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1、ICS 73.020CCS D00/09GRM中关村绿色矿山产业联盟团体标准T/GRM 063-2023软岩类岩石试件模型 3D 打印规范Specification for Soft-rock-like Specimen based on 3D Printing2023-10-31 发布2023-10-31 实施中关村绿色矿山产业联盟 发 布I前言前言.II1 范围.12 规范性引用文件.13 术语和定义.14 工艺及材料选择.24.1 工艺选择.24.2 材料选择.25 打印流程.35.1 材料准备.35.2 打印前准备.35.3 试件及模型打印.35.4 试件养护.36 力学特性测定与打印
2、参数标定.46.1 力学特性测定.46.2 打印参数标定.77 试件贮藏、运输.77.1 试件贮藏.77.2 试件运输.7附录附录.8附录 A 试件力学特性记录表.8附录 B 试件三轴压缩强度试验记录表.9目次II前言本文件按照 GB/T 1.1-2020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中关村绿色矿山产业联盟提出。本文件由中关村绿色矿山产业联盟标准化工作委员会归口。本文件起草单位：山东科技大学、河南理工大学、安徽理工大学、矿冶科技集团有限公司、太原理工大学、济宁学院。本文件主要起草人
3、：蒋力帅、赵阳、刘少伟、贾后省、袁安营、刘光生、白锦文、王清标、文志杰、武泉林。警告：本文件的应用可能涉及危险物质及其操作和设备。但本文件没有说明与其使用有关的所有安全问题。在使用本文件前，使用者有责任制定相应的安全和保护措施，并明确其限定的适用范围。1软岩类岩石试件模型 3D 打印规范1 范围本文件给出了软岩类岩石试件模型 3D 打印规范的规范性引用文件、术语和定义、材料及工艺选择、打印流程、力学特性测定与打印参数标定、试件贮藏及运输等。本文件适用于采用 3D 打印技术制备软岩类岩石试件模型。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用
4、文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2611-2007 试验机 通用技术要求GB/T 3159-2008 液压式万能试验机DZ/T 0276.18-2015 岩石物理力学性质试验规程 第 18 部分：岩石单轴抗压强度试验DZ/T 0276.20-2015 岩石物理力学性质试验规程 第 20 部分：岩石三轴压缩强度试验DZ/T 0276.21-2015 岩石物理力学性质试验规程 第 21 部分：岩石抗拉强度试验JGJ 52-2006 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.13D
5、 打印 3D printing利用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料堆积的方式来制造零件或实物的工艺。3.2粘结剂喷射 Binder jetting选择性喷射沉积液态粘结剂粘结粉末材料的增材制造工艺。3.3软岩 Soft rock强度低于 20MPa，且粘结力差、易风化、一般遇水膨胀的岩石。3.42喷墨量 Ink jet quantity每平方厘米所喷射的液态粘结剂的体积，单位为 ml/cm2。4 工艺及材料选择4.1 工艺选择4.1.1 宜选用粘合剂喷射技术作为软岩类岩石试件和相似材料模型 3D 打印制备的工艺。4.1.2 打印方向有垂直打印（打印层与预加载方向垂直）和平行打印（打印层与预
