砂型3D打印成型方向對含裂隙軟巖試樣力學特性的影響研究

蔣力帥,李春盎,徐 清,2,牛慶佳,張 哲

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院,山東 青島 266590; 2.煙臺黃金職業學院 資源與土木工程系,山東 煙臺 265401)

隨著我國煤礦開采深度逐漸增加,軟巖工程問題不斷加劇[1],對于軟巖力學特性的已有研究已經不能滿足軟巖巷道的實際工程需要,必須結合軟巖工程實際問題和新興技術,在已有研究基礎上研究新方法不斷改進[2]。如圖1所示,工程中軟巖裂隙發育顯著,對原位取芯所得巖芯進行計算機斷層掃描(computed tomography,CT),獲得巖石內部節理形貌以及分布情況。如圖1(b)所示,可以看出,即使是加工得到的完整巖樣,內部也存在各種節理、裂隙,并且因其強度低,無法二次加工得到含缺陷的試件。而傳統的相似材料澆筑的方法在制備含節理的試樣時難免會帶來不可消除的誤差,并且無法制備含復雜結構的試件。由于含內部結構缺陷的天然巖石具有較強的各向異性,加之室內試驗多為破壞性試驗,試件在試驗后大多被破壞,無法進行重復試驗。以上原因極大地限制了巖石力學行為的研究。因此,如何高效、精準、可重復地制備與軟巖力學和結構特性相符的試樣,是突破傳統軟巖力學試驗瓶頸的關鍵。

圖1 工程巖體節理裂隙特征

3D打印是以數字模型文件為基礎,選擇硅砂、樹脂、金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印、激光燒結等方式構造實體的技術。其可控性強、工序簡單,只要設計出三維數字模型便可打印成實體,層層堆疊的成型方式可以高效、可重復制備高度一致的含有復雜內部結構的試樣,并且其全程通過機器控制,極大地減少了人工操作時所產生的離散性誤差。目前常用的3D打印工藝主要有立體光固化成型(stereo lithography apparatus,SLA)、熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)、選擇性激光燒結(selective laser sintering,SLS)、三維印刷(three dimension printing,3DP)等。謝和平等[3-4]在探討深部巖體力學問題時指出,基于3D打印技術可實現裂隙巖體開挖擾動下應力變化、裂隙演化、失穩力學等行為和過程。Jiang等[5]通過試驗揭示了聚乳酸塑料(polylactic acid,PLA)與FDM工藝并不適合作為3D打印的原材料及工藝。江權等[6]以粉末性石膏和PLA材料為打印材料,制作隧道物理模型并進行試驗,證明了該技術在巖體力學試驗研究中的可行性。田威等[7]運用CT掃描和兩種3D打印工藝制作與天然砂巖試樣結構相近試樣并進行了力學測試,表明3D打印更適合模擬天然砂巖,驗證了3D打印砂性材料模擬天然巖石用于動態試驗的可行性。Perras等[8]通過比較3D打印制造的試樣和天然砂巖之間力學性能的差異,發現以砂、呋喃為原材料的3D打印試樣表現最接近弱天然砂巖。蔣力帥等[9]以砂和呋喃為原材料通過3D打印技術制作煤巖試樣,通過動靜載試驗證實了其應用于煤巖動力學試驗的可行性。通過篩選,本研究以硅砂和呋喃為打印材料,采用三維粉末粘結技術(binder jetting,BJT)打印工藝制備試樣。

以上學者雖然對3D打印技術的應用進行了研究,但并未對3D打印技術自身因素造成的影響進行探究,如打印材料、打印層厚、成型方向等。Xu等[10]通過改變打印層厚對試樣的表面精度、變形破壞特征和單軸抗壓強度進行了研究,結果表明層厚越小其表面精度越高、單軸抗壓強度越大,變形破壞以及聲發射特征越接近天然巖石。劉泉聲等[11]探究了膠水飽和度、打印傾斜角度以及干燥時間等因素對打印試樣抗壓和抗拉強度的影響。Farzadi等[12]發現打印過程中鋪粉時間間隔不同所制備試樣的強度也不同。以上研究雖然證實了3D打印技術自身因素會對試樣的力學特性產生影響,但并未探究成型方向對含節理試樣的影響,對加載全過程中的變形破壞特征的研究也尚顯不足。因此,本研究通過制備不同成型方向含節理的試樣,結合數字圖像相關法(digital image correlation,DIC)對加載全過程試樣變形演化進行觀測,探究成型方向對含裂隙試樣力學特性的影響,為3D打印技術在巖石力學試驗中的應用提供參考。

1 砂型3D打印技術原理及試驗方案

1.1 砂型3D打印技術原理

三維粉末粘結技術(BJT)是以合適粒徑的硅砂作為原料,通過噴頭噴撒呋喃樹脂膠結成型,打印原理如圖2所示,打印設備如圖3所示。其工作流程為:先將建好的模型導入控制軟件中,軟件將模型切片分層生成加工命令并控制打印機;開始打印后,送料缸先上升,通過送粉輥將送料缸中的硅砂送至成型缸,多余的硅砂則進入回收缸,噴頭依據模型截面的形狀在成型缸上面移動并噴射膠結劑,完成第一層打印;隨后成型缸下降一層打印高度,送料缸上升一層打印高度,送粉輥再次將砂粉由送料缸送至成型缸,噴頭移動并噴射膠結劑,完成第二層打印;重復以上步驟,由下至上逐層完成打印。

