3D打印技术在沥青路面养护工程中的应用研究.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 0 31-0 9市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.8Aug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.0313D打印技术在沥青路面养护工程中的应用研究龚芳媛1*,程雪夜1,王清华,方冰杰(1.河北工业大学土木与交通工程学院，天津30 0 40 1；2.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南2 50 10 1)摘要：现有沥青路面传统养护技术在自动化和标准化方面存在不足，容易引发施工人员安全、气候环境制约、施工质量欠佳等问题，推荐将具有自动化、精确化、灵活化等优势的3D打印技术引入沥青路面养护工程中，通过对3D打印技术的原理、材料与应用现状进行总结分析，对3D打印沥青材料的性能和制备、沥青3D打印技术的应用优势进行研究阐述，在材料选择和技术应用方面为沥青3D打印技术的进一步发展提出了建议和展望，以期为3D打印技术在沥青路面养护领域的科学研究和工程实践提供参考。关键词：沥青路面；3D打印技术；路面养护中图分类号：U418.6Research on the Application of 3D Printing Technology in AsphaltGong Fangyuan*,Cheng Xuejiao,Wang Qinghua,Fang Bingjie(1.School of Ciwil and Transportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Shandong Provincial Communications Planning and Design Institude Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)Abstract:The existing traditional maintenance methods for asphalt pavement is deficient in automation and stan-dardization,causing problems such as the safety of workers,limitation of climatic-environment and poor construc-tion quality.It is recommended to introduce 3D printing technology with the advantages of automation,precision andflexibility into asphalt pavement maintenance engineering.In this paper,the principle,materials and application of3D printing technology were analyzed,and the performance and preparation of 3D printing asphalt and the applica-tion advantages of the technology were studied and expounded.Some suggestions and prospects were proposed forthe further development about material selection and technology utilization to provide references for scientific re-search and engineering application of 3D printing technology in asphalt pavement maintenance.Key words:asphalt pavement;3D printing technology;pavement maintenance文献标志码：APavement Maintenance Engineering随着我国交通事业的飞速发展，公路总里程和公路养护占比逐年增大,道路养护工程的效率、精度、自动化水平等呕需提高。裂缝和坑槽是常见的沥青路面病害，若无法及时对其进行养护和修补，病害会在车辆、水和温度循环作用下快速发展，进而形收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 7基金项目：国家自然科学基金项目（52 0 0 8 154和5197 8 0 7 4）：河北省自然科学基金项目（E2021202074)作者简介：龚芳媛，女，副教授，博士，主要从事路面病害智能检测与修复方面的研究工作。引文格式：龚芳媛，程雪夜，王清华，等.3D打印技术在沥青路面养护工程中的应用研究.市政技术，2 0 2 3，41（8)：31-38，114.（GONGFY，CHENG X J,WANG Q H,et al.Research on the application of 3D printing technology in asphalt pavement maintenance engineering JJ.Journal of municipal technology,2023,41(8):31-38,114.)成道路结构性破坏,甚至威胁行车安全2。在传统路面养护措施中，轻度裂缝常采用灌缝、贴缝等修补技术进行处治，对于坑槽、龟裂和重度的局部块裂常采用挖补法对病害进行彻底处治。但上述养护措施往往需要工人携带多种设备在分散的病害地点32进行长时间的现场施工，容易引发施工人员安全、气候环境制约和施工质量欠佳等问题。