CN109291210A - 基于多尺度三维的人工石制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于多尺度三维的人工石制备方法，属于岩土试验领域。该方法包括步骤：S1：块石模版选择；S2：柔性模具制备；S3：柔性模具注浆；S4：柔性模具排气；S5：柔性模具脱模。给定人工石浆液配比和形态、尺寸的条件下，本发明能高效批量生成各种形态、多尺度的高精度人工石，解决当前人工石制作成本高昂，制备效率低，生成质量差，成品形态有限，且小尺寸人工石难以制备的问题。

Description

基于多尺度三维的人工石制备方法

技术领域

本发明属于岩土试验领域，涉及基于多尺度三维的人工石制备方法。

背景技术

高应力作用下，堆石料容易产生颗粒破碎现象，对其变形和强度特性产生较大影响。然而现实中天然堆石料的颗粒破碎率不易控制，且难以准确表述，为对颗粒破碎率进行准确定量的研究，当前多采用人工堆石料研究高应力下的堆石料和土石混合料颗粒破碎。除此之外土石混合体中块石的形态尺寸也对其变形和强度特性具有重要影响，但实际块石形态尺寸各异，难以定量分析研究，同样需采用人工石定量研究块石形态、尺寸对土石混合体的变形和强度影响。室内试验条件下，块石最大尺寸通常为试样直径的1/10～1/5，单个块石试样就需块石1000～2000块，整个试验过程中块石需求量极大。由上可以看出，批量精确制备特定形态、尺寸的人工石在堆石料及土石混合体颗粒破碎、变形，以及强度特性研究中具有重要意义。然而当前人工石制备方法生成精度低、生成质量差，生成效率低，仅能生成有限形态和尺寸，尤其是人工石制备成本高昂，难以满足正常室内试验开展的需求。为此，有必要开发一种能够生成各种形态、多个尺寸的高效、高精度人工石制备新方法来满足日益增长的堆石料、土石混合体试验需求。

当前3维人工石通常采用上下刚性模具批量浇筑或人工石3D逐个打印两种方法进行制备。上下刚性模具批量浇筑法首先根据块石三维形态制备上下刚性模具，然后在模具间倒入人工石浆液，最后人工石成型后脱模完成人工石制备，该方法人工石形态有限，且模具成本高、精度较差、效率较低。人工石3D打印法是根据已有的3D形态数据精确打印人工石的方法，该方法成本高，且受制于3D打印材料，当前还没有十分合适的类岩石材料进行3D打印。以上方法均无法满足当前的人工石室内试验需求。

1.人工石制备成本高

任意形态人工石的上下刚性模具加工难度大，需采用特定的机床进行加工，且刚性模具加工成本高昂，例如制备5mm球形人工石，尺寸的上下钢模具制作成本高达5000+人民币，同时人工石的形态单一，任意形态制备成本更高。而人工石3D打印随精度保证，但同样成本高昂，批量球形人工石3D打印的情况下，5mm球形人工石单颗打印成本在3元以上。

2.人工石制备质量差

上下刚性模具人工石制备过程中上下刚性模具难以准确闭合对齐，且模具间气泡难以排除，使得人工石生成精度低，且易出现孔洞，尤其是对尺寸5mm以下的人工石；同时上下刚性模具脱模过程易使得人工石承受较大的拉力而产生横向微裂纹，甚至最终断裂，这严重降低了人工石生成精度和效率并最终影响实验结果。虽然3D打印可以精确打印和生成各种形态，但受制于材料限制，类岩石3D打印材料极为稀少，当前可3D打印的材料仅现塑料、金属、陶瓷等，严重影响了人工石的类岩石性质。

3.人工石制备效率低

室内试验人工石需求量极大，一般需要10000～20000颗人工石，这需要能够批量制备人工石，然而如上所述上下刚性模具成本限制，单次人工石制备数量有限，且人工石制备方法成品效率极低，人工石气孔多、微裂纹多、模具分界面明显，1000制备好的5mm球形人工石中仅有10颗左右满足要求。而3D打印则只能逐个打印，生成效率自然也难以满足需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多尺度三维的人工石制备方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于多尺度三维的人工石制备方法，包括以下步骤：

S1：块石模版选择；

S2：柔性模具制备；

S3：柔性模具注浆；

S4：柔性模具排气；

S5：柔性模具脱模。

进一步，所述步骤S1具体为：选择人工石模版的尺寸、形态和材质，首先，对球、椭球等规则形态，采用常见易得的钢球、钢椭球等钢制规则形态；其次，对任意不规则形态，建模后采用3D打印生成其他材质的任意形态块石模版，材质密度需大于硅胶溶液；或直接选用天然块石作为模版。

