蔣力帥 ，王鑫哲 ，徐 清,2 ，徐嘉嶸 ，劉光生

（1.山東科技大學 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地, 山東 青島 266590；2.煙臺黃金職業(yè)學院 資源與土木工程系, 山東 煙臺265401；3.北京礦冶科技集團有限公司, 北京 100160）

0 引 言

受沉積作用影響，煤礦巷道圍巖普遍巖性軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育，煤巖、泥巖等軟巖巷道圍巖控制一直是關(guān)乎煤礦安全生產(chǎn)的重要問題。隨著淺部煤炭資源日益枯竭，深部開采已成為煤炭開采的常態(tài)，深部復雜地質(zhì)力學環(huán)境使得軟巖力學特性與工程表現(xiàn)愈加復雜，給深部煤礦巷道圍巖控制提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。物理試驗是軟巖力學研究中的重要基礎(chǔ)手段之一，由于軟巖在力學、結(jié)構(gòu)等方面的特殊性，開展軟巖室內(nèi)力學試驗存在以下瓶頸[1-4]：①工程中軟巖通常節(jié)理裂隙發(fā)育顯著，對圍巖穩(wěn)定性影響極大。通過對現(xiàn)場所得的巖心進行CT 掃描，可知即使是經(jīng)過加工得到的完整巖樣，內(nèi)部也有大量空間分布各異的孔洞、節(jié)理、裂隙等缺陷。而部分軟巖原巖因強度低、完整性差，無法通過水力割縫、物理切割等手段獲得含可控缺陷的試樣[5-6]；因此國內(nèi)外學者常采用石膏等類巖石材料通過澆筑-抽條法制備預(yù)制節(jié)理試樣[7-9]，但該方法無法制備含復雜結(jié)構(gòu)或復雜形狀缺陷的試樣，且當試樣的缺陷位于內(nèi)部時同樣無法制備，因此，較難真實反映含復雜節(jié)理巖體的力學特征和裂隙發(fā)育的圍巖狀態(tài)。②由于內(nèi)部礦物顆粒、結(jié)構(gòu)缺陷等的非均勻分布，天然巖石具有較強的各向異性，該特性在軟巖中體現(xiàn)更為顯著。加之室內(nèi)壓縮、拉伸、剪切、動態(tài)沖擊等巖石力學試驗多為破壞性試驗，試樣在試驗后大多發(fā)生破壞，無法進行重復試驗，或?qū)ν耆嗤脑嚇舆M行不同加載方式、加載路徑的試驗，造成了試驗結(jié)果的離散性和不確定性。因此，如何高效、精確、可重復地制備與軟巖力學特性與結(jié)構(gòu)特性相符試樣，是突破傳統(tǒng)軟巖力學試驗瓶頸的關(guān)鍵。

近年來，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于巖石力學領(lǐng)域試驗研究得到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。鞠楊等[10]運用CT 成像、三維重構(gòu)和光固化立體成型（SLA）3D打印技術(shù)制備含復雜裂隙的天然煤巖模型，直觀地顯示了荷載作用下裂隙煤巖內(nèi)部的應(yīng)力場分布，進而提出了巖石災(zāi)變非連續(xù)結(jié)構(gòu)與物理場效應(yīng)透明解析與推演；江權(quán)等[11]采用石膏粉末層噴頭型和熔融沉積型（FDM）2 種3D 打印技術(shù)，以石膏粉末為材料制作了含孔洞、裂隙的模型試樣和隧道物理模型；JIANG 等[12-13]采用FDM 工藝和聚乳酸塑料（PLA）制作了不同節(jié)理特征的巖石試樣； GOMEZ[14]、VOGLER[15]、田威等[16-17]、筆者[18]等采用砂巖粉末作為基質(zhì)材料，經(jīng)過BJT 工藝制作試樣并開展單軸壓縮及巴西劈裂試驗，發(fā)現(xiàn)此類型3D 打印試樣在單軸抗壓強度、彈性模量等關(guān)鍵力學參數(shù)和破壞形式上均與天然巖石接近。

