3D打印技術(shù)應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)粗集料制備的可行性研究*

何小剛， 馮寶平， 王凱， 李偉雄， 陳搏

(1.中交二公局 東萌工程有限公司， 陜西 西安 710119；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641；3.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司， 廣東 廣州 510641)

瀝青混合料是普遍采用的路面鋪筑材料，粗集料是絕大多數(shù)類型瀝青混合料必不可少的組成成分之一，占總質(zhì)量的50%～80%。目前瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和力學(xué)性能研究多采用室內(nèi)試驗(yàn)，由于粗集料的形態(tài)受母巖資源特性和加工工藝的影響，即使采用相同石場(chǎng)的石料，加工出來的粗集料無(wú)論是粒形還是棱角性均存在差別。同時(shí)由于試驗(yàn)操作過程與系統(tǒng)存在誤差，試驗(yàn)結(jié)果存在較大變異性。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法無(wú)法獲得相同原材料在不同組合、不同環(huán)境、不同荷載工況下的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確、直觀地進(jìn)行瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)和施工工藝優(yōu)化。將形態(tài)各異的粗集料原材料實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，消除原材料形態(tài)產(chǎn)生的誤差，有助于解決瀝青混合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)可重復(fù)性差的問題。增材制造技術(shù)(又稱為3D打印技術(shù))是按照標(biāo)準(zhǔn)的三維數(shù)字模型，通過逐層疊加黏結(jié)的方式將塑料或金屬等材料打造為指定實(shí)體的方法，近年來在巖石領(lǐng)域得到快速發(fā)展。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用3D 打印技術(shù)可制作出材料性質(zhì)與巖石類材料較接近的三維實(shí)體。該文對(duì)3D打印技術(shù)應(yīng)用于粗集料特性研究的可行性進(jìn)行分析。

1 粗集料對(duì)瀝青混合料性能的影響

1.1 瀝青混合料的組成研究

瀝青混合料設(shè)計(jì)直接影響瀝青路面的力學(xué)性能與使用壽命，一直是道路行業(yè)的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的馬歇爾混合料設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)馬歇爾試件密度、孔隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率、穩(wěn)定度、流值等指標(biāo)選擇合理的礦料級(jí)配與瀝青用量。但研究發(fā)現(xiàn)以上指標(biāo)難以充分反映瀝青混合料的路用性能，采用以馬歇爾方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料鋪筑的瀝青路面出現(xiàn)較多的早期結(jié)構(gòu)病害。隨后，以體積設(shè)計(jì)法為代表的Superpave法、CAVF法在兼顧瀝青混合料高溫、低溫、水損害等路用性能的基礎(chǔ)上對(duì)瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。但這些方法與馬歇爾設(shè)計(jì)方法存在共同的缺陷，即主要針對(duì)瀝青混合料的宏觀性能，缺乏微細(xì)觀指標(biāo)研究。

隨著對(duì)瀝青混合料性能機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，瀝青混合料內(nèi)部體積組成關(guān)系及均勻性得到重視，工業(yè)CT掃描技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展為瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)帶來革命性進(jìn)步。Masad E.、Wang L. B.等通過CT掃描技術(shù)對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行掃描，評(píng)價(jià)了其內(nèi)部各向異性，同時(shí)建立三維非均質(zhì)數(shù)值模型進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)。但受CT掃描設(shè)備功率的影響，混合料內(nèi)部各組分難以有效分割，集料邊界模糊，三維模型處理技術(shù)還不成熟，虛擬試驗(yàn)仍集中于二維圖像分析。

1.2 粗集料巖性的影響

粗集料的質(zhì)量均勻性直接影響瀝青混合料的力學(xué)性能。粗集料質(zhì)量均勻性主要體現(xiàn)在材質(zhì)的均勻性(石料密度、硬度等力學(xué)性能)和集料的形狀特性(輪廓形狀、棱角性、表面紋理等)兩方面。粗集料材質(zhì)表征指標(biāo)的優(yōu)劣和均勻性對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能、水穩(wěn)定性和耐久性能有直接影響。Wang Xudong等通過工程研究發(fā)現(xiàn)集料的母巖晶體尺寸與磨耗值呈反相關(guān)關(guān)系，隨著晶粒尺寸的減小，粗集料更加致密，磨耗值增大。張肖寧等研究發(fā)現(xiàn)玄武巖集料的表面輪廓分形維數(shù)高于輝綠巖與花崗巖，有利于提高集料的磨光值。

