一种天然砂颗粒形貌的复刻装置与复刻方法与流程

1.本发明涉及土木工程、岩土工程领域，特别是一种天然砂颗粒形貌的复刻装置与复刻方法。


背景技术：

2.世界上没有两个颗粒形貌完全相同的砂子，这表明了砂颗粒形貌特性的复杂性和难以刻画。颗粒形貌与天然砂土的物理力学特性密切相关，对于揭示散粒岩土材料工程性质的细观机理具有重要意义。颗粒形貌代表天然砂土的形成历史，反映其沉积、风化过程中受到的机械、化学等作用。沉积作用形成的砂颗粒形貌特征主要依赖于沉积物的来源和沉积环境；湖积或海相沉积的砂颗粒形貌相对圆润，且与搬运距离和冲刷烈度、时间等密切相关。几十年前，工程师们就意识到颗粒形貌会影响散粒材料的工程特性，如压缩性、剪切强度、渗透性和热传导特性等，欧洲部分国家已经将颗粒形貌作为划分砂土类型的依据之一，并纳入相关国家分类标准中。图1为相同材料属性、粒径和孔隙比条件下，天然砂颗粒和圆滑球颗粒的应力-应变曲线。可以明显看出：相同轴向应变量下，两种类型颗粒集合体的应力比相差较大，天然砂的应力比值较高，此外，两种颗粒集合体的应力-应变曲线形态也存在差异。这些都归因于集合体内颗粒形貌的影响。颗粒形貌会直接影响颗粒间的接触性状，进而改变散粒集合体的传热传质特性。图2为理想球体之间接触示意图，图3为天然砂颗粒之间接触示意图。对于理想球体而言，两个颗粒之间的接触点只有一个，而天然砂颗粒表面凹凸不平，在细观尺度下，两个颗粒之间的接触存在多个微小接触点。此外，天然砂颗粒的接触点之间存在微孔隙，孔隙内液体亦会对颗粒间接触传热产生影响。因此，研究颗粒形貌与砂土宏观工程性质的内在关联，以及不同赋存环境下砂颗粒的形貌特征，可为相关岩土工程实践提供指导，也为离散元等数值模拟技术的精细化研发提供基础数据。
3.现有关于砂颗粒形貌的测试和评价手段较多，从最初的肉眼观察、卡尺测量，发展到现在的相机拍照、显微镜、扫描电镜、ct扫描仪、激光扫描仪等，测量结果亦从二维拓展到三维尺度，精度也越来越高。在室内试验和数值模拟过程中，人们常利用一些理想化的人工材料来研究颗粒形貌对砂土工程性质的影响，例如玻璃球、橡胶球、橡胶椭球、橡胶棒等。从细观尺度上来说，这些人造材料的形貌与天然砂颗粒的形貌差别甚远，难以真实刻画。需要指出的是，当下流行的3d打印技术虽然可以便捷的仿制复杂形貌的砂颗粒，但是由于该打印技术自身的特点，会造成打印的砂颗粒表面出现层状起伏，与真实砂颗粒形貌仍存在较大差距。因此，亟需研发新型、高效、便捷的砂颗粒形貌复刻装置，用于准确评价砂颗粒形貌对其集合体工程性质的作用规律。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种天然砂颗粒形貌的复刻装置与复刻方法，该天然砂颗粒形貌的复刻装置与复刻方法能够高精度人工再现天然砂颗粒的形貌，并为建立颗粒形貌与散粒岩土材料工程性质之间的内在联系提供重要
技术支持，同时可以为离散元模拟技术的更新进步提供基础数据，具有操作简便、复刻精度高等优点，具有重要的理论研究价值和良好的社会经济效益。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种天然砂颗粒形貌的复刻装置，包括橡胶片组件、烧杯和真空泵。
7.橡胶片组件包括第一橡胶片、第二橡胶片和夹具。
8.第一橡胶片和第二橡胶片竖直重合布设，并通过夹具夹紧，使得重合面密封贴紧接触。
9.第一橡胶片和第二橡胶片的重合面中部均设置有形貌半腔；两个形貌半腔形成与天然砂颗粒形貌相同的形貌腔室。
10.形貌腔室顶部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的上孔道；上孔道顶部通过上导管与真空泵相连接。