作為類巖石材料，經(jīng)過3D 打印成型的試樣基本彈塑性力學特性是否與所模擬的巖性相符或相近，是應(yīng)用這一手段開展巖石力學相關(guān)研究的重要前提與基礎(chǔ)。3D 打印所制備的試樣受基質(zhì)（材料、粒徑等）、黏結(jié)劑（用量、飽和度等）、打印參數(shù)（層厚、方向等）等眾多因素影響，近年來引起了國內(nèi)外學者的重視[19-20]。PRIMKULOV B 等[21]探討了固化溫度對糠醇樹脂和砂基巖石類似物的影響；KEVIN 等[22]通過對打印試樣進行硅烷處理，顯著提高了3D 打印砂巖的自吸水性；TIAN 等[23]研究高溫作用下砂型3D打印試樣的力學性能和裂紋擴展模式。

綜上可知，國內(nèi)外學者已將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于巖石力學試驗領(lǐng)域的模具制作、試樣制備、模型打印等領(lǐng)域。但針對適合模擬軟巖的砂型3D 打印技術(shù)，在通過改變打印材料、參數(shù)，研究其對成型試樣力學特性的影響等方面，還鮮有探索?；谖⒌螄娚渖靶?D 打印技術(shù)，通過力學試驗、聲發(fā)射監(jiān)測、電鏡掃描等手段，研究不同類型砂粉和不同黏結(jié)劑飽和度對類軟巖試樣的力學特性的影響規(guī)律及機理，旨在深入全面地探究該技術(shù)在用于軟巖物理模擬上的適用性和優(yōu)化依據(jù)，為精確、科學地還原具體工程條件的軟巖力學特性提供重要依據(jù)。

1 砂型3D 打印技術(shù)與試驗設(shè)計

1.1 砂型3D 打印技術(shù)概況及原理

砂型3D 打印工藝采用三維粉末黏結(jié)技術(shù)（BJT），選用顆粒粒徑適宜的砂粉為原料，由電腦系統(tǒng)和電信號控制的噴頭在指定區(qū)域微滴噴灑特定飽和度的樹脂黏結(jié)劑，將目標試樣黏合堆疊成型。以打印長方體或圓柱體試樣為例，具體打印流程如圖1 所示：首先，送粉輥將粉缸中的砂粉材料在工作臺面上預(yù)鋪一定的厚度，之后計算機控制系統(tǒng)依據(jù)模型的截面切片控制噴頭在工作平面上移動并噴射黏結(jié)劑，粘住特定區(qū)域的粉末完成試樣的第一個層面；等待砂子聚集成層硬化，工作平臺下降一個層厚的高度、送料缸上升，送粉輥再一次鋪粉，噴頭進行新一層面噴射固化的同時完成與上一層面的粘接，重復上述步驟，按照鋪一層砂粉、噴一層黏結(jié)劑的順序逐層打印，實現(xiàn)3D 模型到實體的轉(zhuǎn)換，打印成型后的試樣需要埋藏在粉末堆中進行固化成型。

圖1 試樣打印過程Fig.1 3D printing process

1.2 試驗方案

根據(jù)砂型3D 打印技術(shù)原理可知，打印過程中作為基質(zhì)的砂粉和黏結(jié)劑對打印成型的試樣力學特性具有重要影響，其都將影響到3D 打印試樣用于模擬強度較低、孔隙率較大、膠結(jié)效果較差的軟弱巖石和其他巖石的效果。如圖2 所示，采用Easy3DP-S500微滴噴射砂型打印系統(tǒng)，選用圖3 中4 種不同特性的砂粉基質(zhì)（寶珠砂、石英砂、硅砂、GS19 砂）和不同飽和度（25%、50%、75%、100%）的呋喃樹脂黏結(jié)劑，探究砂粉特性與黏結(jié)劑飽和度對類巖石試樣力學特性的影響規(guī)律。試樣尺寸為50 mm × 50 mm ×100 mm（長×寬×高），每組試驗打印4 塊試樣，分別以砂粉類型和黏結(jié)劑飽和度為研究變量設(shè)計A、B 兩組試驗，具體試驗設(shè)計方案見表1，其中試驗A 為不同類型砂粉，試驗B 為不同黏結(jié)劑飽和度。

表1 試驗設(shè)計方案Table 1 Experimental design scheme

圖2 打印設(shè)備Fig.2 3D printing equipment

圖3 打印材料Fig.3 3D printing materials

2 不同類型砂粉對3D 打印試樣力學特性影響規(guī)律

針對打印前期材料的選擇展開試驗研究，為了進一步分析打印材料對試樣力學特性影響，比較采用何種類型砂粉的試樣能夠在室內(nèi)試驗研究中更好地替代天然煤巖試樣，分別對4 種打印試樣開展單軸壓縮試驗和電鏡掃描試驗，獲取試樣的單軸抗壓強度及微觀結(jié)構(gòu)特征。