1.3 粗集料形態(tài)的影響

針片狀集料含量是評(píng)價(jià)粗集料形態(tài)的常見工程指標(biāo)，以集料的長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度比值表示。Vavrik W.等的研究表明，針片狀集料含量增加，混合料的礦料間隙率增大，針片狀集料在成型過程中容易擠壓破碎，影響混合料的級(jí)配穩(wěn)定性。畢林昌等研究發(fā)現(xiàn)針片狀集料含量增加15%時(shí)，混合料高溫性能衰減超過20%。

在粗集料加工過程中，機(jī)械破碎生產(chǎn)的每顆粗集料棱角皆有所差異。集料的粗糙度不同，則混合料的內(nèi)摩擦角、機(jī)械嵌擠力不同，導(dǎo)致不同混合料試件所需拌合能量與壓實(shí)功均不一樣。礦料級(jí)配集料之間的相互嵌鎖作用隨著粗集料形狀越接近立方體越顯著(集料形態(tài)分類見圖1)，杰出的棱角性對(duì)熱拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的提升起決定性作用。譚憶秋等研究發(fā)現(xiàn)粗集料的棱角性系數(shù)高，有助于提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖1 集料形態(tài)分類

粗集料棱角指標(biāo)更偏向于宏觀尺度(0.5 mm以上)的形態(tài)參數(shù)，此外，還需考慮集料破碎面的微細(xì)觀紋理形貌(0.001～0.5 mm)。Pan T.等選擇不同紋理粗集料開展瀝青混合料模量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混合料的回彈模量與集料破碎面的紋理粗糙度呈良好的正相關(guān)關(guān)系。陳國(guó)明等通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了粗集料紋理對(duì)瀝青混合料內(nèi)摩擦角的增強(qiáng)效應(yīng)及對(duì)混合料低溫抗裂和抗水損壞性能的提升作用。

1.4 瀝青混合料試驗(yàn)的變異性

由于地域、開采條件、加工條件的差異，集料性能的均勻性難以控制。集料顆粒的變異性嚴(yán)重影響瀝青混合料試驗(yàn)(如馬歇爾試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)等)結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性，而且無(wú)法精確判定導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果差異的原因(材料差異、儀器設(shè)備、人員操作、試驗(yàn)環(huán)境等)，造成不同實(shí)驗(yàn)室間試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)失敗，進(jìn)而誤導(dǎo)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向。可見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于集料顆粒形狀的差異，試驗(yàn)結(jié)果往往出現(xiàn)較大組內(nèi)偏差，為體現(xiàn)試驗(yàn)規(guī)律，通常使用多組平行試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算其統(tǒng)計(jì)水平，更偏向于定性分析試驗(yàn)結(jié)果。混合料試驗(yàn)結(jié)果的離散性往往比單一原材料測(cè)試結(jié)果更顯著，而路面工程質(zhì)量評(píng)價(jià)依賴檢測(cè)數(shù)據(jù)，不準(zhǔn)確、不具備代表性的檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)誤導(dǎo)路面施工質(zhì)量的管理重心。

2 3D打印技術(shù)概述

2.1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬及3D數(shù)字建模得到長(zhǎng)足進(jìn)步，已應(yīng)用于人類日常生活的諸多領(lǐng)域。3D打印的大致流程為數(shù)字化點(diǎn)云獲取→點(diǎn)云的預(yù)處理→三維模型的實(shí)體重建→模型優(yōu)化與局部處理→導(dǎo)入打印計(jì)算機(jī)系統(tǒng)→軌跡優(yōu)化與支撐添加→打印機(jī)打印→打印后處理(見圖2)。

圖2 3D打印示意圖

3D打印制造技術(shù)根據(jù)打印原理和材料的不同可分為熔融沉積(FDM)、光固化成型(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、數(shù)字化光處理(DLP)、3D噴墨(Ployjet)技術(shù)等。

(1) 熔融沉積。利用高溫將絲狀熱熔性材料加熱至非固態(tài)，將融解的材料通過一個(gè)尖細(xì)的噴嘴噴擠出來，原料逐層凝固形成產(chǎn)品。

(2) 光固化成型。利用紫外光或其他光源照射使光敏樹脂凝固，隨著工作臺(tái)樹脂容器的升高與下落，樹脂逐層固化，最終形成完整的產(chǎn)品。

(3) 選擇性激光燒結(jié)。以粉末材料為原料，通過激光照射作用進(jìn)行燒結(jié)，利用計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)控制層疊堆積成型。

(4) 數(shù)字化光處理。以液態(tài)光聚合物為原料，利用高分辨率的數(shù)字光處理器投影儀逐層進(jìn)行光固化成型產(chǎn)品。相比同類型的 SLA 立體平版印刷技術(shù)，該方式的處理時(shí)間更短，能制作較復(fù)雜的產(chǎn)品，同時(shí)產(chǎn)品表面非常光滑。

