一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具及模型制作方法与流程

1.本发明专利涉及地下岩体工程、地下能源开发、地下水环境等领域，尤其涉及一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具及模型制作方法。


背景技术：

2.裂隙介质是地下水赋存的重要载体，其中的溶质运移问题涉及核废料地质处置、地下水污染治理、地下油气储库建设等重要工程兼环境领域。由于裂隙岩体具有高度各向异性和非均质性效应，因此裂隙岩体中水或溶质的迁移和运移过程十分复杂，采用物理模型试验进行研究是探明裂隙介质中各类流体和污染物迁移、运移机理的重要方式。
3.裂隙岩体往往由裂隙网络和岩石块体组成，目前，岩石单裂隙作为裂隙网络的最基本和简化组成单元往往成为学者们的首要研究对象，而针对交叉裂隙的研究相对较少。相对于单裂隙而言，流体、污染物等溶质往往在交叉裂隙的交叉处产生流向、流量和流速的显著变化，进而改变整体的溶质运移分布情况，故通过单裂隙所获得的研究结论可能与裂隙网络的实际情况有所区别，因此进一步研究由单裂隙组成的交叉裂隙对于理解裂隙网络中溶质的运移机理十分必要。
4.为揭示裂隙介质中溶质传输过程及机理，在实验室内对渗流特性进行实时观测是十分重要的研究手段。然而，天然存在的裂隙岩体和人工制成的裂隙试样（往往由水泥砂浆制成）均为不透明材料，无法进行直接观测到实验过程中溶质运移的具体过程。因此，采用透明材料制作交叉裂隙试样，并实现对其进行溶质运移的全过程观测是解决上述问题的关键。
5.《岩土工程学报》2017年第6期题为《贯通充填裂隙类岩石渗流特性试验研究》中作者赵恺等人通过将3d打印插片插入浇筑模具并倒入按提前配制好的水泥砂浆，振捣密实待其硬化后将插片取出，获得了相似材料制作的交叉裂隙。但该方法获得的交叉裂隙表面为平行板，不具备三维粗糙特征，且所采用的非透明浇筑材料无法观察到交叉处的渗流特征。
6.公开号为 cn106908293a的发明专利介绍了一种透明岩石节理复制品制备方法，所制备的裂隙试样兼具透明属性和粗糙特性。该方法提出了一种透明裂隙的制作方法，可应用于可视化研究，但制成裂隙试样仅为单裂隙，无法满足更为复杂交叉裂隙的翻模制作。
7.公开号为cn111504873a的发明专利提出了一种岩石交叉裂隙仿真模型的制作方法，其采用的翻模方法透明度较好，可用于可视化试验及观测；制作的粗糙交叉模型包含不同尺寸的水平和垂直裂隙，先分开制作而后拼接形成。然而该方法制成的“t”字型交叉裂隙仅存在1条分支，且交叉处的形貌特征与天然的“十”字型或不规则角度交叉裂隙区别较大；水平裂隙与垂直裂隙为光滑-粗糙接触面，与天然裂隙的实际情况存在较大差异。
8.针对以上几种方法的不足之处，一种兼具透明特性、交叉处几何特征及真实粗糙特性的三维交叉裂隙制备方法是目前进一步探究裂隙介质中流体及溶质迁移、运移机制所迫切需要的。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具及模型制作方法。
