3D打印材料模擬脆性煤巖單軸加載力學(xué)特征的初步研究*

王亞帆 韓 軍② 惠乾嘉 CAO Chen③

(①遼寧工程技術(shù)大學(xué),礦業(yè)學(xué)院,阜新 123000,中國)(②遼寧省煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心,阜新 123000,中國)(③澳大利亞伍倫貢大學(xué),新南威爾士 2522,澳大利亞)

0 引 言

巖石試樣的常規(guī)獲取方法主要分為野外取樣及模具澆筑兩種。兩種方法取得的樣品均存在著一定的不足,如有些巖石現(xiàn)場(chǎng)取樣困難、澆筑制備受氣泡沉淀以及巖石力學(xué)的破壞性試驗(yàn)重復(fù)性較低,巖石力學(xué)研究也因此受到一定的阻礙。目前,3D打印技術(shù)作為快速成型技術(shù)的一種具有成型周期短、精度高的特點(diǎn),并且研究人員能夠利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建具有個(gè)性化設(shè)計(jì)的試件模型,為巖石力學(xué)研究模擬巖石試樣提供了一種新的思路和方法,因此,在對(duì)煤系巖石進(jìn)行力學(xué)研究時(shí),尋求與天然脆性煤巖力學(xué)特性相似的3D打印材料是十分必要的。

3D打印耗材主要分為可熔塑料類、粉末類和液態(tài)樹脂類3種?？扇鬯芰项愝^為典型的材料就是聚乳酸塑料(PLA),Jiang et al.(2015)利用該材料制備3D打印試件并進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)PLA材料試件受拉表現(xiàn)為脆性、受壓表現(xiàn)為彈塑性,初步否定了該材料模擬巖石的可能性。

對(duì)于粉末類的3D打印材料與巖石的模擬性探索,許多學(xué)者將常規(guī)澆筑的材料如水泥、石膏及砂粉作為3D打印耗材常見的粉末類材料制備了不同物理模型并開展了試驗(yàn)研究。

Mohammad et al.(2011)利用不同飽和度粘結(jié)劑對(duì)石膏粉末耗材骨棒型試件進(jìn)行滲透,探究粘結(jié)劑飽和度和打印層厚對(duì)材料力學(xué)特性的影響。Favzadi et al.(2014)利用石膏基粉末配合2-吡咯烷酮水基粘結(jié)劑溶液制備直徑為6 mm、高度為12 mm不同打印延遲時(shí)間的5個(gè)試件,分別測(cè)定單軸強(qiáng)度及楊氏模量,分析不同打印延遲時(shí)間對(duì)材料力學(xué)特性的影響。華敏杰(2015)針對(duì)石膏粉末材料配合CT掃描制備3D打印類巖石標(biāo)準(zhǔn)試件開展常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)定,顯示出了3D打印石膏粉末試件強(qiáng)度較低脆性較差的缺陷。劉華博(2018)的研究表明石膏粉末制備試樣的強(qiáng)度與粘結(jié)劑和配料密切相關(guān)。趙弘等(2017)從滲透率、孔隙度和抗壓強(qiáng)度等角度進(jìn)行評(píng)估,提出適應(yīng)3D打印的類巖石類材料為高強(qiáng)硬度特白石膏粉-B和FDB-401速凝型水泥。Feng et al.(2019)利用自制高強(qiáng)度石膏與硅酸鹽水泥作為3D打印耗材進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn),強(qiáng)調(diào)了流動(dòng)性的重要性。Jiang et al.(2016)、江權(quán)等(2018)打印制備了不同形狀(包括含微小孔洞及預(yù)制貫穿裂隙)的試件來進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),進(jìn)而驗(yàn)證了3D打印的石膏粉末試樣在合理的打印設(shè)置下能夠模擬巖石的破壞特性。而針對(duì)3D打印成型后的石膏試件,可采用真空干燥的方式進(jìn)行后處理來降低塑性變形,提高模擬天然巖石的可行性(王本鑫等,2019),突顯了3D打印技術(shù)在巖石力學(xué)應(yīng)用的巨大潛力。