(5) 3D 噴墨技術(shù)。以光敏樹脂為原材料，利用紫外線光逐層進(jìn)行固化，效率較高。

2.2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

在醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)在人造骨骼材料、心臟瓣膜、人體心臟支架乃至人體器官制造方面獲得了非常豐富的成功經(jīng)驗(yàn)。賈丹陽(yáng)等利用3D打印技術(shù)成功打印活體胚胎干細(xì)胞，并通過試驗(yàn)證明3D打印的干細(xì)胞與人體胚胎干細(xì)胞一樣具有正常分化能力。

在航空工業(yè)領(lǐng)域，3D打印技術(shù)成功應(yīng)用于多種飛機(jī)零部件的制造，并用于實(shí)體。航空公司嘗試?yán)?D打印技術(shù)制造機(jī)翼、飛機(jī)機(jī)艙等大尺寸部件及飛機(jī)鈦合金部件。

在軍事領(lǐng)域，3D打印技術(shù)成功應(yīng)用于中國(guó)多種戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)、飛機(jī)部件及輕武器制造；美國(guó)運(yùn)用3D打印技術(shù)制造導(dǎo)彈點(diǎn)火模型的部分零件、發(fā)動(dòng)機(jī)及軍事衛(wèi)星零件等。

在建筑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面：一是打印建筑物模型；二是整體建筑組塊的實(shí)體打印，通過“搭積木”的方式組裝。該技術(shù)相比傳統(tǒng)施工方式具有顯著優(yōu)勢(shì)：

(1) 減少建筑材料損耗垃圾的產(chǎn)生，并能以建筑垃圾為原料，有效解決城市污染問題。

(2) 充分發(fā)揮大型打印機(jī)的效率，既可現(xiàn)場(chǎng)打印施工，也可工廠預(yù)制，簡(jiǎn)化施工過程中“支、綁、澆”等復(fù)雜工序，極大提高施工效率，節(jié)約人工成本。

(3) 根據(jù)設(shè)計(jì)模型，一次性成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑形狀，輕松實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化成型。

(4) 3D打印油墨為經(jīng)過特殊玻璃纖維強(qiáng)化處理的砼材料，打印成品的強(qiáng)度滿足使用要求。

3 3D打印標(biāo)準(zhǔn)集料的可行性分析

3.1 原材料的可行性

瀝青砼的集料由巖石加工而成，巖石是非常復(fù)雜的集合體，在高溫、高壓環(huán)境下經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的形成階段，其成分、結(jié)構(gòu)均十分復(fù)雜，內(nèi)部也充滿了節(jié)理、孔隙等缺陷，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)出不連續(xù)性、不均勻性、非線性和各向異性。為解決巖石試驗(yàn)(如單軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)等)存在的重復(fù)性低、尺度效應(yīng)干擾等問題，采用3D 打印技術(shù)配合CT 掃描模型重構(gòu)巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能更直觀地研究巖石內(nèi)部裂隙或孔隙網(wǎng)絡(luò)情況。

華敏杰采用聚乳酸、類石膏和樹脂等材料進(jìn)行巖石3D打印成型，發(fā)現(xiàn)打印模型的抗壓強(qiáng)度比實(shí)際巖石試樣低、延性比實(shí)際巖石試樣強(qiáng)。Fereshtenejad S.、Vogler D.、Zhou T.等研究發(fā)現(xiàn)：1) 調(diào)整打印參數(shù)和采用后處理技術(shù)可提高試樣強(qiáng)度，減少試樣延性并增加其脆性；2) 采用3DP(粉層與噴墨頭打印)技術(shù)打印的試件的粗糙度、抗拉強(qiáng)度和破裂過程等十分接近砂巖。Ju Y.等利用工業(yè)CT掃描的砼結(jié)構(gòu)模型，以透明樹脂材料為主體、非透明材料為骨料進(jìn)行3D打印重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)的可視化(見圖3)。目前主流的3D打印原材料性能可為標(biāo)準(zhǔn)集料打印加工奠定良好的基礎(chǔ)。

圖3 砼試件的3D打印(單位：mm)

3.2 掃描設(shè)備的精度分析

工業(yè)CT是應(yīng)用于工業(yè)中的計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(見圖4)。它利用精確準(zhǔn)直的射線束及極度靈敏的探測(cè)器對(duì)物體分層進(jìn)行掃描，能清晰、準(zhǔn)確地獲得被探測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成信息，是目前世界上最成熟的無(wú)損檢測(cè)手段。道路行業(yè)一般使用工業(yè)CT的X射線穿透混合料或碎石單元，通過測(cè)試X射線的入射強(qiáng)度和出射強(qiáng)度換算材料的厚度，進(jìn)而重構(gòu)集料三維形貌。但CT斷層掃描技術(shù)的精度同樣局限于粗集料的宏觀形態(tài)，關(guān)于集料二、三維信息轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)性研究依舊不足，無(wú)法完全反映真實(shí)顆粒三維表面的起伏變化。

