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 土木與交通學院， 廣東 廣州 510641；3.廣州肖寧道路工程技術研究事務所有限公司， 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，占總質量的50%～80%。目前瀝青混合料配合比設計和力學性能研究多采用室內試驗，由于粗集料的形態(tài)受母巖資源特性和加工工藝的影響，即使采用相同石場的石料，加工出來的粗集料無論是粒形還是棱角性均存在差別。同時由于試驗操作過程與系統(tǒng)存在誤差，試驗結果存在較大變異性。傳統(tǒng)的試驗方法無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試驗結果，進而無法準確、直觀地進行瀝青混合料級配設計和施工工藝優(yōu)化。將形態(tài)各異的粗集料原材料實現(xiàn)標準化，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數(shù)據(jù)可重復性差的問題。增材制造技術(又稱為3D打印技術)是按照標準的三維數(shù)字模型，通過逐層疊加黏結的方式將塑料或金屬等材料打造為指定實體的方法，近年來在巖石領域得到快速發(fā)展。相關試驗結果表明，應用3D 打印技術可制作出材料性質與巖石類材料較接近的三維實體。該文對3D打印技術應用于粗集料特性研究的可行性進行分析。

1 粗集料對瀝青混合料性能的影響

1.1 瀝青混合料的組成研究

瀝青混合料設計直接影響瀝青路面的力學性能與使用壽命，一直是道路行業(yè)的研究熱點。傳統(tǒng)的馬歇爾混合料設計主要依靠經(jīng)驗，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、流值等指標選擇合理的礦料級配與瀝青用量。但研究發(fā)現(xiàn)以上指標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計的瀝青混合料鋪筑的瀝青路面出現(xiàn)較多的早期結構病害。隨后，以體積設計法為代表的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上對瀝青混合料級配設計進行了優(yōu)化。但這些方法與馬歇爾設計方法存在共同的缺陷，即主要針對瀝青混合料的宏觀性能，缺乏微細觀指標研究。

隨著對瀝青混合料性能機理的深入認識，瀝青混合料內部體積組成關系及均勻性得到重視，工業(yè)CT掃描技術、數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展為瀝青混合料級配設計與評價帶來革命性進步。Masad E.、Wang L. B.等通過CT掃描技術對瀝青混合料內部結構組成進行掃描，評價了其內部各向異性，同時建立三維非均質數(shù)值模型進行了虛擬試驗。但受CT掃描設備功率的影響，混合料內部各組分難以有效分割，集料邊界模糊，三維模型處理技術還不成熟，虛擬試驗仍集中于二維圖像分析。

1.2 粗集料巖性的影響

粗集料的質量均勻性直接影響瀝青混合料的力學性能。粗集料質量均勻性主要體現(xiàn)在材質的均勻性(石料密度、硬度等力學性能)和集料的形狀特性(輪廓形狀、棱角性、表面紋理等)兩方面。粗集料材質表征指標的優(yōu)劣和均勻性對瀝青混合料力學性能、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關系，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價粗集料形態(tài)的常見工程指標，以集料的長軸與短軸的長度比值表示。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，混合料高溫性能衰減超過20%。

在粗集料加工過程中，機械破碎生產(chǎn)的每顆粗集料棱角皆有所差異。集料的粗糙度不同，則混合料的內摩擦角、機械嵌擠力不同，導致不同混合料試件所需拌合能量與壓實功均不一樣。礦料級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，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關系。陳國明等通過試驗進一步驗證了粗集料紋理對瀝青混合料內摩擦角的增強效應及對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重影響瀝青混合料試驗(如馬歇爾試驗和車轍試驗等)結果的重復性和再現(xiàn)性，而且無法精確判定導致室內試驗結果差異的原因(材料差異、儀器設備、人員操作、試驗環(huán)境等)，造成不同實驗室間試驗數(shù)據(jù)比對失敗，進而誤導瀝青混合料配合比設計的改進方向。可見，試驗數(shù)據(jù)的準確性與穩(wěn)定性至關重要。由于集料顆粒形狀的差異，試驗結果往往出現(xiàn)較大組內偏差，為體現(xiàn)試驗規(guī)律，通常使用多組平行試驗結果計算其統(tǒng)計水平，更偏向于定性分析試驗結果?；旌狭显囼灲Y果的離散性往往比單一原材料測試結果更顯著，而路面工程質量評價依賴檢測數(shù)據(jù)，不準確、不具備代表性的檢測數(shù)據(jù)會誤導路面施工質量的管理重心。

2 3D打印技術概述

2.1 3D打印技術簡介

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，3D打印技術、計算機模擬及3D數(shù)字建模得到長足進步，已應用于人類日常生活的諸多領域。3D打印的大致流程為數(shù)字化點云獲取→點云的預處理→三維模型的實體重建→模型優(yōu)化與局部處理→導入打印計算機系統(tǒng)→軌跡優(yōu)化與支撐添加→打印機打印→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(SLS)、數(shù)字化光處理(DLP)、3D噴墨(Ployjet)技術等。

(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尖細的噴嘴噴擠出來，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。以粉末材料為原料，通過激光照射作用進行燒結，利用計算機精準控制層疊堆積成型。

(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行光固化成型產(chǎn)品。相比同類型的 SLA 立體平版印刷技術，該方式的處理時間更短，能制作較復雜的產(chǎn)品，同時產(chǎn)品表面非常光滑。