6、加载方向平行）两种，见图 1，应采用垂直打印。图图 1 1 试件打印方向4.2 材料选择4.2.1 粉末材料可选用硅砂、石英砂、陶瓷砂等，同时粉末材料的形状、直径、含水量等也应满足以下要求：a)宜选用颗粒形状为不规则球体或不规则椭圆体的粉末材料；b)粉末材料的颗粒直径宜控制在 80 目300 目；c)粉末材料含水量应低于0.2%，含水量的计算与检验方法按JGJ 52-2006中6.6的要求；d）当粉末材料含有云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐等有害物质时，其含量按JGJ 52-2006 中 3.1.8 的要求。4.2.2 粘结剂宜选用呋喃树脂等热固性树脂，粘结剂溶剂应选择浓度为 80%-90
7、%的酒精或流动性较好的液体。5 打印流程5.1 材料准备5.1.1 粉末材料在打印前应进行筛选，宜进行烘干处理，确保有害物质和含水量满足 4.2.13的要求。5.1.2 粘合剂使用前应检查并保证无悬浮和沉淀颗粒。5.2 打印前准备5.2.1 打印前应将催化型固化剂与粉末颗粒充分搅拌，搅拌宜采用强制式搅拌机。5.2.2 打印前应检查打印机工作平台和送料缸，确保其干净、整洁。5.2.3 打印前宜先在工作平台铺设白色光面纸进行试打，确保打印机喷射的液态粘结剂均匀、稳定后方可打印。5.3 试件及模型打印5.3.1 试件及模型在打印过程中间距及内部所设置节理、空洞应满足以下要求：a)试件及模型间距应大于
8、 8mm；b)节理开度、空洞直径的设置应大于 0.5mm。5.3.2 打印环境应满足以下要求：a)试件的打印环境温度应控制在 2030；b)试件的打印环境湿度应控制在 50%60%；c)打印过程中应保持成形平台的稳定，避免打印过程中机器受到振动和冲击。5.4 试件养护5.4.1 打印完成后应在打印机工作缸内静置 12h 后方可取出，静置过程中应避免机器受到振动和冲击。5.4.2 试件与模型均应从打印工作面一侧依次取出，试件与模型取出后应立即进行标记，当试件有严重缺陷时，应按废弃处理。5.4.3 试件与模型取出后应于室内静置使其充分氧化，静置过程应避免阳光照晒。5.4.4 氧化完成后应对试件和模
9、型的精度进行检查，按 DZ/T 0276.18-2015 中 6.7 进行检测，不满足精度要求时应进行打磨修整或弃用，具体要求如下：a)沿试件模型整个高度的直径或厚度测量允许偏差0.3mm；b)两端面不平行度允许偏差0.05mm；c)端面不平整度允许偏差0.02mm。6 力学特性测定与打印参数标定6.1 力学特性测定6.1.1 试验机应符合 GB/T 3159 和技术 GB/T 2611 的有关规定。46.1.2 单轴抗压强度的测试采用圆柱体作为标准试件，直径宜为 48 mm 54mm，高径比宜为2.02.5，所用试件个数不应少于 3 个，其测定方法按 DZ/T 0276.18-2015 进行
10、，单轴抗压强度按式（1）计算。非标准试件的单轴抗压强度按式（2）进行修正，并在报告中予以说明。单轴抗压强度试验结果保留至小数点后 1 位。cPRA（1）式中：Rc单轴抗压强度，单位为兆帕(MPa);P破坏荷载，单位为牛(N);A时间初始截面积，单位为平方毫米(mm2)。872eRRDH（2）式中：Re换算成标准试件的抗压强度，单位为兆帕(MPa);R非标准试件抗压强度，单位为兆帕(MPa);D非标准试件的直径或边长，单位为毫米(mm);H非标准试件的高度，单位为毫米(mm)。6.1.3 根据单轴压缩试验所得试件的纵向应力-纵向应变关系曲线，弹性模量按式（3）计算，结果保留 2 位小数。baba
11、E（3）式中：E弹性模量，单位为吉帕(GPa);a应力与纵向应变关系曲线上直线段起始点的应力值，单位为兆帕(MPa)；b应力与纵向应变关系曲线上直线段终点的应力值，单位为兆帕(MPa)；a应力为a时的纵向应变值；b应力为b时的纵向应变值。6.1.4 抗拉强度采用劈裂法间接测定，所用试件个数不应少于 3 个，直径宜为 4854mm，高径比宜为 0.51，其测定方法按 DZ/T 0276.21-2015，所得结果填入记录表并根据式（4）计算抗拉强度，见附录 A。结果保留 1 位小数。52tpRDh（4）式中：Rt岩石抗拉强度，单位为兆帕(MPa);p巴西劈裂破坏荷载，单位为牛(N);D试件直径，单
