[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

摘要

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。

主权项

1.一种应用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，其特征在于操作步骤。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；运输要求：运输途中尽量避免剧烈的颠簸、振荡，以免造成土样开裂。(3)制样从薄壁取土器中取出原状土样，用切土器制备成形状、尺寸均符合CT扫描要求的试样；采用切土器取样，所取部位应具有代表性，切土器应垂直下压，同时测量并记录好土样的物理力学指标。2).CT扫描土样为评价孔隙对土体渗透特性的影响,必须确定土体中大孔隙的大小、数目、形状和连通性。X‑射线CT扫描仪可测量不透明体内部结构并可准确揭示孔隙的大小、数目位置及连通性；CT扫描技术还具有无损和实时优点。CT图像由一定数量的图形元素组成，每1个图形元素对应扫描物体的1个位置，依据于物体各个位置的X‑射线衰减系数把亮度值付给图像中的每个图形元素，扫描物体不同容重区在图像中以不同亮度表示，出土体大孔隙可清晰显示；在对土体进行扫描前，必须对X‑射线CT扫描仪重新设定扫描系统参数。3).土样孔隙结构再现CT扫描土样获取土样孔隙结构，并对孔隙通道进行提取处理以后，运用3D打印技术，用有机材料作为打印材料打印出土体孔隙骨架；用有机材料打印出的土体骨架与原状土土体内的孔隙结构相同。3D打印技术是将三维实体加工变为由点到线、由线到面、由面到体的离散堆积成形过程，极大地降低了制造复杂度。它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造的特点和优势，为快速大批量重复仿制土样奠定了技术基础。4).土样的仿制根据原状土的物理力学指标，按原状土的目标含水率、目标干密度，采用造粒技术制备出冰粒以及与原状土相同级配的土粒，将冰粒与土粒配合均匀，倒入孔隙结构骨架中，轻微震荡，使颗粒全部进入孔隙结构骨架中，确保制备试样与原状土具有相同的密实度；再适当升温，使冰粒融化成液体水进入土体，注意所升温度可使冰粒融化即可，不至于达到有机材料的熔点，使有机材料骨架融化；将制好的土样放置于恒湿箱，恒湿箱内的湿度应与原状土的含水率相同；再升温至有机材料的沸点，使有机材料骨架挥发，即可得到与原状土相同孔隙结构的土样；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。