除了石膏粉末外,Vogler et al.(2017)利用GS14和GS19砂粉制備不同粒度砂巖試樣,通過巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)定峰值抗拉強(qiáng)度及軸向應(yīng)變與天然砂巖試件進(jìn)行對(duì)比,分析了3D打印試樣層理及受力方向?qū)估瓘?qiáng)度的影響。Tian et al.(2017)將GS19砂粉和呋喃樹脂混合作為3DP打印耗材進(jìn)行單軸試驗(yàn)測(cè)定了試樣楊氏模量和抗壓強(qiáng)度;裴志茹(2018)利用GS19砂粉和覆膜砂粉末分別通過3DP和SLS方式打印標(biāo)準(zhǔn)試件開展巴西劈裂試驗(yàn),得到該材料峰值抗拉強(qiáng)度并通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出兩種耗材黏聚力及內(nèi)摩擦角。

由于3D打印粉末耗材所制備的試件強(qiáng)度相對(duì)較低,學(xué)者們利用液態(tài)樹脂3D打印耗材制備試件嘗試作為硬巖的相似材料,例如Zhou et al.(2018)利用陶瓷、石膏、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SR20(丙烯酸共聚物)和樹脂(Accura 60)試件可進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定了基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù),結(jié)果顯示Accura 60耗材即樹脂材料是較適合模擬硬巖的材料但脆性有待提高。鞠楊等(2014)對(duì)光敏樹脂材料Vero Clear和Vero White Plus材料進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定,以Vero Clear為基質(zhì)、以Vero White Plus材料為裂隙填充物制備了含預(yù)制裂隙結(jié)構(gòu)的類煤巖試件并進(jìn)行常規(guī)力學(xué)試驗(yàn),測(cè)定結(jié)果顯示出煤巖模型的楊氏模量及峰值強(qiáng)度與天然裂隙煤巖較接近。后續(xù)Ju et al.(2017)又針對(duì)這兩種材料制備直徑25 mm高度為50 mm圓柱試件測(cè)定兩種材料抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比,同時(shí)制備了骨棒狀試件測(cè)定峰值抗拉強(qiáng)度。為獲取水力壓裂過程中的三維裂紋擴(kuò)展,Liu et al.(2016)利用Vero Clear和RGD兩種光敏樹脂材料嘗試制備含砂石的類混凝土試件進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn),成功定量分析了水力壓裂條件下的三維裂隙的擴(kuò)展規(guī)律?；π?2020)進(jìn)行了樹脂材料與覆膜砂材料在單軸壓縮下的力學(xué)特性相比,結(jié)果表明樹脂材料在低溫條件下較適合模擬脆性巖石。

綜上所述,3D打印在巖石力學(xué)相似材料模擬的應(yīng)用中已取得了一些成果,但由于材料特性及加工原理使得嚴(yán)格參照物理性質(zhì)參數(shù)、材料力學(xué)響應(yīng)及破壞模式的相似規(guī)律去篩選是十分困難的?？紤]到3D打印技術(shù)可配合通過CT掃描或核磁共振等無損內(nèi)部探測(cè)技術(shù)手段所建立的含有原生內(nèi)部微結(jié)構(gòu)缺陷的煤巖模型,大批量高效地制備與天然煤巖相同內(nèi)部結(jié)構(gòu)類煤巖試樣的優(yōu)勢(shì),若尋找到與天然脆性煤巖體力學(xué)性質(zhì)相似的3D打印耗材,則可以利用3D打印工藝手段有效地克服天然煤巖體的非均質(zhì)性、各向異性造成的巖石室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果離散性,并且可制備具有特定結(jié)構(gòu)的類煤巖試樣,進(jìn)行一些針對(duì)性的理論驗(yàn)證力學(xué)試驗(yàn),有利于深入研究天然節(jié)理及預(yù)制節(jié)理的巖石力學(xué)特性(劉樂樂,2020; 肖維民等,2020)。

因此,本次研究將選取3種主流3D打印方式即熔融沉積成型(FDM)、立體光固化成型(SLA)和激光燒結(jié)成型(SLS)來制備標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室力學(xué)參數(shù)測(cè)試,通過相同的單軸加載方式針對(duì)聚乳酸塑料(PLA),兩種光敏樹脂材料SLA600及Vero White Plus,以及覆膜砂粉末材料4種材料制備標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試件,分析其宏觀破壞模式和力學(xué)性質(zhì)與不同巖性的巖石力學(xué)性質(zhì)的相似程度,找出合適3D打印材料來有效模擬原生煤巖體,為巖石力學(xué)試驗(yàn)研究提供新方法。

