3D打印材料模拟脆性煤岩单轴加载力学特征的初步研究*

王亚帆 韩 军② 惠乾嘉 CAO Chen③

(①辽宁工程技术大学,矿业学院,阜新 123000,中国)(②辽宁省煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心,阜新 123000,中国)(③澳大利亚伍伦贡大学,新南威尔士 2522,澳大利亚)

0 引 言

岩石试样的常规获取方法主要分为野外取样及模具浇筑两种。两种方法取得的样品均存在着一定的不足,如有些岩石现场取样困难、浇筑制备受气泡沉淀以及岩石力学的破坏性试验重复性较低,岩石力学研究也因此受到一定的阻碍。目前,3D打印技术作为快速成型技术的一种具有成型周期短、精度高的特点,并且研究人员能够利用计算机软件构建具有个性化设计的试件模型,为岩石力学研究模拟岩石试样提供了一种新的思路和方法,因此,在对煤系岩石进行力学研究时,寻求与天然脆性煤岩力学特性相似的3D打印材料是十分必要的。

3D打印耗材主要分为可熔塑料类、粉末类和液态树脂类3种。可熔塑料类较为典型的材料就是聚乳酸塑料(PLA),Jiang et al.(2015)利用该材料制备3D打印试件并进行力学试验,发现PLA材料试件受拉表现为脆性、受压表现为弹塑性,初步否定了该材料模拟岩石的可能性。

对于粉末类的3D打印材料与岩石的模拟性探索,许多学者将常规浇筑的材料如水泥、石膏及砂粉作为3D打印耗材常见的粉末类材料制备了不同物理模型并开展了试验研究。

Mohammad et al.(2011)利用不同饱和度粘结剂对石膏粉末耗材骨棒型试件进行渗透,探究粘结剂饱和度和打印层厚对材料力学特性的影响。Favzadi et al.(2014)利用石膏基粉末配合2-吡咯烷酮水基粘结剂溶液制备直径为6 mm、高度为12 mm不同打印延迟时间的5个试件,分别测定单轴强度及杨氏模量,分析不同打印延迟时间对材料力学特性的影响。华敏杰(2015)针对石膏粉末材料配合CT扫描制备3D打印类岩石标准试件开展常规物理力学参数的测定,显示出了3D打印石膏粉末试件强度较低脆性较差的缺陷。刘华博(2018)的研究表明石膏粉末制备试样的强度与粘结剂和配料密切相关。赵弘等(2017)从渗透率、孔隙度和抗压强度等角度进行评估,提出适应3D打印的类岩石类材料为高强硬度特白石膏粉-B和FDB-401速凝型水泥。Feng et al.(2019)利用自制高强度石膏与硅酸盐水泥作为3D打印耗材进行单轴压缩实验,强调了流动性的重要性。Jiang et al.(2016)、江权等(2018)打印制备了不同形状(包括含微小孔洞及预制贯穿裂隙)的试件来进行力学试验,进而验证了3D打印的石膏粉末试样在合理的打印设置下能够模拟岩石的破坏特性。而针对3D打印成型后的石膏试件,可采用真空干燥的方式进行后处理来降低塑性变形,提高模拟天然岩石的可行性(王本鑫等,2019),突显了3D打印技术在岩石力学应用的巨大潜力。

除了石膏粉末外,Vogler et al.(2017)利用GS14和GS19砂粉制备不同粒度砂岩试样,通过巴西劈裂试验测定峰值抗拉强度及轴向应变与天然砂岩试件进行对比,分析了3D打印试样层理及受力方向对抗拉强度的影响。Tian et al.(2017)将GS19砂粉和呋喃树脂混合作为3DP打印耗材进行单轴试验测定了试样杨氏模量和抗压强度;裴志茹(2018)利用GS19砂粉和覆膜砂粉末分别通过3DP和SLS方式打印标准试件开展巴西劈裂试验,得到该材料峰值抗拉强度并通过经验公式计算出两种耗材黏聚力及内摩擦角。

