CN118110067B - 基于3d打印晶格应力吸收层的路面结构及其抗反射裂缝评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沥青路面防治反射裂缝技术领域，公开了基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构及其抗反射裂缝评估方法，包括路面上层、3D打印晶格应力吸收层和路面下层；3D打印晶格应力吸收层包括均匀阵列设置的若干晶格结构单元和连接基体层，连接基体层灌注于晶格结构单元中。本发明采用上述结构，使用晶格结构单元作为3D打印晶格应力吸收夹层，利用晶格结构的多孔、轻质高强、易嵌合特点，增强路面结构层间组合连接，提升应力吸收性能，控制反射裂缝传播，延长路面使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及沥青路面防治反射裂缝技术领域，特别是涉及基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构及其抗反射裂缝评估方法。
背景技术
在道路、隧道、桥面等路面铺装工程中，对半刚性基层、旧沥青混合料路面、旧水泥混凝土路面以及有缺陷或破损的混凝土板等路面结构上，加铺沥青混合料面层的工程存在易发生反射裂缝病害的问题。反射裂缝的出现破坏了路面的完整性和连续性，使路表雨水通过反射裂缝逐渐渗入基层，甚至渗入路基，降低道路基层的强度和刚度，在行车荷载反复作用下，路面产生更大程度的开裂、唧浆、变形等病害，迫使道路无法正常使用。
现有的沥青路面防治反射裂缝病害技术主要分为两类：①基于材料的观点，增加沥青混合料铺设厚度，或者加铺改性沥青混合料等。②从结构控制的观点，加铺土工布、特种金属网格、及玻纤/碳纤格栅等。公开号为CN116512690A的中国专利申请中公开了一种玄武岩纤维胎基复合土工布及其制备方法，其存在着制备工艺过于复杂，且原材料选择与制备流程会产生工业污染问题。然而这两大类技术存在的共性问题是：材料价格昂贵、增加工程量、加工和回收处理难及裂缝防治效果差。
发明内容
本发明的目的是提供基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构及其抗反射裂缝评估方法，使用3D打印的晶格结构单元作为路面结构的3D打印晶格应力吸收层，利用晶格结构单元的多孔、轻质高强、易嵌合特性，增强路面结构的层间组合连接，显著提升应力吸收性能，控制反射裂缝传播，提高路面结构的疲劳寿命，同时促进塑料材料的循环再生利用。
为实现上述目的，本发明提供了基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，包括以下步骤，
S1、预制路面下层，采用高精度双面锯对路面下层在厚度方向的单侧跨中位置切割出预裂纹，模拟路面下层存在裂缝病害；
S2、使用3D打印得到晶格结构单元，将晶格结构单元铺设在S1中路面下层的上表面，并向晶格结构单元中灌注连接基体层，得到3D打印晶格应力吸收层；
S3、在S2中得到的3D打印晶格应力吸收层上铺设路面上层，采用静压法施加压力得到路面结构；
S4、对S3中的路面结构开展三点弯曲静力加载的断裂试验，三点弯曲为静跨径200mm，梁跨中点加载；
S5、对S3中的路面结构开展三点弯曲循环加载的疲劳试验，三点弯曲为净跨径200mm，梁跨中点加载。
优选的，S1中，路面下层包括水泥混凝土下层、沥青混合料下层中的一种或多种。
优选的，S2中，晶格结构单元的材质包括再生PLA、再生ABS、PLA和ABS中的一种或多种。
优选的，S2中，晶格结构单元的厚度为3 mm，晶格结构单元大小为11.25 mm，晶格杆直径3 mm。
优选的，S2中，3D打印的参数：填充密度为100%，层高为0.25 mm，喷嘴温度为215℃，走线宽度0.4 mm，打印速度为80 mm/s。
优选的，S3中的路面结构包括路面上层、3D打印晶格应力吸收层和路面下层；
3D打印晶格应力吸收层包括均匀阵列设置的若干晶格结构单元和连接基体层，连接基体层灌注于晶格结构单元中；
晶格结构单元包括正六边形蜂窝晶格结构、内凹六边形拉胀晶格结构中的一种或多种。
优选的，S3中，路面上层为沥青混合料上层。
优选的，连接基体层的材质包括高粘改性乳化沥青、水泥砂浆中的一种或多种。
优选的，S3中，路面上层包括沥青和集料组分，沥青和集料组分的油石比为7.6%，集料组分按质量百分数计为，粒径为5-10 mm的碎石粗集料加入量为49%，粒径为3-5 mm的碎石集料加入量为21%，粒径为0.1-3 mm的碎石细集料加入量为27%，矿粉加入量为3%。
优选的，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。
因此，本发明采用上述方案，其有益效果为：
1、本发明使用3D打印的晶格结构单元作为路面结构的3D打印晶格应力吸收层，通过晶格杆结构形成的多孔隙与路面上层相互嵌合，增强路面结构的层间组合连接，提升应力吸收性能，控制反射裂缝传播，延长路面使用寿命；
2、本发明通过正六边形蜂窝晶格和内凹六边形拉胀晶格杆间的良好受拉伸性能来提高路面结构在弯曲荷载作用下的力学性能，控制反射裂缝向上层传播；