10.为解决现有技术问题，本发明公开一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具，其特征在于，包括翻模框架构件、交叉裂隙原岩试件和翻模材料试件，所述翻模框架构件的外部为翻模围框，所述翻模框架构件的内部通过隔板隔成若干个用于放置交叉裂隙原岩试件的空间，所述交叉裂隙原岩试件与隔板间预留空隙，所述翻模材料试件包括硅胶组翻模试件和环氧树脂组翻模试件，所述硅胶组翻模试件填充在交叉裂隙原岩试件与隔板间的预留空隙，用于复刻交叉裂隙原岩试件的表面形貌特征；取出交叉裂隙原岩试件后所述硅胶组翻模试件与隔板组合形成固态硅胶板；所述固态硅胶板的两侧分别设有侧板，所述环氧树脂组翻模试件填充在固态硅胶板与侧板形成的空腔内，所述环氧树脂组翻模试件用于复刻固态硅胶板的硅胶裂隙表面形貌特征以形成透明三维交叉裂隙模型。
11.进一步地，所述翻模围框包括l型板、周边围框架和围框底板，所述周边围框架呈立方体框架，所述l型板设于周边围框架的四个角，所述围框底板设于周边围框架的底部。
12.进一步地，所述l型板、周边围框架和围框底板均采用有机玻璃制成。
13.进一步地，所述隔板采用十字交叉设置。
14.相应地，一种透明三维交叉裂隙模型制作方法：所述透明三维交叉裂隙模型采用上述的模具制作；将硅胶液与硅胶固化剂按照100：2的质量比混合，充分搅拌后将其缓慢倾倒至各交叉裂隙原岩试件与隔板之间的预留空隙处，使硅胶组翻模试件与各交叉裂隙原岩试件的粗糙表面充分接触并贴合；待硅胶自由表面与交叉裂隙原岩试件顶部齐平后停止倾倒，随后静置1 d时间；待硅胶组翻模试件完全凝固成型后，将周边围框架、l型板、交叉裂隙原岩试件和围框底板拆除，获得由隔板与硅胶组翻模试件组合而成的固态硅胶板，固态硅胶板包含交叉裂隙面形貌特征；将两块侧板分别置于固态硅胶板两侧，并将a型与b型环氧树脂水晶滴胶按3：1的质量比混合，搅拌均匀后向固态硅胶板上水平朝向的2个裂隙面缓慢倾倒；将环氧树脂中气泡排出，随后静置1 d时间使其硬化成型；将固态硅胶板分别翻转90
°
、180
°
和270
°
并重复上述环氧树脂倾倒步骤，完成透明三维交叉裂隙模型的制作。
15.本发明具有的有益效果：1、本发明提供一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具及模型制作方法。所提供的翻模方案，可以根据试验要求制作45
°
、60
°
或90
°
等多角度的交叉裂隙模型；同时，本方案制成的交叉裂隙具有4条完整分支和真实的粗糙表面及交叉几何特征，翻模试样粗糙裂隙壁面形貌与天然交叉裂隙基本一致。
16.2、本发明提供翻模方法成型速度快、翻模过程操作简易且所需构件和试件成本较低，可广泛应用于交叉裂隙透明翻模试样的制备使用及可视化研究；所使用围框和 l 型板除具有便于组装和制成特性形状硅胶翻模试样的优势外，还克服了拆模时预制裂隙试样难以从翻模围框中取出的缺陷。
17.3、交叉裂隙翻模试样在翻模过程中不限于使用本发明采用的硅胶和环氧树脂材料，根据不同的试验目的或考虑还可采用水泥砂浆等其他侧重于力学试验的相关材料。
附图说明
18.图1为本发明模具的三维结构示意图。
19.图2为本发明模具的结构俯视图。
20.图3为本发明中固态硅胶板的侧视图。
21.图4为本发明中固态硅胶板的局部三维结构图。
22.附图标记：1、翻模框架构件；2、交叉裂隙原岩试件；3、隔板；4、l型板；5、周边围框架；6、围框底板；7、硅胶组翻模试件；8、环氧树脂组翻模试件；9、岩石裂隙；10、岩石体基质；11、固态硅胶板；12、侧板。
实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
