[发明专利]应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法

说明书

本发明公开了一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法。用CT设备扫描原状土试样，得到试样的孔隙结构；使用图像处理建立原状土的孔隙结构，将其整合为3D模型，再以一种强度高、易挥发的有机材料作为3D打印材料，打造原状土试样的孔隙结构骨架，待土体3D孔隙结构骨架稳定成形后，采用造粒技术所得的冰粒和土粒混合均匀，将其倒入孔隙结构骨架中，震动使颗粒全部进入孔隙结构骨架中。升温使冰粒融化，但温度低于有机材料的沸点。土水混合均匀稳定后，再升温至有机材料的沸点，使有机材料从孔隙结构挥发，从而形成与原土样具有相同孔隙分布的土样。重复以上步骤，可制备多个具有相同孔隙结构的平行试样。

技术领域

本发明涉及一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法。

背景技术

原状土所得的物理化学参数可以真实地反映土样性质，因此实验人员常用原状土样进行试验，但缺点是不能利用原状土样进行可重复性试验，往往不能确保得到的结果与真实指标之间的差异在合理范围内。目前通常采用重塑土样来获得土的各种指标，但重塑土样的孔隙分布与原状土已有了很大不同。土体孔隙结构对土体的工程性质如渗透、变形及强度特性等有着非常重要的影响，土体孔隙结构的些许改变都会影响特性的改变，测出数据点的离散性会较大。为保证试验数据的可靠性，孔隙结构保持不变是非常有必要的。用CT系统与X射线集于一身的扫描仪扫描土样，获得清晰、准确、直观的土样内部结构，然后使用数字图像处理技术，建立土中孔隙结构的3D模型，再结合3D打印技术制备与原状土具有相同孔隙结构的多个平行土样，最终通过试验比对新制备土样与原状土的性能指标。由此，本专利拟采用造粒和3D打印两种技术制备具有相同孔隙结构的平行试验土样，不仅可验证原状土的相关试验数据的正确性，而且可以进行批量平行试验，获得准确的试验参数。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，能制备与原状土具有相同孔隙结构的多个平行土样，可供平行试验用，进行试样数据校准和对比，提高相关试验数据的准确结果。在无损伤的条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结构，然后使用数字图像处理技术，建立土中孔隙结构，并整合为3D模型。将不影响土体性质的那部分极小的孔隙可当作土体，以一种强度高、易挥发的有机材料作为3D打印材料，打造土孔隙结构，待打印的孔隙结构稳定之后，根据试样的目标含水率、目标干密度，将一定质量的采用造粒技术所得的冰粒和具有一定级配配比的土粒配合均匀，将其倒入孔隙结构骨架中，轻微震动，使颗粒全部进入孔隙结构骨架中，确保新制备试样与原状样具有相同的密实度。略升高温度使冰粒融化，但温度低于有机材料挥发的熔点，使骨架中冰粒与土粒充分混合均匀。升温至有机材料的沸点，使有机材料从孔隙结构挥发，从而形成与原土样具有相同孔隙分布的土体。重复以上步骤，确保每一步骤的加工工艺完全一致，可以制备多个具有相同孔隙结构的土体测试试样。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种应用3D打印技术通过升温挥发有机材料骨架重复仿制土样的方法，具体操作步骤如下：

1).原状土试样制备

(1)取土

钻孔方法的选择首先应考虑避免钻动取土过程中因工具振动而对土体造成过多的扰动。可采用泥浆护孔等措施。钻孔的孔径与深度要适当，且保证有一定的静水压力，防止取土过程中土体变得松软。取土过程中，在尽量减少土体扰动、保持土体天然状态与结构的前提下，采用钻进工具在预定深度选取土样；采取土试样宜用快速静力连续压入法，避免锤击时摇晃，击入过程中要注意操作工序应细致稳妥，以免造成扰动；

(2)土体保存与运输

保存要求：野外所取土样往往不能立即送往实验室，故应对不能立即进行试验的土样进行合理保存，可采用蜡封；保存土样的环境应满足温度、湿度的要求，且应将样盒封严，避免风吹、雨淋、日晒和冰冻；