3、本发明使用再生塑料/原生塑料通过3D打印制成晶格结构单元的方式应用在路面结构中，增强各个层间的应力吸收性能，提高路面使用寿命；
4、本发明循环使用再生塑料/原生塑料，具有材料便宜、加工简单、促进塑料材料循环再生利用的优势。
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是本发明实施例2和实施例3中路面结构的半剖示意图，
其中，图1中的(a)为实施例3中路面结构的半剖示意图，图1中的(b)为实施例2中路面结构的半剖示意图；
图2是本发明实施例1和对比例1中路面结构在模拟路面下层存在裂缝病害时的透视图，
其中，图2中的(a)为实施例1中路面结构在模拟路面下层存在裂缝病害时的透视图，图2中的(b)为对比例1中路面结构在模拟路面下层存在裂缝病害时的透视图；
图3为3D打印晶格应力吸收层中晶格结构单元的示意图，
其中，图3中的(a)为正六边形蜂窝晶格结构，图3中的(b)为内凹六边形拉胀晶格结构；
图4为实施例1和对比例1的荷载-跨中挠度曲线图；
图5为实施例2和对比例2的荷载-跨中挠度曲线图。
附图标记
1、沥青混合料上层；2、晶格结构单元；3、3D打印晶格应力吸收层；4、连接基体层；5、沥青混合料下层；6、水泥混凝土下层；7、预裂纹；8、土工布夹层。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例。
实施例1
基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构，包括路面上层、3D打印晶格应力吸收层3和路面下层。路面上层为沥青混合料上层1，路面下层为水泥混凝土下层6。
3D打印晶格应力吸收层3包括均匀阵列设置的若干晶格结构单元2和连接基体层4，连接基体层4灌注于晶格结构单元2中。连接基体层4为高粘改性乳化沥青，晶格结构单元2为内凹六边形拉胀晶格结构。
上述路面结构的抗反射裂缝评估方法：包括以下步骤，
S1、预制路面下层，长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为25 mm。采用高精度双面锯对路面下层在厚度方向的单侧跨中位置切割出预裂纹7，长度为50 mm，宽度为3 mm，深度为5 mm，模拟路面下层存在裂缝病害。
S2、使用3D打印得到晶格结构单元，3D打印的参数为填充密度为100%，层高为0.25mm，喷嘴温度为215℃，走线宽度0.4 mm，打印速度为80 mm/s。晶格结构单元整体长度为248mm，宽度为48 mm，厚度为3 mm，晶格结构单元单独的大小为11.25 mm，晶格杆直径3 mm。将晶格结构单元铺设在S1中路面下层的上表面，并向晶格结构单元中灌注连接基体层，得到3D打印晶格应力吸收层。
S3、按照《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，在S2中得到的3D打印晶格应力吸收层上铺设路面上层，采用静压法施加3750 N的压力得到路面结构，记为R-LRACC1，如图2中的(a)所示。路面结构的长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为50 mm。
S4、对S3中的路面结构开展三点弯曲静力加载的断裂试验，三点弯曲为静跨径200mm，梁跨中点加载，结果如表1所示。
S5、对S3中的路面结构开展三点弯曲循环加载的疲劳试验，结果如表1所示。三点弯曲为净跨径200 mm，梁跨中点加载，正弦循环应力幅值为0.9倍静载断裂强度，循环荷载应力比为0.2，循环荷载频率为20 Hz。
实施例2
基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构，如图1中的(b)所示，包括路面上层、3D打印晶格应力吸收层3和路面下层。路面上层为沥青混合料上层1，路面下层为沥青混合料下层5。
3D打印晶格应力吸收层3包括均匀阵列设置的若干晶格结构单元2和连接基体层4，连接基体层4灌注于晶格结构单元2中。连接基体层4为高粘改性乳化沥青，晶格结构单元2为内凹六边形拉胀晶格结构，如图3中的(b)所示。
上述路面结构的抗反射裂缝评估方法：包括以下步骤，
S1、预制路面下层，长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为25 mm。采用高精度双面锯对路面下层在厚度方向的单侧跨中位置切割出预裂纹，长度为50 mm，宽度为3 mm，深度为5mm，模拟路面下层存在裂缝病害。
S2、使用3D打印得到晶格结构单元，3D打印的参数为填充密度为100%，层高为0.25mm，喷嘴温度为215℃，走线宽度0.4 mm，打印速度为80 mm/s。晶格结构单元整体长度为248mm，宽度为48 mm，厚度为3 mm，晶格结构单元单独的大小为11.25 mm，晶格杆直径3 mm。将晶格结构单元铺设在S1中路面下层的上表面，并向晶格结构单元中灌注连接基体层，得到3D打印晶格应力吸收层。
S3、在S2中得到的3D打印晶格应力吸收层上铺设路面上层，采用静压法施加3750N的压力得到路面结构，记为R-LRACC2。路面结构的长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为50mm。