圖2 BJT工藝打印原理[9]

圖3 Easy3DP-S500打印機

1.2 試驗方案

本次試驗選擇兩個成型方向作為研究內容,如圖4所示,以Z軸為打印方向,當試樣沿長邊成型時,打印方向與加載方向垂直;當試樣沿短邊成型時,打印方向與加載方向平行。

圖4 試樣成型方向示意圖

為探究成型方向對含節理試樣力學特性的影響,試驗設置兩組含預制裂隙的試樣對照組:一組為含兩條裂隙的試樣,預制裂隙長度為20 mm,寬度為1 mm,傾角為45°;另一組為含四條裂隙的試樣,裂隙特征與雙裂隙試樣相同,打印基材選擇硅砂與呋喃樹脂膠結劑,打印層厚為0.2 mm,試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm,試樣三維模型如圖5所示,打印成型的試樣如圖6所示。不同成型方向所制備的試樣外觀上無太大區別。

圖5 試樣三維模型

圖6 不同成型方向的試樣

對打印完成試樣進行單軸壓縮試驗,試驗設備采用山東科技大學礦山災害預防控制實驗室RLJW-2000巖石流變儀,如圖7所示。加載模式為位移控制,加載速率為0.3 mm/min。在進行單軸壓縮試驗的同時,采用高速攝像機對試樣進行數字散斑圖像采集,試驗后對試樣進行DIC分析。由于3D打印試樣微孔隙較大,直接進行噴漆容易滲入試件不易形成斑點,所以在噴漆之前先在試樣表面涂抹一層凡士林,烘干成膜后再噴上一層黑漆,晾干后隨機噴上白漆形成斑點。試驗結束后將拍攝的散斑圖像導入DIC數據分析系統Vic-2D軟件中,處理后得到試樣加載過程中的全局應變場和位移場。

圖7 DIC試驗系統

2 試驗結果分析

2.1 試樣強度特征

對不同成型方向制備的完整試樣進行單軸壓縮試驗并分析其單軸抗壓強度,結果如表1所示,可發現其強度的離散性較低。劉泉聲等[11,13]的試驗結論也表明3D打印制備的試樣離散性較低,力學性質較為穩定。故以下試驗使用單個試件進行。

表1 不同成型方向完整試樣的單軸抗壓強度

圖8為不同成型方向試樣的應力-應變曲線圖?？梢钥闯?兩種成型方向的試樣在單軸壓縮條件下的曲線特征具有相似性,都經歷了壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。且含有預制裂隙試樣的應力-應變曲線也表現出較為明顯的壓密段和多峰效應,這是加載初期試樣含有的預制裂隙及內部微孔隙導致的。對于內部微孔隙的影響,趙陽[14]通過電鏡掃描以及聲發射觀察發現,在放大600倍后,砂顆粒之間仍存在大量空隙,在單軸壓縮時會導致壓密階段的產生,但聲發射能量統計數據表明其釋放的能量并不高,對試樣的強度無法造成較大影響。從圖8中還可看出,不同成型方向的完整試樣峰值強度差別不大,而含有預制裂隙的試樣差距明顯,沿短邊成型試樣的峰值強度明顯低于沿長邊成型的試樣。相較于沿長邊成型的試樣,沿短邊成型試樣在峰后表現出臺階式下跌的特性,表明沿短邊成型試樣其延性更強。

圖8 不同成型方向試樣應力-應變曲線

為了更清楚地展示裂隙數目和成型方向對試樣強度的影響,在圖9中對試樣的單軸抗壓強度進行更直觀的展示。從圖9可看出,不同成型方向的完整試樣的單軸抗壓強度較為接近,偏差在1 MPa以內。與沿長邊成型試樣相比,沿短邊成型完整試樣的單軸抗壓強度降低了4.69%。對于預制裂隙的試樣,雙裂隙的沿短邊成型試樣的單軸抗壓強度比沿長邊成型試樣降低了41.39%,四裂隙的沿短邊成型試樣的單軸抗壓強度比沿長邊成型試樣降低了42.69%。隨著裂隙數目的增加,沿短邊成型試樣相較于沿長邊成型試樣的強度降低率呈遞增趨勢,表明成型方向對3D打印節理巖體的力學特性具有較大影響。對于相同成型方向的試樣,單軸抗壓強度與裂隙數目呈負相關。雙裂隙試樣與無裂隙試樣相比,沿長邊成型試樣的強度降低了30.56%,沿短邊成型試樣的強度降低了57.31%。四裂隙試樣與雙裂隙試樣相比,沿長邊成型試樣的強度降低了3.05%,沿短邊成型試樣的強度降低了5.21%?？梢悦黠@看出,無論沿哪個方向成型的試樣,有無裂隙對其強度的影響都很大,而裂隙數目對其強度的影響相對較小,相較于沿長邊成型試樣,沿短邊成型試樣受裂隙數目的影響更為敏感。

