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申请/专利权人：河北工业大学

摘要：本发明一种岩体模型3D打印相似材料配合比设计方法，属于岩土地下工程物理模拟相似材料技术领域。首先明确岩体原型中岩石基本物理性质、力学、渗流、热学以及地应力赋存环境；然后根据裂隙岩体原型和相似比尺，确定模型材料所需的参数需求，筛选材料种类和确定掺量范围；再通过正交设计法设计配比方案，浇筑试样，测试试样物理力学参数，初选可用打印配比；优化打印参数并检验，最终确定材料配比及打印参数。本发明提出的配合比设计方法为大型三维裂隙岩体物理模型制备及地质力学研究提供理论和材料基础。

主权项：1.一种岩体模型3D打印相似材料配合比设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：步骤1：参数获取：获取岩体原型中岩石的基本物理特性、力学、渗流及热学参数，步骤2：相似理论：基于物理、静力、渗流、热学的相似准则，首先根据研究的岩体原型确定密度相似常数Cρ及长度相似常数Cl，然后基于相似准则，获得同时满足热学、力学和渗流三方面要求的其他物理量的相似常数，进而获得模型材料参数；相似准则为： Cf＝Cε＝1 CP＝CρClCα＝1Cξ＝1其中，Cl、Cρ、Cσ、CE、Cc、Cf、Cε、Ck、CQ、Cv、CP、Cα、Cξ分别表示长度、密度、应力、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角、应变、渗透系数、渗透流量、渗透流速、渗透压力、热膨胀率、导热系数的相似常数；Cl、Cρ为物理相似常数，Cσ、CE、Cc、Cf、Cε为力学相似常数，Ck、CQ、Cv、CP为渗流相似常数，Cα、Cξ为热学相似常数；步骤3：原料选择：根据岩体原型中岩石物理系数以及相似常数，确定原料中各物质的种类和初始掺量范围；所述原料包括石英砂、重晶石粉、粉煤灰、硅灰、硅酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和减水剂；步骤4：以混合砂浆可打印性为指标采用动态水灰比方式实施配比试验，获得满足可打印性指标的试验配方：根据正交试验法确定试验因素，包括A粉煤灰质量石英砂质量、B硅灰质量石英砂质量、C胶凝剂质量骨料总质量、D高贝利特水泥质量胶凝剂质量四个因素，每因素设置4个水平；优先确定重晶石粉石英砂质量，设置重晶石粉与石英砂质量比固定；采用动态水灰比方式实施，固定水中减水剂掺量配置混合水，砂浆搅拌过程中逐步加入混合水，并梯次测试流动度、坍落度和凝结时间，满足可打印性指标所对应水量即为配比水量；步骤5：采用浇筑法对步骤4确定的试验配方进行制模和性能测试：制样：根据水工混凝土试验规程SLT352-2020中水工砂浆室内拌和方法制备砂浆；筑模：采用Φ50mm×100mm圆柱试模和100mm×100mm×100mm立方体试模制备试样；养护：在温度20℃和90％湿度的标准养护环境养护48h后，脱模，随后把脱模后的试验继续养护至28天；测试：对试样进行物理力学测试，以及根据研究对象和目的的需求测试关键材料参数，将测试获得的力学测试结果及关键材料参数与步骤2中所确定的模型材料参数进行对比分析，筛选能用于模型打印的可用配比；步骤6：基于步骤5获得的可用配比，利用挤出式3D打印方式在固定重叠率和浆条宽度下改变浆条厚度制备打印试样；对打印试样，分别按力学性能测试的标准试样尺寸要求沿与打印方向夹角0°、15°、30°和45°切割，获得不同切割角度下的多个测试试样相同条件下的试样不少于三个，测试试样尺寸100mm×100mm×100mm，对夹角为0°切割的测试试样进行X、Y、Z方向的单轴抗压强度测试，获得正交角度下的各项异性参数，角为15°、30°和45°切割的测试试样进行X-Y方向力学单轴抗压强度测试，获得非正交角度下的各项异性参数；当正交角度下的各项异性参数中X和Y方向单轴抗压强度与Z方向差异在1.7％～5.0％之间，且非正交角度下的各项异性参数中不同切割角度下X-Y方向试样的抗压强度差异在5.0％以内时，认为满足要求，选定满足要求的浆条厚度的最大值为最终的打印参数，至此获得3D打印相似材料的配方参数和打印参数。

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