2.1 不同類型砂粉對試樣力學特性的影響

本次單軸壓縮試驗在山東科技大學礦山災(zāi)害預(yù)防控制實驗室RLJW-2000 巖石伺服試驗機上進行，試驗采用位移控制方式加載，加載速率為0.3 mm/min，如圖4 所示。

圖4 試驗設(shè)備與配置Fig.4 Loading device

對由不同砂粉作為基質(zhì)打印成型的試樣進行單軸壓縮試驗，經(jīng)計算可得各砂粉類型的單軸抗壓強度樣本方差分別為寶珠砂（0.13）、寶珠砂（0.11）、GS19 砂（0.16）、硅砂（0.11），可見關(guān)于給定的各砂粉類型的樣本數(shù)據(jù)散步特征穩(wěn)定平衡，隨后選取各組試驗結(jié)果中具有代表性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。由圖可知，雖然各類砂粉為基質(zhì)打印成型的試樣在單軸壓縮作用下都經(jīng)歷了明顯的壓密、彈性變形、局部變形、破壞4 個階段，但其強度與變形特征、峰后特性等方面均存在較大差異（圖5）。強度特征方面，硅砂和GS19 砂試樣單軸壓縮強度分別為7.16 MPa 和6.51 MPa，顯著高于石英砂和寶珠砂試樣（分別為4.45 MPa 和3.60 MPa），可見砂粉類型對成型試樣的強度特性有顯著影響，在同樣打印參數(shù)和黏結(jié)劑屬性的前提下，僅選用不同類型的砂粉，則能使試樣強度提高近2 倍；變形特征方面，由硅砂、GS19 砂和石英砂試樣的極限軸向應(yīng)變相差不大，分別為0.98×10-2、0.83×10-2和0.99×10-2，均明顯大于寶珠砂試樣的極限應(yīng)變0.62×10-2，計算可得不同砂粉試樣的彈性模量從大到小分別為：GS19 砂（0.81 GPa）、硅砂（0.79 GPa）、寶珠砂（0.50 GPa）、石英砂（0.45 GPa），可見砂粉類型對試樣的變形特性也有顯著影響；峰后特性方面，石英砂和寶珠砂試樣峰后呈現(xiàn)明顯的延性特征，而硅砂和GS19 砂試樣峰后表現(xiàn)出的顯著脆性則更符合單軸壓縮條件下巖石的脆性破壞特征。

圖5 不同打印材料試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of specimens with different materials

通過上述分析可知，硅砂在強度特性、變形特征以及彈塑性特征方面，都能夠更好地模擬軟巖力學特性[19-20]。同時課題組先前用硅砂作為砂粉基質(zhì)，對所打印試樣進行三軸壓縮、間接拉伸等巖石力學試驗，對砂型3D 打印試樣與天然煤樣（取自梁寶寺煤礦）的抗拉強度、內(nèi)摩擦角等參數(shù)進行測定，試驗測定結(jié)果見表2[24]。

表2 3 D 打印試樣與天然煤樣力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of 3D printing specimen and coal specimen

試驗結(jié)果表明，以硅砂作為基質(zhì)的3D 打印試樣與石膏等類巖石材料的強度相比雖略低于煤樣，但整體的彈塑性力學特征較為相似，加之其在制作含復雜結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部缺陷巖體模型的不可替代性，故硅砂在砂型3D 模擬軟巖力學特性方面具備充分可行性。

采用不同類型砂粉為基質(zhì)制備的試樣在單軸壓縮條件下的破壞形式如圖6 所示，4 種砂粉材料制備的試樣在破壞時基本呈現(xiàn)出剪切破壞和張拉破壞。單軸抗壓強度最低的寶珠砂試樣的破壞方式區(qū)別于其余3 種強度較大的砂型試樣，表現(xiàn)為完全的張拉破壞，僅在加載面上有部分小碎塊掉落；石英砂、GS19 砂和硅砂試樣在破壞時可觀察到與加載方向成一定夾角的剪切裂紋貫穿整個試樣，破壞形式以剪切破壞為主。

圖6 不同打印材料試樣的單軸壓縮破裂形式Fig.6 Uniaxial compression fracture forms of specimens with different materials

