摘 要

主要对3D打印技术在路面修复工程中的应用进行了探讨。文章首先对3D打印技术的发展及其未来前景，以及路面的常见病害及其修复方法进行了简要介绍和分析；接着对3D打印技术与路面修复相结合的可行性进行了论述，发现将3D打印技术应用到路面修复工程中具有很高的应用和经济价值。然后对3D打印技术应用到路面修复中的具体方法进行分析，总结指出目前一般有两种方法可实现3D打印技术修复路面病害：直接3D打印修复方法和间接3D打印修复方法沥青网sinoasphalt.com。两种方法适用不同的路面病害，二者各有特点，具有优势互补的关系。最后对3D打印技术在路面修复中的发展前景进行了分析，指出研发新材料和提出更适用于3D打印技术的施工工艺应该成为未来主要的研究发展方向。

关键词

路面修复 ;3D打印 ;间接修复 ;直接修复 ; 路面病害

引言

3D打印技术

3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术。其与传统的材料加工技术不同，因此又称为添加制造 (AM，Additive Manufacturing)技术。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

从中长期来看，3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据优势地位。

路面常见病害及修复方法

无论是水泥混凝土还是沥青混凝土路面，在通车使用一段时间之后，都会陆续出现各种损坏、变形及其他缺陷。这些统称为路面病害。现阶段，城市道路建设已成为促进城市区域发展的基础保障。随着交通量的增大，路面受内部及外部因素制约，易产生一些病害，对城市道路安全运行构成影响。早期常见的病害有：裂缝、坑槽、车辙、松散、沉陷、桥头涵顶跳车、表面破损等。其中路面的裂缝和坑槽是最常见的病害形式。

对于裂缝的修复，一般是将裂缝刷扫干净并用压缩空气吹净尘土后，采用热沥青或乳化沥青灌缝撒料封堵。坑槽的处理是根据病害的表现程度来选择处理措施。对于深度达到路面基层的坑槽，处理时是在坑槽位置进行开挖直到基层，然后选择用贫混凝土或者水泥稳定碎石等材料对基层进行处理，最后处理面层完成修复施工，以降低坑槽病害对路面行车造成的影响。对于部分养护期间外界温度低的沥青路面工程，在对坑槽进行处理时，选择用乳化沥青冷铺混合料对坑槽进行填补。

3D打印技术与路面修复

进入21世纪，3D打印技术发展迅猛，3D打印机的产量以及销量得到了极大的增长，其应用领域也在不断扩大。随着3D技术在土木工程方面的成熟应用，未来该技术与路面工程的结合将成为一种必然的趋势。这项技术可以使建筑施工朝着自动化、智能化建造方向发展，将人们从单调、繁重和危险的建筑活动中解放出来，可有效解决劳动力老化和短缺问题，并且可以加快施工进度、减少材料的消耗和降低建造成本。相比于传统的施工工艺，它可以在不支撑模板的情况下自动建造各种建筑结构和构件，因此也称作建筑结构的自动成型。

由引言部分常见路面病害修复方法的分析可知，无论采用哪种传统路面修复方法，都需要进行交通管制进行路面修复施工。对于日渐忙碌的交通来说，进行交通管制将造成诸多的不便。利用3D打印技术“打印”修复材料，可修补沥青路面的裂缝、坑槽、沉陷等病害，以及水泥混凝土路面的板角剥落、嵌缝料损坏、坑洞等病害，将会大大降低交通管制需要的时间。相比传统的病害修复方法，其最大的优点是能节省大量的人力物力，并且最大程度地减少对交通的影响。因此，将3D打印技术应用于路面修复工程中是切实可行的，也是未来研究和发展的方向。

3D打印技术修复路面方法探讨

通过对3D打印技术在路面修复中的应用进行研究分析可知，3D打印路面工作原理大致如下：基于数字图像技术的路面病害识别系统，判断病害的类型和严重程度，做出是否修复的决策；如修复，则在养护设备配合下，清理病害，做好修复准备；启动3D扫描系统，对路面病害的3维高程数据进行测量，并生成相互补的计算机3维坐标数字模型；3D打印系统根据坐标模型，在路面病害处直接“打印”相应的修复材料，精确填补病害(直接3D打印修复方法)，或者间接地先打印出与病害形状完全一致的模具，然后在模具内浇筑混凝土等修复材料，最后用黏结剂将预制的修复体黏附在病害处(间接3D修复方法)；由快速养护系统对病害进行烘干等操作。

间接3D打印修复方法

间接3D打印修复方法是指使用3D打印机预制一个与受损区域形状相同的三维混凝土修补贴片，并将其附加到该区域的表面。为了创建一个三维混凝土贴片，需要一个受损区域的三维计算机模型。利用三维激光扫描仪可以得到该三维模型。通过扫描仪可以收集成千上万的点，这些点一起代表了受损表面的形状。通过点与点之间的相连，就产生了数以万计的三角形曲面，这些三角形曲面就是被破坏区域的三维计算机模型。收集到的密集点云可以用来建立一个高精度的三维模型。但对于不需要如此高精度的路面修复来说，用摄影测量代替三维激光扫描仪也是可以满足要求的。摄影测量可以通过不同角度拍摄的几张图片来获取目标对象的点云。与三维激光扫描仪相比，这种方法在云中获得的点数较少，但成本要低得多。

