《Journal of Building Engineering》：Fabrication of sandstone-analog models using cementitious binder jetting 3D printing: Improved mechanical similarity via powder packing optimization
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•通过优化打印参数和材料配比，实现了粉体填充密实度的提升。•打印模型展现出更优的层间粘结性能和更接近各向同性的力学行为。•打印模型在强度、变形和破坏模式方面与砂岩表现出相似特征。引言砂岩是最广泛分布的沉积岩之一，在石油开采、地下废弃物处置以及边坡稳定工程等工程领域中被广泛涉及
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通过优化打印参数和材料配比，实现了粉体填充密实度的提升。
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打印模型展现出更优的层间粘结性能和更接近各向同性的力学行为。
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打印模型在强度、变形和破坏模式方面与砂岩表现出相似特征。
引言
砂岩是最广泛分布的沉积岩之一，在石油开采、地下废弃物处置以及边坡稳定工程等工程领域中被广泛涉及。由于其非均质微观结构以及在地质演化过程中形成的原生微裂纹，砂岩中含有丰富的裂隙，从而表现出显著的结构非连续性和各向异性[1]，[2]。理解含裂隙砂岩在不同条件下的力学行为和破坏机制，对于确保岩石工程系统的稳定性至关重要[3]，[4]。
数值模拟被广泛用于研究岩体的力学响应和裂隙演化，但其可靠性强烈依赖于模型假设和参数标定[5]，[6]。物理模型试验可以直接表征岩石的损伤和破坏过程，同时为数值模型的标定和验证提供实验依据[7]，[8]，[9]。实验方法与数值方法的结合，包括耦合损伤模型、三维颗粒基模型以及先进的岩石破裂实验，进一步加深了对岩石及其类似材料中裂隙和破坏机制的理解[6]，[9]，[10]，[11]。
准确的物理模型对于研究含裂隙砂岩的力学响应至关重要。一种常见的制备方法是通过水射流或激光技术切割均质砂岩[12]。该方法受到过度开采和运输成本的限制；更重要的是，它无法引入预设的内部裂隙。或者，可以使用水泥基或石膏基材料在专门设计的模具中批量浇筑制作含有内部裂隙的砂岩类似物，尽管这种方法仍然高度依赖操作人员的技能[13]，[14]。由于裂隙几何形状的复杂性，传统方法无法精确再现天然岩体中的裂隙形态[15]，[16]。
三维打印（3DP）是一种极具前景的含裂隙岩石模型制造方法，具有卓越的精度、免模具制造过程和高重复性[4]，[9]，[17]，[18]，[19]。使用不同3DP技术生产的模型在力学强度、孔隙结构、各向异性和表面质量方面存在差异。熔融沉积建模（FDM）能够制造复杂的PLA几何结构[17]，[20]，但PLA的延展性可能导致明显的塑性变形和层间强度降低[21]。立体光刻（SLA）提供了高尺寸精度、低孔隙率和有限的各向异性[22]，尽管可能需要进行如低温处理等后处理才能实现类岩石的破坏行为[23]，[24]，[25]。粉床熔融技术，如选择性激光烧结，可以生产陶瓷试件，但热致裂纹可能限制其作为含裂隙岩石类似物的适用性[21]。近期研究探讨了基于挤出式的三维混凝土打印（3DCP）用于制造类岩石材料[26]，[27]。由于水泥基材料固有的脆性，打印模型无需额外后处理，且表现出与砂岩相似的破坏模式[27]，[28]。然而，拉伸孔隙或沉积层之间的弱界面可能引起力学各向异性[29]。此外，由于3DCP通过堆叠厘米级宽度的混凝土丝进行建模，其相对粗糙的沉积尺度限制了对精细几何特征的再现[16]，[30]。
