关于3D打印岩石类似物的孔隙度-渗透性调控及强度增强的实验研究：后处理探索带来的新见解

《Results in Engineering》：Experimental study on porosity-permeability regulation and strength enhancement of 3D-printed rock analogs: new insights from post-processing explorations

3D打印人工岩体通过纳米二氧化硅溶液等三种浸渍剂改性，系统调控孔隙率与渗透率（达0.2mD）及抗压强度（超50MPa）。微观CT与SEM分析表明，纳米颗粒填充显著优化孔隙结构，真空浸润参数与性能关联性明确，提出精准控制ANSS浸润流程，实现力学强化与渗流调控协同优化。

　　在当今科技迅速发展的背景下，3D打印技术逐渐成为岩石力学和地质科学领域的重要工具。这项技术允许研究人员以设计的结构和可控的物理特性来制造人工岩石模拟物，从而为研究自然岩石的物理、机械和水力特性提供了新的可能性。然而，当前的3D打印岩石模拟物（3D-PRA）存在一些局限性，例如强度和刚度较低、孔隙度和渗透性较高，这在一定程度上限制了其在模拟自然岩石方面的应用范围。因此，本研究旨在通过引入三种不同的渗透剂，实现对3D-PRA物理和机械性能的定量调控，从而拓展其在岩石工程中的应用潜力。

3D打印技术的基本原理是通过逐层添加材料来制造物体，这与传统的岩石样品制备方法相比，具有更高的灵活性和可控性。利用3D打印技术，可以精确地复制自然岩石的复杂结构，包括孔隙分布、裂缝网络以及矿物组成等。这使得研究人员能够在实验室环境中对岩石的物理和机械特性进行更系统、更可控的研究。然而，3D打印的岩石样品在强度和刚度方面仍存在不足，这使得它们难以准确模拟自然岩石，尤其是在高应力条件下形成的岩石。

为了克服这些挑战，研究人员尝试了多种方法，包括调整打印材料的粒度分布、提高结合剂的饱和度以及优化3D打印机的某些参数，以实现更高的打印密度，从而改善样品的强度并减少孔隙度。然而，这些努力虽然取得了一定成效，但仍无法完全再现自然岩石的复杂特性。因此，研究人员开始探索后处理技术，以提高3D打印岩石的机械响应和渗透性。其中，真空渗透是一种常见方法，通过将环氧树脂或其他有机聚合物结合剂渗透到3D打印岩石样品中，以增强其结合程度，从而达到预期的修改效果。

本研究中，研究人员选择了三种不同的渗透剂：水性纳米二氧化硅溶液（ANSS）、聚丙烯酸树脂粘合剂（PARA）和环氧树脂粘合剂（EPRA）。这些渗透剂被用于对3D-PRA进行后处理，以定量调节其物理和机械性能。研究团队通过系统评估这些渗透剂对样品的物理、机械和水力性能的影响，揭示了它们在不同处理条件下的作用机制。特别是，ANSS在调节渗透性和孔隙度方面表现出显著的优势，而PARA和EPRA则主要通过填充孔隙和在颗粒表面形成固化层来提高样品的强度和降低孔隙度与渗透性。

在实验过程中，研究团队采用了多种测试方法，包括单轴和三轴压缩测试，以评估样品的机械性能和破坏行为。同时，通过测量孔隙度、渗透性和润湿性，研究人员能够更全面地了解样品的流体传输特性。为了进一步揭示样品微观结构的变化，研究团队使用了微计算机断层扫描（μ-CT）和扫描电子显微镜（SEM）进行分析。这些技术不仅能够捕捉样品的孔隙结构、孔隙填充现象和颗粒分布，还能够揭示样品在压缩后的破坏模式，从而为理解样品的宏观行为提供重要依据。

研究结果显示，通过使用三种不同的渗透剂，样品的强度显著提高，达到了超过50 MPa的水平，远超原始样品的强度。同时，渗透性可以通过渗透剂的选择和处理条件进行定量调节，范围可以从达西尺度（约10D）到毫达西级别（约0.2mD）。孔隙度也可以在较大范围内进行调控，从50%降低到5%以下。ANSS的主要作用机制是通过孔隙沉积，增强颗粒间的结合强度，从而降低孔隙度和渗透性。相比之下，PARA和EPRA则通过填充孔隙和在颗粒表面形成固化层来提高样品的强度和降低孔隙度与渗透性。尽管这些处理方法能够有效增强样品的机械性能，但它们在调节过程中可能会形成表面固化层，从而影响渗透性调控的精确性。

在实际应用中，ANSS表现出更高的操作性和成本效益，以及更广泛的应用参数范围。这使得ANSS成为一种理想的渗透剂，特别是在模拟自然砂岩的场景中。相比之下，PARA和EPRA由于其高粘度和较差的渗透性，需要在低温下进行固化，这在一定程度上限制了它们的适用性。此外，PARA的高单位成本和强流动性也使得其在处理高孔隙度样品时存在一定的挑战。这些因素共同影响了PARA在实际应用中的操作性。

通过本研究，研究人员不仅揭示了不同渗透剂对3D-PRA性能的影响机制，还提出了一个基于ANSS的精确调控过程，以实现渗透性、孔隙度和强度的同步调节。这一过程为人工岩石的工程应用提供了重要的理论基础和技术支持，同时也为未来的研究和开发提供了新的方向。此外，研究结果还表明，3D打印技术在岩石力学和地质科学中的应用前景广阔，特别是在需要精确模拟自然岩石特性的实验和工程场景中。

综上所述，本研究通过引入三种不同的渗透剂，实现了对3D打印岩石模拟物性能的定量调控，为人工岩石的制造和应用提供了新的思路和技术手段。这些成果不仅有助于深入理解岩石的物理和机械特性，也为岩石工程中的实际应用提供了重要的支持。随着技术的不断进步，3D打印在岩石力学和地质科学中的应用将会更加广泛和深入，为相关领域的研究和工程实践带来更多的可能性和创新。