圖4 工業(yè)CT掃描設(shè)備

三維激光掃描技術(shù)主要通過高強(qiáng)度激光射線照射在物體表面，采集激光射線射入與反射后的接收時(shí)間差，確定相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)空間坐標(biāo)值，形成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后通過專業(yè)軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合、重構(gòu)成三維模型。張肖寧等基于非接觸式激光三角成像原理研制了粗集料紋理輪廓測(cè)試儀。陳搏研發(fā)了高精度(0.01 mm)三維激光掃描裝置(見圖5)，該裝置采用線激光實(shí)現(xiàn)快速面域掃描，獲取集料表面紋理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可高效采集不同規(guī)格集料的三維形貌，與鋪砂法檢測(cè)相比，檢測(cè)精度提升約10倍，檢測(cè)效率提升約800倍。以上掃描技術(shù)為粗集料的宏觀輪廓與微細(xì)觀紋理掃描提供了技術(shù)支撐。

圖5 粗集料的三維激光掃描(單位：nm)

3.3 打印設(shè)備的精度分析

目前，3D打印技術(shù)的精度已從毫米級(jí)提升到微米級(jí)。Stratasys 公司的 Dimension 1200es以FDM技術(shù)為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)水平分辨率0.178 mm、豎向?qū)雍?.254～0.33 mm的構(gòu)件成型。清華大學(xué)器官制造中心嘗試使用明膠纖維蛋白原等基質(zhì)材料打印3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。各種不同精度的3D打印設(shè)備(見表1)為瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)集料打印提供了技術(shù)保障。

表1 3D 打印設(shè)備精度對(duì)比

3.4 打印成本分析

不同類型3D打印技術(shù)所使用的原材料成型固結(jié)原理有差異，對(duì)應(yīng)打印材料的性質(zhì)(強(qiáng)度和剛度)根據(jù)所打印物品需要進(jìn)行選擇。可根據(jù)目前較成熟的3D打印基本材料，通過篩選確定非常接近實(shí)際瀝青路用集料性能的材料與打印工序。根據(jù)2020年3D打印的不同材料報(bào)價(jià)，考慮到集料力學(xué)性能特性，主要選用3DP打印技術(shù)、FDM熔融沉積打印技術(shù)、SLA光固化成型技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，打印材料價(jià)格為2～24元/g。雖然總體上常用的工業(yè)級(jí)3D打印材料價(jià)格偏高，難以大范圍、大體量普及應(yīng)用。但從科學(xué)研究上講，人工打印工程集料可行，可使集料顆粒實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而使瀝青混合料不同實(shí)驗(yàn)室間試驗(yàn)比對(duì)成為可能，有效改善工程檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性，提高工程質(zhì)量管理水平，改善瀝青路面施工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

受巖石資源特性的限制，優(yōu)質(zhì)集料的選擇范圍非常有限，因而更加關(guān)注粗集料的加工特性。瀝青混合料的力學(xué)性能在一定程度上依靠粗集料形成的骨架嵌擠作用，粗集料的形態(tài)特征關(guān)系到混合料空間骨架的構(gòu)建及瀝青砂漿、集料間的相互作用，進(jìn)而引起混合料抗疲勞性能和力學(xué)強(qiáng)度、耐久性能的變化。而粗集料的顆粒形態(tài)受料源、生產(chǎn)工藝、成分等影響，集料均勻性難以控制，集料顆粒存在變異性，嚴(yán)重影響瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬、3D數(shù)字建模及3D打印技術(shù)得到長(zhǎng)足進(jìn)步，并在建筑行業(yè)率先嘗試應(yīng)用，取得了較好的效果。該文從3D打印技術(shù)原材料性能、打印設(shè)備精度、打印成本三方面進(jìn)行分析，論證了3D打印技術(shù)在粗集料特性研究中具有較好的可行性。通過3D打印標(biāo)準(zhǔn)集料的瀝青混合料性能試驗(yàn)研究，有望提出實(shí)際瀝青混合料試驗(yàn)修正方法和實(shí)驗(yàn)室水平評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高工程項(xiàng)目檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，為瀝青路面設(shè)計(jì)與施工及養(yǎng)護(hù)方案制訂提供指導(dǎo)，具有重要的科研與工程應(yīng)用價(jià)值。