粘结剂喷射三维打印（BJ3DP）通过根据数字模型选择性结合粉体颗粒来生产岩石类似物试件，能够以高尺寸精度再现复杂几何形状[31]，[32]。Shao等人[33]使用石膏粉制造了层状岩石类似物。Li等人[34]使用石英砂和树脂生产了岩石类似物。Xu等人[35]将三维砂打印与实验室试验和数值模拟相结合，研究了含有V形裂隙的隧道试件的力学响应和裂隙行为。Sun等人[36]进一步将三维打印、数字图像相关技术（DIC）和颗粒流程序（PFC）模拟相结合，研究了双隧道模型的裂隙行为。然而，使用这些方法生产的试件通常表现出较高的孔隙率和较低的初始强度。弱的层间粘结会引起力学各向异性，而不足的粉体填充会降低表面质量。因此，可能需要如浸泡和干燥等后处理处理才能获得与自然岩石相当的性能[21]，[24]，[37]。然而，这些处理可能会损害几何精度，这凸显了在打印过程中改善层间粘结的必要性。为解决这一问题，采用磷酸镁水泥（MPC）作为基体材料，因其固化后快速发展强度[38]，[39]，[40]，[41]。它还表现出与自然岩石相似的相对脆性力学响应[42]。Ma等人[40]，[41]优化了MPC和粘结剂的配比，实现了复杂裂隙模型的高精度制造。打印的单裂隙试件表现出与砂岩相似的破坏模式。这些结果表明，使用MPC的BJ3DP在生产高精度含裂隙岩石类似物方面具有巨大潜力。
水泥基粉体通常表现出较差的流动性，并与粘结剂快速反应。打印过程中缺乏振动和压实可能进一步导致松散的粉体填充、较高的孔隙率和不足的力学性能。因此，打印模型表现出较高的孔隙率和较差的力学性能。一个关键挑战是如何提高通过水泥基材料粘结剂喷射三维打印制造的岩石类似物的致密化程度，从而实现更接近天然砂岩的性能。Kang等人[38]和Liu等人[43]尝试通过在MPC粉体中添加球形粉煤灰来解决这一问题，因为粉煤灰可以填充微孔隙并降低孔隙率。然而，显著的孔隙率降低通常需要较高的粉煤灰含量（约10–40%），这降低了水泥基比例并可能损害打印模型的强度。或者，辊压压实和细颗粒填充通常用于降低打印模型的孔隙率[44]，[45]，[46]。Malti等人[44]发现合适的辊压参数可以降低钢粉床的孔隙率。Aguirre等人[45]发现具有双峰粒径分布的碳化硅粉表现出更好的铺展性和更低的粉床孔隙率。Vogt等人[46]通过在陶瓷粉体中加入纳米氧化铝降低了素坯孔隙率并提高了强度。与这些粉体相比，水泥基粉体通常表现出较差的流动性，并与粘结剂快速反应[38]，[41]，使其在不合适的打印条件下更容易产生缺陷。现有的致密化策略不能直接适用于水泥基粉体，有效增加通过水泥基材料粘结剂喷射三维打印制造的模型密度的方法尚未建立。因此，应开发特定的致密化方法以改善打印模型与砂岩之间的力学相似性。
为解决这一问题，本研究首先使用辊压压实通过优化打印参数来提高粉床堆积密度并降低粉床孔隙率。此外，向粉体中添加细填料以减少打印模型中的微孔隙并改善粉床填充。通过力学测试和破坏分析系统地评估了打印试件与天然砂岩之间的力学相似性。所提出的填充优化策略旨在降低孔隙率并提高打印岩石类似物与砂岩之间的力学相似性。
章节摘要
原材料
BJ3DP主要依赖粉体原料和液体粘结剂。根据数字模型，将粘结剂选择性沉积到粉床上，将颗粒逐层结合，形成三维试件。本研究使用的粉体系统由氧化镁（MgO）、磷酸二氢铵（ADP）、重晶石和石英组成。MgO由白云石在1700 °C下煅烧制备，纯度为90.3%。其详细化学成分总结于表1中。市售
通过优化辊压工艺实现粉体填充致密化
不规则颗粒形态与MPC颗粒之间的静电吸引相结合，对粉体流动性产生不利影响，导致颗粒团聚和粉床均匀性差[57]。此外，打印过程中缺乏混合和压实阻碍了颗粒的紧密填充。合适的打印参数可以改善粉体分散并提高填充密度。不合适的打印参数可能会损坏粉床[44]。因此，
结论
在本研究中，采用粉体填充优化来提高打印岩石类似物与砂岩之间的力学相似性。研究了打印参数和材料组成对粉床平整度、粉体填充密度、力学性能和微观结构的影响。然后从力学性能和破坏模式方面评估了打印模型与砂岩之间的相似性。主要结论可以总结为以下几点：
作者贡献声明
张姚宇：可视化。胡廷宇：可视化。王立：可视化，调查研究。李志坚：写作 – 审阅与编辑，方法论。成卓：调查研究，数据整理。马国伟：写作 – 原稿撰写，概念构思
利益冲突声明
我们已阅读并理解贵刊有关版权、伦理等方面的政策，并认为本稿件及本研究不违反其中任何一条。我们声明本稿件或其部分内容尚未发表，也未在其他英文或任何其他语言的出版物中接受审稿。我们确认不存在利益冲突。
致谢
作者感谢河北省自然科学基金（编号：E2025202239）、天津市自然科学基金（编号：23JCZDJC00360）和国家自然科学基金委员会（编号：U23A6018）。
马国伟|成卓|李志坚|王立|胡廷宇|张姚宇
