一种基于真空热固化的砂型3D打印模型物理力学特性定量调控方法

本发明涉及3d打印人造岩石物理模型领域，尤其涉及一种基于真空热固化的砂型3d打印模型物理力学特性定量调控方法。

背景技术：

1、由于复杂的沉积成岩作用，天然岩石往往具有极强的空间结构和力学非均质性，深部岩石样品的获取也受限于储层地质条件和开发成本等诸多因素，限制了室内大规模多因素平行实验的开展。传统人造岩石制备方法工艺流程复杂，特别是具有复杂内部孔缝结构和几何外形的样品，制备精度难以准确控制，制备效率低下，成本相对较高。

2、近年来，砂型3d打印技术的发展为具有复杂内部结构和几何外形的岩石物理模型制备提供了一种有效替代方法。3d打印技术可以对具有复杂结构的物理模型实现高精度、高效率、定制化制备，该技术在岩石力学领域的应用得到了众多学者的广泛的关注。

3、由于砂型3d打印技术自身固有的限制，制备的3d打印岩石样品往往具有较低的强度和刚度，以及过高的孔隙度和渗透率，限制了其对于天然岩石的真实复制。目前，利用砂型3d打印制备的类岩石试样仅仅适用于模拟成岩程度低、颗粒胶结差、结构强度小的软弱疏松砂岩，无法模拟更多类型的天然岩石。

4、基于前述问题，本发明提出了一种真空热固化的砂型3d打印模型物理力学特性定量调控方法。

5、本方法对比了不同后处理材料，优选硅溶胶作为3d打印模型的后处理改性材料。利用真空饱和装置，通过真空饱和桶内外压差充分让硅溶胶溶液渗入3d打印模型内部，填充模型内部孔隙，提高颗粒堆积密度，从而达到有效提高强度和刚度，降低孔隙度和渗透率的目的。通过改变后处理真空饱和参数可以实现具有特定物理-力学性能的3d打印模型的定量调控，为拓展3d打印岩石的应用领域和前景提供技术支撑。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是：针对砂型3d打印岩石试样存在低强度、低刚度和高孔隙度、渗透率的不足，提供一种利用真空渗透饱和硅溶胶与热固化联合处理技术，从而实现砂型3d打印岩石试样物理-力学性能的定量调控。发明方法操作简单，试验效果显著，为砂型3d打印岩石在岩石力学和岩土工程中的应用前景提供技术支撑。

2、本发明提供了一种基于真空热固化的砂型3d打印模型物理力学特性定量调控方法，包括如下步骤：

3、步骤(1)，以呋喃树脂和无定形硅砂分别作为3d打印胶结剂和基材制备用于岩石力学实验的标准柱塞试样，采用标准打印参数和后处理程序完成测试样品制备，然后将所有样品置于室温条件下进行风干48h，保证样品物理力学参数的一致性。

4、步骤(2)，将烧杯放置在真空饱和桶中，烧杯中放置打印好的砂型3d打印岩石试样，加入硅溶胶溶液，并使溶液浸没试样，然后把与真空泵相连接的钢化玻璃盖上；

5、步骤(3)，检查盖子与真空饱和桶是否贴合且封闭，关闭其他阀门，打开真空泵开关和对应连接阀，抽出桶内空气，达到指定负压之后保持桶内处于真空环境10min-30min，让试样处于恒压饱和状态，通过试样内外压力差和毛细作用进行初步渗入；

6、步骤(4)，到达指定恒压饱和时间后，关闭真空泵和阀门，打开与外界大气相连接的阀门，通过反向大气压使溶液进一步渗入到试样的孔隙中；

7、步骤(5)，卸完负压之后，使试样静置5min-10min后，当试样表明无明显气泡产生后将其取出，最后擦去试样表明多余的溶液，放入恒温干燥箱中，采用75℃热固化12小时；

8、重复进行(1)～(4)步骤，实现具有不同循环饱和次数、真空饱和压力、饱和时间等后处理参数下样品的改性，实现不同物理-力学特性的调控。

1.一种基于真空热固化的砂型3d打印模型物理力学特性定量调控方法，其特征在于，该方法包括：

2.按照权利要求1所述的一种基于热固化后处理的3d打印岩石模拟材料物性定量调控方法，其特征在于：所述无定型石英砂其中值粒径介于140-150μm，3d打印层厚设置为200-500μm可调，制备所得3d打印岩石在结构和主要矿物成分上与天然砂岩类似，可以有效解决天然岩心强非均质性问题。

3.按照权利要求1所述的一种基于热固化后处理的3d打印岩石模拟材料物性定量调控方法，其特征在于：不同真空饱和压力、饱和时间、饱和次数、热固化温度和热固化时间均对3d打印岩石的后处理效果有影响，根据样品使用场景，通过调控后处理参数可以实现具有不同物理力学特性样品的调控。

4.按照权利要求1所述的一种基于热固化后处理的3d打印岩石模拟材料物性定量调控方法，其特征在于：所选用后处理硅溶胶具有强渗透性、快速分散性和高粘附性，可循环使用、处理成本低等优点。

5.按照权利要求1所述的一种基于热固化后处理的3d打印岩石模拟材料物性定量调控方法，其特征在于：考虑不同样品使用场景，还可进一步选用环氧树脂、聚丙烯酸用于真空渗入饱和固化填充样品孔隙，处理流程同上。