进一步，所述步骤S2具体为：制备硅胶柔性人工石模具，首先，配置合适的柔性无气硅胶溶液，并将其倒入模具制备盒中；其次，将选择的块石模版，以足够的块石间距，逐一规则放入硅胶溶液中，块石模版密度大于硅胶溶液，块石最终沉入模具制备盒底部并排开硅胶溶液和底部模具制备盒接触；然后，待柔性硅胶凝固成型，将其从模具制备盒中取出，翻转柔性硅胶模具，排开硅胶溶液，单个块石顶存在小孔，最后依赖柔性模具的高拉伸性将块石由顶部小孔抠出。

进一步，所述步骤S3具体为：柔性模具的的人工石浆液注入，首先，根据人工石性能需求配置适当人工石浆液，同时为保证注浆效果，人工石浆液中的固体材料需过1mm细筛，以保证注浆过程顺畅；其次，设计x型排气注浆针孔，保证注浆时排气顺畅，减少注浆后模具内的残留空气；最后，从模具顶部小孔通过排气注浆针孔对柔性模具进行缓慢匀速的针孔注浆，直至浆液浆液从顶部小孔溢出，考虑浆液的干缩和模具内的空气残留，整个针孔注浆完成后，需在顶部小孔留有一定量的人工石浆液；

具体包括以下内容：

①注射型特定性能人工石浆液配置，用以保证人工石性能，以及注浆过程顺畅；

②X型排气注浆针孔设计，其中X型断面中间为X型注浆孔，针孔***柔性模具后，X型断面四周凹口与模具组成排气孔，保证注浆过程中空气排出；

③柔性模具针孔注浆，创造性的将浆液采用针孔缓慢匀速注入柔性模具，产生定点注浆效果以减少浆液的浪费，并减小模具内的空气残留。

进一步，所述步骤S4具体为：首先，将注浆后的柔性模具放入高频振动器中进行高频振动，高频振动不仅增加浆液流动性，而且浆液中的汽包振动排出；其次，将振动排气后模具，放入高压密闭罐，施加高围压，进而压缩空气，消除浆液内部微汽包；最后，高压24h养护至人工石初凝；

具体包括以下内容：

①高频振动排气，采用提高浆液流动性，并排出模具内残余气泡，

②高压消气，高围压消除浆液内部微汽包，最终提高人工石生成质量。

进一步，所述步骤S5具体为：首先，对单个人工石，利用柔性模具有很强的拉伸能力，直接从顶部小孔挤出；其次，对大量人工石，将柔性模具四周拉伸，依靠柔性模具与块石弹性模量的极端差异，自动脱开，再高频振动自重作用下批量取出人工石。

本发明的有益效果在于：

(1)基于柔性模具，开发可以生成多尺度、任意形态的3维高精度人工石制备方法，尤其是小尺寸和任意形态人工石制备，扩展现有人工石的形态、尺寸；

(2)基于柔性模具，开发批量高效、高质的人工石制备方法，提高当前人工石制备效率和制备质量，以满足日益增长的人工石试验需求。

(3)基于柔性模具，开发低成本、低能耗、低人工的绿色经济人工石制备方法，拓展人工石的普适性和环保绿色经济性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明关系图；

图2为多尺度玻璃球人工石模版示意图；

图3为柔性硅胶模具制作示意图；

图4为柔性硅胶模具针孔注浆示意图；

图5为柔性硅胶模具排气示意图；

图6为多尺度球形人工石成品图；

图7为真实形态块石与其人工石对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明分为5个部分：

(1)块石模版选择

选择制备人工石模版的尺寸、形态和材质，首先，对球、椭球等规则形态，采用常见易得的钢球、钢椭球等钢制规则形态；其次，对任意不规则形态，可以3D建模后采用3D打印生成其他材质的任意形态块石模版，3D打印材质密度需大于硅胶溶液；最后，也可直接选用天然块石作为模版。

(2)柔性模具制备

制备硅胶柔性人工石模具，首先，配置合适的柔性无气硅胶溶液，并将其倒入模具制备盒中；其次，将选择的块石模版，以足够的块石间距，逐一规则放入硅胶溶液中，因块石模版密度大于硅胶溶液，块石将最终沉入模具制备盒底部并排开硅胶溶液和底部模具制备盒接触；然后，待柔性硅胶凝固成型，将其从模具制备盒中取出，翻转柔性硅胶模具，即可发现由于排开硅胶溶液，单个块石顶存在小孔，最后依赖柔性模具的高拉伸性将块石由顶部小孔抠出；