由于3D打印粉末耗材所制备的试件强度相对较低,学者们利用液态树脂3D打印耗材制备试件尝试作为硬岩的相似材料,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)和树脂(Accura 60)试件可进行力学试验测定了基础力学参数,结果显示Accura 60耗材即树脂材料是较适合模拟硬岩的材料但脆性有待提高。鞠杨等(2014)对光敏树脂材料Vero Clear和Vero White Plus材料进行了常规力学试验测定,以Vero Clear为基质、以Vero White Plus材料为裂隙填充物制备了含预制裂隙结构的类煤岩试件并进行常规力学试验,测定结果显示出煤岩模型的杨氏模量及峰值强度与天然裂隙煤岩较接近。后续Ju et al.(2017)又针对这两种材料制备直径25 mm高度为50 mm圆柱试件测定两种材料抗压强度、杨氏模量和泊松比,同时制备了骨棒状试件测定峰值抗拉强度。为获取水力压裂过程中的三维裂纹扩展,Liu et al.(2016)利用Vero Clear和RGD两种光敏树脂材料尝试制备含砂石的类混凝土试件进行水力压裂试验,成功定量分析了水力压裂条件下的三维裂隙的扩展规律。滑笑笑(2020)进行了树脂材料与覆膜砂材料在单轴压缩下的力学特性相比,结果表明树脂材料在低温条件下较适合模拟脆性岩石。

综上所述,3D打印在岩石力学相似材料模拟的应用中已取得了一些成果,但由于材料特性及加工原理使得严格参照物理性质参数、材料力学响应及破坏模式的相似规律去筛选是十分困难的。考虑到3D打印技术可配合通过CT扫描或核磁共振等无损内部探测技术手段所建立的含有原生内部微结构缺陷的煤岩模型,大批量高效地制备与天然煤岩相同内部结构类煤岩试样的优势,若寻找到与天然脆性煤岩体力学性质相似的3D打印耗材,则可以利用3D打印工艺手段有效地克服天然煤岩体的非均质性、各向异性造成的岩石室内试验结果离散性,并且可制备具有特定结构的类煤岩试样,进行一些针对性的理论验证力学试验,有利于深入研究天然节理及预制节理的岩石力学特性(刘乐乐,2020; 肖维民等,2020)。

因此,本次研究将选取3种主流3D打印方式即熔融沉积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)和激光烧结成型(SLS)来制备标准试件进行实验室力学参数测试,通过相同的单轴加载方式针对聚乳酸塑料(PLA),两种光敏树脂材料SLA600及Vero White Plus,以及覆膜砂粉末材料4种材料制备标准试验试件,分析其宏观破坏模式和力学性质与不同岩性的岩石力学性质的相似程度,找出合适3D打印材料来有效模拟原生煤岩体,为岩石力学试验研究提供新方法。

1 试件制备及打印配置参数

PLA材料试件由DC-1000型3D打印机以FDM方式制备,SLA600材料及Vero White Plus材料的分别采用3DSL-600型3D打印机和Object Connex 350,3D打印机通过SLA工艺制备,而覆膜砂试件将采用LaserCore-5300型激光烧结打印机制备的。建模按照岩石力学试验要求,以2︰1高径比制备三维立体模型,本次研究建立模型为直径50mm×高100mm圆柱体(图1)。其中PLA和SLA600两种耗材分别制备5个标准圆柱试件,Vero White Plus材料和覆膜砂制备了3个试件。

图1 制备试样

尽管选取了4种材料及3种不同的3D打印方式,但试件的打印制备过程是相同的(图1所示),主要包括了:(1)构建模型:使用建模软件构建三维模型; (2)切片处理并设置打印参数:为不同类别的试件调整相同的层厚度及填充率; (3)模型打印:将切片及设置完备的数据文件导入3D打印机进行打印。具体打印配置概况见表1,制备完成的3D打印试件见图2。

表1 试件制备配置概况

图2 制备完成的3D打印试件

2 试验条件及方案

对4种材料3D打印试件进行单轴压缩试验,为确保测试结果精确性和对比性,所有试件均采用实验室中量程为600kN的济南时代试金仪器有限公司生产的WAW-600C型微机控制电液伺服万能试验机(图3),加载速率均设置为0.5MPa·s-1。同时在试件中间部位粘贴规格长10mm、宽2mm电阻应变片用来测定试件径向与轴向应变。考虑到部分胶水对试件尤其是FDM型试件具有渗透性并能在其表面形成薄壳,影响试件测定强度及均匀性。因此胶水选取渗透性低的101瞬干黏结剂降低对试验的影响。

