3D打印材料模擬脆性煤巖單軸加載力學特征的初步研究*

王亞帆 韓 軍② 惠乾嘉 CAO Chen③

(①遼寧工程技術大學,礦業學院,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,新南威爾士 2522,澳大利亞)

0 引 言

巖石試樣的常規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,如有些巖石現場取樣困難、澆筑制備受氣泡沉淀以及巖石力學的破壞性試驗重復性較低,巖石力學研究也因此受到一定的阻礙。目前,3D打印技術作為快速成型技術的一種具有成型周期短、精度高的特點,并且研究人員能夠利用計算機軟件構建具有個性化設計的試件模型,為巖石力學研究模擬巖石試樣提供了一種新的思路和方法,因此,在對煤系巖石進行力學研究時,尋求與天然脆性煤巖力學特性相似的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打印試件并進行力學試驗,發現PLA材料試件受拉表現為脆性、受壓表現為彈塑性,初步否定了該材料模擬巖石的可能性。

對于粉末類的3D打印材料與巖石的模擬性探索,許多學者將常規澆筑的材料如水泥、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研究。

Mohammad et al.(2011)利用不同飽和度粘結劑對石膏粉末耗材骨棒型試件進行滲透,探究粘結劑飽和度和打印層厚對材料力學特性的影響。Favzadi et al.(2014)利用石膏基粉末配合2-吡咯烷酮水基粘結劑溶液制備直徑為6 mm、高度為12 mm不同打印延遲時間的5個試件,分別測定單軸強度及楊氏模量,分析不同打印延遲時間對材料力學特性的影響。華敏杰(2015)針對石膏粉末材料配合CT掃描制備3D打印類巖石標準試件開展常規物理力學參數的測定,顯示出了3D打印石膏粉末試件強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度與粘結劑和配料密切相關。趙弘等(2017)從滲透率、孔隙度和抗壓強度等角度進行評估,提出適應3D打印的類巖石類材料為高強硬度特白石膏粉-B和FDB-401速凝型水泥。Feng et al.(2019)利用自制高強度石膏與硅酸鹽水泥作為3D打印耗材進行單軸壓縮實驗,強調了流動性的重要性。Jiang et al.(2016)、江權等(2018)打印制備了不同形狀(包括含微小孔洞及預制貫穿裂隙)的試件來進行力學試驗,進而驗證了3D打印的石膏粉末試樣在合理的打印設置下能夠模擬巖石的破壞特性。而針對3D打印成型后的石膏試件,可采用真空干燥的方式進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打印技術在巖石力學應用的巨大潛力。

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,通過巴西劈裂試驗測定峰值抗拉強度及軸向應變與天然砂巖試件進行對比,分析了3D打印試樣層理及受力方向對抗拉強度的影響。Tian et al.(2017)將GS19砂粉和呋喃樹脂混合作為3DP打印耗材進行單軸試驗測定了試樣楊氏模量和抗壓強度;裴志茹(2018)利用GS19砂粉和覆膜砂粉末分別通過3DP和SLS方式打印標準試件開展巴西劈裂試驗,得到該材料峰值抗拉強度并通過經驗公式計算出兩種耗材黏聚力及內摩擦角。

由于3D打印粉末耗材所制備的試件強度相對較低,學者們利用液態樹脂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)試件可進行力學試驗測定了基礎力學參數,結果顯示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)對光敏樹脂材料Vero Clear和Vero White Plus材料進行了常規力學試驗測定,以Vero Clear為基質、以Vero White Plus材料為裂隙填充物制備了含預制裂隙結構的類煤巖試件并進行常規力學試驗,測定結果顯示出煤巖模型的楊氏模量及峰值強度與天然裂隙煤巖較接近。后續Ju et al.(2017)又針對這兩種材料制備直徑25 mm高度為50 mm圓柱試件測定兩種材料抗壓強度、楊氏模量和泊松比,同時制備了骨棒狀試件測定峰值抗拉強度。為獲取水力壓裂過程中的三維裂紋擴展,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行水力壓裂試驗,成功定量分析了水力壓裂條件下的三維裂隙的擴展規律?；π?2020)進行了樹脂材料與覆膜砂材料在單軸壓縮下的力學特性相比,結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打印在巖石力學相似材料模擬的應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格參照物理性質參數、材料力學響應及破壞模式的相似規律去篩選是十分困難的?？紤]到3D打印技術可配合通過CT掃描或核磁共振等無損內部探測技術手段所建立的含有原生內部微結構缺陷的煤巖模型,大批量高效地制備與天然煤巖相同內部結構類煤巖試樣的優勢,若尋找到與天然脆性煤巖體力學性質相似的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性、各向異性造成的巖石室內試驗結果離散性,并且可制備具有特定結構的類煤巖試樣,進行一些針對性的理論驗證力學試驗,有利于深入研究天然節理及預制節理的巖石力學特性(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)和激光燒結成型(SLS)來制備標準試件進行實驗室力學參數測試,通過相同的單軸加載方式針對聚乳酸塑料(PLA),兩種光敏樹脂材料SLA600及Vero White Plus,以及覆膜砂粉末材料4種材料制備標準試驗試件,分析其宏觀破壞模式和力學性質與不同巖性的巖石力學性質的相似程度,找出合適3D打印材料來有效模擬原生煤巖體,為巖石力學試驗研究提供新方法。

1 試件制備及打印配置參數

PLA材料試件由DC-1000型3D打印機以FDM方式制備,SLA600材料及Vero White Plus材料的分別采用3DSL-600型3D打印機和Object Connex 350,3D打印機通過SLA工藝制備,而覆膜砂試件將采用LaserCore-5300型激光燒結打印機制備的。建模按照巖石力學試驗要求,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個標準圓柱試件,Vero White Plus材料和覆膜砂制備了3個試件。

