CN117361941B - 一种3d打印晶格集料增强透水沥青混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沥青混合料制备技术领域，特别是涉及一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料及其制备方法，按重量份数计包括以下组成成分：碎石粗集料74‑82份、晶格粗集料1.3‑1.5份、细集料9‑11份、矿粉5.0‑5.4份、沥青5.0‑5.4份。本发明采用上述一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料及其制备方法，通过3D打印制造的晶格粗集料作为增强相，利用晶格多孔、轻质高强、易嵌合的特性，保持透水沥青路面在原有力学性能条件下，显著提升透水性能。
Description
技术领域
本发明涉及沥青混合料制备技术领域，特别是涉及一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料及其制备方法。
背景技术
透水沥青路面在促进城市水循环、增强城市气候韧性等方面作用明显，在面对特大降雨能及时排水避免洪涝，其排水性能主要由透水沥青材料的透水性决定。现有透水沥青混合料的透水性能提升主要通过修改配合比和添加增强剂的方式完成，两种方法均存在问题：1.通过修改配合比的方式提高透水性能对透水沥青混合料的力学性能影响较大；2.通过添加增强剂的方式对透水性能的提高比较有限。
公开号为CN112358257A的中国专利公开了一种透水沥青混凝土及其制备方法与应用，通过对透水沥青混凝土的配合比进行改进，具体为改变粗细集料的配比以提高空隙率和孔隙尺寸，提高透水性能是通过增加粗集料减少细集料的方式完成，会降低集料骨架的强度和砂浆的粘结作用，从而牺牲了力学性能。
公开号为CN114149221B的中国专利公开了一种透水高强沥青混凝土及其制备方法，通过将制备的一种疏水纳米二氧化硅微球掺入混凝土中，在包裹骨料的胶结层表面会形成憎水膜，使水能够顺畅通过混凝土的内部孔道，从而达到透水性能提高的目的。但疏水纳米二氧化硅微球制备复杂，透水性能的提升更多是辅助水流更好地穿过混凝土孔道，透水性能提高有限。因此，提供一种在保证原有力学性能的前提下增强沥青透水性的混合料具有非常好的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料及其制备方法，通过3D打印晶格粗集料作为增强相，利用晶格多孔、轻质高强的特性，保持透水沥青路面在原有力学性能条件下，显著提升透水性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料，按重量份数计包括以下组成成分：碎石粗集料74-82份、晶格粗集料1.3-1.5份、细集料9-11份、矿粉5.0-5.4份、沥青5.0-5.4份；其中晶格粗集料为通过3D打印制造而成的AFCC晶格结构，AFCC晶格结构为立方体每个面内的4个端点通过杆经过面心对角连接的晶格结构。
优选的，碎石粗集料包括3种粒径范围，以碎石粗集料总重量计，粒径为3-5mm的碎石粗集料加入量为13.1%，粒径为5-10mm的碎石粗集料加入量为27.4%，粒径为10-15mm的碎石粗集料加入量为59.5%。
再优选的，碎石粗集料还可以为表面光滑、椭球状的卵石。
优选的，细集料为粒径为0.075-3mm的碎石。
优选的，AFCC晶格结构的杆直径为2-3mm，杆的长度为13.44-18.67mm。
优选的，3D打印材料再生PLA、再生ABS中的一种，或选用原生塑料PLA、ABS中的一种。
优选的，3D打印的参数为：打印速度为240-260mm/s，填充密度为100%，层高为0.08-0.16mm，喷嘴温度195-220℃。
优选的，沥青为高粘高弹聚合物改性沥青，沥青选自PG88型高粘高弹聚合物改性沥青、PG90型高粘高弹聚合物改性沥青、PG100型高粘高弹聚合物改性沥青中的一种。
一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
S1将搅拌机升温至180℃，按上述比例将碎石粗集料、细集料加入搅拌机，搅拌120s混合均匀；
S2加入上述比例的沥青至搅拌机，搅拌至180s混合均匀，再加入上述比例的矿粉，搅拌180s混合均匀；
S3撒入上述比例的晶格粗集料至搅拌机，搅拌30s混合均匀，即得沥青混合料。
本发明的有益效果：
（1）本发明将3D打印的晶格粗集料作为增强相，在保持透水沥青混合料的力学性能的条件下显著提升透水性能。具体为，本发明通过晶格粗集料本身的杆系结构形成的多空隙提高混合料的空隙率，从而提升混合料的透水性能；通过晶格突出的杆系结构与矿粉间形成更好的嵌合作用，从而保持混合料的力学性能。
（2）本发明可将再生塑料/原生塑料通过3D打印制成晶格粗集料的方式应用在透水沥青混合料中，在保持透水沥青混合料原有力学性能条件下，显著提升透水性能，降低天然石料的用量，减轻对环境的破坏。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是3D打印晶格集料增强透水沥青混合料的概念图；