11.形貌腔室底部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的下孔道；下孔道底部通过下导管伸入盛放有复刻溶液的烧杯内。
12.上孔道和下孔道位于同一竖直直线上，且直径均为d，设形貌腔室的最大直径为d，则d≥25d，且d不小于0.2mm。
13.上孔道顶部设置有带有密封盖的锥形漏斗，上导管底部伸入锥形漏斗中，上导管顶部与真空泵相连接。
14.下孔道底部设置有扩大孔，扩大孔与下导管顶部密封连接，下导管底部伸入盛放有复刻溶液的烧杯内。
15.还包括橡胶片浇筑模具，橡胶片浇筑模具包括刚性底座、顶盖、刚性侧壁、固定螺杆和两根钢针。
16.刚性底座、顶盖和刚性侧壁围合形成密封的浇筑腔；其中，顶盖上设置有橡胶浇筑口，刚性侧壁上设置有两个钢针固定孔，且两个钢针固定孔的连线经过浇筑腔的中心。
17.固定螺杆用于连接刚性底座和顶盖，且能对顶盖施加反力。
18.两根钢针的一端均安装在天然砂颗粒上，两根钢针的另一端分别安装在对应的钢针固定孔内。
19.一种天然砂颗粒形貌的复刻方法，包括如下步骤。
20.步骤1、安装钢针：在待复刻天然砂颗粒两侧各安装一根钢针，且两根钢针位于同一直线。
21.步骤2、制备橡胶片：将步骤1中含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒，置于胶片浇筑模具的浇筑腔中心，且两根钢针的两端分别放置于刚性侧壁的钢针固定孔内；通过橡胶浇筑口分次向浇筑腔内浇筑液态橡胶，冷却并移除含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒后，从而制备得到第一橡胶片和第二橡胶片；其中，第一橡胶片和第二橡胶片均具有形貌半腔和两个钢针半孔。
22.步骤3、组装复刻装置：将步骤2制备的第一橡胶片和第二橡胶片竖直叠合布设，且含有形貌半腔的侧面相贴合；接着，采用夹具将第一橡胶片和第二橡胶片密封夹紧，使得两个形貌半腔组合形成与天然砂颗粒形貌相同且密封的形貌腔室；位于形貌腔室顶部的两个钢针半孔围合形成与其中一根钢针直径相等且密封的上孔道；将上孔道顶部通过上导管与真空泵相连接；位于形貌腔室底部的两个钢针半孔围合形成与另一根钢针直径相等且密封
的下孔道；将下孔道底部通过下导管伸入盛放有复刻溶液的烧杯内。
23.步骤4、复刻，具体包括如下步骤：
24.步骤4-1、抽真空：开启真空泵，形貌腔室内形成负压环境。
25.步骤4-2、复刻液充满形貌腔室：位于烧杯内的复刻溶液，将依次通过下导管和下孔道，进入形貌腔室内，并充满形貌腔室；
26.步骤4-3、复刻液达设定液位面：真空泵继续抽真空，充满形貌腔室的复刻液，高度继续上升，通过上孔道进入锥形漏斗，从而达到设定液位面。
27.步骤4-4、保压充填：关闭真空泵，通过在上导管和下导管上设置阀门，并使两个阀门同时关闭，使得形貌腔室在设定时间t内保持负压环境；此时，位于设定液位面下的复刻溶液在重力作用下充分、完全填充到形貌腔室内的各个轮廓缝隙中；与此同时，复刻液的粘度为2.0～2.5pa
·
s，下孔道的直径不大于1mm，形成毛细管；复刻液粘度和毛细管的作用，位于形貌腔室内的复刻液不会在重力作用下返流至下孔道。
28.步骤4-5、n次重复步骤4-1至步骤4-4。
29.步骤5、复刻液凝结：拆除下导管和上导管，将复刻装置在室温下静置，使得形貌腔室内的复刻溶液凝结、硬化，形成复刻的仿天然砂颗粒；此时，位于上孔道和下孔道内的复刻溶液凝结后将在仿天然砂颗粒表面形成两处凸起。
30.步骤6、拆模：将复刻装置拆除，并将仿天然砂颗粒表面的两处凸起切除、整平，得到成品仿天然砂颗粒。