(3)柔性模具注浆；

柔性模具的的人工石浆液注入，首先，根据人工石性能需求配置适当人工石浆液，同时为保证注浆效果，人工石浆液中的固体材料需过1mm细筛，以保证注浆过程顺畅。其次，设计X型排气注浆针孔，保证注浆时排气顺畅，减少注浆后模具内的残留空气；最后，从模具顶部小孔通过排气注浆针孔对柔性模具进行缓慢匀速的针孔注浆，直至浆液浆液从顶部小孔溢出，考虑浆液的干缩和模具内的空气残留，整个针孔注浆完成后，需在顶部小孔留有一定量的人工石浆液；

包括以下内容：

①注射型特定性能人工石浆液配置，用以保证人工石性能，以及注浆过程顺畅；

②X型排气注浆针孔设计，其中X型断面中间为X型注浆孔，针孔***柔性模具后，X型断面四周凹口与模具组成排气孔，保证注浆过程中空气排出；

③柔性模具针孔注浆，创造性的将浆液采用针孔缓慢匀速注入柔性模具，产生定点注浆效果减少了浆液的浪费，并减小了模具内的空气残留。

(4)柔性模具排气；

首先，将注浆后的柔性模具放入高频振动器中进行高频振动，高频振动不仅增加浆液流动性，而且可以将浆液中的气泡振动排出。其次，将振动排气后模具，放入高压密闭罐，施加高围压，进而压缩空气，消除浆液内部微气泡；最后，高压24h养护至人工石初凝；

包括以下内容：

①高频振动排气，采用提高浆液流动性，并排出模具内残余气泡，

②高压消气，高围压消除浆液内部微汽包，最终提高人工石生成质量。

(5)柔性模具脱模

首先，对单个人工石，由于柔性模具有很强的拉伸能力，可直接从顶部小孔挤出。其次，对大量人工石，将柔性模具四周拉伸，依靠柔性模具与块石弹性模量的极端差异，自动脱开，再高频振动自重作用下批量取出人工石；

可达到相同目的的其他替换方案：

第3部分中，如柔性模具中注浆孔尺寸远远大于注浆针孔，也直接选用普通圆截面针孔进行注浆，如注浆孔尺寸小于针孔时则必须采用排气注浆针孔进行注浆。

第4部分中，柔性模具排气，高频振动排气结合高压消气具有良好的排气效果，但对于大尺寸的人工石或条件有限的情况下，也可两者选其一作为柔性模具排气手段。

如图2所示，为制备3mm、5mm、7mm、9mm、11mm、14mm直径的6种球形人工石，用于室内堆石料、土石混合体试验。案例中选择3mm、5mm、7mm、9mm、11mm、14mm直径的玻璃球作为模版进行人工石制备，由于玻璃密度同样大于硅胶密度，因此玻璃珠也将完全沉入柔性模具模型盒底部，排开硅胶溶液与模型盒底部接触，也可以产生柔性模具顶部的注浆小孔。

配置柔性合适的硅胶溶液，案例选择硅胶：固化剂质量比为100：1，配置完成后需放入真空缸中抽取真空排出硅胶溶液中的空气。如图3的柔性模具制作示意图，首先将制备好的硅胶溶液倒入柔性模具制备盒中，硅胶溶液深度需大于人工石模版(玻璃珠)最大高度2mm，再将人工石模版(玻璃珠)逐一按照等间距a放入硅胶溶液中。随后，玻璃珠将逐渐沉入硅胶溶液中，排开硅胶溶液和模型盒底部接触，最终产生柔性模具顶部的注浆小孔。然后，待5h后硅胶凝固成型，将柔性硅胶模具从模具制备盒取出，反转后即可看见玻璃球与模具制备盒接触形成的小孔。最后，由于柔性硅胶具有良好的拉伸能力，可以如同皮肤上挤固体痘痘的形式，将玻璃球从小孔中挤出，进而完成了柔性硅胶模具的制备工作。制作完成的实际柔性硅胶模具，并设有注浆孔细部。

案例人工石浆液材料为白水泥，其白水泥：水的质量比为1：0.6，同样可以根据人工石性质需要，进行自定义配置，人工石材料没有限制。但人工石浆液配置前，需将固体状的白水泥进行研磨通过0.5mm细筛或更细的筛，以保证人工石浆液注射过程顺畅。

如图4所示，案例采用注射器作为注浆设备将人工石浆液注入柔性模具，先将浆液吸入注射器，然后缓慢匀速向柔性模具中进行针孔注浆，以免产生大量残留空气，注浆过程中模具内的空气将顺这注浆孔缓慢排出。考虑后期人工石浆液凝固干缩，以及模具内可能残余的空气，注浆后将在注浆孔上方刻意溢出一定量的浆液作为提前量。

