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。23D打印技术在沥青路面养护工程中的应用2.13D打印沥青材料应用于路面养护工程中的3D打印沥青材料需要在可打印性30 和路用性能31两方面满足工程实际需求，良好的可打印性能够保证沥青3D打印过程的顺利进行，优越的路用性能能够提高沥青路面病34害的修补质量。基于现有研究成果，笔者对3D打印沥青材料的性能和制备进行了具体阐述。2.1.13D打印沥青材料性能评价3D打印沥青材料的可打印性包括流动性、挤出性和可建造性。流动性是沥青在3D打印中顺畅运送和稳定供料的能力32,可以采用JT/T7402015路面加热型密封胶33中的试验方法对流动性进行评估，通过调整试验温度和时间，将3D打印流动性与试验参数建立联系。挤出性是指3D打印沥青从挤出口连续均匀地受控挤出而不发生间断或阻塞的性质34,沥青的流变特性以及打印层厚、打印速度、打印温度、打印喷嘴尺寸等打印参数与挤出性息息相关，适用于不同沥青材料的最佳3D打印参数需要进一步研究35。对于在沥青中呈固态的改性剂尺寸选用，应综合考虑其和挤出口尺寸的适配性，建议通过观察3D打印带状结构的均匀性和连续性的方法评价挤出性。可建造性是指3D打印沥青挤出后需具有一定的成型能力，不因自身以及后续打印层的重力和高温而发生严重变形，同时打印层间具有良好的粘结性以确保构造物层间粘结紧密4。与3D打印混凝土的落度法相似，可建造性通过规定时间内初始层与指定层底面积的差值来评价，此外，相邻层接触温度和层间间隔时间也是影响可建造性的重要参数。为满足路面裂缝、坑槽修补养护工程的需求，避免养护材料在高温和荷载作用下发生变形以及在低温条件下于破损界面处开裂而失去防水作用，3D打印沥青材料需要具备较高的黏性、弹性以及良好的相容性、高温稳定性和低温延展性36。可参照规范33指标进行评价，包括锥人度、贯入度、软化点、弹性恢复率、低温拉伸性能等。2.1.23D打印沥青制备流动性主要与沥青的轻质组分含量有关，3D打印沥青的流动性会随着轻质组分含量的增加得到有效改善37,在3D打印沥青的制备中,适量的轻质组分可以提高流动性，保证3D打印的流畅性和可控性；挤出性要求3D打印沥青的内聚力和相容性在合理的范围内，避免在挤出口流涎或积聚；可建造性中的成型能力和层间粘结的含义分别对应高温抗剪切能力和黏性，3D打印沥青的可建造性随3D打印沥青高温性能的增强而提升。常用于改善3 D打印沥青流动性和相容性的材料主要包括烯烃类、芳香烃类和环烷烃类。Sasobit是Journal of Municipal Technology第41卷常见的聚烯烃类改性剂，高温条件下熔化的Sasobit可在3D打印沥青中发挥润滑作用,从而提高流动性38。芳烃油会降低3D打印沥青的抗车辙能力39,而芳香族树脂可以同时提高3D打印沥青的流动性和高温稳定性40,但该类材料会对人体和环境造成不良影响。环烷油无毒无害，与橡胶、SBS等常用沥青改性剂具有良好的配伍性，有助于提高3D打印沥青的流动性、抗疲劳性和低温韧性41。3D打印沥青可建造性增强材料包括热塑性弹性材料、橡胶、热塑性材料、热固性材料、矿物质等42。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)的相分离结构使其具有2 个玻璃化温度,SBS与沥青质形成的空间网格结构可以限制沥青质和胶体的移动43。橡胶具有可逆形变的高弹性，高温熔融后又具有较大的黏性，可与3D打印沥青的轻质组分结合，通过溶胀作用形成胶团结构44。因此,3D打印沥青的弹性、内聚力和可建造性得到有效提升。单一材料改性难以满足3D打印沥青在不同打印阶段的要求，为充分发挥各种改性剂的优点，利用各种改性剂之间的相互作用，建议采用多种改性剂对沥青进行复合改性。Shi等45制备了与沥青有良好相容性的SBS/C9石油树脂共混物（SPR）复合沥青改性剂,有效提升了沥青的黏度和韧性。