24.如图1-4所示，本发明提供一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具，包括翻模框架构件1、交叉裂隙原岩试件2及翻模材料试件。所述翻模框架构件1的外部为翻模围框，所述翻模框架构件1的内部通过隔板3隔成若干个用于放置交叉裂隙原岩试件2的空间，所述交叉裂隙原岩试件2与隔板3之间预留空隙。所述翻模材料试件包括硅胶组翻模试件7和环氧树脂组翻模试件8，分别用于复刻交叉裂隙原岩试件2和固态硅胶板11的表面三维形貌。所述硅胶组翻模试件7填充在交叉裂隙原岩试件2与隔板3间的预留空隙，所述环氧树脂组翻模试件8填充在固态硅胶板11与侧板12形成的空腔内。所述隔板3优选采用十字交叉板，所述固态硅胶板11由硅胶组翻模试件7和隔板3组合而成，所述固态硅胶板11的两侧分别设有侧板12。
25.以21.0 cm
×
21.0 cm
×
21.0 cm的立方体花岗岩岩石为原材料，采用一系列技术手段将其劈裂成四块独立的交叉裂隙原岩试件2。实际上，根据交叉裂隙原岩试件2的交叉角度，在本方案中只需将十字交叉板进行相应角度调整，便可制成45
°
、60
°
或90
°
等多角度的交叉裂隙模型。本实施例选取90
°
的交叉裂隙制作方法进行详细介绍，其每块交叉裂隙原岩试件的尺寸均为约10.5 cm
×
10.5 cm
×
21.0 cm（长
×
宽
×
高）。劈裂获得的岩石裂隙9具有自然粗糙表面，且两相邻裂隙面间形成的夹角角度为90
°
，由此获得
ꢀ“
十”字型粗糙交叉裂隙。
26.翻模围框包含l型板4、周边围框架5与围框底板6，均由厚度约为2.0 cm的有机玻璃板制成。围框大小主要依据交叉裂隙原岩试件的尺寸进行设计，本发明中周边围框架5内部整体尺寸为30.0 cm
×
30.0 cm
×
21.0 cm（长
×
宽
×
高）；围框底板6的平面尺寸为32.0 cm
×
32.0 cm，厚度2.0 cm。所述l型板4设于周边围框架5的四个角，所述围框底板6设于周边围框架5的底部。
27.十字交叉板由两块厚度为1.0 cm、尺寸为30.0 cm
×
21.0 cm的有机玻璃板垂直交叉组合而成，放置于周边围框架5的正中。l型板4由2.0 cm厚度的玻璃板制作而成，其单边的外框尺寸为8.5 cm
×
21.0 cm，内框尺寸为6.5 cm
×
21.0 cm，放置于周边围框架5的四个角落部位。
28.完成上述构件的组装后，在周边围框架5的外框及其与围框底板6的交界处粘贴防
水膜，防止后续倾倒硅胶组翻模材料时可能产生的材料渗漏。
29.为便于硅胶组翻模试件7和岩石裂隙9脱离，使用硅胶脱模剂对岩石裂隙9表面进行均匀涂抹，并将4块交叉裂隙原岩试件2分别放置于围框中十字交叉板的四周。
30.调整各试件间的相对位置，使交叉裂隙原岩试件2的粗糙表面与十字交叉板存在2.0 cm的预留空隙，用于硅胶组翻模试件7的充填。
31.制作三维交叉裂隙模型将硅胶液与硅胶固化剂按100：2的质量比混合，充分搅拌（约5 min）后将其缓慢倾倒至交叉裂隙原岩试件2与十字交叉板间的预留空隙处，使硅胶组翻模试件与各交叉裂隙原岩试件的粗糙表面充分接触并贴合，待液态硅胶自由表面与各裂隙试件顶部齐平后停止倾倒。
32.于室内恒温环境中静置1 d时间后液态硅胶凝固成型为固态硅胶，将周边围框架5、l型板4、交叉裂隙原岩试件2和围框底板6依次拆除，便可获得包含各交叉裂隙粗糙表面形貌特征的固态硅胶，其与十字交叉板一同组成固态硅胶板11。裂隙表面与固态硅胶间应缓慢分离，避免脱离速度过快引起应力集中，造成裂隙或固态硅胶表面受损，影响后续试验精度。
