3D打印制备人工集料及性能研究

龚芳媛，拜佳威，王书岳，邓 锐，程雪佼

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401；
2.天津市交通工程绿色材料技术工程中心，天津 300401)

截至2020年末，中国公路和高速公路总里程分别达到519.81万千米和16.10万千米。每年超过20亿吨的粗集料被用于道路建设，天然集料资源的消耗一直是该领域学者密切关注的问题[1]。在沥青路面中，集料的质量约占沥青混合料的95%，是道路工程中广泛使用的材料，对沥青混合料的路用性能影响显著[2]。集料的形状、棱角性和纹理对沥青混合料的高温抗车辙、抗滑、低温抗开裂性能及压实度有着显著的影响[3]。

为开展集料形态特征研究及其对沥青混合料性能影响研究，国内外学者提出了不同的集料制备方法及处理技术[4-6]。利用砖石碎块、废弃混凝土等建筑垃圾，通过改变集料的生产工艺流程生产出不同材质、粒径的再生骨料[7-8]。近年来开发的海洋资源珊瑚骨料形态特征与天然集料相似，具有应用于道路建设的潜力[5]。利用高炉炉渣制备粗集料，并使用集料图像测量系统(aggregate image measurement system,AIMS)研究集料形状、棱角性和纹理对沥青混合料抗冻融劈裂、高温抗车辙性能的影响[1]。为了便于量化集料形态特征对沥青混合料马歇尔稳定度、流值等性能的影响，制备正方体、圆柱体、球体等规则的形状集料，并采用离散元方法分析集料形态特征对混合料性能的影响[9]。制作不同粒径的球体玻璃珠，代替集料拌入混合料中，并结合X-ray CT扫描技术，研究集料形态特征对混合料抗永久变形性能的影响[10]。在不同粒径和形状集料中嵌入钢针，结合X-ray CT扫描技术，也可以用于研究集料形态特征对混合料压实性能的影响[6]。经研究发现，集料球度系数越接近1时，形状接近正方体或者球体，集料之间的嵌挤力与内摩擦力越大，混合料的抗车辙性能也越好[11]。但受岩石种类和力学性能的影响，所生产集料的形态特征存在明显差异，难以成型形态和粒径可调控的集料颗粒用于量化集料形态特征对混合料的影响[12]。此外，随着3D打印技术在道路工程领域中的应用，结合三维激光扫描技术，设计和构建打印三维模型，可制备出满足工程特定需求的材料模型，实现道路材料与资源的高效利用[13-14]。

综上所述，由于目前加工和生产天然集料的形态特征差异较大的特点，较难定性和定量开展形态特征对混合料性能的影响研究。虽然已有国内外学者采用不同原材料制备不同形态及粒径的人工集料，或者使用数字图像处理技术分析研究集料颗粒的形态特征及其对混合料性能的影响，但现有的人工集料制备方法难以根据研究需求调控和量化颗粒的形态特征指标。因此，本文基于3D打印技术，结合天然集料三维扫描模型，提出形态、粒径、体积可调控的人工集料设计和制备方法并开展了集料质量技术指标相关试验研究，为进一步量化颗粒形态特征及其对沥青混合料性能影响的内在作用机理提供理论和技术方法。

1.1 原材料

1.1.1 聚乳酸

聚乳酸(polylactic acid,PLA)，也被称为聚丙交酯，具有良好的力学性能与降解性能[15]。本研究使用极光尔沃科技股份有限公司生产的PLA作为3D打印的原材料，使用Z-603S打印机打印人工集料模型，其材料参数如表1所示。