S4、对S3中的路面结构开展三点弯曲静力加载的断裂试验，三点弯曲为静跨径200mm，梁跨中点加载，结果如表1所示。
S5、对S3中的路面结构开展三点弯曲循环加载的疲劳试验，结果如表1所示。三点弯曲为净跨径200 mm，梁跨中点加载，正弦循环应力幅值为0.9倍静载断裂强度，循环荷载应力比为0.2，循环荷载频率为20 Hz。
实施例3
基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构，如图1中的(a)所示，包括路面上层、3D打印晶格应力吸收层和路面下层。路面上层为沥青混合料上层1，路面下层为沥青混合料下层5。
3D打印晶格应力吸收层包括均匀阵列设置的若干晶格结构单元2和连接基体层4，连接基体层4灌注于晶格结构单元2中。连接基体层4为高粘改性乳化沥青，晶格结构单元2为正六边形蜂窝晶格结构，如图3中的(a)所示。
对比例1
路面结构包括路面上层、土工布夹层8和路面下层。路面上层为沥青混合料上层1，路面下层为水泥混凝土下层6。
上述路面结构的抗反射裂缝评估方法：包括以下步骤，
S1、预制路面下层，长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为25 mm。采用高精度双面锯对路面下层在厚度方向的单侧跨中位置切割出预裂纹，长度为50 mm，宽度为3 mm，深度为5mm，模拟路面下层存在裂缝病害。
S2、使用的土工布的厚度为3 mm，是一种工程上常用的聚酯长丝土工布，连接基体层为高粘改性乳化沥青。将土工布铺设在S1中路面下层的上表面，并向土工布上灌注连接基体层，得到土工布夹层8。
S3、在S2中得到的土工布夹层8铺设路面上层，采用静压法施加3750 N的压力得到路面结构，记为GRACC1，如图2中的(b)所示。路面结构的长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为50 mm。
S4、对S3中的路面结构开展三点弯曲静力加载的断裂试验，三点弯曲为静跨径200mm，梁跨中点加载，结果如表1所示。
S5、对S3中的路面结构开展三点弯曲循环加载的疲劳试验，结果如表1所示。三点弯曲为净跨径200 mm，梁跨中点加载，正弦循环应力幅值为0.9倍静载断裂强度，循环荷载应力比为0.2，循环荷载频率为20 Hz。
对比例2
路面结构包括路面上层、土工布夹层8和路面下层。路面上层为沥青混合料上层1，路面下层为沥青混合料下层5。
上述路面结构的抗反射裂缝评估方法：包括以下步骤，
S1、预制路面下层，长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为25 mm。采用高精度双面锯对路面下层在厚度方向的单侧跨中位置切割出预裂纹，长度为50 mm，宽度为3 mm，深度为5mm，模拟路面下层存在裂缝病害。
S2、使用的土工布的厚度为3 mm，是一种工程上常用的聚酯长丝土工布，连接基体层为高粘改性乳化沥青。将土工布铺设在S1中路面下层的上表面，并向土工布上灌注连接基体层，得到土工布夹层8。
S3、在S2中得到的土工布夹层铺设路面上层，采用静压法施加3750 N的压力得到路面结构，记为GRACC2。路面结构的长度为250 mm，宽度为50 mm，厚度为50 mm。
S4、对S3中的路面结构开展三点弯曲静力加载的断裂试验，三点弯曲为静跨径200mm，梁跨中点加载，结果如表1所示。
S5、对S3中的路面结构开展三点弯曲循环加载的疲劳试验，结果如表1所示。三点弯曲为净跨径200 mm，梁跨中点加载，正弦循环应力幅值为0.9倍静载断裂强度，循环荷载应力比为0.2，循环荷载频率为20 Hz。
表1 实施例1-2和对比例1-2制得路面结构的抗弯承载力和疲劳寿命数据表
；
由表1可知，在本发明中加入3D打印晶格应力吸收层的路面结构具有更高的抗弯承载力和疲劳寿命。3D打印晶格应力吸收层是由晶格杆组成的多孔结构，形成的多孔与路面上层相互嵌合可以增强路面结构层间连接组合，增大整体刚度。晶格结构单元具有良好受拉伸性能，在弯曲荷载作用下具有更好的抗弯承载力，当路面下层的预裂纹扩展至3D打印晶格应力吸收层，晶格结构单元受弯拉应力，耗散裂缝尖端应力，使反射裂缝向层间扩展，从而吸收更多的断裂能。
由图4可知，相比对比例1制备得试件GRACC1，实施例1制备得试件R-LRACC1在荷载-跨中挠度曲线的力学响应中表现出更大的第二上升阶段。由图5可知，相比对比例2制备得试件GRAAC2，实施例2制备得试件R-LRAAC2在荷载-跨中挠度曲线的力学响应中表现出更高的承载力。
在循环荷载下评估路面结构试件的疲劳寿命，因为3D打印晶格应力吸收层耗散更多能量，相比对比例1制备得试件GRACC1，实施例1制备得试件R-LRACC1具有更高的疲劳寿命次数，提高2个数量级；相比对比例2制备得试件GRAAC2，实施例2制备得试件R-LRAAC2具有更高的疲劳寿命次数，提高1个数量级。
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 (10)