图2是本发明AFCC晶格结构的示意图，图2中的a)为AFCC晶格结构的正视图，图2中的b)为AFCC晶格结构的整体视图，图2中的c)为AFCC晶格结构的左视图，图2中的d)为AFCC晶格结构的上视图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1是3D打印晶格集料增强透水沥青混合料的概念图，如图1所示，本发明提供一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料，按重量份数计包括以下组成成分：碎石粗集料74-82份、晶格粗集料1.3-1.5份、细集料9-11份、矿粉5.0-5.4份、沥青5.0-5.4份。矿料级配符合PAC-13级配范围。
碎石粗集料为表面粗糙、棱边多的碎石或表面光滑、椭球状的卵石，其包括3种粒径范围，以碎石粗集料总重量计，粒径为3-5mm的碎石粗集料加入量为13.1%，粒径为5-10mm的碎石粗集料加入量为27.4%，粒径为10-15mm的碎石粗集料加入量为59.5%。碎石粗集料表面粗糙，碎石粗集料之间的机械咬合作用较强，粘结强度相对较大，且颗粒互相叠嵌部分少，透水系数略高。
细集料包括粒径为0.075-3mm的碎石。图2是本发明AFCC晶格结构的示意图，如图2所示，晶格粗集料为通过3D打印制造而成的AFCC晶格结构，AFCC晶格结构为立方体每个面内的4个端点通过杆经过面心对角连接的晶格结构，AFCC晶格结构中的杆直径为2-3mm，杆的长度为13.44-18.67mm。AFCC晶格结构中杆的直径与晶格结构的强度直接相关，杆的长度与晶格结构的外体积尺寸直接相关，可根据所使用3D打印材料及打印设备的不同，对晶格强度和外体积尺寸的需求不同，灵活选取AFCC的杆直径和杆长。
晶格粗集料通过3D打印制造而成，打印材料为再生PLA、再生ABS中的一种，或选用原生塑料PLA、ABS中的一种。3D打印的参数为：打印速度为240-260mm/s，填充密度为100%，层高为0.08-0.16mm，喷嘴温度195-220℃。
沥青为高粘高弹聚合物改性沥青，透水沥青混合料相对普通沥青混合料粗集料使用量大大增加，细集料使用量大大减少，因此，必须用高粘改性沥青才能保证沥青混合料的力学性能。
本发明还提供了一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
S1将搅拌机升温至180℃，按上述比例将碎石粗集料、细集料加入搅拌机，搅拌120s混合均匀。
S2加入上述比例的沥青至搅拌机，搅拌至180s混合均匀，再加入上述比例的矿粉，搅拌180s混合均匀。
S3撒入上述比例的晶格粗集料至搅拌机，搅拌30s混合均匀，即得沥青混合料。
实施例1
一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料，按重量份数计包括以下组成成分：碎石粗集料78份、晶格粗集料1.4份、细集料10.4份、矿粉5.1份、沥青5.1份。碎石粗集料为表面粗糙、棱边多的碎石，其包括3种粒径范围，以碎石粗集料总重量计，粒径为3-5mm的碎石粗集料加入量为13.1%，粒径为5-10mm的碎石粗集料加入量为27.4%，粒径为10-15mm的碎石粗集料加入量为59.5%。细集料包括粒径为0.075-3mm的碎石。
图2是本发明AFCC晶格结构的示意图；图2中的a)为AFCC晶格结构的正视图，图2中的b)为AFCC晶格结构的整体视图，图2中的c)为AFCC晶格结构的左视图，图2中的d)为AFCC晶格结构的上视图。晶格粗集料为AFCC晶格结构，AFCC晶格结构中的杆直径为2mm，杆的长度为15.56mm。晶格粗集料通过FDM 3D打印使用再生PLA材料制备而成，3D打印关键参数为打印速度240mm/s，填充密度为100%，层高0.12mm，喷嘴温度195℃。沥青为PG88高黏高弹聚合物改性沥青。
一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
S1将搅拌机升温至180℃，将78份碎石粗集料、10.4份细集料加入搅拌机，搅拌120s混合均匀；
S2加入5.1份沥青至搅拌机，搅拌至180s混合均匀，再加入5.1份矿粉，搅拌180s混合均匀；
S3撒入1.4份晶格粗集料至搅拌机，搅拌30s混合均匀，即得沥青混合料AFCC1.4-PAC13。
实施例2
一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料，按重量份数计包括以下组成成分：碎石粗集料76.9份、晶格粗集料1.5份、细集料10.8份、矿粉5.4份、沥青5.4份，共100份。碎石粗集料为表面粗糙、棱边多的碎石，其包括3种粒径范围，以碎石粗集料总重量计，粒径为3mm的碎石粗集料加入量为13.1%，粒径为6mm的碎石粗集料加入量为27.4%，粒径为12mm的碎石粗集料加入量为59.5%。细集料包括粒径为1mm的碎石。
晶格粗集料为AFCC晶格结构，AFCC晶格结构中的杆直径为2mm，杆的长度为15.56mm。晶格粗集料通过3D打印制造而成，FDM3D打印使用再生PLA材料制备而成，3D打印关键参数为打印速度240mm/s，填充密度为100%，层高0.12mm，喷嘴温度195℃。沥青为PG88高黏高弹聚合物改性沥青。
一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料的制备方法，包括以下步骤：