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)構建模型:使用建模軟件構建三維模型; (2)切片處理并設置打印參數:為不同類別的試件調整相同的層厚度及填充率; (3)模型打印:將切片及設置完備的數據文件導入3D打印機進行打印。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 試驗條件及方案

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

圖3 WAW-600C型電液伺服萬能試驗機

3 試驗結果與分析

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

3.1 試驗結果及力學特性

通過單軸壓縮試驗獲得了4種3D打印試件的力學試驗結果(表2),并將其中,fc為峰值應力即單軸抗壓強度,E和ν分別為楊氏模量和泊松比。并分別分析4種材料的應力-應變曲線。

對于PLA試件在加載初期(圖4),其軸向變形與軸向應力呈正相關,期間發生應變縮減現象,分析原因為FDM型試件在打印時所形成層理在軸向載荷作用下使應變片彎曲且部分脫離試件表面所致。當達到其屈服強度后,試件應力變化趨于平緩類似蠕變,未發生明顯應力驟降,因而選擇了停止加載,排除了該材料模擬巖石的可能。

SLA600試件單軸壓縮的應力-應變曲線及試驗力位移曲線(圖5)形成了較長的線彈性階段以及較短的塑性變化階段,并在達到極限強度時產生了脆性破壞,發生了明顯的應力驟降。峰值強度均在90MPa左右,彈性模量也均在3GPa左右,有著較好的力學性質重復性。

圖5 SLA600試件試驗結果

Vero White Plus試件的單軸壓縮應力-應變曲線(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材料的應力-應變曲線不同的是在達到峰值強度后并未發生應力驟降,而是達到較強的(100MPa左右)殘余強度后進入應力隨試驗機位移增加應力下降的軟化階段,具備了滿足模擬高強度硬巖如大理巖、板巖等力學性質條件。實驗試件共計3塊,并且通過試驗力位移曲線可以看出,3塊試件的力學特性十分接近,表明了該材料具有較好的均質性。

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特性差異較大,其應力-應變曲線(圖7b)在達到峰值強度8MPa左右時發生了明顯的應力驟降。覆膜砂試件單軸抗壓強度較低的力學特性也因此排除其模擬硬巖的可能性,但具備了模擬低強度軟巖的力學性質。

圖7 覆膜砂試件試驗結果

根據4種材料的試驗結果及國內外研究現狀,排除了PLA材料在當前打印設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度較低(峰值強度8MPa左右)的軟巖的3D打印耗材。

為進一步驗證此結論,從不同礦區的選擇了細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖巖層以及煤層。東歡坨煤樣取自該礦7號煤層,成煤時代為二疊紀,光亮型、氣煤; 袁大灘煤樣取自該礦2號煤層,成煤時代為侏羅紀,半亮-半暗型、不黏煤; 六家煤樣取自該礦6-9號煤層,成煤時代為白堊紀,光亮型、長焰煤。分別制備標準試樣進行單軸壓縮試驗,將所獲得的數據結果經過初步篩選后(根據峰值強度及楊氏模量等參數)作為原生煤巖體應力-應變曲線的對照組,分別與光敏樹脂及覆膜砂3D打印試件測定結果進行對比(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性質

表4 光敏樹脂試件與不同巖樣的基本力學性質

圖8 3D打印試樣與煤巖應力-應變曲線對比

其中各個礦區的煤巖體泊松比取常規天然煤巖的均值(鞠楊等,2014)作為對照組數據?？梢钥闯?覆膜砂試件的楊氏模量及單軸抗壓強度與煤較接近,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材料峰值強度、楊氏模量及泊松比參數與粉砂巖試樣相近,而Vero White Plus材料的力學性質接近粉砂質泥巖巖樣。

將3種3D打印試件的部分應力-應變曲線與選取的不同巖樣的應力-應變曲線進行對比(圖8所示),發現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曲線斜率相近,對應的楊氏模量相近,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峰后應變軟化時段較短,殘余強度相對較低。覆膜砂試件也具有完整的彈性階段、塑性階段和峰值強度,相比東歡坨礦的脆性煤樣,覆膜砂試件的應力-應變曲線在峰值點過后發生了明顯的應力驟降,但是彈性階段的彈性模量和峰值強度十分接近。

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,同文獻中(Jiang et al.,2015)的試驗結果類似,調節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,未發生類似巖石的拉張或剪切型破壞,而是發生較好的軸向壓縮側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過屈服階段后,達到峰值強度時發生了與巖石類似的拉張破壞,破壞后呈現輕微膨脹特征(圖10所示)。Vero White Plus試件韌性較SLA600試件強,峰值強度達到近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,符合較硬的砂巖的破壞特點。

圖10 SLA600試件與巖石破壞效果對比

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固化,形成機理與煤不同,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,與試驗煤樣破裂特征相似。結合前文測定的覆膜砂試件力學特性,認為3D打印制備的覆膜砂試件適合模擬單軸抗壓強度較低的脆性煤體。

圖12 覆膜砂試件破壞形態

4 結 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打印耗材制備力學試驗標準試件,嘗試尋找能夠在單軸載荷下模擬原生煤巖的3D打印材料,經過分析得到以下結論:

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

(2)在單軸載荷作用下,PLA材料未發生與煤巖相似的脆性破壞,SLA600材料表現出局部膨脹性,并且測定的力學特性結果較Vero White Plus材料相比,與所測定的砂巖試樣應力-應變曲線整體趨勢差異較大,因此認為Vero White Plus材料更適合模擬高強度的脆性砂巖。

(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特性,可作為較軟的脆性煤體的3D打印相似材料。