2.2 不同類型砂粉對試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

在試樣的宏觀力學特性與破壞形式的基礎(chǔ)上，為進一步從微觀尺度觀察并揭示不同類型砂粉對試樣力學特性的影響機理，采用APREO 高分辨率電子顯微鏡對各組試樣破壞斷口處的切片進行顯微拍攝，得到不同類型砂粉試樣的斷面形貌如圖7 所示。

圖7 試驗用砂型試樣電鏡掃描圖像Fig.7 Electron microscopy of the test sand specimen

電鏡掃描作為一種重要的手段被廣泛應(yīng)用于材料研制以及參數(shù)優(yōu)化，能夠很好的反映材料的細觀結(jié)構(gòu)和力學特性的細觀變化規(guī)律[25-26]。圖7 為4 種類型砂粉在掃描電子顯微鏡下放大200、500、1 000 倍后的顯微結(jié)構(gòu)圖像，可以看出不同類型的砂粉微觀特征差異顯著。相比其他類型的砂粉，寶珠砂顆粒相對圓潤且顆粒大小、排列均勻（圖7a），從而降低了顆粒間與顆粒-黏結(jié)劑之間的摩擦力，宏觀表現(xiàn)為低強度和圖6 中的張拉劈裂破壞；石英砂顆粒呈不規(guī)則扁平狀（圖7b），粒徑大小不均勻，在高度顯微鏡下可以明顯發(fā)現(xiàn)有未被粘結(jié)填充的孔隙，這也是石英砂試樣在單軸壓縮下初始壓密階段應(yīng)變顯著的微觀層面的原因；強度較高的GS19 砂（圖7c）和硅砂（圖7d）顆粒細觀特征為形狀不規(guī)則、粒徑相近、分布密集，使得砂粉顆粒之間空隙較少、接觸面與摩擦阻力增加，在微滴噴射的黏結(jié)劑作用下易形成較為致密的材料，這也是其單軸抗壓強度明顯高于石英砂和寶珠砂的重要原因之一。

綜上可知，盡管各類砂粉均能作為類巖石試樣的基質(zhì)材料，但砂粉類型的不同直接且顯著地影響成型試樣的物理力學特性和破壞特征。因此，需要針對模擬目標的巖性和力學特性，測試并優(yōu)化選擇合適的砂粉類型，確保3D 打印成型試件能夠較為科學合理的模擬目標巖石的物理力學特性。

3 黏結(jié)劑飽和度對3D 打印試樣力學特性的影響

黏結(jié)劑飽和度是指3D 打印過程中每層噴灑的黏結(jié)劑用量，即所占最大噴墨量的百分比，由3D 打印機自帶的計算機控制系統(tǒng)改變黏結(jié)劑飽和度來調(diào)整試樣內(nèi)部黏結(jié)劑用量。通過參考國內(nèi)外學者對3D 打印的研究，并綜合考慮粘結(jié)性、耐熱性等性能，將呋喃樹脂作為黏結(jié)劑進行研究[16-18]。因此，為探究黏結(jié)劑飽和度對試樣力學特性的影響，本次試驗采用了4 種黏結(jié)劑飽和度，分別為25%、50%、75%和100%，配合硅砂作為基質(zhì)，進行單軸壓縮試驗，并配合數(shù)字散斑、聲發(fā)射監(jiān)測，實現(xiàn)對試樣變形和破壞演化特征的動態(tài)分析（圖8）。

圖8 不同黏結(jié)劑飽和度成型試樣Fig.8 Specimens with different binder saturation level

3.1 不同黏結(jié)劑飽和度對試樣力學特性的影響

在砂型3D 打印中，黏結(jié)劑飽和度直接影響了黏結(jié)劑的膠結(jié)效果。經(jīng)計算，在本次試驗中，黏結(jié)劑飽和度分別為25%、50%、75%、100%的試樣內(nèi)部黏結(jié)劑占試樣總體積分別為0.94%、1.87%、2.81%、3.74%。不同黏結(jié)劑飽和度成型試樣如圖9 所示。

圖9 不同黏結(jié)劑飽和度試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of specimens with different binder saturation level

