一种含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制备方法

摘要

本发明涉及一种含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制备方法，包括如下步骤：模拟实际柱状节理岩体，确定待制备的试样中不同类型隐节理的三维数字空间模型，并在三维数字空间模型的表层预留小孔；采用水溶性材料将不同类型隐节理的三维数字空间模型进行3D打印，打印完成后自小孔加入相应充填物，得到不同类型的含充填物的隐节理模拟构件，用热熔胶将小孔密封，并在隐节理模拟构件表面涂抹热熔胶；配制水泥砂浆模拟实际柱状节理岩体，将隐节理模拟构件与水泥砂浆混合搅拌倒入模具，养护至初具形状的试样部件；脱模；脱模后的试样部件经烘烤、饱水、烘干、养护、加工处理，得到试样。本发明制得的试样能够完整反映岩体内部隐节理的结构和形态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种类岩体试样的制备方法，具体涉及一种含充填隐节理的柱状节理岩 体试样的制备方法，属于岩石力学领域。

背景技术

柱状节理是火山熔岩喷发溢流过程中由于冷却收缩形成的呈不规则或规则形态的 原生张性破裂构造，柱状节理多出现于玄武岩，在我国西南地区广泛分布，西南地区诸 多已建或在建大型水电站位于柱状节理玄武岩之上。柱状节理岩体作为一种具有特殊结 构的岩体，其不但具有出露的柱间节理面，在柱内还有隐含的节理面，称为隐节理，由 于柱状节理岩体柱间节理和隐节理的存在，导致柱状节理岩体具有显著的力学和渗透性 质的各向异性，对工程安全影响显著，因此研究柱状节理岩体的力学和渗透性质的各向 异性，具有较高的实际和工程价值。

试验是岩石力学领域经常采用的一种研究方法，由于柱状节理岩体包含有多组节理 且柱体体积较大，受室内试验试样尺寸大小的限制，在工程现场所取的天然岩样只含有 一组或不包含节理，并不能充分反映柱状节理岩体的各向异性；且由于柱状节理岩体几 何性质的多变性，不同岩体节理差异较大，取自部分岩体的天然岩样的试验结果不具有 充分代表性，因此通常选用人工制样的方法制备柱状节理岩样，但目前制备柱状节理岩 体人工岩样的方法还不完备，仅能制备只含有出露的柱间节理的柱状节理岩体试样，还 没有有效的方法制备含充填隐节理的柱状节理岩体试样，但隐节理对柱状节理岩体的力 学和渗透特性以及各向异性有着显著的影响，忽略隐节理就不能充分模拟实际工程现场 柱状节理岩体的性质，因此如何制备含充填隐节理的柱状节理岩体试样成为岩石力学试 验领域急需解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制备方 法，该方法制得的试样能够完整地反映柱状节理岩体内部隐节理的结构和形态。

技术方案：本发明涉及一种含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制备方法，包括如 下步骤：

(1)模拟实际柱状节理岩体中隐节理及隐节理中充填物的结构、形态，确定待制 备的试样中各种类型隐节理的三维数字空间模型，并在所得三维数字空间模型的表层预 留小孔；

(2)采用水溶性材料将不同类型隐节理的三维数字空间模型进行3D打印，打印完 成后自小孔处加入相应的充填物，得到不同类型含充填物的隐节理模拟构件，用热熔胶 将所述小孔密封，并在所得隐节理模拟构件表面涂抹热熔胶；

(3)模拟柱状节理岩体的力学性能配制水泥砂浆，将隐节理模拟构件与水泥砂浆 混合搅拌后倒入模具，养护至水泥砂浆固化成型、形成初具形状的试样部件；

(4)脱模；

(5)烘烤试样部件至热熔胶完全融化，然后进行饱水、至隐节理模拟构件完全溶 解，得到最终形态的试样部件，烘干、养护、加工处理，得到含充填隐节理的柱状节理 岩体试样。

本发明将3D打印技术用于制备隐节理模拟构件，可以精确控制隐节理的大小、空 间形态、节理面的粗糙度；采用水溶性材料制备隐节理模拟构件，将试样部件完全饱水 即可溶解模拟隐节理的构件，隐节理中仅剩下构件中的充填物，解决了制备含充填隐节 理试样时模拟隐节理的构件无法取出的问题；通过在隐节理表层设置小孔，解决了充填 物不易放入的问题。

具体的，上述水溶性材料为PVA材料。

上述步骤(5)中，将烘烤后的试样部件放入水中进行抽真空饱水。抽真空饱水可 以快速让试样部件达到饱水状态，水分充分进入到试样部件内部。

优选的，步骤(3)中的模具与水泥砂浆接触的部分由钴铬合金材料制成，并在该 部分表面涂抹热熔胶。热熔胶与钴铬合金的粘结力较弱，对水泥砂浆的粘结力较强，将 热熔胶均匀涂抹在钴铬合金模具的表面，在水泥砂浆固化形成试样部件前，阻断水泥砂 浆与模具的粘结，避免后续脱模时破坏试样部件的结构。