表1 PLA树脂材料技术指标Table 1 Technical specifications of PLA resin material

1.1.2 水泥砂浆材料

研究采用的水泥为高贝利特硫铝酸盐水泥(HB-CSA 42.5)和普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)，化学成分见表2[16]。HB-CSA 42.5粒径分布范围为0.14～632.46 μm，D10、D50、D90分别为1.93 μm、19.40 μm、121.75 μm；
P·O 42.5粒径分布范围为0.16～355.66 μm，D10、D50、D90分别为1.48 μm、11.73 μm、52.91 μm[16]。细石英砂(silica sand,SS)，细度模数为1.76，堆积密度为1 620 kg/m3；
硅灰(silica fume,SF)，表观密度为2 200 kg/m3，堆积密度为400 kg/m3；
聚羧酸系高性能减水剂，固含量为40%(质量分数)，减水率大于33%；
缓凝剂为葡萄糖酸钠。

表2 HB-CSA 42.5和P·O 42.5的化学组成Table 2 Chemical composition of HB-CSA 42.5 and P·O 42.5

1.2 试验方法

1.2.1 水泥砂浆抗压强度及凝结时间测试

根据JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试件，养护温度为(20±2) ℃，相对湿度为90%以上，使用YAW-2000D电液伺服压力试验机，检测HB-CSA 42.5砂浆、P·O 42.5砂浆的7 d、28 d抗压强度。使用水泥胶砂搅拌机、湿气养护箱、凝结时间检测仪等试验设备,测试HB-CSA 42.5砂浆和P·O 42.5砂浆的初凝和终凝时间。

1.2.2 人工集料性能测试

根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》、JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，使用YAW-2000D电液伺服压力试验机和MH-II型洛杉矶磨耗机，测试不同种类天然集料和人工集料的压碎值和磨耗值。按照1 000 mL蒸馏水加入300～350 g无水硫酸钠的比例，在温度为30～50 ℃的条件下配制测试粗集料坚固性的溶液，测定天然集料和人工集料的坚固性。采用网篮法测定天然集料与人工集料的表观密度和吸水率。采用水煮法测定人工集料与沥青之间的黏附性等级。

2.1 集料三维模型优选及几何参数计算

2.1.1 集料三维模型优选

(1)三维虚拟筛分确定集料粒径

图1为集料颗粒三维模型及粒径确定方法。采用分辨率为0.1 mm的Wiibox三维扫描仪获取集料的三维信息，通过三角网格化处理重建集料的三维模型(见图1(a))并以STL文件格式保存。获取集料颗粒的点云模型，计算这些离散点间两点连线的长度及方向向量，确定最大弦长L，并找到所有与L正交的弦长，最大值为W，求出经过W且与L垂直的平面方程，以此作为通过筛孔的控制平面[17]。求出筛孔控制平面的最小外接矩形，以该外接矩形的长轴为边将其扩展为相应大小的外接正方形，根据外接正方形的边长来确定三维粗集料通过特定大小方孔筛的依据[17]。如图1(b)所示，本文获取集料颗粒的点云模型后，结合Solidworks 2018软件，求出集料三维模型的筛孔控制面及其最小外接矩形，并采用上述研究方法测定集料的粒径。

图1 集料颗粒三维模型及粒径确定方法Fig.1 Three-dimensional model and mesh size determination method of aggregate particle

(2)不同粒径集料球度系数计算

在粒径为4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm、19～26.5 mm集料中，每种粒径随机挑选60颗集料共计300颗，并采用数字1～300标记，分别代表不同集料，并测量和计算不同集料的球度系数及其分布和占比。图2为不同粒径天然集料的球度系数。如图2所示，在5种粒径的集料中，球度系数位于0.6～0.8的颗粒分布占比分别为73.3%、75.0%、75.0%、70.0%、53.3%；
球度系数位于0.8以上的集料颗粒分别为10.0%、11.7%、18.3%、8.3%、23.3%。由此可知，在天然集料中，球度系数在0.8以上的集料颗粒占比较少。当集料的球度系数越接近1时，集料之间的嵌挤力和内摩擦力越大，越有利于增强混合料抗车辙性能，提高其高温稳定性[11]。本文基于3D打印技术，制备出的球体和正方体人工集料的球度系数均为1。

图2 不同粒径天然集料的球度系数Fig.2 Sphericity coefficient of natural aggregates with different mesh sizes