對由不同黏結(jié)劑飽和度打印成型的試樣進行單軸壓縮試驗，所得試驗結(jié)果見表3，結(jié)合2.1 節(jié)中不同砂粉類型樣本方差反應(yīng)所反映的數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和表3，對不同砂粉類型和不同黏結(jié)劑飽和度所制備的完整試樣進行單軸壓縮試驗并對其單軸抗壓強度進行分析，可發(fā)現(xiàn)其強度的離散性較低，并且劉泉聲等[19]以及Primkulov 等[21]的試驗結(jié)論也表明了3D 打印技術(shù)所制備試樣的離散性較低，力學性質(zhì)較為穩(wěn)定。每組4 個試件的單軸壓縮強度離散性較小，表明該方法制備得類巖石試件力學特性相對穩(wěn)定。選取各組試驗結(jié)果中具有代表性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示，可知相同砂粉類型（硅砂）作為基質(zhì)的前提下，黏結(jié)劑飽和度的變化對試樣的力學特性影響極為顯著。在強度特征方面，黏結(jié)劑飽和度為25%、50%、75%、100%的硅砂試樣單軸壓縮強度平均值分別為3.06、5.23、9.16、15.49 MPa，隨著黏結(jié)劑飽和度由25%提高至100%，試樣單軸壓縮強度提升了5 倍；變形特征方面，25%、50%、75%黏結(jié)劑飽和度試樣極限軸向應(yīng)變相差較小，分別為0.9×10-2、0.7×10-2、0.8×10-2，都明顯小于100%黏結(jié)劑飽和度試樣的極限應(yīng)變1.3×10-2，計算可得試樣彈性模量見表2，隨黏結(jié)劑飽和度的增加依次為0.38、0.42、70.84 和0.88 GPa，最大提升了231.6%，可見黏結(jié)劑飽和度對試樣的變形特性也有顯著影響；峰后特性方面，4 種黏結(jié)劑飽和度試件雖都在破壞后應(yīng)力發(fā)生驟降，呈現(xiàn)出明顯脆性破壞特征，排除了寶珠砂、石英砂基質(zhì)試樣呈現(xiàn)出的不符合軟巖破壞的延性特征。

表3 不同黏結(jié)劑飽和度試樣力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of samples with different binder saturation

3.2 不同黏結(jié)劑飽和度對聲發(fā)射特征的影響

聲發(fā)射監(jiān)測能夠以彈性波的形式反映巖樣受載過程中單元間損傷演化、裂紋擴展和失穩(wěn)破裂的過程[27-28]。本節(jié)通過分析聲發(fā)射事件能量、全過程累計能量和累計振鈴計數(shù)3 個參數(shù)，結(jié)合應(yīng)力-時間曲線對不同黏結(jié)劑飽和度試樣的損傷破裂規(guī)律進行分析。圖10 為不同黏結(jié)劑飽和度試樣應(yīng)力-時間以及對應(yīng)的聲發(fā)射能量、累計振鈴計數(shù)曲線。

圖10 應(yīng)力時間以及對應(yīng)的聲發(fā)射能量、累計振鈴次數(shù)曲線Fig.10 Evolution of AE parameters with stress-time curves for specimens

從圖10 中可以看出，不同黏結(jié)劑飽和度對試樣損傷破裂特征有顯著影響。累計振鈴次數(shù)方面，隨著黏結(jié)劑飽和度的增加，累計振鈴總數(shù)的峰值從黏結(jié)劑飽和度25%試樣對應(yīng)的3.72×104次增長到黏結(jié)劑飽和度100%試樣的7.51×105次，增幅為20 倍作用，且在試樣進入屈服階段后，黏結(jié)劑飽和度100%試樣較其他3 種的累計振鈴次數(shù)有更明顯的驟增趨勢，這是由于試樣內(nèi)部材料強度低的部分逐步屈服破壞失去承載能力，材料強度相對高的地方也需要更高應(yīng)力陸續(xù)屈服破壞，裂隙逐漸擴展，表現(xiàn)為聲發(fā)射振鈴計數(shù)的大幅度增加[29]；累計能量方面，黏結(jié)劑飽和度為25%、50%、75%、100%的試樣累計能量隨黏結(jié)劑飽和度增加依次增加，分別為23 169、183 892、236 307、451 785 V·ms，呈線性相關(guān)關(guān)系，與3.1 節(jié)中黏結(jié)劑飽和度對試樣強度的影響規(guī)律相同；從單個聲發(fā)射試件的能量波動方面，黏結(jié)劑飽和度25%試樣（圖10a）在初始壓密階段即發(fā)生了大量高能量事件，部分高事件的能量達到整個加載過程中單個事件能量峰值的1/4，說明試樣在該階段發(fā)生了大量內(nèi)部顆粒壓密、碰撞、摩擦等產(chǎn)生聲發(fā)射信號的力學行為，該特征在其他3 種試樣中未有發(fā)現(xiàn)。