张争奇等46 使用SBS和聚氨酯(PU)复合改性得到高黏高弹沥青，研究表明PU能增强复合改性沥青的高温流变性能和相容性。Gong等47 利用SBS改性沥青、废橡胶粉和C9石油树脂制备了具有可打印性和高温能稳定性的3D打印沥青，其推荐打印温度和速度分别为15016 0 和1cm/s。目前，兼具良好可打印性和路用性能的3D打印沥青材料仍然有待开发，不同种类3D打印沥青的最佳打印参数需要进一步明确。3D打印沥青在不同打印温度下的挤出状态47 和在不同打印速度下的打印宽度47 分别如图5、6 所示。a)140 c)170图53D打印沥青在不同打印温度下的挤出状态Fig.5 Extrusion status of 3D printing asphalt at differenttemperaturesb)150160 陶瓷、混凝土等材料。其中,Polyjet技术通过紫外光照射光敏树脂实现固化成型；NPJ纳米粒子喷射技术第8 期101112131415Vi=0.5.cm/s图6 3D打印沥青在不同打印速度下的打印宽度Fig.6 Width of 3D printing asphalt at different print speeds2.2沥青3D打印技术2.2.1材料挤出技术材料挤出技术是将塑性材料呈长丝状挤出至打印平台后逐层凝固成型构件的技术48-49,具有成本低、可选材料多等特点，包括acrylonitrile-butadiene-styrene(ABS)50,hermoplastic polyurethane(TPU)51,polyetheretherketone（PEEK)52 等热塑性材料。此外，该技术在水泥砂浆53、液态金属54、陶瓷55和生物材料56 等的3D打印中也取得了良好的效果。沥青的黏弹塑特性受温度影响，在高温下软化具有流动性，在低温下逐渐变硬成型，和热塑性材料具有相似的温度-应力应变特性，因此，可以采用材料挤出技术进行沥青3D打印。Richard等57 在保留RepRapMendel903D打印机现有框架和控制系统的基础上，对其打印头进行了改造，主要包括步进电机、螺杆、料斗、热敏电阻、铝管和金属喷嘴（如图7a)所示），该设备可将沥青3D打印为复杂几何形状（如图7 b)所示)57,但其打印范围受限于龙门框架尺寸，尚无法直接应用于沥青路面养护工程中。打印机框架及龙门架材料挤出部分挤出头喷端打印床a)材料挤出设备图7 3D打印沥青材料挤出设备示意图Fig.7 Material extruded equipment of 3D printing asphalt龚芳媛等：3D打印技术在沥青路面养护工程中的应用研究2.2.2材料喷射技术材料喷射技术是通过逐层沉积打印材料液滴形成构件的3D打印技术，可选用光敏树脂、金属、WWW2WWW3V,=l.0cm/sV=l.5.cm/sV=2.0am/s10cm35WWW2WWW10mmb)材料挤出实例图采用先高温蒸发金属粉、陶瓷粉等流体中的多余液体，再低温烧结的方法来成型构件。对于沥青3D打印来说，液滴固化的过程可以通过降温实现。利兹大学的研究团队开发了无人机沥青3D打印机器人58 1,可以借助无人机实现大尺度的位移，对检测到的路面裂缝和坑槽进行修补，能完成城市道路自动维护，该设备和气送材料喷射装置相结合用于沥青的3D打印，极大提高了沥青路面病害修复的效率和灵活性，但该类设备的续航、载重能力和定位精度等需进一步提高。无人机搭载沥青3D打印设备如图8所示。图8 无人机搭载沥青3D打印设备实例图Fig.8 UAV equipped with asphalt 3D printing device基于目前沥青3D打印技术的应用不足之处，建议以提升灵活性和承载力为重点，对现有设备进行模块升级和改造，以增强3D打印技术对沥青路面病害养护工程施工特点的适应性。