(3)不同形态集料三维模型比选

依据上述测定集料粒径方法，在多个不同粒径和形态特征集料三维模型中，使用Solidworks 2018软件可批量计算处理，获取同一粒径不同形态特征的集料颗粒。图3为不同形态特征同粒径集料。如图3所示，本文从72颗粒径为19～26.5 mm集料三维模型中，区分并获得形状为球状、针状、破碎状、棱角状、片状颗粒模型，为3D打印形态、粒径、体积可调节的PLA集料颗粒提供输入模型。

图3 不同形态特征同粒径集料Fig.3 Different morphological characteristics of aggregates with same mesh size

2.1.2 集料三维模型几何参数计算

使用Geomagic Studio 2014软件，计算图3中不同形态集料三维模型的表面积及体积，如图4所示，其中字母R、E、Fr、A、F，分别代表球状、针状、破碎状、棱角状、片状的集料。计算结果表明:R、E、Fr、A、F集料的体积分别为7 704.594 mm3、8 406.383 mm3、5 999.851 mm3、7 263.497 mm3、6 029.949 mm3；
表面积分别为2 100.574 mm2、2 591.374 mm2、1 938.627 mm2、2 147.352 mm2、2 326.740 mm2。

图4 不同形状集料的几何参数Fig.4 Geometric parameters of aggregates with different shapes

2.2 3D打印集料模型及模具制备

2.2.1 3D打印PLA集料

图5为不同形状集料模型及制备过程。在进行3D打印操作前，需将扫描获取的集料三维模型导入Ultimaker Cura 4.11.0软件中进行分层切片、优化打印路径和添加支撑等一系列处理，如图5(a)和(b)所示。在本研究中选用PLA作为3D打印材料，采用极光尔沃Z-603S打印机来打印人工集料模型，打印温度设置为200 ℃，热床温度为60 ℃，如图5(c)所示。打印完成后去除集料的支撑，如图5(d)所示。

图5 不同形状集料模型及制备过程Fig.5 Model and preparation process of affregates with different shapes

使用Geomagic Studio 2014软件，通过调节集料三维模型的缩小因子可构建位于同一档粒径范围且具有相同形态特征和体积的3D打印颗粒模型。图6为等体积等粒径的不同形状集料颗粒。将图6中球状、针状、破碎状、棱角状、片状集料三维模型的缩小因子分别设置为0.730、0.709、0.794、0.745、0.792，可获取体积为3 000 mm3、粒径为16～19 mm的集料三维模型。使用极光尔沃Z-603S打印机，打印不同形状等粒径和等体积的集料颗粒，如图6所示。

图6 等体积等粒径的不同形状集料颗粒Fig.6 Different shapes of aggregate particles with same volume and mesh size

2.2.2 人工集料硅胶模具制备

采用PLA材料并通过3D打印技术所制备的集料颗粒模型，表观密度为1.21 g/cm3，吸水率为0.5%。与天然集料相比，PLA集料的吸水率较低，表观密度远小于天然集料，在混合料拌和过程中易发生离析。由于高温作用，在试验过程中PLA集料还易发生融化或者软化等问题。图7为3D打印集料热稳定性检测。在成型马歇尔试件中，加入PLA集料，将马歇尔试件至于120 ℃烘箱中加热，30 min后取出PLA集料，PLA集料表面出现了局部软化变形现象。

图7 3D打印集料热稳定性检测Fig.7 Thermal stability test of 3D printing aggregate

因此，本文提出了一种制备特定形态特征和粒径人工集料的方法，其设计思路为：以PLA为原材料，打印特定形态特征、粒径的集料模型并以此制备3D打印集料模具，四周带挡条3D打印模具粒径范围在13.2～16 mm，行、列各为9等距分布,如图8(a)所示。

按照质量比为50 ∶1.3的比例来配制硅胶和固化剂混合物。首先，在盛放硅胶的容器中倒入适量的固化剂，然后加入硅胶并快速搅拌混合液，直至混合液内无气泡产生，如图8(b)所示。