31.步骤2中，第一橡胶片和第二橡胶片的具体制备方法，包括如下步骤：
32.步骤2-1、制备第一橡胶片：通过橡胶浇筑口向浇筑腔内浇筑液态橡胶，当液态橡胶的液面高度与两根钢针的中部齐平时，停止浇筑，并使位于胶片浇筑模具内的液态橡胶冷却，形成半成品第一橡胶片。
33.步骤2-2、涂覆隔离层：在半成品第一橡胶片的顶部涂覆隔离层。
34.步骤2-3、制备第二橡胶片：继续口向浇筑腔内浇筑液态橡胶，直至液态橡胶充满浇筑腔，停止浇筑，并使位于隔离层顶部的液态橡胶冷却，形成半成品第二橡胶片。
35.步骤2-4、移除含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒，从而制备得到第一橡胶片和第二橡胶片的成品。
36.步骤2中，第一橡胶片和第二橡胶片均为透明橡胶。
37.复刻液包括环氧树脂和硬化剂，且环氧树脂和硬化剂的质量比范围为：10:1～10:2；复刻液在制备过程中，采用磁力搅拌器将环氧树脂和硬化剂充分均匀搅拌；磁力搅拌器的加热温度为50℃～60℃，搅拌速度为800转/分钟～1000转/分钟，且搅拌时间不低于5分钟。
38.步骤4-1中，真空泵的负压控制速度为-2kpa/分钟，抽真空10分钟，使形貌腔室内的负压值达到-20kpa。
39.本发明具有如下有益效果：
40.1、利用常见的橡胶材料制作复刻装置，该复刻装置具有制作简便，可多个颗粒联排制作，提高复刻效率，具有良好的适用性和可操作性。
41.2、本发明中的砂颗粒采用“浇筑”的方式实现人工复刻，相比于现有的其他复刻方法具有精度高、成本低等优点，对操作者无特殊要求。
42.3、通过调整复刻溶液实现复刻颗粒材料属性的变更，同时保持高度相似的颗粒形貌，这对于研究相同形貌下不同颗粒的工程性质具有重要意义，可为离散元软件更准确模拟颗粒形貌提供基础。
附图说明
43.图1显示了相同制备条件下，不同颗粒形貌集合体的应力-应变曲线。
44.图2显示了理想球体之间的接触界面示意图。
45.图3显示了在细观尺度下天然砂颗粒之间的接触界面示意图。
46.图4显示了黏贴有钢针的天然砂颗粒的结构示意图。
47.图5显示了采用橡胶片浇筑模具制备第一橡胶片和第二橡胶片的侧视图。
48.图6显示了采用橡胶片浇筑模具制备第一橡胶片和第二橡胶片的俯视图。
49.图7显示了本发明一种天然砂颗粒形貌的复刻装置的结构示意图。
50.其中有：
51.1.天然砂颗粒；2.1.上钢针；2.2.下钢针；3.刚性底座；4.1.刚性侧壁一；4.2.刚性侧壁二；5.顶盖；6.1.固定螺杆一；6.2.固定螺杆二；7.1.第一橡胶片；7.2.第二橡胶片；8.形貌腔室；9.1.上孔道；9.2.下孔道；10.锥形漏斗；11.扩大孔；12.1.夹具一；12.2.夹具二；13.下导管；14.烧杯；15.复刻溶液；16.密封圈；17.上导管；18.真空泵；19.密封盖；21.上阀门；22.下阀门。
具体实施方式
52.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
53.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
54.如图7所示，一种天然砂颗粒形貌的复刻装置，包括橡胶片组件、烧杯14、真空泵18和橡胶片浇筑模具。
55.橡胶片组件包括第一橡胶片7.1、第二橡胶片7.2和夹具。
56.第一橡胶片和第二橡胶片竖直重合布设，并通过夹具夹紧，使得重合面密封贴紧接触，形成完整的橡胶片。本实施例中，夹具优选包括夹具一12.1和夹具二12.2。
