阅读说明：本技术 一种基于3d打印的渗透性地砖的制备方法 (Preparation method of permeable floor tile based on 3D printing ) 是由 田威 王亚威 肖煜强 汤云坤 高芳芳 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于3D打印的渗透性地砖的制备方法,包括以下步骤：步骤1,根据实验要求,设定砖体试样内部裂隙的尺寸、倾角和分布,以及砖体试样形状,利用计算机建立含裂隙砖体的三维数字结构模型；步骤2,选择砖体试样制作需要的粉末状原料,包括砖体孔隙材料、骨架材料、填充材料和胶结剂；步骤3,将建立含裂隙砖体的三维数字结构模型输入到3D打印机中,利用3D打印机采用多喷头进行含柱状裂隙砖体试样的打印；步骤4,对含柱状裂隙砖体试样进行后期处理,即得。采用该制备方法制作出来的含内置裂隙的渗透性地砖,可以准确描述内置裂隙的数量、角度、尺寸和分布等砖体试样的基本特征。(The invention discloses a preparation method of a permeable floor tile based on 3D printing, which comprises the following steps: step 1, setting the size, inclination angle and distribution of cracks in a brick sample and the shape of the brick sample according to experimental requirements, and establishing a three-dimensional digital structure model of a cracked brick by using a computer; step 2, selecting powdery raw materials required by the preparation of a brick sample, wherein the powdery raw materials comprise a brick pore material, a framework material, a filling material and a cementing agent; step 3, inputting the three-dimensional digital structure model with the crack brick body into a 3D printer, and printing the sample with the columnar crack brick body by using the 3D printer and a plurality of spray heads; and 4, performing post-treatment on the brick body sample containing the columnar cracks to obtain the brick body sample. The permeable floor tile with built-in cracks, which is manufactured by the preparation method, can accurately describe the basic characteristics of the tile body samples such as the number, the angle, the size, the distribution and the like of the built-in cracks.)

一种基于3D打印的渗透性地砖的制备方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于3D打印的渗透性地砖的制备方法，所得的渗透性地砖可用于海绵城市建设。

背景技术

随着城市化进程的不断进行，中国城市中极易遇到洪涝灾害等问题，“海绵城市”也应运而生。用于海绵城市建设的渗透性地砖能够实现下雨时渗水、蓄水、吸水、净水的功能。砖体内部含有大量的裂隙和微裂纹，由于砖体所含裂隙数量、角度、尺寸和分布的不同，从而导致了砖体渗透性能的复杂性。砖体内部所含裂隙及其贯通性是影响砖体渗透性及强度的重要因素。

3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近年来，3D打印技术更是被认为是“第三次工业革命”的标志性技术，通过3D打印技术可以实现打印出含特定内置裂隙的砖，进而可以研究其渗透性能，对于岩土工程领域的各类岩石以及土体的渗透性能研究开辟了新的思路。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于3D打印的渗透性地砖的制备方法，解决现有砖体试样制备方法中难以制作内部裂隙进而增大渗透性以及裂隙蓄水的问题，采用该制备方法制作出来的含内置裂隙的渗透性地砖，可以准确描述内置裂隙的数量、角度、尺寸和分布等砖体试样的基本特征，所得的渗透性地砖可用于海绵城市建设中。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于3D打印的渗透性地砖的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，根据实验要求，设定砖体试样内部裂隙的尺寸、倾角和分布，以及砖体试样形状，利用计算机建立含裂隙砖体的三维数字结构模型；

步骤2，选择砖体试样制作需要的粉末状原料，包括砖体孔隙材料、骨架材料、填充材料和胶结剂；

步骤3，将建立的含裂隙砖体的三维数字结构模型输入到3D打印机中，利用3D打印机采用多喷头进行含柱状裂隙砖体试样的打印；

步骤4，对含柱状裂隙砖体试样进行后期处理，得含裂隙的渗透性地砖三维模型。

优选的，步骤1中，使用3Dmax软件建立含裂隙砖体的三维数字结构模型，并输出为STL格式。

优选的，步骤2中，所述砖体孔隙材料为网格支撑材料，所述骨架材料为砂粉末，所述填充材料为陶土粉末，所述胶结剂为呋喃树脂。

优选的，步骤2中，所述粉末状原料的粒径为0.2mm。

优选的，步骤3具体为：采用三维喷墨工艺制作砖体试样，铺粉辊将送粉缸中的砂粉末均匀地铺在工作活塞上，3D打印机的喷头将胶结剂按照计算机预定的断面形状喷洒在砂粉末上进行粘结并压实，紧接着铺粉辊进行同一层陶土粉末的铺设并进行粘结，按照铺一层砂粉末、陶土粉末，喷一层胶结剂进行粘结的方式自下而上进行打印，均匀逐层成型砖体试样。

