[发明专利]一种超低温固化超饱和土增材制造的装置与方法

说明书

本发明涉及一种超低温固化超饱和土增材制造的装置与方法，由底座、双x轴滑轨、y轴滑轨、z轴滑轨、液氮仓、气压控制器、浆体挤出器、试件模具、滑轨控制器组成，气压控制器设有总控阀，可控制挤出器流速与启停，试件模具设有液氮槽和铝合金模具壳，液氮输送管将液氮输送至液氮槽内，使铝合金模具壳迅速降至超低温，进入工作状态。利用该装置能够根据既定的需求定制出多种尺寸的试件，本发明具有精度高，可自定义范围广等特点。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体是一种超低温固化超饱和土增材制造的装置与方法。

背景技术

土的强度主要由温度和含水率控制，而这两个因素是互相影响的，而温度对强度的影响，又是通过含水率(含冰量)表现的。含水率的改变会导致土体在负温环境冻结后强度和体积变形的实质性变化。在土处于超饱和状态时，低温环境下的强度将由冰进行主导，这与传统的土壤在低温下表现出的力学特征有相当程度的不同，因此，在土工试验中测定理论状态下冻结态超饱和土体各项静力学和动力学指标就具有很重要的参考价值。

然而，超饱和土在土工试验制样过程中会面临相当艰巨的技术难题，主要有两个方面：均匀性和含气量。在模拟地下渗流冻结与多年冻土区高含冰量冻土形貌特征时，首先要考虑的问题是宏观匀质性，即试件应保证不可溶物在试件内各维度均匀分散，胶体稳定不发生分层现象。为了解决以上难题，有学者提出了各种制样方法，如将浆体注入模具后提供多自由度振动，或是使浆体在搅拌的过程中冻结。

在第一种方法中，由于颗粒物与水的惯性有着显著差别，无论以何种方式机械运动，由于流体与模具交界面的粘滞效应，最终成型的试样外层都会包覆有一层纯水结冰层，试块的均匀性受到很大影响。在第二种方法中，试块在冻结的过程中会引入大量的溶解氧和微气泡，最终冻结完成的试块孔隙率以及表观密度均与原状冻结超饱和土有明显不同。而且，以上方法在制样的尺寸和形状方面具有极大的限制性，对于各种定制尺寸试件的需求很难满足。

因此，需要一种装置与方法从根本上解决低温冻结超饱和土试样制样时面临的问题，尤其是对于各种异型试件的制造能力。

发明内容

本发明的是为了提供一种实现超低温环境中超饱和土体的增材制造的装置和方法，利用该装置能够根据既定的需求定制出多种尺寸的试件，本发明具有精度高，可自定义范围广等特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于制作超低温固化超饱和土样品的方法的装置，由底座、双x轴滑轨、y轴滑轨、z轴滑轨、液氮仓、气压控制器、浆体挤出器、试件模具、滑轨控制器组成；

所述双x轴滑轨由主动滑轨和从动滑轨组成，其中主动滑轨内置有电机可使主动x轴滑台沿位于其上的x轴导轨移动，通过固定在x轴滑台之上的y轴滑轨带动另一侧的被动x轴滑台沿位于其上的x轴导轨移动，两滑台台面在运动时始终保持水平；

所述y轴滑轨设有y轴滑台和y轴导轨，y轴滑轨内置有电机可使y轴滑台沿位于其上的y轴导轨移动，y轴滑台台面在运动时始终保持垂直且与y轴和z轴相交而成的平面相平行；

所述z轴滑轨固定在y轴滑台上，z轴滑轨内置有电机可使z轴滑台沿位于其上的z轴导轨移动，z轴滑台台面在运动时始终保持垂直且与y轴和z轴相交而成的平面相平行；

所述液氮仓设有液氮罐、液氮输送泵和液氮输送管，液氮罐设有保温层延长液氮使用时间；

所述气压控制器设有总控阀、接头和气管，总控阀可控制正压或负压，以及气压的具体强度；

所述浆体挤出器设有气管接口、挤出器上盖、浆体搅拌室、磁转子、强磁驱动总成、挤出头、流量控制器和透明观察窗，通过控制流量控制器的大小，可以限制挤出器最大流量，气管与气管接口密封连接，可由总控阀控制挤出器流速与启停，强磁驱动总成使磁转子高速旋转，将腔体中的超饱和土浆体搅拌均匀，通过透明观察窗可以实时监测浆体余量以及均匀程度；