将拌和后的混合液倒入四周带挡条的3D打印模具中，如图8(c)所示。

待人工集料模具中的硅胶静置10 h后，脱模取出便获得可一次成型81颗人工集料的硅胶模具，如图8(d)所示。

图8 正方体人工集料硅胶模具制作过程Fig.8 Production process of cube artificial aggregate silicone mold

图9为制备不同形态人工集料硅胶模具的制作过程。如图9(a)和(b)所示，先在模具底部倒入一层拌和好的混合液，待硅胶静置10 h后，放置不同形态的3D打印集料。再倒入一层混合液直至完全覆盖3D打印颗粒(见图9(c))，待硅胶成型后，通过表面划“十”字口方式取出3D打印颗粒(见图9(d))，即成型形态不同的人工集料硅胶模具。

2.3 水泥种类及水泥砂浆配合比确定

为了制备形态特征良好、技术指标符合规范的人工集料，选用HB-CSA 42.5和P·O 42.5两种水泥砂浆，其配合比分别如表3、表4所示。测试HB-CSA 42.5和P·O 42.5砂浆的7 d、28 d抗压强度及凝结时间，取6个试件的算术平均值作为不同水泥砂浆养护不同时间的抗压强度和凝结时间，结果如图10、图11所示。

表3 HB-CSA 42.5砂浆配合比Table 3 Mix proportion of HB-CSA 42.5 mortar /(kg·m-3)

表4 P·O 42.5砂浆配合比Table 4 Mix proportion of P·O 42.5 mortar /(kg·m-3)

图10 不同种类及养护时间水泥砂浆的抗压强度Fig.10 Compressive strength of cement mortar with different types and curing time

图11 不同水泥砂浆凝结时间Fig.11 Setting time of different cement mortar

HB-CSA 42.5砂浆与P·O 42.5砂浆的7 d抗压强度的平均值及标准误差分别为40.0 MPa、35.2 MPa，0.750、0.805；
HB-CSA 42.5砂浆与P·O 42.5砂浆的28 d抗压强度的平均值及标准误差分别为47.5 MPa、42.7 MPa，1.594、1.607。与P·O 42.5砂浆相比，HB-CSA 42.5砂浆7 d抗压强度较高，且初、终凝时间较短，具有早强、快凝的特点，可保证人工集料脱模后，仍能保持良好的形态特征。HB-CSA 42.5砂浆28 d抗压强度大于P·O 42.5砂浆，且7 d、28 d抗压强度的标准误差均小于P·O 42.5砂浆，可知HB-CSA 42.5砂浆抗压强度数值的离散程度小于P·O 42.5砂浆。综上所述，选取HB-CSA 42.5砂浆作为制作人工集料的原材料。

2.4 人工集料制备及几何参数计算

2.4.1 人工集料制备及养护

图12为正方体人工集料的制作过程：(1)在硅胶模具内壁涂刷薄层机油，如图12(a)所示；
(2)在硅胶模具内注满砂浆，并将盛有水泥砂浆的硅胶模具放置在混凝土试验用振动台上，振动至水泥砂浆表面无气泡产生，如图12(b)所示；
(3)处理硅胶模具表面的水泥砂浆，并在(20±2) ℃、相对湿度大于90%条件下养护24 h，如图12(c)所示；
(4)将养护成型的人工集料脱模，在标准养护条件下养护28 d，如图12(d)所示。

图12 人工集料制作过程Fig.12 Preparation process of artificial aggregates

根据上述制备和养护方法，本研究制备了形状为球体、正方体，粒径为16～19 mm、13.2～16 mm、9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm共8种特定形态和粒径的人工集料，如图13(a)所示。按照相同的制备及养护工艺制备了粒径为9.5～13.2 mm、具有不同形态特征的人工集料，如图13(b)所示。图13(b)中，第1、3行为人工集料，第2、4行为天然集料。即基于3D打印技术，可以制备特定形态特征的人工集料。

图13 不同形态的人工集料Fig.13 Artificial aggregates with different morphological characteristics