进一步优选的，步骤3中，当3D打印机控制系统识别出砖体实体结构时，相应的砂粉末、陶土粉末的铺粉辊开始运作，对砂粉末、陶土粉末进行铺粉并喷胶结剂，形成实体结构；当3D打印机控制系统识别出裂隙时，3D打印机默认添加网格支撑材料，形成裂隙结构。

优选的，步骤4中，所述后期处理的方法为：刷除含柱状裂隙砖体试样表面多余粉末，静置并对其进行高温干燥。

进一步优选的，步骤4中，所述高温干燥的温度为105℃-120℃，高温干燥的时间为6-8h。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的基于3D打印的渗透性地砖的制备方法可以精确地控制渗透性地砖内置的裂隙尺寸、形态以及分布情况，制备方法简单、成本低廉，制备过程环保、吸音减噪，规避了传统方法中经济性差、污染环境等缺点，同时室内试验易于操作、可重复性高，试样特性比较类似，结果可靠。

(2)本发明利用3D打印技术，将渗透性地砖试样的骨架、填充结构以及试样裂隙同时打印出来，最终试样成型时自身即含有裂隙。其中，使用砂粉末所形成的骨架结构可以保证渗透性地砖试样的强度，使用陶土粉末所形成的填充结构具有蓄水及增强渗透性的作用。

(3)采用本发明的方法所得的渗透性地砖具有渗水、蓄水、吸水、净水的功能，可用于海绵城市建设，其内置裂隙的数量、角度、尺寸和分布等基本特征可以精准控制，因此可以控制渗透性地砖的渗透特征，为研究岩土渗透性能提供一种新的方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的基于3D打印的渗透性地砖的制备方法流程图；

图2是实施例1所得的具有贯通裂隙的渗透性地砖的三维效果图；

图3是实施例1所得的具有贯通裂隙的渗透性地砖的俯视图；

图4是实施例2所得的具有闭合裂隙的渗透性地砖的三维效果图；

图5是实施例2所得的具有闭合裂隙的渗透性地砖的俯视图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

下面结合附图对本发明可制作微小以及闭合、贯通裂隙的砖体试样制作方法进行详细说明。根据试验研究，贯通裂隙的断面面积所占砖体断面的总面积比例为0.05‰左右，闭合裂隙的断面面积所占砖体断面的总面积比例为5‰左右，同时，裂隙端部的形状特征为圆形时更能满足渗透性能且能够保证砖体试样的强度，裂隙与裂隙之间的分布距离约30mm时更能保证砖体试样强度和渗透性的均好性。

实施例1

一种基于3D打印的渗透性地砖的制备方法(具体流程图如图1所示)，包括以下步骤：

步骤1，确定几何模型尺寸：根据实验要求，设定砖体试样内部圆柱形贯通裂隙的长为30mm、直径为0.1mm，砖体试样的倾角为90°和贯通裂隙条数n＝181(此设计是为了保证砖体结构的对称性以及强度的均匀性，同时为了满足地砖的渗水、减噪性能要求)，以及砖体试样的尺寸为300mm×300mm×30mm，本发明对砖体试样内置裂隙的条数、直径及分布没有特定要求，可根据需求灵活设置。贯通性裂隙均匀分布于砂粉末所形成的骨架结构和陶土粉末所形成的填充结构中。使用3Dmax软件建立含裂隙砖体的三维数字结构模型，并输出为STL格式以便3D打印机识别。

步骤2，选择砖体试样制作需要的粉末状原料(粒径为0.2mm)，砖体试样孔隙打印材料为网格支撑材料，骨架为砂粉末，填充结构为陶土粉末，胶结剂为呋喃树脂。

步骤3，将建立含裂隙砖体的三维数字结构模型输入到3D打印机中，利用3D打印机采用多喷头进行含柱状裂隙砖体试样的打印。

具体为：砖体试样的制作采用3DP(三维喷墨)工艺，3D打印机根据指令采用多喷头进行砖体试样的制作具体过程为：铺粉辊将送粉缸中的砂粉末均匀地铺在工作活塞上，3D打印机的喷头将胶结剂按照计算机预定的断面形状喷洒在砂粉末上进行粘结并压实，紧接着铺粉辊进行同一层陶土粉末的铺设并进行粘结，按照铺一层砂粉末、陶土粉末，喷一层胶结剂进行粘结的方式自下而上进行打印，均匀逐层成型有选择性的完成打印试件制作。

