一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土及其配制方法技术

发明专利技术提供一种基于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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土及其配制方法
本专利技术涉及岩土工程可视化模型试验
，特别涉及一种3D打印透明土颗粒材料的实验方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。为实现本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的：A.3D打印透明土颗粒弥补了传统配制透明土不注重颗粒形状的缺陷，在选择打印材料贴近天然土体的基础上，也考虑了颗粒形状对模拟土体特性的影响；B.所打印的透明土颗粒具有纯度高，性质稳定，强度、硬度较高、良好的光学性质，无污染和毒性的特点，所打印的透明土颗粒表面各个方向折射率相同；C.苯甲基硅油和正十二烷两种液体都具有良好的化学稳定性和溶液选择性，挥发性小，无色透明，无污染和毒性，同时两种液体之间不发生化学反应，混合而成的溶液性能稳定，透视性好，折射率满足要求，较之于传统的透明土配置方案大大提高了固体颗粒折射率适用范围。利用真空箱抽真空饱和，去除其中残留空气，基本不影响折射率，更容易达到更好的透明度；D.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；E.制作的人工合成透明土适用性广泛，可应用岩土工程许多方面的研究，如：隧道的变形、堤防和挡土墙、渗流和沉桩贯入问题。实现土体内部变形的可视化，能广泛代替自然土，用来模拟复杂的地质条件，提高对岩土工程问题本质的认识。附图说明图1为方法流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。实施例1：本实施例公开一种基于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。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。实施例2：参见图1，本实施例公开一种关于实施例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)采用傅立叶变换建立透明土颗粒的三维模型。利用三维建模软件，在二维(2D)状态下利用傅立叶变换得到横截面后，使用插值以产生三维空间中模拟岩土材料的颗粒。2)利用光固化3D打印机能够控制打印形态和材料特性的特点，打印与天然土体颗粒一致的透明颗粒，进而获得与天然土体类似的性质。其中，透明土颗粒的打印材料选用光敏树脂。光敏树脂透明度好，性质稳定，强度硬度较高，无污染和毒性。光固化3D打印机利用SLA立体光固化成型法，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体.层分辨率可达到0.025mm，XYZ轴分辨率可达0.05mm。3)等待一段时间后，在3D打印得到的透明土颗粒表面喷涂光油。将透明土颗粒放置于阴暗无尘处静待其晾干。本实施例所模拟的土体颗粒很小，且注重其特定形状，故无法打磨。只需用光油处理表面，晾干即可。此时需注意防尘问题，若尘埃附着在颗粒表面，配置时透明土会由于杂质问题而导致透明度下降。4)在25℃恒温环境下，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。其中，所述小分子苯甲基硅油是指真空泵油，主要用于高真空冶炼工业、电子管工业、灯泡、高真空涂层(膜)，原子能加速器和电子显微镜、显示器等方面。所述小分子苯甲基硅油粘度(cst,25℃)：38±3，折射率(25℃)：1.5600，相对密度(25℃)：1.06～1.07，凝固点℃：-35。所述小分子苯甲基硅油具有以下特性：氧化稳定性：长期在高温条件下与空气、树脂、化学原料等直接接触亦不易变质，减少有害漆膜和油垢的形成，提供较长的换油周期。防锈防腐蚀性：能在金属表面形成非常有效的防腐膜，从而可以全面防止因吸入腐蚀性气体和水分而导致的系统腐蚀。能迅速将油液中夹带的水分分离出来，达到所需的真空度。具较底的蒸汽压，防止油品从泵的内腔向真空系统返流扩散造成返油。从而保证有足够的极限真空。5)利用阿贝折射仪测定步骤4)所得混合液在试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印透明土颗粒材料的透明土，其特征在于：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。3.一种关于权利要求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，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周航，李颖臻，刘汉龙，肖杨，孔纲强，白久林，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50