通過對上述聲發(fā)射特征信息的對比可以看出，黏結(jié)劑飽和度不僅直接影響試樣強度，還對試樣加載過程中的內(nèi)部損傷破裂特征就較大影響。

3.3 不同黏結(jié)劑飽和度試樣微觀結(jié)構(gòu)特征與影響機理分析

為進一步從微觀尺度觀察并揭示不同黏結(jié)劑飽和度對試樣力學特性的影響機理，采用APREO 高分辨率電子顯微鏡對各組試樣破壞斷口處的切片進行顯微拍攝，得到不同黏結(jié)劑飽和度試樣的斷面形貌如圖11 所示。

圖11 不同黏結(jié)劑飽和度試樣電鏡掃描圖像Fig.11 Electron microscope scan images of specimens with different binder saturation

通過觀察不同黏結(jié)劑飽和度試樣放大500 和1 000 倍下的微觀結(jié)構(gòu)可以看出，當黏結(jié)劑飽和度為25%時，砂粉顆粒分明，顆粒間空隙明顯；當黏結(jié)劑飽和度提升到50%時，出現(xiàn)部分顆粒粘合現(xiàn)象；隨著黏結(jié)劑飽和度繼續(xù)提高，砂粉顆粒間粘結(jié)愈加明顯，顆粒間空隙被黏結(jié)劑填充而顯著縮小，相鄰砂粉顆粒在黏結(jié)劑作用下相互粘合形成塊度較大的塊體。該現(xiàn)象很好地揭示了第3.1 節(jié)中不同黏結(jié)劑飽和度對試樣的強度和變形特性的影響機理：當黏結(jié)劑飽和度較低時，砂粉顆粒間粘合不充分，顆粒間空隙較多，呈現(xiàn)典型的微散體結(jié)構(gòu)特征，此時試樣的宏觀強度和破壞主要由砂粉顆粒間摩擦力決定；隨著黏結(jié)劑飽和度提升，試樣中黏結(jié)劑含量提升，微小的砂粉顆粒在大量黏結(jié)劑作用下彼此重復粘合，不再呈現(xiàn)單個砂粉顆粒排布的形式，而是形成粒徑更大的“顆粒塊”，此時試樣的宏觀強度和破壞主要由“顆粒塊”之間的摩擦力、砂粉顆粒與黏結(jié)劑的粘合力等作用力共同確定，因此使得黏結(jié)劑飽和度100%的試樣單軸壓縮強度達到了飽和度25%試樣的5 倍。

綜上所述，黏結(jié)劑作為3D 打印過程中的重要材料之一，其飽和度的差異直接在微觀層面左右了打印試樣的材料特性，進而表現(xiàn)為宏觀的力學特性和破壞形式的差異。因此，在打印準備工作時，需事先對比測試并選取適宜的黏結(jié)劑飽和度，確保打印結(jié)果能夠近似的模擬目標巖石。

4 討 論

經(jīng)過國內(nèi)外學者近幾年的研究表明[30-32]，砂型3D 打印成型試件（常規(guī)打印材料和參數(shù)配置）雖然通常強度略低于混凝土等類巖石材料，但具有彈塑性力學特性相近、能夠制作復雜缺陷、特性穩(wěn)定、不需進行長時間養(yǎng)護等優(yōu)點，已被普遍認為是模擬軟巖的適宜類巖石材料。圖12 為不同黏結(jié)劑飽和度硅砂試樣與國內(nèi)不同煤礦現(xiàn)場所取樣的軟弱煤巖樣強度對比。由圖可知，通過改變砂粉類型和黏結(jié)劑飽和度，能夠讓打印成型的試樣與目標現(xiàn)場軟弱煤巖樣的力學特性高度近似。

圖12 不同黏結(jié)劑硅砂打印試樣與軟弱煤巖應(yīng)力應(yīng)變曲線對比Fig.12 Comparison of stress-strain curve of same binder silica sand printed specimen and coal rock