2.2.3应用案例目前3D打印技术已成功应用于混凝土路面修补中,Jaeheum等6 通过构建路面破损处3D模型、3D打印破损处塑料模板、使用该模板浇筑混凝土补丁、粘贴混凝土补丁的步骤完成了用混凝土补丁来修复混凝土路面破损的工作(如图9a)所示）,该方法可将道路封闭时间由7 d缩短至2 h,其混凝土补丁可以承受高达15.7 MPa的剪切荷载，兼具经济效益和结构可行性。对于3D打印技术的沥青路面养护工程应用,PRWeb59提出了利用3D打印技术和激光雷达扫描技术对沥青路面进行针对性铣刨、摊铺和压实的机械设计构想，使沥青路面养护工程更加低36成本、高效率和绿色环保，并获得更好的路面压实度和平整度（如图9b)所示）。Liu等6 0 开发了结合熔融沉积3D打印技术和计算机视觉技术的路面裂缝修补实验室样机，可自动检测路面裂缝并采用乳化沥青密封胶进行封堵（如图9 c)所示）。伦敦大学学院的科研团队基于自修复城市项目（Self-RepairingCitiesProject)对沥青3D打印的材料、设备等进行了深入研究，该团队开发的无人机沥青3D打印机器人旨在实现零人工的夜间路面破损修复，以减少由路面养护造成的交通中断，及时修补路面裂缝防止其进一步发展，从而延长路面的寿命。目前，3D打印技术在沥青路面养护工程中的应用尚处于研究探索阶段，为实现大规模的工程应用，沥青3D打印技术在材料、设备、计算机视觉等方面仍然需要取得进一步突破。a)3D打印技术修复混凝土路面破损流程图b)3D打印沥青路面摊铺机设计图c)熔融沉积3D打印路面裂缝修补实验室样机图9 3D打印技术在路面养护工程中的应用案例示意图Fig.9 Application cases of 3D printing technology in pavementmaintenance engineeringJournal of Municipal Technology第41卷2.3沥青3D打印技术应用优势3D打印技术可用于原位修复沥青路面破损或预制沥青路面破损修补块6 1,具体步骤如下：1)利用多维摄影或3D激光扫描技术对沥青路面裂缝、坑槽进行检测，基于多维图像或高程点云信息构建路面裂缝、坑槽的3D数字模型；2)综合考虑打印效率和打印精度，对沥青路面裂缝、坑槽处3D模型进行切片和路径规划；3)在原位修复路面破损中,直接对沥青路面病害破损处进行3D打印填充，在预制块间接修补中,通过3D打印技术制备与破损处相对应的预制修补块，对破损处进行精确填充。传统沥青路面裂缝、坑槽修补技术在工人安全性和标准化施工等方面存在不足6 2-6 3,基于3D打印技术在精度、效率和自动化方面的优点，其在沥青路面养护工程中的应用优势有：1)有效提高沥青路面养护工程的自动化水平，减轻对人工的依赖，从而降低施工人员的安全风险，增强对极端气候和特殊环境的适应性；2)通过标准化的机械施工，提升养护工程质量的稳定性，确保养护效果评估的客观性；3)可广泛应用于道路预防性养护工程中,特别是对沥青路面早期裂缝、坑槽的修补中，可延缓道路损坏进程，延长道路使用寿命。3结论及建议1)3D打印技术在沥青路面养护工程中的应用在提高工程自动化、标准化水平等方面极具优势，建议采用复合改性方法制备兼具良好可打印性和路用性能的3D打印沥青材料。2)3D打印中的材料挤压技术和材料喷射技术均适用于沥青材料，建议将材料挤压技术广泛用于沥青路面早期裂缝与轻度坑槽的日常养护中,将材料喷射技术用于密集轻度裂缝的快速修补中。3）沥青3D打印数字建模的精度有赖于沥青路面病害检测技术的发展；沥青3D打印设备及材料有待开发；沥青3D打印技术修补质量与打印参数的关系需进一步明确；沥青3D打印材料、设备、评估的标准化体系建设尚需完善。MET参考文献1中华人民共和国交通运输部.2 0 2 2 年交通运输行业发展统计公报EB/OL.（2 0 2 3-0 6-16）2 0 2 3-0 7-16.h t t p s:/x x g k.m o of Transport of the Peoples Republic of 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