3D-DIC技術(shù)測試實驗背景

對于礦體和圍巖較差的礦山，通常采用向下分層充填采礦技術(shù)進行礦體開采。在這種技術(shù)中，下一層人工頂板的安全至關(guān)重要。膠結(jié)尾砂回填（CTB）由于膠結(jié)不充分而導(dǎo)致塌方，對礦石生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

傳統(tǒng)的人工CTB 頂板通常采用高水泥尾砂比的回填體并采用鋼網(wǎng)加碼加固錨桿支護。CT B屋頂?shù)氖┕ぶ芷陂L，成本高并且費力。因此，基本問題是為下切充填采礦準備合適的頂板結(jié)構(gòu) 。

3D-DIC技術(shù)測試實驗內(nèi)容

采用新興的三維（3D）打印技術(shù)，探索一種菱形復(fù)合結(jié)構(gòu)，以模擬實際充填礦山中膠合假頂板的穩(wěn)定性。采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)和三點彎曲等實驗手段，3D-DIC技術(shù)探索不同水泥/尾砂重量比的三維施工試件和CTB 組合在不同層高下的彎曲特性，為研究下分層充填采礦技術(shù)的人工頂板性能提供實用的數(shù)據(jù)參考。

3D-PRP結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的制備

采用一批不同水泥/尾砂(c /t)重量比的3D-PRP 試件，采用新拓三維3D-DIC技術(shù)和三點彎曲實驗，測量分析不同結(jié)構(gòu)高度下3D-PRPCTB的強化特性。

3D-PRP模型參數(shù)：(a)高度14 m m;(b )高度26mm;(c)供比較的模型

為了使DI C技術(shù)檢測有效，表面平整度必須在±0 .02 mm以內(nèi)。下圖中3D-PRP-14后面的數(shù)字為3D -PRP的高度。

3D-PRP試樣制備流程圖

三點彎曲實驗

采用三點彎曲實驗研究3 D -PRP結(jié)構(gòu)對CTB的增強效果。在礦山充填應(yīng)用中， 主要考慮的是抵抗上部充填體和巖體對其施加的力，并討論其在此力作用下的彎曲特性。使用固體試驗機來探索3 D-PRP試件的抗彎強度和撓度數(shù)據(jù)。

新拓三維XTDIC三維位移/應(yīng)變測量系統(tǒng)是可視化的無交互三維變形評估系統(tǒng)，可全程記錄試件的破壞過程。通過比較被測區(qū)域內(nèi)各點在試樣上的三維坐標，得到待測試樣的表面位移，DIC軟件可分析樣品表面所承受的應(yīng)變。在測試過程中，每秒拍攝一張圖像 ，3D-DIC技術(shù)測量樣品表面的應(yīng)變在0 .01 %到1000 %之間變化。

新拓三維XTDIC測量技術(shù):(a)實際測量圖和(b)原理DIC 圖

實驗結(jié)果

3D-PRP結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲性能

數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲變形，實驗結(jié)果表明 ，3D-PRP結(jié)構(gòu)可以顯著提高CTB的抗彎強度，且B組樣品抗彎強度的提高比A組樣品更明顯。

不同3D-PRP復(fù)合材料抗彎性能條形圖 :(a)抗彎強度， (b)抗彎強度增量

數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲變形，試驗說明c /t比值對該組實驗樣品抗彎強度的影響較小。對于適應(yīng)性較強的礦山，降低3 D-PRP結(jié)構(gòu)高度可以為礦山帶來較大的經(jīng)濟效益。

測試模型對比圖 :(a)本實驗和(b)類似測試

3D-PRP 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試件撓曲特性

數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲變形，當3 D-PRP結(jié)構(gòu)高度為14 m m時，制備的填充體試樣撓度值較大，具有較好的撓度特性。

不同試件的峰值撓度值

3D-PRP結(jié)構(gòu)復(fù)合材料變形進展

選擇理想的抗彎最優(yōu)試樣進行斷裂演化分析 ，數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲加載變形，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析試樣A1和B1在載荷-減撓度曲線下的斷裂演化。

3D-PRP 試樣的斷裂演化模型 :(a )試樣A1和(b)試樣B1 

荷載撓曲及開裂特征的DIC分析

選取試樣A1和B2，采用3D-DIC技術(shù)研究3D-PRP結(jié)構(gòu)對CTB 載荷-撓曲行為和變形損傷形式 的影響。下圖分別為試樣A1和B2的位移云和應(yīng)變云。

數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲變形，通過觀察試樣在位移云和應(yīng)力云中變形損傷特征，可以看出加載后 A1 樣品的結(jié)構(gòu)層損傷程度低于B2樣品，因此以3D-PRP結(jié)構(gòu)層高度為14 mm制備的實驗樣品的抗彎性能最優(yōu)。

數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲變形，3D-DIC技術(shù)圖像下位移云圖與實際物體的對比 :(I)樣本A1 ((a)初始平衡狀態(tài);(b)初始裂紋生成;(c)裂紋演化加深;(d)試樣加載結(jié)束)和(II)試樣B2 ((a)初始平衡狀態(tài);(b)初始裂紋產(chǎn)生;(c)裂紋演化加深;(d)試件加載結(jié)束)。

數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲變形，3D-DIC技術(shù)圖像下的應(yīng)力云圖與實際物體的對比 :(I)樣本A1 ((a)初始平衡狀態(tài);(b )初始裂紋生成;(c)裂紋演化加深;(d )試樣加載結(jié)束 )和(II)試樣B2 ((a)初始平衡狀態(tài) ;(b)初始裂紋產(chǎn)生;(c)裂紋演化加深;(d)試件加載結(jié)束)。

實驗結(jié)論

探討3D-PRP結(jié)構(gòu)兩種構(gòu)造高度對CTB強度性能的影響 。采用三點彎曲實驗對樣品進行測試，數(shù)字圖像相關(guān)法3D-DIC技術(shù)測量彎曲變形，獲得各種實驗數(shù)據(jù)。采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)和對試樣的載荷-撓曲特性和斷裂行為進行研究。

(1 ) 3D-PRP加固的樣品比對照樣品具有更大的抗彎強度，其中層高 26mm的3 D-PRP結(jié)構(gòu)樣品最為明顯?？梢酝茰y ，c/t 比值對樣品的抗彎強度有 一定的影響 ，尤其是 B 組樣品 。

(2 )當3D-PRP結(jié)構(gòu)層高為14mm時，制備樣品的撓度值顯著增加。c /t比對試件撓曲特性影響較小。

(3 )應(yīng)用3D-DIC技術(shù)對實驗樣品進行測量和分析。3D - PRP 結(jié)構(gòu)樣品在斷裂演化過程中表現(xiàn) 出 更好的延展性和韌性。與同類實驗數(shù)據(jù)相比，本實驗的效果更為突出。

案例摘自：【趙子岳，北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，層厚對3D打印菱形聚合物增強膠結(jié)尾砂復(fù)合材料抗彎性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響】