國內(nèi)外學術(shù)界針對混凝土、石膏等類巖石材料的配比和力學特性優(yōu)化研究已開展了數(shù)十年乃至上百年，而砂型3D 打印作為新興技術(shù)與工藝，所得試樣受基質(zhì)（材料、粒徑等）、黏結(jié)劑（用量、飽和度等）、打印參數(shù)（層厚、方向等）等眾多因素影響，有必要對其進行詳細全面的研究，方能有效揭示該技術(shù)在制備類巖石試樣的極限強度范圍和用以模擬目標巖石的適用性，從而為裂隙巖體力學物理試驗研究提供重要的手段與方法。現(xiàn)階段由于是改變材料和參數(shù)的研究暫不適合添加宏觀理論模型，今后在全面揭示了各影響因素之后，會考慮用宏觀理論模型來建立成型參數(shù)最優(yōu)化預(yù)測模型。

針對裂隙圍巖現(xiàn)場工程問題，在本文及相關(guān)研究基礎(chǔ)上，采用3D 打印技術(shù)可形成如圖13 的研究流程圖。針對某一具體現(xiàn)場工況，對所取得巖心進行CT 掃描，獲取其內(nèi)部裂隙特征并重構(gòu)為三維數(shù)字模型（圖14），開展相應(yīng)力學試驗獲取煤巖力學特性，通過3D 打印技術(shù)制作符合其內(nèi)部裂隙特征的類煤巖試樣并進行力學試驗[10]，若打印試樣的力學特性與真實煤巖不符，則重新優(yōu)化打印材料、黏結(jié)劑、參數(shù)等，直至所得試樣的力學特性與煤巖相符，后可根據(jù)工程需要對指定煤巖特性的類巖石試樣進行大量打印制備，用于開展不同加載路徑、改變試樣尺寸用于剪切、巴西劈裂、沖擊試驗等不同類型的試驗；或制備裂隙巖體試樣，用于研究裂隙巖體力學特性，為裂隙圍巖穩(wěn)定性分析、支護設(shè)計等提供科學依據(jù)。

圖13 基于3D 打印的裂隙圍巖工程研究技術(shù)路線Fig.13 Technical route of fractured rock engineering based on 3D printing

圖14 基于天然煤巖CT 掃描的裂隙煤巖3D 打印模型Fig.14 3D printed model of fractured coal rock based on CT scanning

5 結(jié) 論

1）不同類型砂粉對成型試樣的強度和變形特征均有顯著影響。硅砂在峰值強度以及彈性模量方面，都具備優(yōu)異的力學特性；因此，硅砂在強度特性、變形特征以及彈塑性特征方面，都能夠更好地模擬軟巖力學特性。

2）4 種類型砂粉3D 打印試樣隨強度的增大，破壞形式由張拉破壞發(fā)展為剪切破壞。細觀尺度下，不同類型的砂粉微觀特征差異顯著：強度較低的石英砂和寶珠砂顆粒均一、排列均勻、孔隙大，而強度較高的硅砂和GS19 砂形狀不規(guī)則、分布密集，顆粒間空隙較少、接觸面與摩擦阻力增加，在微滴噴射的黏結(jié)劑作用下易形成較為致密的材料，是其單軸抗壓強度明顯高于石英砂、寶珠砂的重要原因之一。

3）黏結(jié)劑飽和度的變化對試樣的力學特性影響極為顯著，黏結(jié)劑飽和度與試樣強度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著黏結(jié)劑飽和度由25%提高至100%，試樣單軸壓縮強度提升了5 倍；變形特征方面，100%硅砂試樣極限應(yīng)變明顯高于其余3 種試樣，且彈性模量隨黏結(jié)劑飽和度的增加而增大；聲發(fā)射特征方面，不同黏結(jié)劑飽和度對試樣的損傷破裂特征表現(xiàn)為累計振鈴次數(shù)隨黏結(jié)劑飽和度的增加，前后增大近20 倍；累計能量與黏結(jié)劑飽和度增加呈正相關(guān)。

4）通過對不同黏結(jié)劑飽和度試樣細觀特征和機理分析可知，當黏結(jié)劑飽和度較低時，砂粉顆粒分明，顆粒間空隙明顯；隨著黏結(jié)劑飽和度提升，試樣中黏結(jié)劑含量提升，微小的砂粉顆粒在大量黏結(jié)劑作用下彼此重復粘合，形成粒徑更大的“顆粒塊”，此時試樣的宏觀強度和破壞主要由“顆粒塊”之間的摩擦力、砂粉顆粒與黏結(jié)劑的粘合力等作用力共同確定。