3D打印技术在岩石力学试样制备方面的应用探讨

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以往岩石力学室内试验样品主要通过野外取样(原岩样品)或模具浇筑(类岩石材料样品)两种方法获得,但由上述两种方法取得的样品均存在一些问题,如天然岩石内部难以被观测到、不存在完全相同的两块岩石、浇筑样品时产生的气泡沉淀等,同时岩石力学试验又大多是破坏性试验,这使得需要较多样品完成的试验(如不同围压下的岩石特性、岩石动静态试验等)会因为样品的差异而造成数据离散性较大(有时甚至会对研究者产生误导),进而对岩石力学研究起到一定的障碍作用。因此,本文对一种全新的样品制备方法—3D打印技术进行了初步探讨,希望为岩石力学研究中的样品制备提供一种新的思路。本文针对以石膏粉末和光敏树脂为原材料的3D打印样品及砂岩试样,进行了 CT扫描、物理力学和渗透指标的测试及分析,获得主要结论如下:(1)石膏粉末样品打印时,虽然每层石膏粉末厚度可控,但用于固结的胶水量不可控,最终导致各石膏粉末样品间差异较大,其对应的物理力学性质指标也相去甚远,因而无法用于制作重复性较好的类岩石试样。(2)以半透明的光敏树脂为原材料进行样品制作时,通过后续加工处理能去除打印过程中填充在有效孔隙中的蜡质材料,因此,使用光敏树脂3D打印技术可打印含有有效孔隙的样品。(3)通过CT扫描与图像分析,确认各光敏树脂样品间的几何特征较为一致,而样品与原模型之间存在一定偏差,主要体现在封闭孔隙被蜡质材料填充及错台效应导致的小孔隙变形或堵塞。(4)通过对光敏树脂样品和砂岩物理力学和渗透指标进行测试,发现光敏树脂样品的各项指标差异性远小于砂岩样品,验证了光敏树脂样品可重复性较好。同时单轴压缩试验中光敏树脂样品破坏时的压缩量超过25%,塑性较高,因此该材料不能很好的模拟类岩石材料的抗压特性,但渗透试验结果表明光敏树脂样品可较好的应用于具有较大孔隙或裂隙样品的渗透测试。
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