57.第一橡胶片和第二橡胶片的重合面中部均设置有形貌半腔；两个形貌半腔形成与天然砂颗粒形貌相同的形貌腔室8。
58.形貌腔室顶部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的上孔道9.1；上孔道顶部通过上导管17与真空泵相连接。进一步，上孔道顶部的橡胶片上优选开设有锥形孔，锥形孔内密封放置有锥形漏斗10，锥形漏斗底部与上孔道相连通，锥形漏斗顶部罩设有密封盖19，密封盖上设置有供上导管密封穿过的导管孔。
59.形貌腔室底部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的下孔道9.2；下孔道底部优选设置有扩大孔11，下导管顶部优选通过密封圈密封插设在扩大孔内，下导管底部伸入盛
放有复刻溶液15的烧杯内。
60.本实施例中，扩大孔直径优选为10mm，锥形漏斗的顶部直径优选为15mm；烧杯规格优选为50ml。下导管、上导管、密封盖均优选为透明材料。
61.上孔道和下孔道位于同一竖直直线上，且直径均为d，设形貌腔室的最大直径为d，则d≥25d，且d不小于0.2mm。
62.如图5和图6所示，橡胶片浇筑模具包括刚性底座3、顶盖5、刚性侧壁、固定螺杆和两根钢针。
63.刚性底座、顶盖和刚性侧壁围合形成密封的浇筑腔。
64.上述顶盖盖合在刚性侧壁顶部，并通过若干根固定螺杆一6.1和若干根固定螺杆二6.2实现与刚性底座的可拆卸压紧连接。
65.上述顶盖上设置有橡胶浇筑口。
66.两根钢针分别为上钢针2.1和下钢针2.2。
67.如图4所示，在天然砂颗粒顶部黏贴一根上钢针2.1，在天然砂颗粒底部黏贴一根下钢针2.2，上钢针2.1和下钢针2.2位于同一直线上。
68.天然砂颗粒的粒径范围优选为2mm～30mm，本实施例的天然河砂粒径为15.6mm；钢针的直径不大于1mm，优选小于0.5mm，本实施例中优选为0.3mm。同时，天然砂颗粒的最大直径与貌腔室的最大直径d相同，钢针的直径与上孔道和下孔道的直径d相同。
69.将带有钢针的天然砂颗粒放置在浇筑腔的中心，两根钢针的两端分别放置在相对设置的刚性侧壁一4.1和刚性侧壁二4.2的钢针固定孔内，随后盖上顶盖，并使用固定螺杆将顶盖与刚性底座相连接，并对顶盖施加设定的反力。
70.将装有橡胶片和天然砂颗粒的复刻模具组件置于室温条件下24小时，然后将复刻模具组件拆开，依次取出其中的橡胶片、黏结有钢针的天然砂颗粒、橡胶片；将天然砂颗粒和橡胶片表面的润滑油清理干净。
71.第一橡胶片和第二橡胶片的几何外形均优选为长方体，厚度为复刻模具组件腔室高度的1/2，且应大于1.5倍天然砂颗粒粒径；长度和宽度应大于15倍天然砂颗粒粒径。本实施例的第一橡胶片和第二橡胶片厚度优选为25mm，长度优选为80mm，宽度优选为80mm。
72.进一步，上述橡胶片应具有充分的可塑性，可以准确刻画天然砂颗粒的形貌和表面凹凸不平。第一橡胶片和第二橡胶片进一步均优选为透明橡胶。
73.一种天然砂颗粒形貌的复刻方法，包括如下步骤。
74.步骤1、安装钢针：在待复刻天然砂颗粒两侧各安装一根钢针，且两根钢针位于同一直线。
75.步骤2、制备橡胶片：将步骤1中含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒，置于胶片浇筑模具的浇筑腔中心，且两根钢针的两端分别放置于刚性侧壁的钢针固定孔内；通过橡胶浇筑口分次向浇筑腔内浇筑液态橡胶，冷却并移除含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒后，从而制备得到第一橡胶片和第二橡胶片；其中，第一橡胶片和第二橡胶片均具有形貌半腔和两个钢针半孔。
