3D打印聚合物轻质集料的基础性能研究_黄哲骁.pdf

：打印聚合物轻质集料的基础性能研究黄哲骁，何书进，蔡平，张利敏，俱新疆，肖月（葛洲坝湖北襄荆高速公路有限公司，荆门 ；武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 ）摘要：基于 打印技术，采用聚乳酸（）、树脂和聚酰胺（尼龙）三种材料分别制造聚合物轻质集料，使用环氧树脂表面涂覆和优化打印参数两种方法对集料进行改性处理，测试改性前后打印集料的耐高温性能、抗压性能以及与沥青的粘附性能。结果表明，采用环氧树脂涂覆打印集料表面可以有效改善其高温稳定性，打印参数的优化可以显著提高集料的抗压性能和与沥青的粘附性能。三种材料中，采用尼龙打印的骨料耐高温性能、抗压性能以及与沥青的粘附性能均最佳，是一种性能优良的集料打印用原材料。关键词：打印；聚合物轻质集料；高温性能；抗压能力；粘附性能 ，（，；，）：，：（），（），：，：；收稿日期：作者简介：黄哲骁（），助理工程师 ：沥青路面因具有通车快、噪声小和使用寿命长等优点，被广泛用于我国高等级路面中。但在长期服役过程中，环境因素和长期荷载的共同作用使路面结构内部出现不同程度的损伤，且损伤逐渐累积，最终反映到路面，主要表现形式为路面裂缝。同时公路工作者无法对路面病害进行预判，使得后期养护阶段对路面损伤的修复具有盲目性，很有可能会错过最佳养护时期，造成路面损伤不可逆，严重影响路面的使用寿命。而当下对于沥青路面病害的检测主要集中在路表，没有集中探知路面结构内部的损伤情况。因此，有必要建立一个长期、有效的测试及健康检测系统，对沥青路面内部的结构受力变化规律进行监测。智能集料作为一种由高灵敏度传感器组成的路面结构内部状态检测装置，具有尺寸小、耐久性好等优点，是现代公路路面内部状况检测的有力工具。由于沥青路面服役条件复杂，智能集料在应用时对其封装材料的各类性能有着严苛的要求。同时，智能建材世界 年第 卷第期集料替代传统集料拌和过程中，其会与沥青混合料一同接受挤压，挤压过程中需要保证封装材料具有良好的抗压性能，以保证内部传感器不受到损坏，保持传输信号的稳定，同时挤压过程还会产生大量的热量，所以还需要封装材料具有较好的耐高温性能，以保证智能集料的正常运行。除此以外，沥青路面结构承载力是由沥青与智能集料之间的粘结性能提供的，故外壳封装材料与沥青之间的粘附性能也是决定智能集料使用性能的关键。因此，选择合适的封装材料对于智能集料的耐久服役至关重要，为推进智能集料未来在实体路面工程中的应用，解决路面监测中监测装置易损坏、无法与沥青混合料协同变形等问题，基于 打印技术制造聚合物轻质集料，并通过高温模拟、抗压测试和与沥青的粘附性能测试开展打印集料的综合性能研究，以期确立适用于封装传感器的聚合物材料类型。原材料综合高等级公路服役环境，依据耐高温、抗压强度和与沥青混合料性能相适应等需求，该研究选择聚乳酸（）、树脂和尼龙（聚酰胺）三种材料作为打印集料所需的原材料。这三种打印材料的主要技术参数如表所示。又称聚丙交酯，是以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物，其热稳定性好，加工温度 ，机械性能及物理性能良好，能够耐受热拌沥青混合料的温度区间。树脂是丙烯腈（）、丁二烯（）和苯乙烯（）三种单体的三元共聚物，兼有三种单体组元的共同性能，丙烯腈使其耐化学腐蚀、耐热，并有一定的表面硬度，丁二烯使其具有高弹性和韧性，苯乙烯使其具有热塑性塑料的加工成型特性并改善电学性能。因此，树脂具有良好的抗冲击性、耐腐蚀性和抗高低温性能。尼龙的最突出优点是耐磨性高于其他所有纤维，同时具有质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性。表打印材料的主要技术参数基础性能参数聚乳酸 树脂尼龙（聚酰胺）密度（）外观白色乳白色弯曲强度 拉伸强度 热变形温度 打印温度 弯曲模量 断裂延长率 该研究使用的环氧树脂为 双组分环氧体系环氧树脂，其主要参数如表所示。表 双组分环氧体系环氧树脂参数表检测项目 外观白色液体无色至浅黄液体密度（）粘度（）试验方法首先采用 扫描仪对真实集料进行三维表面微观结构激光扫描，经数据重构后获得集料三维模型数据。