1 試件制備及打印配置參數(shù)

PLA材料試件由DC-1000型3D打印機(jī)以FDM方式制備,SLA600材料及Vero White Plus材料的分別采用3DSL-600型3D打印機(jī)和Object Connex 350,3D打印機(jī)通過SLA工藝制備,而覆膜砂試件將采用LaserCore-5300型激光燒結(jié)打印機(jī)制備的。建模按照巖石力學(xué)試驗(yàn)要求,以2︰1高徑比制備三維立體模型,本次研究建立模型為直徑50mm×高100mm圓柱體(圖1)。其中PLA和SLA600兩種耗材分別制備5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件,Vero White Plus材料和覆膜砂制備了3個(gè)試件。

圖1 制備試樣

盡管選取了4種材料及3種不同的3D打印方式,但試件的打印制備過程是相同的(圖1所示),主要包括了:(1)構(gòu)建模型:使用建模軟件構(gòu)建三維模型; (2)切片處理并設(shè)置打印參數(shù):為不同類別的試件調(diào)整相同的層厚度及填充率; (3)模型打印:將切片及設(shè)置完備的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。具體打印配置概況見表1,制備完成的3D打印試件見圖2。

表1 試件制備配置概況

圖2 制備完成的3D打印試件

2 試驗(yàn)條件及方案

對(duì)4種材料3D打印試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),為確保測(cè)試結(jié)果精確性和對(duì)比性,所有試件均采用實(shí)驗(yàn)室中量程為600kN的濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司生產(chǎn)的WAW-600C型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(圖3),加載速率均設(shè)置為0.5MPa·s-1。同時(shí)在試件中間部位粘貼規(guī)格長10mm、寬2mm電阻應(yīng)變片用來測(cè)定試件徑向與軸向應(yīng)變?？紤]到部分膠水對(duì)試件尤其是FDM型試件具有滲透性并能在其表面形成薄殼,影響試件測(cè)定強(qiáng)度及均勻性。因此膠水選取滲透性低的101瞬干黏結(jié)劑降低對(duì)試驗(yàn)的影響。

圖3 WAW-600C型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)相似定律,當(dāng)3D打印材料物理參數(shù)(如幾何尺寸、單位重量、楊氏模量和泊松比),材料的力學(xué)特性(如強(qiáng)度、應(yīng)變特性)和最終破壞模式與天然脆性煤巖材料相同或相似時(shí),則滿足相似模擬條件。由于3D打印材料為單一組分材料,并非像傳統(tǒng)相似材料模擬多組分材料按比例混合。若嚴(yán)格參照物理性質(zhì)參數(shù)、材料力學(xué)響應(yīng)及破壞模式的相似規(guī)律去篩選是十分困難的(Liu et al.,2014)。因此,本次試驗(yàn)主要針對(duì)3D打印材料在單軸壓縮試驗(yàn)下其力學(xué)參數(shù)及表觀破壞模式方面是否同天然煤巖相似。本質(zhì)就是對(duì)比分析何種材料的3D打印試件,在相同加載條件下宏觀破壞模式和力學(xué)特性某一種類的天然巖石接近,則認(rèn)為該3D打印材料為模擬該種巖石的合適選擇。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果及力學(xué)特性

通過單軸壓縮試驗(yàn)獲得了4種3D打印試件的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果(表2),并將其中,fc為峰值應(yīng)力即單軸抗壓強(qiáng)度,E和ν分別為楊氏模量和泊松比。并分別分析4種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

對(duì)于PLA試件在加載初期(圖4),其軸向變形與軸向應(yīng)力呈正相關(guān),期間發(fā)生應(yīng)變縮減現(xiàn)象,分析原因?yàn)镕DM型試件在打印時(shí)所形成層理在軸向載荷作用下使應(yīng)變片彎曲且部分脫離試件表面所致。當(dāng)達(dá)到其屈服強(qiáng)度后,試件應(yīng)力變化趨于平緩類似蠕變,未發(fā)生明顯應(yīng)力驟降,因而選擇了停止加載,排除了該材料模擬巖石的可能。