进一步的，步骤(3)中，模具底座设有密封的气孔，脱模时，将该气孔解除密封， 自气孔向模具内鼓入空气，使试样部件从模具中脱出。脱模方便快捷，且不会破坏试样 部件的结构。

较优的，步骤(2)中，涂抹的热熔胶的厚度为0.5～0.6mm。此时，极薄的热熔胶 可以完整的模拟隐节理面或者实际岩体表面的粗糙度。

具体的，步骤(5)中，将养护后的试样部件进行粘接、切割、打磨得到含充填隐 节理的柱状节理岩体试样。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明首次将3D打印技术应用于含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制作， 采用三维数字空间模型可以完整表现所制备柱状节理岩体试样中隐节理的类型、大小、 空间形态和粗糙度，通过3D打印技术制作模拟隐节理的构件，可以将三维数字空间模 型精确打印成物理模型，可以精确控制隐节理的大小，空间形态，节理面的粗糙度；其 次，本发明采用水溶性材料制备隐节理模拟构件，完全饱水即可溶解试样部件中模拟隐 节理的构件，解决了制备含充填隐节理试样时模拟隐节理的构件无法取出的问题；而且， 一方面采用热熔胶将小孔密封紧密并牢固的粘在隐节理模拟构件表面，热熔胶不会在搅 拌水泥砂浆的过程中脱落，防止隐节理模拟构件中充填物的流失，另一方面在隐节理模 拟构件表面涂抹热熔胶，防止构件在与水泥砂浆接触过程中溶解；

(2)通过在隐节理表层设置小孔，可以在不同类型的隐节理模拟构件中放入对应 的充填物，解决了制备试样时充填物不易放入以及不同类型隐节理的充填物分布不易控 制的问题；

(3)通过采用钴铬合金制备模具中与水泥砂浆接触的部分，并在该部分涂抹热熔 胶，避免水泥砂浆与模具的粘结、使得成型试样部件不能有效脱模，使3D打印技术在 在岩土工程领域类岩石材料制备方面能够得到广泛运用；

(4)通过在模具底座预留气孔，在脱模时，可自气孔向模具内鼓入空气，将试样 部件顶出模具，快速脱模，脱模方便快捷，不会破坏试样部件或其中隐节理的结构；

(5)本发明的方法操作简单，高效，快捷，应用范围广，可以根据实际需要制备 不同类型含复杂裂隙结构的充填隐节理柱状节理岩体试样，为制作含充填隐节理岩体试 样开辟了新思路。

附图说明

图1为本发明的含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制备方法，包括如下步骤：

(1)模拟实际柱状节理岩体中隐节理及隐节理中充填物的结构、形态，如隐节理 的类型数量、大小、空间形态、粗糙度等，确定待制备的试样中各种类型隐节理的三维 数字空间模型，并在所得隐节理的三维数字空间模型的表层预留小孔；

通过该小孔，可以在不同类型的隐节理模拟构件中放入对应的充填物，解决了制备 试样时充填物不易放入以及不同类型隐节理的充填物分布不易控制的问题。

(2)采用水溶性材料，如可PVA材料，将不同类型隐节理的三维数字空间模型通 过3D打印技术打印，打印完成后自小孔处加入相应的充填物，得到不同类型的含充填 物的隐节理模拟构件，用热熔胶将小孔密封，并在制得的隐节理模拟构件表面涂抹热熔 胶；

采用热熔胶将小孔密封紧密并牢固的粘在构件表面，热熔胶不会在搅拌水泥砂浆的 过程中脱落，防止构件中充填物的流失；同时，在隐节理模拟构件表面涂抹热熔胶，防 止构件在与水泥砂浆接触过程中溶解；为了能够完整的模拟隐节理面的粗糙度，可将涂 抹热熔胶的厚度控制在0.5～0.6mm；可采用高精度的热熔胶枪涂抹热熔胶，高精度热熔 胶枪可以精确的控制热熔胶喷出的体积，涂抹的热熔胶的精度可以控制在0.1mm左右。

(3)模拟柱状节理岩体的力学性能配制水泥砂浆，将隐节理模拟构件与水泥砂浆 混合搅拌后倒入模具，养护至水泥砂浆固化成型、形成初具形状的试样部件；

模具与水泥砂浆接触的部分可由钴铬合金材料制成，并在该部分涂抹热熔胶，由于 热熔胶与钴铬合金的粘结力较弱，对水泥砂浆的粘结力较强，将热熔胶均匀涂抹在钴铬 合金模具的表面，在水泥砂浆固化形成试样部件前，阻断水泥砂浆与模具的粘结，避免 后续脱模时破坏试样部件的结构。