圖9 不同成型方向試樣峰值強度柱狀圖

2.2 試樣變形破壞特征

通過數字圖像相關方法可以實現試樣加載過程中實時、非接觸式全場監測,試樣的主應變云圖可以清晰地呈現出試樣裂紋起裂、擴展和破壞的過程[15]。對于不同成型方向的試樣,分別從處理結果中選取能夠表征試件裂紋發展過程的四張主應變云圖,如圖10所示。通過對不同成型方向試樣最大主應變云圖的觀察與分析,可以看出:

圖10 不同成型方向試樣的最大主應變云圖

1) 沿短邊成型試樣更易產生破壞,但所產生的最大主應變基本相同。沿短邊成型試樣其最大主應變較為集中,均在試樣中軸裂隙處產生。沿長邊成型試樣的最大主應變在試樣端部產生。隨著加載的進行,試樣局部區域發生表面剝落現象,并且最大主應變集中帶沿著主應力方向擴展。

2) 沿長邊成型雙裂隙試樣,在受載初期雖然只在試樣邊緣產生拉應力集中,但試樣整體仍以受壓為主。隨著加載的進行,裂紋尖端的最大主應變值由0.001 98增加至0.023 70,最大主應變集中帶向預制裂隙尖端轉移,應力集中帶由預制裂隙尖端向最大主應力方向擴展。試樣破壞時,在裂隙的兩個尖端產生較大的主應變,試樣的破裂形式類似于雙翼型剪切裂紋破壞,這種現象主要是由于宏觀裂紋的張開及剪切滑移造成的。沿短邊成型雙裂隙試樣,由于應力集中的影響,雖然在裂隙尖端產生了主應變,但在試樣中軸處產生了更大的集中帶,對試樣的破壞起主導作用。隨著豎向應力的增加,試樣中軸處的主應變集中帶進一步發育,在裂隙中部的拉應力集中區出現一條豎向宏觀裂紋,這種現象主要由試樣中部受張拉力形成的張拉變形導致的。初步分析,在試樣成型過程中,沿短邊成型試樣會出現豎向層理,由于試樣的豎向層理面與加載方向平行,層理粘結面很容易在張拉力作用下迅速斷裂導致試樣破壞,產生一條平行于層理面的劈裂裂紋,此時試樣的破壞主要受層理面而非預制裂隙的控制。

3) 四裂隙試樣的主應變與雙裂隙試樣相似,沿長邊成型試樣雖然在受載初期端部先產生最大主應變,但隨著加載的進行,端部的最大主應變由0.001 94增加至0.011 50,但應力集中帶在預制裂隙尖端產生并擴展,其應變值達到0.023 50,并主導了試樣的破壞,使試樣形成拉剪混合破壞;而沿短邊成型試樣在中軸線穿過裂隙形成應力集中帶,導致破壞時裂紋穿過預制裂隙中間部分,形成一條垂直的劈裂裂紋。

沿長邊成型試樣的破裂形式主要為剪切破壞和拉剪混合破壞,完整試樣形成“Y”型裂紋;雙裂隙試樣在上側預制裂隙上尖端和下側預制裂隙下尖端產生了單翼型裂紋,內側尖端均產生了共面裂紋,裂紋擴展交匯使試樣發生拉剪混合破壞;四裂隙試樣在最上側預制裂隙尖端產生單翼型裂紋,最下側預制裂隙產生共面裂紋,且上側預制裂隙與下側預制裂隙右尖端搭接,新生裂紋與預制裂隙相互作用,形成一條階梯狀的裂紋貫通帶。

沿短邊成型試樣的破裂形式主要為劈裂破壞,不論完整試樣還是預制裂隙試樣,皆呈現一條或數條平行于層理面的劈裂裂紋,最大主應變集中于裂隙中部,其破壞主要受層理面而非預制裂隙的影響,斷面光滑平整,顯然是沿層理面破壞。

3 結論

本研究對3D打印制作的試樣進行了單軸壓縮試驗并結合DIC圖像分析技術,研究了不同成型方向對完整試樣和含節理試樣力學特性以及破壞形式的影響,得出以下結論。

1) 沿長邊成型試樣的單軸抗壓強度均高于沿短邊成型試樣,有無裂隙對試樣的強度影響較大,且預制裂隙越多,成型方向對于試樣強度的影響越明顯。

2) 沿長邊成型試樣的應變集中區位于裂隙端部,而沿短邊成型試樣的應變集中區位于裂隙中部,在試樣加載過程中由于裂隙周圍應力集中現象的存在,應變集中區分布于裂隙周圍,而沿短邊成型試樣受其層理影響導致主應變位于裂隙中部而非裂隙端部。

3) 沿長邊成型試樣的破壞形式主要為剪切破壞和拉剪混合破壞。而沿短邊成型試樣的破裂形式主要為劈裂破壞,呈現一條或數條平行于層理面的劈裂裂紋,斷面光滑平整,顯然是沿層理面斷裂,主要破壞形式受層理面的影響而非裂隙的影響。