图3 WAW-600C型电液伺服万能试验机

3 试验结果与分析

根据相似定律,当3D打印材料物理参数(如几何尺寸、单位重量、杨氏模量和泊松比),材料的力学特性(如强度、应变特性)和最终破坏模式与天然脆性煤岩材料相同或相似时,则满足相似模拟条件。由于3D打印材料为单一组分材料,并非像传统相似材料模拟多组分材料按比例混合。若严格参照物理性质参数、材料力学响应及破坏模式的相似规律去筛选是十分困难的(Liu et al.,2014)。因此,本次试验主要针对3D打印材料在单轴压缩试验下其力学参数及表观破坏模式方面是否同天然煤岩相似。本质就是对比分析何种材料的3D打印试件,在相同加载条件下宏观破坏模式和力学特性某一种类的天然岩石接近,则认为该3D打印材料为模拟该种岩石的合适选择。

3.1 试验结果及力学特性

通过单轴压缩试验获得了4种3D打印试件的力学试验结果(表2),并将其中,fc为峰值应力即单轴抗压强度,E和ν分别为杨氏模量和泊松比。并分别分析4种材料的应力-应变曲线。

对于PLA试件在加载初期(图4),其轴向变形与轴向应力呈正相关,期间发生应变缩减现象,分析原因为FDM型试件在打印时所形成层理在轴向载荷作用下使应变片弯曲且部分脱离试件表面所致。当达到其屈服强度后,试件应力变化趋于平缓类似蠕变,未发生明显应力骤降,因而选择了停止加载,排除了该材料模拟岩石的可能。

SLA600试件单轴压缩的应力-应变曲线及试验力位移曲线(图5)形成了较长的线弹性阶段以及较短的塑性变化阶段,并在达到极限强度时产生了脆性破坏,发生了明显的应力骤降。峰值强度均在90MPa左右,弹性模量也均在3GPa左右,有着较好的力学性质重复性。

图5 SLA600试件试验结果

Vero White Plus试件的单轴压缩应力-应变曲线(图6)显示出该材料在轴向受载条件下有着明显的线弹性阶段,与同样为光敏树脂的SLA600材料的应力-应变曲线不同的是在达到峰值强度后并未发生应力骤降,而是达到较强的(100MPa左右)残余强度后进入应力随试验机位移增加应力下降的软化阶段,具备了满足模拟高强度硬岩如大理岩、板岩等力学性质条件。实验试件共计3块,并且通过试验力位移曲线可以看出,3块试件的力学特性十分接近,表明了该材料具有较好的均质性。

覆膜砂试件作为粉末基的3D打印试件,与前两者的光敏树脂材料的力学特性差异较大,其应力-应变曲线(图7b)在达到峰值强度8MPa左右时发生了明显的应力骤降。覆膜砂试件单轴抗压强度较低的力学特性也因此排除其模拟硬岩的可能性,但具备了模拟低强度软岩的力学性质。

图7 覆膜砂试件试验结果

根据4种材料的试验结果及国内外研究现状,排除了PLA材料在当前打印设置条件及单轴载荷作用下模拟岩石的可能性,并明确了SLA600和Vero White Plus两种光敏树脂3D打印耗材是4种材料中适合模拟脆性硬岩的材料,覆膜砂试件为模拟单轴抗压强度较低(峰值强度8MPa左右)的软岩的3D打印耗材。

为进一步验证此结论,从不同矿区的选择了细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩岩层以及煤层。东欢坨煤样取自该矿7号煤层,成煤时代为二叠纪,光亮型、气煤; 袁大滩煤样取自该矿2号煤层,成煤时代为侏罗纪,半亮-半暗型、不黏煤; 六家煤样取自该矿6-9号煤层,成煤时代为白垩纪,光亮型、长焰煤。分别制备标准试样进行单轴压缩试验,将所获得的数据结果经过初步筛选后(根据峰值强度及杨氏模量等参数)作为原生煤岩体应力-应变曲线的对照组,分别与光敏树脂及覆膜砂3D打印试件测定结果进行对比(表3、表4及图8)。