2.4.2 人工集料几何参数计算

图14(a)和(b)分别为选定的天然集料和对应的人工集料。图14(c)和(d)为三维激光扫描获取不同形态特征天然集料与人工集料的三维模型。

图14 不同形态特征的天然集料与人工集料Fig.14 Natural and artificial aggregates with different morphological characteristics

图15(a)和(b)为通过9颗天然集料模型制备的9组人工集料，编号为No.1～No.9,每组形态有3个试样，共计27颗，用于比较分析天然集料与人工集料的体积与表面积关系。在所制备的27颗人工集料中，77.8%人工集料的体积小于原天然集料，这是由于在使用特定形态特征的硅胶模具制备人工集料时，易在脱模过程中出现人工集料局部磨损现象。81.5%的人工集料表面积大于原天然集料，这是因为在3D打印人工集料模型过程中，需对三维模型进行切片和打印路径规划处理，导致所制备的人工集料中出现表面积大于原天然集料的现象。

图15 天然集料与人工集料体积和表面积关系Fig.15 Relationship of volume and surface area between natural and artificial aggregates

此外，扫描获取不同粒径正方体和球体人工集料三维模型，如图16所示。计算正方体、球体及其他形状人工集料的体积和表面积，并与原设计三维模型比较，用于分析3D打印制备的不同形态集料是否具有良好形态特征以及体积精度。

图16 正方体与球体人工集料Fig.16 Cube and sphere artificial aggregates

图17和图18分别为所制备正方体、球体及其他形状人工集料的体积和表面积误差。字母I、II、III、IV分别代表粒径范围为4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm的人工集料，字母R、E、F、Fr分别代表形状为球状、针状、片状、破碎状的人工集料。

图17 球体、正方体人工集料表面积及体积误差Fig.17 Surface area and volume error of sphere and cube artificial aggregates

图18 不同形状人工集料表面积及体积误差Fig.18 Surface area and volume error of artificial aggregates with different shapes

粒径为4.75～9.5 mm、9.5～13.2 mm、13.2～16 mm、16～19 mm的球体人工集料表面积误差分别为0.31%、5.62%、2.08%、5.48%，体积误差分别为1.31%、0.36%、0.72%、0.04%；
正方体人工集料表面积误差分别为5.12%、0.22%、1.01%、4.30%，体积误差分别为0.53%、1.26%、2.75%、1.68%。制备与天然集料形状相似的人工集料表面积误差为1.85%、0.26%、5.65%、5.83%、0.40%、0.20%、0.30%，体积误差分别为0.51%、0.84%、1.15%、0.40%、0.52%、0.51%、0.47%。综上所述，采用3D打印技术制备出不同形态特征人工集料的表面积误差均小于6%，体积误差均小于3%，具有良好的形态特征和体积精度，可用于定性和定量分析集料形态特征对混合料性能影响的相关研究中。

3.1 压碎值及磨耗值测试

测量人工集料、片麻岩两种集料的压碎值、磨耗值，并对比JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》[18]中所列的沥青混合料路面用石灰岩、玄武岩、花岗岩集料压碎值的参考值，如图19所示。结合现有研究，对比5种集料的磨耗值[19-20]，结果如图20所示。

图19 不同岩性集料的压碎值Fig.19 Crushing value of aggregates with different lithologies

图20 不同岩性集料的磨耗值Fig.20 Abrasion value of aggregates with different lithologies

在相同荷载条件下，石灰岩、片麻岩、玄武岩、花岗岩、人工集料的压碎值分别为18.50%、12.58%、8.80%、16.50%、15.81%。人工集料的压碎值分别高于片麻岩、玄武岩3.23个百分点、7.01个百分点，分别低于石灰岩、花岗岩2.69个百分点、0.69个百分点。相同试验条件下，石灰岩、片麻岩、玄武岩、花岗岩、人工集料的磨耗值分别为21.20%、13.73%、7.90%、8.20%、15.70%。人工集料的磨耗值分别高于片麻岩、玄武岩、花岗岩1.97个百分点、7.80个百分点、7.50个百分点，低于石灰岩5.50个百分点。

