[发明专利]一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法

说明书

技术领域

本发明属于混凝土结构无损细观检测及物理试验的技术领域，具体涉及一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法。

背景技术

鉴于混凝土材料在工程实践领域的广泛应用，针对其物理力学性能的深入研究具有重要的工程实践价值与理论指导意义。混凝土材料是具有复杂结构的非均质、多层次(微观、细观、宏观)复合材料体系，其宏观行为所表现的不规则、非线性等特征是其细微观结构复杂性的反映。而混凝土材料在不同自然环境以及荷载作用下，内部孔隙逐渐增大，材料越来越疏松，导致强度降低结构发生破坏，这得到了大量试验的证实。混凝土材料内部的孔隙及微裂纹等内部缺陷与其宏观力学行为和耐久性有着密切的联系。因此，混凝土孔隙结构的分布及变化研究极为重要。然而目前针对混凝土孔隙的研究也局限于建立计算机数字模型，未能实现孔隙结构的三维实体化研究。阻碍了从根本上解决混凝土材料在不同自然环境和荷载作用下的孔隙的变化特征对材料破损机理的影响问题。

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础、运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的新型的快速成型技术。该技术被称为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，在产品设计、建筑、航空航天、医学、教育等领域已经得到了相当广泛的应用。它将为成为直观展示混凝土孔隙结构分布及变化的技术平台。同时，3D打印试件独有的力学及光学特性为今后开展应力冻结试验奠定了坚实的基础，为深入研究混凝土材料物理力学特性提供了全新的途径。目前，3D打印技术还没有应用于此类问题的研究。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的实体化方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于3D打印的混凝土孔隙结构模型的方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)利用CT机对混凝土试件进行逐层扫描，获取混凝土试件的多幅二维断层扫描图像；

2)将步骤1)所得二维数字图像数据以DICOM格式导入MIMICS软件，对所述多幅二维断层扫描图像进行阈值分割,获取混凝土试件的孔隙和含孔隙的混凝土试件数字模型；

3)将数字模型输入3D打印机，完成混凝土试件的孔隙和含孔隙的混凝土试件数字模型的打印试件制作；

4)将打印试件同步进行加载及应力冻结试验。

利用打印材料特有的应力冻结特性，在加载过程中对打印试件进行应力冻结，可获得反应试件内部应力状态。

作为优选，所述步骤1)中，对混凝土试件进行CT扫描时，选择间距为0.5mm进行连续扫描。

所述应力冻结试验按照以下参考文献进行：

《基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法》，鞠杨，谢和平等，《中国科学》，2014年，第59卷，第32期：3109～3119。

作为优选，所述步骤2)包含以下子步骤：

步骤2a，设定混凝土试件中孔隙的阈值范围，根据设定的阈值范围分别对所述多个二维断层扫描图像进行阈值分割，得到孔隙的多幅二维断层扫描图像；

步骤2b，对所述孔隙和其他实体的多幅二维断层扫描图像分别进行三维结构模型重建，得到混凝土试件的三维模型文件。

进一步地，步骤2a中，所述孔隙的最佳阈值范围为-297Hu～1374Hu。

作为优选，所述步骤3)孔隙部分打印材料为支撑网格材料，而打印试件除孔隙部分的其它实体材料是以多种光聚物材料为基础，按特定配合比合成的复合材料，该复合材料具有应力冻结特性。

作为优选，所述步骤3)孔隙与除孔隙部分的其它实体采用不同的打印疏密程度，并结合基材自身密度实现对孔隙与除孔隙部分的其它实体的区分。

作为优选，所述步骤3)中相应的复合材料结合UV光固化三维打印技术是按数据文件设定采用UV光线照射打印材料，均匀逐层成型有选择性的完成打印试样制作。