1.基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、预制路面下层，采用高精度双面锯对路面下层在厚度方向的单侧跨中位置切割出预裂纹，模拟路面下层存在裂缝病害；
S2、使用3D打印得到晶格结构单元，将晶格结构单元铺设在S1中路面下层的上表面，并向晶格结构单元中灌注连接基体层，得到3D打印晶格应力吸收层；
S3、在S2中得到的3D打印晶格应力吸收层上铺设路面上层，采用静压法施加压力得到路面结构；
S4、对S3中的路面结构开展三点弯曲静力加载的断裂试验，三点弯曲为静跨径200 mm，梁跨中点加载；
S5、对S3中的路面结构开展三点弯曲循环加载的疲劳试验，三点弯曲为净跨径200 mm，梁跨中点加载。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：S1中，路面下层包括水泥混凝土下层、沥青混合料下层中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：S2中，晶格结构单元的材质包括再生PLA、再生ABS、PLA和ABS中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：S2中，晶格结构单元的厚度为3 mm，晶格结构单元大小为11.25 mm，晶格杆直径3 mm。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：S2中，3D打印的参数：填充密度为100%，层高为0.25 mm，喷嘴温度为215℃，走线宽度0.4 mm，打印速度为80 mm/s。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：S3中的路面结构包括路面上层、3D打印晶格应力吸收层和路面下层；
3D打印晶格应力吸收层包括均匀阵列设置的若干晶格结构单元和连接基体层，连接基体层灌注于晶格结构单元中；
晶格结构单元包括正六边形蜂窝晶格结构、内凹六边形拉胀晶格结构中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：S3中，路面上层为沥青混合料上层。
8.根据权利要求6所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：连接基体层的材质包括高粘改性乳化沥青、水泥砂浆中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：S3中，路面上层包括沥青和集料组分，沥青和集料组分的油石比为7.6%，集料组分按质量百分数计为，粒径为5-10 mm的碎石粗集料加入量为49%，粒径为3-5 mm的碎石集料加入量为21%，粒径为0.1-3 mm的碎石细集料加入量为27%，矿粉加入量为3%。
10.根据权利要求9所述的基于3D打印晶格应力吸收层的路面结构的抗反射裂缝评估方法，其特征在于：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。
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| CN202410520790.XA CN118110067B (zh) | 2024-04-28 | 基于3d打印晶格应力吸收层的路面结构及其抗反射裂缝评估方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410520790.XA CN118110067B (zh) | 2024-04-28 | 基于3d打印晶格应力吸收层的路面结构及其抗反射裂缝评估方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118110067A CN118110067A (zh) | 2024-05-31 |
| CN118110067B true CN118110067B (zh) | 2024-06-28 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005338056A (ja) * | 2004-05-26 | 2005-12-08 | Ching Yun Univ | Ｐ波貫通による鉄筋コンクリート梁内部のひび割れ計測方法及び構造安全評価方法 |
| CN117288600A (zh) * | 2023-09-04 | 2023-12-26 | 山东大学 | 一种基于四点弯曲试验的新型钢纤维混凝土梁实验方法 |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005338056A (ja) * | 2004-05-26 | 2005-12-08 | Ching Yun Univ | Ｐ波貫通による鉄筋コンクリート梁内部のひび割れ計測方法及び構造安全評価方法 |
| CN117288600A (zh) * | 2023-09-04 | 2023-12-26 | 山东大学 | 一种基于四点弯曲试验的新型钢纤维混凝土梁实验方法 |
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