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

2.2 3D打印技術的應用

在醫(yī)藥工業(yè)領域，3D打印技術在人造骨骼材料、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。賈丹陽等利用3D打印技術成功打印活體胚胎干細胞，并通過試驗證明3D打印的干細胞與人體胚胎干細胞一樣具有正常分化能力。

在航空工業(yè)領域，3D打印技術成功應用于多種飛機零部件的制造，并用于實體。航空公司嘗試利用3D打印技術制造機翼、飛機機艙等大尺寸部件及飛機鈦合金部件。

在軍事領域，3D打印技術成功應用于中國多種戰(zhàn)斗機的研發(fā)、飛機部件及輕武器制造；美國運用3D打印技術制造導彈點火模型的部分零件、發(fā)動機及軍事衛(wèi)星零件等。

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

(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)揮大型打印機的效率，既可現(xiàn)場打印施工，也可工廠預制，簡化施工過程中“支、綁、澆”等復雜工序，極大提高施工效率，節(jié)約人工成本。

(3) 根據(jù)設計模型，一次性成型結構復雜的建筑形狀，輕松實現(xiàn)結構的整體化成型。

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

3 3D打印標準集料的可行性分析

3.1 原材料的可行性

瀝青砼的集料由巖石加工而成，巖石是非常復雜的集合體，在高溫、高壓環(huán)境下經(jīng)歷了漫長的形成階段，其成分、結構均十分復雜，內部也充滿了節(jié)理、孔隙等缺陷，在物理性質上表現(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(如單軸壓縮試驗、直剪試驗和三軸試驗等)存在的重復性低、尺度效應干擾等問題，采用3D 打印技術配合CT 掃描模型重構巖石的內部結構，能更直觀地研究巖石內部裂隙或孔隙網(wǎng)絡情況。

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

圖3 砼試件的3D打印(單位：mm)

3.2 掃描設備的精度分析

工業(yè)CT是應用于工業(yè)中的計算機斷層掃描技術(見圖4)。它利用精確準直的射線束及極度靈敏的探測器對物體分層進行掃描，能清晰、準確地獲得被探測物體內部結構組成信息，是目前世界上最成熟的無損檢測手段。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，通過測試X射線的入射強度和出射強度換算材料的厚度，進而重構集料三維形貌。但CT斷層掃描技術的精度同樣局限于粗集料的宏觀形態(tài)，關于集料二、三維信息轉換的基礎性研究依舊不足，無法完全反映真實顆粒三維表面的起伏變化。

圖4 工業(yè)CT掃描設備

三維激光掃描技術主要通過高強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間差，確定相應測點的相對空間坐標值，形成三維點云數(shù)據(jù)，最后通過專業(yè)軟件將點云數(shù)據(jù)擬合、重構成三維模型。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現(xiàn)快速面域掃描，獲取集料表面紋理的點云數(shù)據(jù)，可高效采集不同規(guī)格集料的三維形貌，與鋪砂法檢測相比，檢測精度提升約10倍，檢測效率提升約800倍。以上掃描技術為粗集料的宏觀輪廓與微細觀紋理掃描提供了技術支撐。

圖5 粗集料的三維激光掃描(單位：nm)

3.3 打印設備的精度分析

目前，3D打印技術的精度已從毫米級提升到微米級。Stratasys 公司的 Dimension 1200es以FDM技術為基礎，可實現(xiàn)水平分辨率0.178 mm、豎向層厚0.254～0.33 mm的構件成型。清華大學器官制造中心嘗試使用明膠纖維蛋白原等基質材料打印3D細胞結構。各種不同精度的3D打印設備(見表1)為瀝青混合料的標準集料打印提供了技術保障。

表1 3D 打印設備精度對比

3.4 打印成本分析

不同類型3D打印技術所使用的原材料成型固結原理有差異，對應打印材料的性質(強度和剛度)根據(jù)所打印物品需要進行選擇?？筛鶕?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打印的不同材料報價，考慮到集料力學性能特性，主要選用3DP打印技術、FDM熔融沉積打印技術、SLA光固化成型技術進行對比，打印材料價格為2～24元/g。雖然總體上常用的工業(yè)級3D打印材料價格偏高，難以大范圍、大體量普及應用。但從科學研究上講，人工打印工程集料可行，可使集料顆粒實現(xiàn)標準化，進而使瀝青混合料不同實驗室間試驗比對成為可能，有效改善工程檢測數(shù)據(jù)的質量和可靠性，提高工程質量管理水平，改善瀝青路面施工質量。

4 結語

受巖石資源特性的限制，優(yōu)質集料的選擇范圍非常有限，因而更加關注粗集料的加工特性。瀝青混合料的力學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)特征關系到混合料空間骨架的構建及瀝青砂漿、集料間的相互作用，進而引起混合料抗疲勞性能和力學強度、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，嚴重影響瀝青混合料試驗結果的重復性和再現(xiàn)性。

隨著科學技術的發(fā)展，計算機模擬、3D數(shù)字建模及3D打印技術得到長足進步，并在建筑行業(yè)率先嘗試應用，取得了較好的效果。該文從3D打印技術原材料性能、打印設備精度、打印成本三方面進行分析，論證了3D打印技術在粗集料特性研究中具有較好的可行性。通過3D打印標準集料的瀝青混合料性能試驗研究，有望提出實際瀝青混合料試驗修正方法和實驗室水平評價標準，有利于提高工程項目檢測數(shù)據(jù)質量和可靠性，為瀝青路面設計與施工及養(yǎng)護方案制訂提供指導，具有重要的科研與工程應用價值。