S1将搅拌机升温至180℃，将76.9份碎石粗集料、10.8份细集料加入搅拌机，搅拌120s混合均匀；
S2加入5.4份沥青至搅拌机，搅拌至180s混合均匀，再加入5.4份矿粉，搅拌180s混合均匀；
S3撒入1.5份晶格粗集料至搅拌机，搅拌30s混合均匀，即得沥青混合料AFCC1.5-PAC13。
对比例1
以实施例1为基准，与实施例1的不同之处在于将晶格粗集料换为同外体积的10-15mm粒径的碎石粗骨料，其余均与实施例1相同，制得沥青混合料PAC13-1。
对比例2
以实施例2为基准，与实施例2的不同之处在于将晶格粗集料换为同外体积的10-15mm粒径的碎石粗骨料，其余均与实施例2相同，制得沥青混合料PAC13-2。
分别使用实施例1-2和对比例1-2制得的沥青混合料制备马歇尔试件，并在成型试件的双面各打击50次。
常水头法测试实施例1-2和对比例1-2制得的沥青混合料马歇尔试件的连通孔隙率和透水系数，并对其平均值进行对比，如表1所示。
表1 实施例1-2和对比例1-2制得沥青混合料马歇尔试件的连通孔隙率和透水系数
；
由表1可知，在本发明中在添加了晶格粗集料制得的沥青混料具有较高的连通孔隙率和透水性。晶格是由多条杆系组成的结构，杆系结构使晶格相对碎石粗集料具有多孔隙、轻质高强的特性，轻质高强的特性使晶格粗集料在击实成型过程中保证了晶格结构的完整性，使其在击实后仍然为多孔结构，而多孔隙的特性为透水沥青混合料提供了更好的透水性能。
马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验对实施例1-2和对比例1-2制得的沥青混合料马歇尔试件的马歇尔稳定度、劈裂强度、冻融劈裂强度和冻融劈裂强度比，并对其平均值进行对比，如表2所示。
表2 实施例1-2和对比例1-2制得沥青混合料马歇尔试件的马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验的实验数据
；
由表2可知，在本发明中添加了晶格粗集料制得的沥青混合料具有较高的马歇尔稳定度、劈裂强度和冻融劈裂强度。透水沥青混合料的强度有两个来源：沥青与集料的黏结强度、粗集料之间的嵌挤作用，沥青与集料的黏结强度越大，透水沥青混合料的强度就越大；粗集料之间嵌挤作用越强，透水沥青混合料的强度就越大。本发明中的晶格粗集料是由再生塑料（再生PLA、再生ABS）或原生塑料（PLA、ABS）制备而成，相对于碎石粗集料，沥青与塑料制造的晶格粗集料的黏结强度比与碎石的黏结强度低，但是由于每个AFCC晶格在八个角都有突出的杆系结构，使得晶格粗集料与碎石粗集料之间的嵌合作用比碎石粗集料之间更强，且嵌挤作用的增强对透水沥青混合料的增强作用大于沥青与塑料制造的晶格粗集料黏结性降低对透水沥青混合料的减弱作用，所以实施例1-2沥青混合料马歇尔试件的马歇尔稳定度、劈裂强度和冻融劈裂强度会更好；冻融劈裂强度比略微下降的原因在于实施例1-2具有更高的空隙率，但下降的幅度并不大，对透水沥青混合料的性能无重大影响。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料，其特征在于，按重量份数计包括以下组成成分：碎石粗集料74-82份、晶格粗集料1.3-1.5份、细集料9-11份、矿粉5.0-5.4份、沥青5.0-5.4份；其中晶格粗集料为通过3D打印制造而成的AFCC晶格结构，AFCC晶格结构为立方体每个面内的4个端点通过杆经过面心对角连接的晶格结构；
碎石粗集料包括3种粒径范围，以碎石粗集料总重量计，粒径为3-5mm的碎石粗集料加入量为13.1%，粒径为5-10mm的碎石粗集料加入量为27.4%，粒径为10-15mm的碎石粗集料加入量为59.5%；
细集料包括粒径为0.075-3mm的碎石；
AFCC晶格结构的杆直径为2-3mm，杆的长度为13.44-18.67mm；
沥青为高粘高弹聚合物改性沥青，沥青选自PG88型高粘高弹聚合物改性沥青、PG90型高粘高弹聚合物改性沥青、PG100型高粘高弹聚合物改性沥青中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料，其特征在于：3D打印材料为再生PLA、再生ABS中的一种，或选用原生塑料PLA、ABS中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料，其特征在于：3D打印的参数为：打印速度为240-260mm/s，填充密度为100%，层高为0.08-0.16mm，喷嘴温度195-220℃。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的一种3D打印晶格集料增强透水沥青混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将搅拌机升温至180℃，将碎石粗集料74-82份、细集料9-11份加入搅拌机，搅拌120s混合均匀；
S2加入沥青5.0-5.4份至搅拌机，搅拌至180s混合均匀，再加入矿粉5.0-5.4份，搅拌180s混合均匀；
S3撒入晶格粗集料1.3-1.5份至搅拌机，搅拌30s混合均匀，即得沥青混合料。
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