特别地，当3D打印机控制系统识别出实体结构时，相应的砂粉末、陶土粉末的铺粉辊开始运作，将砂粉末、陶土粉末进行铺粉并喷胶结剂，形成实体结构；当3D打印机控制系统识别出裂隙时，3D打印机默认添加网格支撑材料，形成裂隙结构。

步骤4，对含柱状裂隙砖体试样进行后期处理，得含裂隙的渗透性地砖三维模型。其中，后期处理的方法为：刷除含柱状裂隙砖体试样表面多余粉末，静置并对其在110℃下高温干燥7h，使胶结剂充分凝结以保证其强度，最终获得具有圆柱体的贯通裂隙的渗透性地砖三维模型，如图2-3所示。

图2、3分别为具有贯通裂隙的渗透性地砖三维模型的三维效果图和俯视图。贯通性裂隙的主要作用是在城市降雨时可以通过裂隙将雨水渗透到地下，从而解决路面积水问题；同时，贯通裂隙也可以达到吸音减噪的目的。

实施例2

一种基于3D打印的渗透性地砖的制备方法(具体流程图如图1所示)，包括以下步骤：

步骤1，确定几何模型尺寸：根据实验要求，设定砖体试样内部圆柱形闭合裂隙的长为10mm、直径为2mm、深为10mm，砖体试样的倾角为90°和闭合裂隙条数n＝112(此设计是为了保证砖体结构的对称性以及强度的均匀性，同时为了满足地砖的蓄水要求)，以及砖体试样的尺寸为300mm×300mm×30mm，本发明对砖体试样内置裂隙的条数、直径及分布没有特定要求，可根据需求灵活设置。闭合裂隙(非贯通性裂隙)均匀分布于陶土粉末所形成的填充结构中。使用3Dmax软件建立含裂隙砖体的三维数字结构模型，并输出为STL格式以便3D打印机识别。

步骤2，选择砖体试样制作需要的粉末状原料(粒径为0.2mm)，砖体试样孔隙打印材料为网格支撑材料，骨架为砂粉末，填充结构为陶土粉末，胶结剂为呋喃树脂。

步骤3，将建立含裂隙砖体的三维数字结构模型输入到3D打印机中，利用3D打印机采用多喷头进行含柱状裂隙砖体试样的打印。

具体为：砖体试样的制作采用3DP(三维喷墨)工艺，3D打印机根据指令采用多喷头进行砖体试样的制作具体过程为：铺粉辊将送粉缸中的砂粉末均匀地铺在工作活塞上，3D打印机的喷头将胶结剂按照计算机预定的断面形状喷洒在砂粉末上进行粘结并压实，紧接着铺粉辊进行同一层陶土粉末的铺设并进行粘结，按照铺一层砂粉末、陶土粉末，喷一层胶结剂进行粘结的方式自下而上进行打印，均匀逐层成型有选择性的完成打印试件制作。

特别地，当3D打印机控制系统识别出实体结构时，相应的砂粉末、陶土粉末的铺粉辊开始运作，将砂粉末、陶土粉末进行铺粉并喷胶结剂，形成实体结构；当3D打印机控制系统识别出裂隙时，3D打印机默认添加网格支撑材料，形成裂隙结构。

步骤4，对含柱状裂隙砖体试样进行后期处理，得含裂隙的渗透性地砖三维模型。其中，后期处理的方法为：刷除含柱状裂隙砖体试样表面多余粉末，静置并对其在110℃下高温干燥7h，使胶结剂充分凝结以保证其强度，最终获得具有圆柱体的闭合裂隙的渗透性地砖三维模型，如图4-5所示。

图4、5分别为具有圆柱体的闭合裂隙的渗透性地砖三维模型的三维效果图和俯视图。闭合裂隙砖闭合裂隙的主要作用是在城市降雨时可以对雨水进行储存，减缓城市内涝；当降雨停止，温度升高时，闭合裂隙里储存的雨水又会被蒸发出来，从而缓解城市热岛效应，达到打造会呼吸的城市的目的。

本发明的基于3D打印的渗透性地砖的制备方法中，从裂隙对岩土渗透性能的影响规律出发，根据需求制作出内部裂隙呈一定规律分布的地砖，应用3D打印技术得到含内置裂隙的砖体试样，应用于海绵城市建设研究中。可以根据实验要求，依靠3D打印设备自动化实现快速精确地制作出不同尺寸、不同倾角以及不同分布的裂隙，为研究岩土渗透性能提供一种新的思路。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。