同样的，为了能够完整的模拟岩体表面的粗糙度，可将涂抹热熔胶的厚度控制在 0.5～0.6mm；可采用高精度的热熔胶枪涂抹热熔胶，高精度热熔胶枪可以精确的控制热 熔胶喷出的体积，涂抹的热熔胶的精度可以控制在0.1mm左右。

(4)将试样脱模；

可事先在模具底座设有密封的气孔，脱模时，将该气孔解除密封，自气孔向模具内 鼓入空气，试样部件即可从模具中脱出；该方法脱模方便快捷，且不会破坏试样部件及 内部隐节理的结构。

(5)将脱模后的试样部件烘烤至热熔胶完全融化，然后进行饱水，可将烘烤后的 试样部件放入水中进行抽真空饱水，抽真空饱水可以快速让试样部件达到饱水状态，水 分充分进入到试样部件内部，直至隐节理模拟构件完全溶解，得到最终形态的试样部件， 取出烘干、养护，将养护后的试样部件进行加工处理，包括粘接、切割和打磨等，得到 含充填隐节理的柱状节理岩体试样。隐节理模拟构件溶解后，试样构件内部隐节理部分 仅剩充填物，加工处理后得到的试样能够全面反映含充填隐节理岩体的实际结构。

本发明将3D打印技术应用于含充填隐节理的柱状节理岩体试样的制作，具体的， 将3D打印技术用于制备隐节理模拟构件，可以精确控制隐节理的大小、空间形态、节 理面的粗糙度，完整地反映柱状节理岩体内部隐节理的结构和形态；并采用水溶性材料 制备隐节理模拟构件，将试样部件完全饱水即可溶解模拟隐节理的构件，隐节理中仅剩 下构件中的充填物，解决了制备含充填隐节理试样时模拟隐节理的构件无法取出的问 题。

实施例

以制备某水电站河床坝基处含充填隐节理的柱状节理岩体岩样为例，本发明的含充 填隐节理的柱状节理岩体试样的制备方法如下：

(1)根据该水电站河床坝基处柱状节理岩体的地质资料，根据相似关系确定所制 备柱状节理岩体试样中隐节理的类型，数量，大小、空间形态、粗糙度和不同类型隐节 理中的充填物类型、形态等，做出试样中不同类型隐节理的三维数字空间模型，并在隐 节理的三维数字模型的表层预留小孔。

(2)将隐节理的三维数字空间模型输入3D打印机，采用可溶于水的PVA材料分 别打印出不同类型的隐节理模拟构件，打印出的隐节理模拟构件中空并留有小孔，构件 的大小，空间形态，表面粗糙度等充分模拟了工程现场的隐节理的形态，通过小孔在隐 节理的构件中放入砂土作为充填物，然后用热熔胶将小孔密封并在制得的隐节理模拟构 件表面均匀涂抹一层热熔胶，热熔胶厚度为0.5～0.6mm。

(3)模拟柱状节理岩块的力学性能，以水泥砂浆为原料制备试样，根据相似关系 确定水泥砂浆的配比，最终确定试样由普通硅酸盐水泥，天然河砂和水按质量比例 1:0.5:0.4混合而成，其中河砂粒径小于1mm，加入总质量0.5％的防渗剂和减水剂，加 强材料的防渗性能和水泥的流动性、减小孔隙度，加入少许消泡剂减少水泥水化过程中 的气泡产生。

根据所确定的柱状节理岩体试样中含有隐节理的类型和每种类型隐节理的数量，放 入相应类型和数量的隐节理模拟构件与水泥砂浆充分搅拌，保证隐节理模拟构件在水泥 砂浆中均匀分布；采用钴铬合金材料制成的模具使水泥砂浆成型，模具底座设有密封的 气孔，并在模具内部与水泥砂浆接触的部分均匀涂抹热熔胶，热熔胶厚度为0.5～0.6mm， 将搅拌均匀的水泥砂浆与隐节理模拟构件倒入模具，在温度为22℃，湿度为90％的恒 温恒湿箱中养护至水泥砂浆固化成型，形成初具形状的试样部件。

(4)将模具底座的密封气孔打开，自气孔向模具内鼓入空气，使试样部件从模具 中脱出；

(5)将脱模后的试样部件放入烘箱中以80℃的温度烘烤，保证涂抹在隐节理模拟 构件表面的热熔胶完全融化后，将试样部件放入常温水中抽真空饱水2-4小时，确保隐 节理模拟构件完全溶解，仅剩下隐节理模拟构件中的充填物砂土留在隐节理中，得到最 终形态的试样部件，将其取出烘干，然后在温度22℃，湿度90％的恒温恒湿箱中养护 33天后，经过粘接、切割、打磨等加工处理，制得含充填隐节理的柱状节理岩体试样。