3.2 坚固性及吸水率测试

图21为试验所得人工集料、片麻岩两种集料的坚固性、表观密度及吸水率，并对比现有研究中石灰岩、玄武岩、花岗岩三种集料的坚固性检测值[19-20]。人工集料与已有研究中石灰岩、玄武岩、花岗岩的表观密度和吸水率测试结果如图22所示[21-22]。

图21 不同岩性集料的坚固性Fig.21 Firmness of aggregates with different lithologies

图22 不同岩性集料的表观密度和吸水率Fig.22 Apparent density and water absorption of aggregates with different lithologies

相同试验条件下，测试所得石灰岩、片麻岩、玄武岩、花岗岩、人工集料的坚固性分别为1.16%、1.37%、0.36%、1.64%、5.65%，其中人工集料质量损失百分比分别高于石灰岩、片麻岩、玄武岩、花岗岩4.49个百分点、4.28个百分点、5.29个百分点、4.01个百分点。石灰岩、片麻岩、玄武岩、花岗岩、人工集料5种集料的表观密度分别为2.701 g/cm3、2.720 g/cm3、2.927 g/cm3、2.688 g/cm3、2.538 g/cm3，吸水率分别为0.751%、0.903%、0.632%、0.950%、0.646%。其他4种集料表观密度分别高于人工集料0.163 g/cm3、0.182 g/cm3、0.389 g/cm3、0.150 g/cm3。此外，石灰岩、片麻岩、花岗岩的吸水率分别高于人工集料0.105个百分点、0.257个百分点、0.304个百分点，玄武岩的吸水率低于人工集料0.014%。

3.3 黏附性测试

本研究采用水煮法，分别测试了人工集料与70号道路石油沥青、SBS改性沥青之间的黏附性等级(见图23)。如图23所示，人工集料与70号道路石油沥青、SBS改性沥青之间的黏附性等级均为5。玄武岩、花岗岩、闪长岩、石灰岩与70号道路石油沥青的黏附性等级均为4，与SBS改性沥青的黏附性等级均为5[23]。与其他集料相比，人工集料与70号道路石油沥青具有较好的黏附性，与SBS改性沥青具有相同的黏附性等级。

所制备人工集料的压碎值、磨耗值、坚固性、吸水率及黏附性等级均满足JTG F 40—2004 《公路沥青路面施工技术规范》要求，可代替天然集料用于定性和定量分析集料形态特征对沥青混合料性能影响的相关研究。

(1)在天然集料中，球度系数大于0.8的集料颗粒含量较少，基于3D打印技术，可以制备球度系数为1、形状为球体和正方体的集料颗粒；
使用三维扫描技术，重构不同形态集料三维模型，调控集料模型的粒径和体积，可打印具有等径范围和等体积的不同形态特征集料。

(2)采用3D打印技术获得的不同形态特征PLA颗粒，与天然集料相比，密度较小，如直接采用其代替天然集料拌入混合料中易发生离析，且成型沥青混合料过程中，易发生PLA集料融化或者软化变形等问题，因此推荐使用水泥砂浆作为制备人工集料的原材料。

(3)与普通硅酸盐水泥砂浆相比，高贝利特硫铝酸盐水泥砂浆具有早强和快凝的特点，更适用于制备人工集料。使用特定形态特征的硅胶模具制备人工集料，由于在脱模过程中人工集料边缘易出现少量材料的脱落，导致77.8%的人工集料体积小于原天然集料。在3D打印人工集料模型过程中，需对人工集料进行三维模型切片和打印路径规划等操作，导致81.5%的人工集料表面积大于原天然集料。

(4)本文所制备的人工集料的体积误差小于3%，表面积误差小于6%，压碎值、磨耗值、坚固性、表观密度、吸水率和黏附性等级等质量技术指标均满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》。采用3D打印技术所制备的人工集料具有良好的性能和形态特征，可用于量化天然集料形态、粒径、体积和探究集料形态特征对混合料性能的影响规律。

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