SLA600試件單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及試驗(yàn)力位移曲線(圖5)形成了較長的線彈性階段以及較短的塑性變化階段,并在達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生了脆性破壞,發(fā)生了明顯的應(yīng)力驟降。峰值強(qiáng)度均在90MPa左右,彈性模量也均在3GPa左右,有著較好的力學(xué)性質(zhì)重復(fù)性。

圖5 SLA600試件試驗(yàn)結(jié)果

Vero White Plus試件的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖6)顯示出該材料在軸向受載條件下有著明顯的線彈性階段,與同樣為光敏樹脂的SLA600材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同的是在達(dá)到峰值強(qiáng)度后并未發(fā)生應(yīng)力驟降,而是達(dá)到較強(qiáng)的(100MPa左右)殘余強(qiáng)度后進(jìn)入應(yīng)力隨試驗(yàn)機(jī)位移增加應(yīng)力下降的軟化階段,具備了滿足模擬高強(qiáng)度硬巖如大理巖、板巖等力學(xué)性質(zhì)條件。實(shí)驗(yàn)試件共計(jì)3塊,并且通過試驗(yàn)力位移曲線可以看出,3塊試件的力學(xué)特性十分接近,表明了該材料具有較好的均質(zhì)性。

覆膜砂試件作為粉末基的3D打印試件,與前兩者的光敏樹脂材料的力學(xué)特性差異較大,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖7b)在達(dá)到峰值強(qiáng)度8MPa左右時(shí)發(fā)生了明顯的應(yīng)力驟降。覆膜砂試件單軸抗壓強(qiáng)度較低的力學(xué)特性也因此排除其模擬硬巖的可能性,但具備了模擬低強(qiáng)度軟巖的力學(xué)性質(zhì)。

圖7 覆膜砂試件試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)4種材料的試驗(yàn)結(jié)果及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,排除了PLA材料在當(dāng)前打印設(shè)置條件及單軸載荷作用下模擬巖石的可能性,并明確了SLA600和Vero White Plus兩種光敏樹脂3D打印耗材是4種材料中適合模擬脆性硬巖的材料,覆膜砂試件為模擬單軸抗壓強(qiáng)度較低(峰值強(qiáng)度8MPa左右)的軟巖的3D打印耗材。

為進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)論,從不同礦區(qū)的選擇了細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖巖層以及煤層。東歡坨煤樣取自該礦7號(hào)煤層,成煤時(shí)代為二疊紀(jì),光亮型、氣煤; 袁大灘煤樣取自該礦2號(hào)煤層,成煤時(shí)代為侏羅紀(jì),半亮-半暗型、不黏煤; 六家煤樣取自該礦6-9號(hào)煤層,成煤時(shí)代為白堊紀(jì),光亮型、長焰煤。分別制備標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),將所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)過初步篩選后(根據(jù)峰值強(qiáng)度及楊氏模量等參數(shù))作為原生煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)照組,分別與光敏樹脂及覆膜砂3D打印試件測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表3、表4及圖8)。

表3 覆膜砂試件與不同類型煤樣的基本力學(xué)性質(zhì)

表4 光敏樹脂試件與不同巖樣的基本力學(xué)性質(zhì)

圖8 3D打印試樣與煤巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

其中各個(gè)礦區(qū)的煤巖體泊松比取常規(guī)天然煤巖的均值(鞠楊等,2014)作為對(duì)照組數(shù)據(jù)?？梢钥闯?覆膜砂試件的楊氏模量及單軸抗壓強(qiáng)度與煤較接近,泊松比存在一定差異。而光敏樹脂材料SLA600和Vero White Plus兩者與砂巖相比,SLA600材料峰值強(qiáng)度、楊氏模量及泊松比參數(shù)與粉砂巖試樣相近,而Vero White Plus材料的力學(xué)性質(zhì)接近粉砂質(zhì)泥巖巖樣。

