具有可打印性，且内浆条具有导电性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料，所述浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料包括内外两种浆条材料，其中外浆条采用高电阻率砂浆用作不良导体，内浆条采用低电阻率浆材用作导体；外浆条包裹在内浆条外，

4、所述外浆条的力学性能和渗透系数与岩石的性能相近，内浆条的力学性能与外浆条力学性能一致；

5、通过挤出式3d打印方式将内外浆条同时挤出，形成“铅笔芯”结构浆条；所述浆液扩散感知型裂隙岩体模型中包括“铅笔芯”结构浆条和非铅笔芯”结构浆条；非铅笔芯”结构浆条仅由外浆条挤出打印获得。

6、进一步地，所述外浆条的原料包括石英砂、硅灰、粉煤灰、水泥、减水剂、水或者重晶石粉，浆材流动度190mm±5mm，外浆条硬化体的渗透系数为5～8×10-7m.s-1，电阻率为100-200ω.m；所述内浆条的原料包括超细导电颗粒、滑石粉、水、减水剂、水泥以及硅灰或淀粉胶，电阻率为1～2ω.m；所述超细导电颗粒为铜粉、石墨粉、铁粉中的至少一种，粒度小于0.5μm。

7、进一步地，内浆条材料具有高流动性，其流动度为220mm～240mm，硬化体渗透系数低，为5～8×10-7m·s-1；内浆条材料流动性能好，不泌水，泌水率为6％～6.22％，性能稳定。

8、进一步地，内浆条和外浆条包括硬化体密度、抗压强度、抗拉强度、内聚力与内摩擦角在内的物理参数一致。

9、进一步地，外浆条材料的原料按质量份计，组成为：

10、石英砂：45-60份；

11、硅灰：20-30份；

12、粉煤灰：25-35份；

13、重晶石粉：20-35份；

14、水泥：1-3份；

15、减水剂：0.2-0.4份；

16、水：14-16份；

17、内浆条材料的原料按质量份计，组成为：

18、超细铁粉：75-90份；

19、硅灰：8-12份；

20、滑石粉：18-25份；

21、水泥：30-35份；

22、减水剂：0.5-0.7份；

23、水：30份。

24、第二方面，本发明提供一种浆液扩散感知型裂隙岩体模型的制备方法，包括以下步骤：

25、步骤一：根据裂隙岩体原型中岩石的密度、抗压强度、弹性模量、渗透系数，以及相似比尺，筛选外浆条的原料并确定掺量范围；根据外浆条的力学性能确定内浆条的力学性能，结合内浆条导电要求及与岩石的相似性要求确定内浆条的原料及掺量范围；

26、将确定好配比的内外浆条两种材料的原材料分别倒入两个搅拌机内混合，搅拌均匀后形成具有低电阻率的内浆条材料和高电阻率的外浆条材料；

27、步骤二：使用增材装置，将两种材料挤出，形成内浆条被外浆条包裹的“铅笔芯”结构；定制化打印路径使内浆条在模型内呈阵列分布，采用分层分段打印切割方式，每段打印4层，待其初凝后，使用减材装置，进行裂隙切割；

28、步骤三：重复步骤二，直至浆液扩散感知型裂隙岩体模型达到预定尺寸。

29、进一步地，所述内浆条在浆液扩散感知型裂隙岩体模型内呈阵列分布，能定制化路径。

30、进一步地，所述减材装置安装在机械臂上，使用长80mm、直径为2～5mm的钨钢铰刀，实现开度2～5mm裂隙的减材制备。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本发明提供的具有导电性、可打印性的裂隙岩体模型相似材料，可以制备非规则裂隙大型三维岩体模型，并且以电信号的方式实现浆液在复杂裂隙岩体内部的可视化，为大型三维裂隙岩体内部扩散情况提供技术支持。

技术特征：

1.一种浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料，其特征在于：所述浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料包括内外两种浆条材料，其中外浆条采用高电阻率砂浆用作不良导体，内浆条采用低电阻率浆材用作导体；外浆条包裹在内浆条外，

2.根据权利要求1所述的浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料，其特征在于：所述外浆条的原料包括石英砂、硅灰、粉煤灰、水泥、减水剂、水或者重晶石粉，浆材流动度190mm±5mm，外浆条硬化体的渗透系数为5～8×10-7m.s-1，电阻率为100-200ω.m；所述内浆条的原料包括超细导电颗粒、滑石粉、水、减水剂、水泥以及硅灰或淀粉胶，电阻率为1～2ω.m；所述超细导电颗粒为铜粉、石墨粉、铁粉中的至少一种，粒度小于0.5μm。

3.根据权利要求1所述的浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料，其特征在于：内浆条材料具有高流动性，其流动度为220mm～240mm，硬化体渗透系数低，为5～8×10-7m·s-1；内浆条材料流动性能好，不泌水，泌水率为6％～6.22％，性能稳定。

4.根据权利要求1所述的浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料，其特征在于：内浆条和外浆条包括硬化体密度、抗压强度、抗拉强度、内聚力与内摩擦角在内的物理参数一致。

5.根据权利要求1所述的浆液扩散感知型裂隙岩体模型3d打印材料，其特征在于：外浆条材料的原料按质量份计，组成为：

6.一种浆液扩散感知型裂隙岩体模型的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述内浆条在浆液扩散感知型裂隙岩体模型内呈阵列分布，能定制化路径。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述减材装置安装在机械臂上，使用长80mm、直径为2～5mm的钨钢铰刀，实现开度2～5mm裂隙的减材制备。

技术总结本发明为浆液扩散感知型裂隙岩体模型3D打印材料及制备方法，所述浆液扩散感知型裂隙岩体模型3D打印材料包括内外两种浆条材料。外浆条采用高电阻率砂浆用作不良导体，内浆条采用低电阻率砂浆材用作导体。外浆条包裹内浆条形成“铅笔芯”结构。外浆条材料浆材流动度190mm±5mm，硬化体渗透系数低，仅为5～8×10<supgt;‑7</supgt;m·s<supgt;‑1</supgt;，确保注浆试验过程，流体仅在裂隙空间内流动，不会渗入岩体内部；所述内浆条材料材料流动性能好，泌水率为6％～6.22％，性能稳定，其电阻率为1～2Ω·m。同时，内浆条硬化体和外浆条的力学性能基本一致。本发明能制备非规则裂隙大型三维岩体模型，以电信号的方式实现浆液在复杂裂隙岩体内部的可视化，为大型三维裂隙岩体内部扩散情况提供技术支持。技术研发人员：杨振甲,孙亮,马国伟,邵亚建受保护的技术使用者：中国水电基础局有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/17