76.步骤3、组装复刻装置
77.先将橡胶片的接触面、形貌腔室、孔道、锥形漏斗内侧均匀喷涂润滑油，防止黏结；接着将第一橡胶片和第二橡胶片竖直叠合布设，且含有形貌半腔的侧面相贴合；接着，采用
夹具将第一橡胶片和第二橡胶片密封夹紧，使得两个形貌半腔组合形成与天然砂颗粒形貌相同且密封的形貌腔室；位于形貌腔室顶部的两个钢针半孔围合形成与其中一根钢针直径相等且密封的上孔道；将上孔道顶部通过上导管与真空泵相连接；位于形貌腔室底部的两个钢针半孔围合形成与另一根钢针直径相等且密封的下孔道；将下孔道底部通过下导管伸入盛放有复刻溶液的烧杯内。
78.将配置足量的复刻溶液，倒入烧杯内，下导管与扩大孔通过密封圈密封连接，下导管插入复刻溶液液面以下至少2/3高度处。
79.上述复刻液优选包括环氧树脂和硬化剂，且环氧树脂和硬化剂的质量比范围为：10:1～10:2；复刻液在制备过程中，采用磁力搅拌器将环氧树脂和硬化剂充分均匀搅拌；磁力搅拌器的加热温度为50℃～60℃，搅拌速度为800转/分钟～1000转/分钟，且搅拌时间不低于5分钟。
80.步骤4、复刻，具体包括如下步骤。
81.步骤4-1、抽真空：开启真空泵，形貌腔室内形成负压环境。真空泵的负压控制速度优选为-2kpa/分钟，抽真空时间优选10分钟，使形貌腔室内的负压值优选达到-20kpa。
82.步骤4-2、复刻液充满形貌腔室：位于烧杯内的复刻溶液，将依次通过下导管和下孔道，进入形貌腔室内，并充满形貌腔室。此时，观察烧杯和下导管内复刻溶液的流动变化，同时观察锥形漏斗和上导管内复刻溶液的液面高度变化。
83.步骤4-3、复刻液达设定液位面：真空泵继续抽真空，充满形貌腔室的复刻液，高度继续上升，通过上孔道进入锥形漏斗，从而达到设定液位面。
84.步骤4-4、保压充填：关闭真空泵，通过在上导管和下导管上设置阀门(也即关闭上阀门21和下阀门22)，并使两个阀门同时关闭，使得形貌腔室在设定时间t(优选为5分钟)内保持负压环境；此时，位于设定液位面下的复刻溶液在重力作用下充分、完全填充到形貌腔室内的各个轮廓缝隙中；与此同时，复刻液的粘度为2.0～2.5pa
·
s，下孔道的直径不大于1mm，形成毛细管；复刻液粘度和毛细管的作用，位于形貌腔室内的复刻液不会在重力作用下返流至下孔道。在另外，在保压过程中，能使复刻溶液内的微小气泡、形貌腔室内的气泡在间歇的保压期间能够缓慢、完全排出。
85.上述毛细形式的下孔道设置可以使得复刻液体在毛细张力的作用下，保持一定的液面高度，避免未完全硬化的复刻液体在重力作用下，从形貌腔室内流出，造成腔室填充不完全，产生孔洞。
86.步骤4-5、n次重复步骤4-1至步骤4-4。本实施例中，优选n＝3。
87.步骤5、复刻液凝结：拆除下导管和上导管，将复刻装置在室温下静置养护不小于6小时，使得形貌腔室内的复刻溶液凝结、硬化，形成复刻的仿天然砂颗粒；此时，位于上孔道和下孔道内的复刻溶液凝结后将在仿天然砂颗粒表面形成两处凸起。
88.步骤6、拆模：将复刻装置拆除，并将仿天然砂颗粒表面的两处凸起切除，并优选在放大镜观察下，用约600目的细砂纸将切除处打磨平滑，并清洗表面油污，得到成品仿天然砂颗粒。
89.步骤2中，第一橡胶片和第二橡胶片的具体制备方法，包括如下步骤。
90.步骤2-1、制备第一橡胶片：通过橡胶浇筑口向浇筑腔内浇筑液态橡胶，当液态橡胶的液面高度与两根钢针的中部齐平时，停止浇筑，并使位于胶片浇筑模具内的液态橡胶
冷却，形成半成品第一橡胶片。
91.步骤2-2、涂覆隔离层：在半成品第一橡胶片的顶部涂覆隔离层。
92.步骤2-3、制备第二橡胶片：继续口向浇筑腔内浇筑液态橡胶，直至液态橡胶充满浇筑腔，停止浇筑，并使位于隔离层顶部的液态橡胶冷却，形成半成品第二橡胶片。