將3種3D打印試件的部分應(yīng)力-應(yīng)變曲線與選取的不同巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比(圖8所示),發(fā)現(xiàn)兩種光敏樹脂試件及各類砂巖存在較完整的彈性階段并且在該階段內(nèi)曲線斜率相近,對(duì)應(yīng)的楊氏模量相近,一定程度上顯示出SLA600及Vero White Plus材料與高強(qiáng)度砂巖在單軸載荷下線彈性階段具有一定的相似性,而SLA600與Vero White Plus相比塑性階段較短,并且SLA600峰后應(yīng)變軟化時(shí)段較短,殘余強(qiáng)度相對(duì)較低。覆膜砂試件也具有完整的彈性階段、塑性階段和峰值強(qiáng)度,相比東歡坨礦的脆性煤樣,覆膜砂試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值點(diǎn)過后發(fā)生了明顯的應(yīng)力驟降,但是彈性階段的彈性模量和峰值強(qiáng)度十分接近。

3.2 表觀破壞模式分析

3種材料所打印的試件在單軸壓縮條件下的表觀的破壞方式也是不同的,同文獻(xiàn)中(Jiang et al.,2015)的試驗(yàn)結(jié)果類似,調(diào)節(jié)了打印層厚以及壁厚的PLA試件仍然(圖9)在受單軸載荷作用下,未發(fā)生類似巖石的拉張或剪切型破壞,而是發(fā)生較好的軸向壓縮側(cè)向微膨脹的塑性變形。因此該材料與硬巖相似度很差,不能作為模擬巖石的3D打印耗材。

圖9 PLA試件與巖石破壞效果

與PLA材料不同,兩種光敏樹脂材料SLA600和Vero White Plus試件,發(fā)生了和煤巖類似的脆性破壞。其中SLA600在相同的軸向載荷下經(jīng)過屈服階段后,達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)發(fā)生了與巖石類似的拉張破壞,破壞后呈現(xiàn)輕微膨脹特征(圖10所示)。Vero White Plus試件韌性較SLA600試件強(qiáng),峰值強(qiáng)度達(dá)到近120MPa并且破壞模式以拉張和剪切破壞為主(圖11所示),破壞沖擊極強(qiáng),符合較硬的砂巖的破壞特點(diǎn)。

圖10 SLA600試件與巖石破壞效果對(duì)比

圖11 Vero White Plus試件破壞效果

覆膜砂試件在單軸壓縮下的表觀破壞特征(圖12所示)均以剪切破裂為主,同煤樣類似。由于覆膜砂試件是以粉末利用激光燒結(jié)固化,形成機(jī)理與煤不同,試件破裂斷面局部有少量砂粉瀉出。整體上破裂后的多為塊狀形態(tài),與試驗(yàn)煤樣破裂特征相似。結(jié)合前文測(cè)定的覆膜砂試件力學(xué)特性,認(rèn)為3D打印制備的覆膜砂試件適合模擬單軸抗壓強(qiáng)度較低的脆性煤體。

圖12 覆膜砂試件破壞形態(tài)

4 結(jié) 論

本文利用了聚乳酸塑料(PLA)、兩種光敏樹脂材料(SLA600和Vero White Plus)及覆膜砂粉末4種3D打印耗材制備力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件,嘗試尋找能夠在單軸載荷下模擬原生煤巖的3D打印材料,經(jīng)過分析得到以下結(jié)論:

(1)光敏樹脂材料Vero White Plus應(yīng)力-應(yīng)變曲線與砂巖巖樣的峰值強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比及應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體趨勢(shì)相近,覆膜砂材料與所選煤樣的峰值強(qiáng)度、楊氏模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線相近。

(2)在單軸載荷作用下,PLA材料未發(fā)生與煤巖相似的脆性破壞,SLA600材料表現(xiàn)出局部膨脹性,并且測(cè)定的力學(xué)特性結(jié)果較Vero White Plus材料相比,與所測(cè)定的砂巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體趨勢(shì)差異較大,因此認(rèn)為Vero White Plus材料更適合模擬高強(qiáng)度的脆性砂巖。

(3)覆膜砂材料在單軸載荷下與軟巖有著相似的破裂特征及力學(xué)特性,可作為較軟的脆性煤體的3D打印相似材料。