3D打印技术是以建立三维数字模型为基础，采用合金、聚合物、光敏树脂、陶瓷、混凝土等材料，通过逐层打印形成空间实体的快速成型技术3。该技术集成了三维建模、机电控制、计算机、材料、结构力学、光学等多个领域的前沿技术3-4,因其具有自动化、高精度、高效率等优势，已经在生物医学、工业制造、建筑工程等领域得到了广泛应用，被认为是“第三次工业革命 的重要组成部分。因此基于3D打印技术的特点和优势，将其引入道路工程领域并与先进路面病害检测技术相结合，有助于提升路面病害养护工程的自动化、精确化和标准化水平5。Jaeheum等6 提出了运用3D打印补丁修复混凝土道路剥落损坏，并论证了该方法的结构实用性和经济性。Jackson等7 对沥青3D打印修补路面裂缝进行了初步探索。然而,目前对3D打印技术在沥青路面养护工程中的应用缺乏系统性的综述。因此,笔者对沥青3D打印的材料和技术应用进行分析，说明其关键技术和发展趋势，为3D打印技术在沥青路面养护工程中的发展与应用提供参考。13D打印技术1.1基本原理最早的3D打印思想源自2 0 世纪40 年代通过层层叠加制作3D地形图的技术构想，其基本原理是材料根据数字模型切片结果进行沿成型方向的逐层叠加8。3D打印步骤：1)建立预设构件3D数字模型;2)切割3D数字模型,获取二维平面的信息；3)扫描二维平面轮廓内部，完成内部路径的填充和规划。1.1.1数字建模数字建模技术包括正向建模和逆向重构技术：正向建模技术根据构件的外形、结构等特点，利用三维建模软件模拟实体设计构成过程进行模型构建9-10;逆向重构技术运用3D激光和X射线、CT等扫描技术，对物体外部轮廓或内外结构进行扫描，获取一系列离散点云数据，通过数据和图像的预处理来构建物体的3D数字模型。Stereolithography(STL)是3D打印模型的主流格式，文件格式简单，容易被读取。STL通过一系列带矢量方向的三角面片近似构成3D实体模型，构成模型的三角面片越多，模型Journal of Municipal Technology第41卷分辨率越高。不同分辨率的STL模型如图1所示。a)原始CAD球模型b)低分辨率球模型c)中分辨率球模型d)高分辨率球模型图1不同分辨率的STL模型Fig.1 STL models with different resolutions1.1.2模型切片STL模型的切片算法可分为等厚度切片和自适应切片12-13：等厚度切片算法的分层厚度始终不变，层厚较大时速度快但精度低，层厚较小时则相反；自适应切片算法根据模型表面曲率或者相邻两层面积差来决定与之相适应的切片厚度，有效改善了等厚度切片算法的缺陷。如果切片方向与厚度选择不当，会影响3D打印构件的成型精度和表面质量，典型的缺陷就是阶梯效应8 1（如图2 所示）。无论选用哪种切片算法，都应该综合考虑打印速度和打印精度这两方面因素。a)打印层厚较大图2 阶梯效应示意图Fig.2 Step effect1.1.3路径规划3D打印的温度场和材料状态随着打印路径的b)打印层厚较小第8 期变化而产生动态变化，该变化所带来的变形和残余应变会影响构件的精度、表面质量、力学性能和成型效率14,常见的路径规划算法有平行扫描算法15、轮廓偏置算法16、分区扫描算法17 等(如图3所示)。平行扫描算法的每条扫描线均平行，容易实现，但是相同的应力收缩方向会引起材料翘曲变形。轮廓偏置算法先将轮廓偏移生成扫描量，再通过发散的扫描线进行填充，该算法能够降低收缩应变、提高打印精度，但在处理复杂模型时可能会出现扫描线的自相交或环相交。分区扫描算法是区域划分和逐个扫描的过程，打印效率较高，但各分区之间的过渡线可能会影响成型精度。龚芳媛等：3D打印技术在沥青路面养护工程中的应用研究界上最长的3 D打印桥（如图4a)所示），该桥按照赵州桥1:2 比例缩尺打印后现场组装而成，桥长为2 8.10 m，净跨径为17.94m。Apis Cor运用3D打印技术建造完成了位于迪拜的行政大楼2 9,楼高为9.448 8 m，总建筑面积约为641.0310m,是目前世界上最大的3D打印建筑（如图 4b)所示)。333D打印赵州桥”的建造打a)3D打印赵州桥a)平行扫描算法图3不同路径规划算法示意图Fig.3 Schematic diagrams of different path planning algorithms1.2材料和应用在生物医学领域，以降分子材料为原料3D打印可降解药物载体，能够减少取出载体对患者的伤害18;通过对生物材料19或活细胞2 0 进行3D打印，可完成人工器官和体外细胞三维结构体的制造；以生物陶瓷2 1、钛合金2 2 等为材料3D打印个性化骨骼植人物可用于骨治疗。在工业制造领域，金属、聚合物、陶瓷等材料的3D打印可广泛应用于小体积复杂结构零件和产品的制造2 3-2 4;在工业设计领域3D打印技术能够高效精确地将设计模型实体化，加快产品原型制作及功能评估的速度2 5。在食品加工领域，因为3D打印技术高度灵活化和智能化的特点，可以丰富食材种类，满足特殊群体（老年人、儿童、运动员、宇航员等）对食品营养组成、口味、外观、制备环境的多样化需求2 6-2 7。在建筑工程领域,3D打印技术突破了传统建筑的固有模式，可快速成型复杂的不规则结构，缩短工程建设周期，增加建筑艺术性。混凝土3D打印技术可分为轮廓工艺和D型工艺：轮廓工艺通过连续沉积水泥砂浆来构造结构物；D型工艺则通过选择性喷射镁质粘合剂逐层粘结砂子来成型结构物，该技术在月球建筑施工中具备潜力2 8。河北工业大学马国伟教授科研团队完成了“世b)轮廓偏置算法c)分区扫描算法b)迪拜行政大楼图43D打印工程实例示意图Fig.4 Examples of 3D printing engineering目前，3D打印技术的打印精度和打印速度逐步提升，相对成熟的3D打印技术以及材料市场稳步扩大。但3D打印材料选择及其适用范围仍有扩展空间，适用于不同使用场景的多样化3D打印设备尚待开发，3D打印技术在新领域的推广和应用仍需探索