93.步骤2-4、移除含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒，从而制备得到第一橡胶片和第二橡胶片的成品。
94.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种天然砂颗粒形貌的复刻装置，其特征在于：包括橡胶片组件、烧杯和真空泵；橡胶片组件包括第一橡胶片、第二橡胶片和夹具；第一橡胶片和第二橡胶片竖直重合布设，并通过夹具夹紧，使得重合面密封贴紧接触；第一橡胶片和第二橡胶片的重合面中部均设置有形貌半腔；两个形貌半腔形成与天然砂颗粒形貌相同的形貌腔室；形貌腔室顶部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的上孔道；上孔道顶部通过上导管与真空泵相连接；形貌腔室底部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的下孔道；下孔道底部通过下导管伸入盛放有复刻溶液的烧杯内。2.根据权利要求1所述的天然砂颗粒形貌的复刻装置，其特征在于：上孔道和下孔道位于同一竖直直线上，且直径均为d，设形貌腔室的最大直径为d，则d≥25d，且d不小于0.2mm。3.根据权利要求1所述的天然砂颗粒形貌的复刻装置，其特征在于：上孔道顶部设置有带有密封盖的锥形漏斗，上导管底部伸入锥形漏斗中，上导管顶部与真空泵相连接。4.根据权利要求1所述的天然砂颗粒形貌的复刻装置，其特征在于：下孔道底部设置有扩大孔，扩大孔与下导管顶部密封连接，下导管底部伸入盛放有复刻溶液的烧杯内。5.根据权利要求1所述的天然砂颗粒形貌的复刻装置，其特征在于：还包括橡胶片浇筑模具，橡胶片浇筑模具包括刚性底座、顶盖、刚性侧壁、固定螺杆和两根钢针；刚性底座、顶盖和刚性侧壁围合形成密封的浇筑腔；其中，顶盖上设置有橡胶浇筑口，刚性侧壁上设置有两个钢针固定孔，且两个钢针固定孔的连线经过浇筑腔的中心；固定螺杆用于连接刚性底座和顶盖，且能对顶盖施加反力；两根钢针的一端均安装在天然砂颗粒上，两根钢针的另一端分别安装在对应的钢针固定孔内。6.一种天然砂颗粒形貌的复刻方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、安装钢针：在待复刻天然砂颗粒两侧各安装一根钢针，且两根钢针位于同一直线；步骤2、制备橡胶片：将步骤1中含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒，置于胶片浇筑模具的浇筑腔中心，且两根钢针的两端分别放置于刚性侧壁的钢针固定孔内；通过橡胶浇筑口分次向浇筑腔内浇筑液态橡胶，冷却并移除含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒后，从而制备得到第一橡胶片和第二橡胶片；其中，第一橡胶片和第二橡胶片均具有形貌半腔和两个钢针半孔；步骤3、组装复刻装置：将步骤2制备的第一橡胶片和第二橡胶片竖直叠合布设，且含有形貌半腔的侧面相贴合；接着，采用夹具将第一橡胶片和第二橡胶片密封夹紧，使得两个形貌半腔组合形成与天然砂颗粒形貌相同且密封的形貌腔室；位于形貌腔室顶部的两个钢针半孔围合形成与其中一根钢针直径相等且密封的上孔道；将上孔道顶部通过上导管与真空泵相连接；位于形貌腔室底部的两个钢针半孔围合形成与另一根钢针直径相等且密封的下孔道；将下孔道底部通过下导管伸入盛放有复刻溶液的烧杯内；步骤4、复刻，具体包括如下步骤：步骤4-1、抽真空：开启真空泵，形貌腔室内形成负压环境；步骤4-2、复刻液充满形貌腔室：位于烧杯内的复刻溶液，将依次通过下导管和下孔道，
