(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211010102.2 (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3 号巷11号 (72)发明人 李正伟　黄川圆　冯夏庭　梅诗明　 王海曦　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 专利代理师 李珉 (51)Int.Cl. G01N 1/28(2006.01) B28B 1/00(2006.01) (54)发明名称 用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备 及3D打印方法 (57)摘要 本发明提供一种用于物理模型试验的岩土 类隔温材料制备及3D打印方法， 涉及深部工程物 理模型试验技术领域。 该方法采用与物理模型试 样相近的岩 土相似材料制备岩 土类隔温材料， 在 满足良好隔温性能的基础上， 使岩 土类隔温材料 具备与模型试样相协调的力学性能； 并使岩土类 隔温材料具有良好的3D打印性能， 实现工程岩体 物理模型及其隔温层的一体化3D打印构建。 在满 足边界隔温性能的基础上， 其隔温层的力学性质 与试样整体协调一致， 可以保证边界应力加载下 的隔温层与工程岩体模型的协调变形。 本发明的 3D打印构建方法， 可以实现工程岩体物理模型试 样与隔温层的一体化成型， 提高了模 型试样的整 体性与构建精度， 保证了模型边界不同位置的隔 温效果的一 致性。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115372099 A 2022.11.22 CN 115372099 A 1.一种用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 包括岩土类隔温材料 制备及工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印两 部分， 其特 征在于： 所述岩土类隔温材 料的制备的方法为： 确定隔温材 料的目标参数； 确定隔温材 料的物质组成； 调控隔温材 料的湿料流动性能； 设计隔温材 料配比试验方案， 并打印不同配比方案下的隔温材 料试样； 对养护好的隔温材 料试样进行性能测试， 确定岩土类隔温材 料的最优配比； 所述工程岩体物理模型与隔温层一体化3D打印的方法为： 根据拟开展的工程岩体物理模型试验， 分别建立工程岩体及边界隔温层的三维数字模 型； 根据工程岩体及边界隔温层的三维数字模型， 分别规划工程岩体物理模型与边界隔温 层的打印路径与打印参数， 并完成路径融合； 使用3D打印机进行工程岩体物理模型与隔温层的一体化3D打印； 评价3D打印的隔温层的隔温性能和物理力学性能。 2.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 所述确定隔温材 料的目标参数的具体方法为： 根据物理模型 试验的内部温度场与边界隔温要求， 确定隔温材 料的目标导热系数； 根据所模拟工程的原岩参数及模型试验的相似比， 确定隔温材料的目标物理参数和力 学参数， 具体包括密度、 孔隙度、 单轴抗压强度、 抗拉强度、 弹性模量、 泊松比、 内聚力和内摩 擦角。 3.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 确定隔温材 料的物质组成的具体方法为： 根据所模拟工程现场岩石的矿物成分、 化学成分、 微观结构、 物理参数和力学参数， 确 定用于制备隔温材 料的岩土相似材 料骨料与胶结剂类型及岩土相似材 料骨料的粒径范围； 选择适用于制备隔温材 料的岩土相似材 料的发泡剂， 制备泡沫。 4.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 所述调控隔温材 料的湿料流动性能的具体方法为： 将确定的岩土相似材料骨料、 胶结剂及通过发泡剂制备的泡沫按照 一定的比例混合均 匀， 形成隔温材 料湿料； 进行隔温材料湿料的流动性能试验， 通过添加缓凝剂与保水剂， 使得隔温材料湿料具 备要求的流动性能、 初凝时间和自持能力。 5.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 设计隔温材料配比试验方案， 并打印不同配比方案下 的隔温材料试样的具体方 法为： 针对步骤2确定的岩土相似材料骨料、 胶结剂及发泡剂制备的发泡剂， 选取影响因素， 设计正交或均匀试验方案； 所述影响因素， 包括岩土相似材料骨料与胶结剂之比， 不同岩土相似材料骨料含量之 比， 不同胶结剂含量之比以及泡沫掺 量(％)；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115372099 A 2基于设计的试验方案及确定的缓凝剂与保水剂用量， 采用湿料挤出沉积 成型3D打印工 艺， 打印不同配比方案下的隔温材 料试样， 并对隔温材 料试样进行养护。 6.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 所述对养护好的隔温材料试样进行性能测试， 确定岩土类隔温材料 的最优配比 的具体方法为： 隔温材料试样养护完成后， 测试不同配比方案下， 隔温材料试样的物 理、 力学和热物 理 性质； 对比确定的隔温材料的目标参数， 优选出符合要求的配比方案， 确定岩土类隔温材料 的配比。 7.根据权利要求1所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 所述工程岩 体物理模型为长方体试样， 包括完整岩体部 分、 岩体结构部分以及用 于构建模型内部高温环境的加热系统， 完成实验过程中多元信息监测的监测系统； 所述边界隔温层， 布置在工程岩体物理模型试样的六个端面， 将工程岩体物理模型试 样包裹在内部， 以实现工程岩体物理模型内部高温与边界加载设备 的有效隔离； 根据3D打 印顺序， 边界隔温层分为底部隔温层， 四侧壁隔温层 及顶部隔温层。 8.根据权利要求7所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 所述使用3D打印机进 行工程岩 体物理模型与隔温层的一体化3D打印的具体方法 为： 将工程岩体物理模型相似材料与隔温层材料放置在3D打印机不同的料仓 内， 通过泵送 装置， 经过输料管， 分别输送工程岩 体物理模型相似材料与隔温层材料至对应的打印喷头， 按照既定的规划路径行走， 自下至上完成工程岩体物理模型与边界隔温层的一体化3D打 印； 并在打印过程中完成模型加热系统及相关传感器的预埋。 9.根据权利要求8所述的用于物理模型试验的岩土类隔温材料制备及3D打印方法， 其 特征在于： 所述评价3D打印的隔温层的隔温性能和物理力学性能的具体方法为： 启动工程岩体物理模型试样内部的加热装置， 实时监测隔温层内外两侧的温度， 评价 隔温层的隔温效果； 对3D打印成型的工程岩体物 理模型试样， 分别在隔温层与工程岩体物 理模型体 内部取 样， 开展密度、 孔隙度、 单轴抗压强度、 抗拉强度、 弹性模量、 泊松比、 内聚力和内摩 擦角的参 数测试， 对比隔温层与工程岩体物理模型体内部取样参数 的一致性， 完成对3D打印的隔温 层的物理力学性能评价。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115372099 A 3