33.固态硅胶板11共有4条分支，将其一条分支固定于水平面，并使侧板12固定于固态硅胶板11两侧，同时于交界处粘贴防水膜，防止倾倒环氧树脂组翻模材料时可能产生的渗漏。将a型环氧树脂水晶滴胶与b型环氧树脂水晶滴胶按3：1的质量比混合，充分搅拌（约5 min）后向水平朝向的2个硅胶裂隙面上缓慢倾倒一定厚度，确保环氧树脂翻模组材料淹没硅胶裂隙面最高处约2.0 cm。
34.使用多功能喷枪（点喷）将环氧树脂中的气泡排出，于恒温环境静置1 d后即可成型为固态环氧树脂。将固态硅胶板11顺时针翻转90
°
、180
°
和270
°
，按照上一步骤依次完成所有交叉裂隙试件翻模透明试样的浇筑过程（其中，每翻转一次可浇筑2个裂隙表面，总共浇筑8个面）。
35.将翻模试样从固态硅胶板11中依次取出，并按各裂隙面对应组合获得透明三维交叉裂隙模型，其含有4个分支，且具有与“十”字型粗糙交叉原岩裂隙相同的粗糙表面形貌特征。
36.本发明还提供采用上述模具的透明三维交叉裂隙模型制作方法，具体步骤如下：步骤1：根据实验要求，确定交叉裂隙原岩试件的尺寸大小，通过巴西劈裂法获得特定角度的交叉裂隙（本文以90
°
为例），劈裂面为粗糙面。
37.步骤2：制作与交叉裂隙原岩试件尺寸相匹配的翻模围框，将十字交叉板居中放置于翻模周边围框架中，并在围框中划分出4片区域；将l型板放置于周边围框架的4处角落。
38.步骤3：在围框外框及其与底板连接处粘贴防水薄膜，防止翻模材料的渗漏，随后将脱离剂均匀涂抹至翻模围框内部与交叉裂隙原岩试件粗糙表面处，并将4块裂隙原岩试件分别放置于围框中的4片区域中。
39.步骤4：调整各试件之间的相对位置，确保每块裂隙原岩试件与十字交叉板间存在2.0 cm的间隔空间，用于充填硅胶组翻模试件。
40.步骤5：将硅胶液与硅胶固化剂按照100：2的质量比混合，充分搅拌后将其缓慢倾倒至各交叉裂隙原岩试件与十字交叉板间的预留空隙处，使硅胶组翻模试件与各裂隙试件的粗糙表面充分接触并贴合。
41.步骤6：待硅胶自由表面与交叉裂隙原岩试件顶部齐平后停止倾倒，随后于恒温环境中将上述构件静置1 d时间。
42.步骤7：待硅胶组翻模试件完全凝固成型后，将周边围框架、l型板、交叉裂隙原岩试件和围框底板依次拆除，便可获得由十字交叉板与硅胶组翻模材料组合而成的固态硅胶板，该硅胶板包含交叉裂隙面形貌特征。
43.步骤8：将两块侧板分别置于固态硅胶板两侧，并将a型与b型环氧树脂水晶滴胶按3：1的质量比混合，搅拌均匀后向固态硅胶板上水平朝向的2个裂隙面缓慢倾倒。
44.步骤9：使用多功能喷枪将环氧树脂中气泡排出，随后将上述构件于恒温环境中静置1 d时间使其硬化成型。
45.步骤10：将固态硅胶板翻转90
°
、180
°
和270
°
，并重复步骤8、9，依次完成所有三维交叉裂隙模型透明试样的制作。
46.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。