[发明专利]一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土及其配制方法

说明书

发明提供一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土及其配制方法。该透明土包括透明固体材料和孔隙液体。所述透明固体材料采用3D打印的透明土颗粒。所述孔隙液体采用小分子苯甲基硅油和正十二烷的混合液。该透明土的配制方法包括对模拟岩土材料的透明土颗粒进行三维建模、打印透明土颗粒、喷涂光油、混配孔隙液体等步骤。透明土制配方法操作简便，易于实现。制成的人工合成透明土透明效果良好，可有效用于岩土工程中的模型试验。

技术领域

本发明涉及岩土工程可视化模型试验技术领域，特别涉及一种3D打印透明土颗粒材料的实验方法。

背景技术

土体变形测量是土力学研究的重要基础之一，传统的室内模型试验测量通过土体内部埋设传感器的方式受传感器尺寸以及土体边界区域的变形影响。

为了实现对土体内部的变形、渗流等可视化研究，开发了透明土实验。现有的透明土一般是由两种材料组成，即透明土颗粒和具有相应折射率的孔隙流体，因为这两种材料具有相同或相近的折射率，光线不经过折射就可以穿过，所以这种“土”是透明的。

天然土体颗粒的特性不仅材料特性的影响，其形状也影响这土体颗粒的性质。现有配置透明土都忽视了形状对于土体的影响，大多从材料特性出发。现有技术中，通常利用熔融石英砂(折射率为1.4585)和具有相应折射率的液体如混合油或溴化钙溶液制配了一种人工合成透明土。存在缺点：一是溴化钙溶液具有强烈腐蚀性，可操作性较差；二是熔融石英砂纯度较低，而且价格相对较高，这也限制了其在模型试验中的广泛应用；三是由于熔融石英砂的折射率相对较高，配制相应折射率的溴化钙溶液，浓度很高；随着温度的变化，溴化钙晶体容易析出，从而影响溴化钙溶液的折射率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土及其配制方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土，包括透明固体材料和孔隙液体。

所述透明固体材料采用3D打印的透明土颗粒。所述透明土颗粒的打印材料选用光敏树脂。

所述孔隙液体采用小分子苯甲基硅油和正十二烷的混合液。所述孔隙液体的折射率与透明土颗粒的折射率相同。

所述透明土颗粒与孔隙液体混配为人工合成透明土。

进一步，所述透明土颗粒的粒径为1.5～2.5mm，折射率为1.51～1.52，比重为1.10～1.12。

本发明还公开一种关于权利要求1所述的基于3D打印透明土颗粒材料的透明土的配制方法，包括以下步骤：

1)对模拟岩土材料的透明土颗粒进行三维建模。

2)利用光固化3D打印机打印透明土颗粒。其中，透明土颗粒的打印材料选用光敏树脂。

3)在3D打印得到的透明土颗粒表面喷涂光油并晾干。

4)将小分子苯甲基硅油和正十二烷混合，混合过程中用玻璃棒不断搅拌，直至混合充分，得到混合液。

5)利用阿贝折射仪测定步骤4)所得混合液在试验温度下的折射率。微调小分子苯甲基硅油和正十二烷的比例，直至混合溶液的折射率与透明土颗粒的折射率一致，得到孔隙液体。其中，所述孔隙液体的比重大于透明土颗粒的比重。

6)确定透明土颗粒和孔隙液体的用量。将调配好的孔隙液体装入容器中。将透明土颗粒均匀分散地倾倒入容器，倾倒过程中利用玻璃棒不断搅拌排出气泡，直至充分混合。倾倒过程中透明土颗粒始终保持在孔隙液体液面以下。

7)将步骤6)所得混合物放置于真空箱中。静置，抽真空，去除其中残余空气，直至透明度达到设计要求。

进一步，步骤1)中，采用傅立叶插值法建立透明土颗粒的三维模型。