表3 覆膜砂试件与不同类型煤样的基本力学性质

表4 光敏树脂试件与不同岩样的基本力学性质

图8 3D打印试样与煤岩应力-应变曲线对比

其中各个矿区的煤岩体泊松比取常规天然煤岩的均值(鞠杨等,2014)作为对照组数据。可以看出,覆膜砂试件的杨氏模量及单轴抗压强度与煤较接近,泊松比存在一定差异。而光敏树脂材料SLA600和Vero White Plus两者与砂岩相比,SLA600材料峰值强度、杨氏模量及泊松比参数与粉砂岩试样相近,而Vero White Plus材料的力学性质接近粉砂质泥岩岩样。

将3种3D打印试件的部分应力-应变曲线与选取的不同岩样的应力-应变曲线进行对比(图8所示),发现两种光敏树脂试件及各类砂岩存在较完整的弹性阶段并且在该阶段内曲线斜率相近,对应的杨氏模量相近,一定程度上显示出SLA600及Vero White Plus材料与高强度砂岩在单轴载荷下线弹性阶段具有一定的相似性,而SLA600与Vero White Plus相比塑性阶段较短,并且SLA600峰后应变软化时段较短,残余强度相对较低。覆膜砂试件也具有完整的弹性阶段、塑性阶段和峰值强度,相比东欢坨矿的脆性煤样,覆膜砂试件的应力-应变曲线在峰值点过后发生了明显的应力骤降,但是弹性阶段的弹性模量和峰值强度十分接近。

3.2 表观破坏模式分析

3种材料所打印的试件在单轴压缩条件下的表观的破坏方式也是不同的,同文献中(Jiang et al.,2015)的试验结果类似,调节了打印层厚以及壁厚的PLA试件仍然(图9)在受单轴载荷作用下,未发生类似岩石的拉张或剪切型破坏,而是发生较好的轴向压缩侧向微膨胀的塑性变形。因此该材料与硬岩相似度很差,不能作为模拟岩石的3D打印耗材。

图9 PLA试件与岩石破坏效果

与PLA材料不同,两种光敏树脂材料SLA600和Vero White Plus试件,发生了和煤岩类似的脆性破坏。其中SLA600在相同的轴向载荷下经过屈服阶段后,达到峰值强度时发生了与岩石类似的拉张破坏,破坏后呈现轻微膨胀特征(图10所示)。Vero White Plus试件韧性较SLA600试件强,峰值强度达到近120MPa并且破坏模式以拉张和剪切破坏为主(图11所示),破坏冲击极强,符合较硬的砂岩的破坏特点。

图10 SLA600试件与岩石破坏效果对比

图11 Vero White Plus试件破坏效果

覆膜砂试件在单轴压缩下的表观破坏特征(图12所示)均以剪切破裂为主,同煤样类似。由于覆膜砂试件是以粉末利用激光烧结固化,形成机理与煤不同,试件破裂断面局部有少量砂粉泻出。整体上破裂后的多为块状形态,与试验煤样破裂特征相似。结合前文测定的覆膜砂试件力学特性,认为3D打印制备的覆膜砂试件适合模拟单轴抗压强度较低的脆性煤体。

图12 覆膜砂试件破坏形态

4 结 论

本文利用了聚乳酸塑料(PLA)、两种光敏树脂材料(SLA600和Vero White Plus)及覆膜砂粉末4种3D打印耗材制备力学试验标准试件,尝试寻找能够在单轴载荷下模拟原生煤岩的3D打印材料,经过分析得到以下结论:

(1)光敏树脂材料Vero White Plus应力-应变曲线与砂岩岩样的峰值强度、杨氏模量、泊松比及应力-应变曲线整体趋势相近,覆膜砂材料与所选煤样的峰值强度、杨氏模量及应力-应变曲线相近。

(2)在单轴载荷作用下,PLA材料未发生与煤岩相似的脆性破坏,SLA600材料表现出局部膨胀性,并且测定的力学特性结果较Vero White Plus材料相比,与所测定的砂岩试样应力-应变曲线整体趋势差异较大,因此认为Vero White Plus材料更适合模拟高强度的脆性砂岩。

(3)覆膜砂材料在单轴载荷下与软岩有着相似的破裂特征及力学特性,可作为较软的脆性煤体的3D打印相似材料。