如图5所示，将注浆完成后柔性模具，首先放置在混凝土振动台上进行高频振动，提供人工石浆液的流动性，进而将注浆后柔性模具内的残余空气排出，残余空气排出的过程中，注浆孔顶部预留的浆液将自动填入模具。然后，放入密闭缸中，有压力罐施加400kPa的高围压，高围压作用下，人工石浆液中的微气泡将自动消失，从而最终提高了人工石生成质量。最后，高压24h，待人工石浆液初凝完成，具有一定强度后进行下一步。

由于柔性模具有良好的拉伸性能，加之其与人工石材质性质差异明显，可无需脱模剂，直接将初凝完成的球形人工石从柔性模具的注浆小孔挤出，具有良好的操作性和环保经济适用性。

如图6所示，最终生成的3mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm球形白水泥人工石，可以看出生成的人工石具有很高的精度，同时由于柔性硅胶模具制作成本低廉，可反复使用。

如图7所示，左为真实块石，右为人工石，图7为对5mm真实块石进行高精度人工石制备，可以发现柔性模具可以精确的反映真实块石的细部特征，适用于任意复杂形态的人工石制备。

以上总的可以发现，基于柔性硅胶模具的多尺度高精度人工石制备方法，可以批量高精度高质量的制备任意形态、多个尺度的人工石。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.基于多尺度三维的人工石制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：块石模版选择；

S2：柔性模具制备；

S3：柔性模具注浆；

S4：柔性模具排气；

S5：柔性模具脱模。

2.根据权利要求1所述的基于多尺度三维的人工石制备方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：选择人工石模版的尺寸、形态和材质，首先，对球、椭球等规则形态，采用常见易得的钢球、钢椭球等钢制规则形态；其次，对任意不规则形态，建模后采用3D打印生成其他材质的任意形态块石模版，材质密度需大于硅胶溶液；或直接选用天然块石作为模版。

3.根据权利要求1所述的基于多尺度三维的人工石制备方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：制备硅胶柔性人工石模具，首先，配置合适的柔性无气硅胶溶液，并将其倒入模具制备盒中；其次，将选择的块石模版，以足够的块石间距，逐一规则放入硅胶溶液中，块石模版密度大于硅胶溶液，块石最终沉入模具制备盒底部并排开硅胶溶液和底部模具制备盒接触；然后，待柔性硅胶凝固成型，将其从模具制备盒中取出，翻转柔性硅胶模具，排开硅胶溶液，单个块石顶存在小孔，最后依赖柔性模具的高拉伸性将块石由顶部小孔抠出。

4.根据权利要求1所述的基于多尺度三维的人工石制备方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：柔性模具的的人工石浆液注入，首先，根据人工石性能需求配置适当人工石浆液，同时为保证注浆效果，人工石浆液中的固体材料需过1mm细筛，以保证注浆过程顺畅；其次，设计x型排气注浆针孔，保证注浆时排气顺畅，减少注浆后模具内的残留空气；最后，从模具顶部小孔通过排气注浆针孔对柔性模具进行缓慢匀速的针孔注浆，直至浆液浆液从顶部小孔溢出，考虑浆液的干缩和模具内的空气残留，整个针孔注浆完成后，需在顶部小孔留有一定量的人工石浆液；

具体包括以下内容：

①注射型特定性能人工石浆液配置，用以保证人工石性能，以及注浆过程顺畅；

②X型排气注浆针孔设计，其中X型断面中间为X型注浆孔，针孔***柔性模具后，X型断面四周凹口与模具组成排气孔，保证注浆过程中空气排出；

③柔性模具针孔注浆，创造性的将浆液采用针孔缓慢匀速注入柔性模具，产生定点注浆效果以减少浆液的浪费，并减小模具内的空气残留。

5.根据权利要求1所述的基于多尺度三维的人工石制备方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：首先，将注浆后的柔性模具放入高频振动器中进行高频振动，高频振动不仅增加浆液流动性，而且浆液中的汽包振动排出；其次，将振动排气后模具，放入高压密闭罐，施加高围压，进而压缩空气，消除浆液内部微汽包；最后，高压24h养护至人工石初凝；

具体包括以下内容：

①高频振动排气，采用提高浆液流动性，并排出模具内残余气泡，

②高压消气，高围压消除浆液内部微汽包，最终提高人工石生成质量。

6.根据权利要求1所述的基于多尺度三维的人工石制备方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：首先，对单个人工石，利用柔性模具有很强的拉伸能力，直接从顶部小孔挤出；其次，对大量人工石，将柔性模具四周拉伸，依靠柔性模具与块石弹性模量的极端差异，自动脱开，再高频振动自重作用下批量取出人工石。