且在本发明的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具，其特征在于，包括翻模框架构件（1）、交叉裂隙原岩试件（2）和翻模材料试件，所述翻模框架构件（1）的外部为翻模围框，所述翻模框架构件（1）的内部通过隔板（3）隔成若干个用于放置交叉裂隙原岩试件（2）的空间，所述交叉裂隙原岩试件（2）与隔板（3）间预留空隙，所述翻模材料试件包括硅胶组翻模试件（7）和环氧树脂组翻模试件（8），所述硅胶组翻模试件（7）填充在交叉裂隙原岩试件（2）与隔板（3）间的预留空隙，用于复刻交叉裂隙原岩试件（2）的表面形貌特征；取出交叉裂隙原岩试件（2）后所述硅胶组翻模试件（7）与隔板（3）组合形成固态硅胶板（11）；所述固态硅胶板（11）的两侧分别设有侧板（12），所述环氧树脂组翻模试件（8）填充在固态硅胶板（11）与侧板（12）形成的空腔内，所述环氧树脂组翻模试件（8）用于复刻固态硅胶板（11）的硅胶裂隙表面形貌特征以形成透明三维交叉裂隙模型。2.根据权利要求1所述的用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具，其特征在于，所述翻模围框包括l型板（4）、周边围框架（5）和围框底板（6），所述周边围框架（5）呈立方体框架，所述l型板（4）设于周边围框架（5）的四个角，所述围框底板（6）设于周边围框架（5）的底部。3.根据权利要求2所述的用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具，其特征在于，所述l型板（4）、周边围框架（5）和围框底板（6）均采用有机玻璃制成。4.根据权利要求1所述的用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具，其特征在于，所述隔板（3）采用十字交叉设置。5.一种透明三维交叉裂隙模型制作方法，其特征在于：所述透明三维交叉裂隙模型采用权利要求1-4任一所述的模具制作；将硅胶液与硅胶固化剂按照100：2的质量比混合，充分搅拌后将其缓慢倾倒至各交叉裂隙原岩试件（2）与隔板（3）之间的预留空隙处，使硅胶组翻模试件（7）与各交叉裂隙原岩试件（2）的粗糙表面充分接触并贴合；待硅胶自由表面与交叉裂隙原岩试件（2）顶部齐平后停止倾倒，随后静置1 d时间；待硅胶组翻模试件（7）完全凝固成型后，将周边围框架（5）、l型板（4）、交叉裂隙原岩试件（2）和围框底板（6）拆除，获得由隔板（3）与硅胶组翻模试件（7）组合而成的固态硅胶板（11），固态硅胶板（11）包含交叉裂隙面形貌特征；将两块侧板（12）分别置于固态硅胶板（11）两侧，并将a型与b型环氧树脂水晶滴胶按3：1的质量比混合，搅拌均匀后向固态硅胶板（11）上水平朝向的2个裂隙面缓慢倾倒；将环氧树脂中气泡排出，随后静置1 d时间使其硬化成型；将固态硅胶板（11）翻转并重复上述环氧树脂倾倒步骤，完成透明三维交叉裂隙模型的制作。6.根据权利要求5所述的透明三维交叉裂隙模型制作方法，其特征在于：所述固态硅胶板（11）翻转的角度为90
°
、180
°
和270
°
。

技术总结
本发明公开了一种用于制作透明三维交叉裂隙模型的模具及模型制作方法，模具包括翻模框架构件、交叉裂隙原岩试件和翻模材料试件，翻模框架构件的外部为翻模围框，所述翻模框架构件的内部通过隔板隔成若干个用于放置交叉裂隙原岩试件的空间，交叉裂隙原岩试件与隔板间留有间隙，翻模材料试件用于获取交叉裂隙原岩试件的岩石裂隙面形貌特征并用以复刻固态硅胶板的硅胶裂隙面三维形貌。根据试验要求可制作45


技术研发人员：卢斌 王小宇 白明龙 张宇 谢兴华 谭海劲
受保护的技术使用者：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/20