12、位为毫米(mm);h试件高度，单位为毫米(mm)。6.1.5 记录试验数据，平均抗压强度按式（5）计算，平均抗拉强度按式（6）计算，平均弹性模量按式（7）计算，压-拉比按式（8）计算，计算结果一并填入表内，见附录 A。1nciicRRn（5）式中：cR平均抗压强度，单位为兆帕(MPa)；ciR第 i 个试件的单轴抗压强度，单位为兆帕(MPa)；n单轴压缩试验的试件数目。1mtiitRRm（6）式中：tR平均抗拉强度，单位为兆帕(MPa)；tiR第 i 个试件的抗拉强度，单位为兆帕(MPa)；m抗拉强度试验的试件数目。1niiEEn（7）式中：E平均弹性模量，单位为吉帕(GPa)；iE第 i 个
13、试件的弹性模量，单位为吉帕(GPa)；6n单轴压缩试验的试件数目。ctRKR（8）式中：K压-拉比。6.1.6 抗剪强度参数内摩擦角和粘聚力 C 通过对三轴试验结果的计算得到，三轴试验的要求和试验步骤应按 DZ/T 0276.20-2015。内摩擦角按式(9)计算，粘聚力 C 按式(10)计算，所得结果均保留至小数点后 1 位，试验记录及计算结果填入表内，见附录 B。1arcsin1mm(9)1sin2cosCb(10)式中：内摩擦角，单位为度()；C粘聚力，单位为兆帕(MPa)；m强度包络线直线段斜率，按式(11)计算；b强度包络线直线段在 y 轴上的截距，单位为毫米(mm)，按式(12)计
14、算。31132233_()_imi(11)2133132233_()_bi(12)式中：3岩石所受围压，单位为兆帕(MPa)；1岩石在围压为3作用下的抗压强度，单位为兆帕(MPa)；i试验所用试件的数目。6.2 打印参数标定6.2.1 应对打印层厚、喷墨量、催化型固化剂与粉末材料的比例进行标定，可根据试验需求对养护温度、养护时间进行标定。打印参数标定过程中应对比抗压强度、抗拉强度、压-拉比三项力学参数，宜根据试验需求对比弹性模量、粘聚力、内摩擦角等力学参数。6.2.2 打印参数标采用试错法，具体定流程见图 2，应在完成打印参数标定后开展试件和模型的批量打印。参数标定后的各项力学参数应满足要求：
15、a)标定试件与被标定岩样的抗压强度均值之差不应大于 0.2MPa；7b)标定试件与被标定岩样的抗拉强度均值之差不应大于 0.05MPa；c)标定试件与被标定岩样的压-拉比之差应控制在 5%以内；d)标定试件与被标定岩样的弹性模量均值之差不应大于 0.1GPa；e)标定试件与被标定岩样的粘聚力之差不应大于 0.1MPa；f)标定试件与被标定岩样的内摩擦角之差不应大于 2。图图 2 2 参数标定流程7 试件贮藏、运输7.1 贮藏7.1.1 贮藏环境应符合 5.4.3 的规定。7.1.2 当试件模型需要长期贮藏时，应用保鲜膜或蜡纸包裹、密封，且贮藏时间不宜超过 1年。7.2 运输7.2.1 试件模型
16、在运输前除应用保鲜膜或蜡纸包裹、密封外，还应用气泡纸包裹。7.2.2 试件模型宜放于木质箱体内运输，且应在试件模型间填充满泡沫或气泡纸。8附录附录 A（资料性）（资料性）试件力学特性记录表试件力学特性记录表层厚层厚mm喷墨量喷墨量ml/cm2抗压特性抗压特性抗拉特性抗拉特性压压-拉比拉比K编号编号高高/mm直径直径/高高抗压强度抗压强度Rc/MPa均值均值Rc/MPa弹性模量弹性模量E/GPa平均平均弹性模量弹性模量E/GPa编号编号高高/mm直径直径/宽宽抗拉强度抗拉强度Rt/MPa均值均值Rt/MPa描述：描述：试验：试验：计算：计算：校核：校核：年年月月日日9附录附录 B（资料性）（资料性）试件三轴压缩强度试验记录表试件三轴压缩强度试验记录表层厚层厚mmmm喷墨量喷墨量ml/cm2试件编号试件编号试验状态试验状态试件尺寸试件尺寸/mm横截面横截面积积A/mm2侧向应力侧向应力3/MPa最大破坏最大破坏载荷载荷 P/N轴向应力轴向应力1/MPa直径直径高度高度描述：描述：试验：试验：计算：计算：校核：校核：年年月月日日