[发明专利]基于多尺度三维的人工石制备方法

说明书

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。

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；