进入形貌腔室内，并充满形貌腔室；步骤4-3、复刻液达设定液位面：真空泵继续抽真空，充满形貌腔室的复刻液，高度继续上升，通过上孔道进入锥形漏斗，从而达到设定液位面；步骤4-4、保压充填：关闭真空泵，通过在上导管和下导管上设置阀门，并使两个阀门同时关闭，使得形貌腔室在设定时间t内保持负压环境；此时，位于设定液位面下的复刻溶液在重力作用下充分、完全填充到形貌腔室内的各个轮廓缝隙中；与此同时，复刻液的粘度为2.0～2.5pa
·
s，下孔道的直径不大于1mm，形成毛细管；复刻液粘度和毛细管的作用，位于形貌腔室内的复刻液不会在重力作用下返流至下孔道；步骤4-5、n次重复步骤4-1至步骤4-4；步骤5、复刻液凝结：拆除下导管和上导管，将复刻装置在室温下静置，使得形貌腔室内的复刻溶液凝结、硬化，形成复刻的仿天然砂颗粒；此时，位于上孔道和下孔道内的复刻溶液凝结后将在仿天然砂颗粒表面形成两处凸起；步骤6、拆模：将复刻装置拆除，并将仿天然砂颗粒表面的两处凸起切除、整平，得到成品仿天然砂颗粒。7.根据权利要求6所述的天然砂颗粒形貌的复刻方法，其特征在于：步骤2中，第一橡胶片和第二橡胶片的具体制备方法，包括如下步骤：步骤2-1、制备第一橡胶片：通过橡胶浇筑口向浇筑腔内浇筑液态橡胶，当液态橡胶的液面高度与两根钢针的中部齐平时，停止浇筑，并使位于胶片浇筑模具内的液态橡胶冷却，形成半成品第一橡胶片；步骤2-2、涂覆隔离层：在半成品第一橡胶片的顶部涂覆隔离层；步骤2-3、制备第二橡胶片：继续口向浇筑腔内浇筑液态橡胶，直至液态橡胶充满浇筑腔，停止浇筑，并使位于隔离层顶部的液态橡胶冷却，形成半成品第二橡胶片；步骤2-4、移除含有两根钢针的待复刻天然砂颗粒，从而制备得到第一橡胶片和第二橡胶片的成品。8.根据权利要求6或7所述的天然砂颗粒形貌的复刻方法，其特征在于：步骤2中，第一橡胶片和第二橡胶片均为透明橡胶。9.根据权利要求6所述的天然砂颗粒形貌的复刻方法，其特征在于：复刻液包括环氧树脂和硬化剂，且环氧树脂和硬化剂的质量比范围为：10:1～10:2；复刻液在制备过程中，采用磁力搅拌器将环氧树脂和硬化剂充分均匀搅拌；磁力搅拌器的加热温度为50℃～60℃，搅拌速度为800转/分钟～1000转/分钟，且搅拌时间不低于5分钟。10.根据权利要求6所述的天然砂颗粒形貌的复刻方法，其特征在于：步骤4-1中，真空泵的负压控制速度为-2kpa/分钟，抽真空10分钟，使形貌腔室内的负压值达到-20kpa。

技术总结
本发明公开了一种天然砂颗粒形貌的复刻装置与复刻方法，包括橡胶片组件、烧杯和真空泵；橡胶片组件包括第一橡胶片、第二橡胶片和夹具；第一橡胶片和第二橡胶片竖直重合布设，并通过夹具夹紧，使得重合面密封贴紧接触；第一橡胶片和第二橡胶片的重合面中部均设置有形貌半腔；两个形貌半腔形成与天然砂颗粒形貌相同的形貌腔室；形貌腔室顶部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的上孔道；上孔道顶部通过上导管与真空泵相连接；形貌腔室底部的橡胶片上设置有与形貌腔室相连通的下孔道；下孔道底部通过下导管伸入盛放有复刻溶液的烧杯内。本发明能实现精准复刻多种粒径天然砂颗粒的形貌，且具有操作简便、高效、复刻精度高等优点。复刻精度高等优点。复刻精度高等优点。


技术研发人员：张涛 叶晓平 牛美峰 杨玉玲
受保护的技术使用者：浙江华东建设工程有限公司
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/7/11