其次，将该三维模型数据用于 打印，借助 打印机完成聚合物轻质集料的打印制造。图为三维扫描仪、打印机和基于三种打印材料制备的打印集料。该研究通过在打印集料表面涂覆环氧树脂和优化打印参数两种方法提升打印集料的综合性能。环氧树脂外包装如图所示，使用时，分别将 组分和组分按照质量比在 条件充分搅拌后，均匀涂覆建材世界 年第 卷第期在 打印集料的表面。为了使环氧树脂性能达到最佳，实验开始前，首先将组分加热到 ，保温 后，再与组分进行混合，并充分搅拌。在涂覆后静置 即可完成实验。试验中对 打印参数中的层高、填充密度、模糊皮肤厚度、模糊皮肤密度、模糊皮肤点距离进行更改，以期制造出表面构造深度、抗压强度等不同的打印集料。对于打印集料的抗高温性能，该实验分别在 、两个温度点对三种不同的打印集料进行加热处理，时长为 ，观察其加热前后的变形情况。而对于打印集料的抗压性能，为了进一步探究打印集料在实际应用中的可靠性，实验将分别测试三种打印集料在室温下、和 下可承受的最大荷载，以此来评价打印集料的力学性能。该研究采用水煮法评价打印集料与沥青之间的粘附性能，在观察沥青从打印集料表面剥离程度的同时，记录被沥青裹覆的打印集料的质量变化率，对打印集料与沥青的粘附性能进行定量评价。结果与讨论将未改性处理、打印参数优化改性和环氧树脂涂覆改性制备的三种打印集料在 和 下进行加热，加热之后的打印集料如图所示。从图中可以看出，在 的加热条件下，三种打印集料的外观变化均不是很明显。在 加热条件下，环氧树脂涂覆改性的三种打印集料均有体积膨大现象发生，未改性处理和打印参数优化处理的 打印集料均有较大形变，而尼龙打印集料形变均不明显，打印集料在经打印参数优化改性后其形变减小。将改性前后三种材料制备的打印集料在 和 下进行抗压能力测试，试验结果如图所示。从图中可以看出，随着温度的升高，三种打印集料可承受的最大荷载均逐渐降低，同时，尼龙作为原材料打印的集料在三种打印集料中可承受的最大荷载最高，性能最为优异。由于 下 打印集料变形严重，故没有测试 下 打印集料可承受的最大荷载。从力学性能角度出发，两种改性方法对打印集料的强度都有所提升，但是打印参数优化对于打印集料强度的提升更加显著，同时对于高温区来说，打印参数优化制备的打印集料更适合实际应用。而这三种聚合物材料中，由于在 时严重变形，不适合实际应用；而尼龙相较于 则更适合实际需要。故在力学性能方面，尼龙作为打印原材料更适合实际应用。建材世界 年第 卷第期将改性前后三种材料制备的打印集料通过水煮法测试其与沥青的粘附性等级，试验结果如图所示。通过图可以看出，从沥青的粘附性角度出发，环氧树脂涂覆改性的打印集料与沥青的粘附性能相比改性前都有所下降，这是由于环氧树脂与沥青的粘附性并不好，导致改性打印集料与沥青的粘附性能不及预期，故该改性方法不适合实际应用。而打印参数优化改性方法由于增加了打印集料表面的粗糙度，故增强了打印集料与沥青的粘附性能。而基于打印参数优化的 打印集料和尼龙打印集料与沥青的粘附性等级都为级，在与沥青的粘附性方面，和尼龙两种材料均适合实际应用。结论该研究基于 打印技术制造聚合物轻质集料，对其展开耐高温性能测试、抗压性能测试和与沥青的粘附性能测试，获得如下结论：三种打印集料中，打印集料和 打印集料在高温条件下性能均不稳定：前者变形严重，后者则强度过低。尼龙打印集料表现最佳。环氧树脂涂覆改性能提高打印集料的抗压能力，但其与沥青的粘附性能较差，改性后的打印集料与沥青粘附性能不及预期。打印参数优化改性能使打印集料的结构更加紧密，大幅改善其强度和表面粗糙度，有助于提升打印集料的综合性能。参考文献徐希忠，韦金城，张晓萌，等 沥青路面使用性能检测与评价研究现状 石油沥青，（）：，王兴旺 基于实时监测无线智能传感技术的沥青混合料压实及疲劳响应分析 西安：长安大学，朱应，山宏宇，关瑞士，等基于 传感器测试的沥青路面振动压实试验研究交通科技，（）：于红艳，潘芳，王力扬基于智能颗粒的沥青路面结构内力感知监测系统设计工程技术研究，（）：梁尊东基于智能集料的沥青路面车辙变形监测方法研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，高波，高子琛，王铁，等沥青集料粘附性能影响因素广东土木与建筑，（）：建材世界 年第 卷第期