然后使用易于打印的材料(一般可以选择塑料)，通过3D打印系统进行模具的打印，在模板中加入新鲜混凝土制成混凝土贴片；接着将硬化后的混凝土贴片(修补板)从模板上去除，通过黏结剂将混凝土贴片附着在受损的表面上，从而完成路面的修复。

(1)首先对损伤部位进行清洁，为获得更加详细的破损模型做准备，如图1所示。

(2)使用摄影测量来生成三维计算机模型。为了满足摄影测量技术所使用的结构自动算法，要求每个相机位置改变30°(圆心角)，在受损区域周围拍摄12张照片(如图2所示)。另外，12张照片在不同的高度拍摄，以捕捉受损表面的垂直变化。按照这个方法，一共拍了24张照片。

(3)用autodesk创建一个三维的破坏处表面的计算机模型，将计算机模型缩小或放大，使之与实际损伤大小相同。利用这种表面模型打印混凝土模板，然后利用3D打印系统进行表面模型生成，产生如图3所示的3D实体打印模板。

(4)打印出塑料模板后，将新鲜混凝土放入其中，养护28d。考虑到混凝土在养护过程中会因收缩而减少体积，在混凝土养护期间，混凝土贴片应保持在一定的温度和湿度水平，以减少收缩(尽可能)。图4为生成的混凝土贴片。

(5)将混凝土修补贴片安置在受损区域上完成修复过程。混凝土贴片如果仅是放置在受损的表面，由于混凝土与损害部位之间无任何连接，会使混凝土块容易脱落，导致修复失败。因此，为了防止这种情况发生，在混凝土修补贴片上涂一层黏合剂，将其附着在受损的表面上，如图5所示。

图6为修复完成后的效果。从图6中可以看出，使用3D打印技术制造出的混凝土贴片很好地修补了路面的损伤部位。

直接3D打印修复方法

直接3D打印修复方法一般比较适合修复裂缝病害。因为目前只能使用单一均匀材料进行打印，3D打印尚不能实现同时“打印”沥青和集料两种材料；同时对于裂缝修补来说，打印材料的尺寸要求严格，为保证打印产品的精度，3D打印的喷嘴尺寸不能太大，限制了打印材料颗粒的细度。

用于路面沥青打印的3D打印机是一个由3个部分组成的系统，如图7所示。其中挤压喷嘴由单个步进电机移动，打印到平坦的基床上，见图8(a)。打印机喷嘴由螺旋螺钉、步进电机驱动螺杆和颗粒料斗组成。由于热电阻的作用使得温度升高，颗粒通过螺旋挤压机时会软化，从而使沥青从喷嘴流出，如图8(b)所示。控制系统如图8(c)所示。

直接3D打印修复方法与间接3D打印修复方法，其主要的不同点是：直接法是通过直接在路面损害部位进行原位打印修补，打印出的对象直接用来修补路面；而间接法打印出来的对象只是一个模具，修补材料是通过模具这个媒介成型的。图9为采用直接3D打印技术修补沥青路面裂缝的效果。

通过对比可以发现，两种方法都可以获得较好的路面修补效果，但方法的不同也导致了二者适用范围的不同。直接3D打印修复方法可以实现更高的打印精度，从而可以满足更高精度的修复要求。但由于其是直接在原位进行修补，而目前3D打印技术还无法实现复合材料的打印，局限了所采用的修复材料只能是单一材料，所以此方法比较适用路面裂缝的修补。间接3D打印修复方法可以弥补不能3D打印复合材料的局限性，但同时间接修复方法也存在不足。因为其不是在原位直接修补，模型制作与实际修复施工之间存在时间差(如若是混凝土材料需要养护28d)，在这期间预修复部位有可能会进一步破损，导致预制模型与实际损伤部位不能完全贴合而降低修复效果。而直接修补法就不存在此问题。因此两种修补方法各有优缺点。

3D打印在路面修复中的发展前景

传统的道路工程材料无法满足3D打印技术的快速成型、单一均匀、细度和强度等要求，因此，中期3D打印技术要发展，需寻找合适的原材料，或者对传统材料进行改良。对于水泥混凝土，考虑3D打印对于强度、凝结时间、骨料最大粒径与形状、流变性等方面的严格要求，可考虑磷酸盐早强水泥、小骨料的聚合物水泥砂浆等；对于沥青混凝土，高温、成型缓慢、级配差异大等特点限制了3D打印技术的使用，因此材料可考虑温拌沥青、易固化的环氧沥青以及3D打印专用级配沥青混合料等。

在远期发展阶段，当打印材料不再成为3D打印技术应用的瓶颈时，3D打印技术在路面工程的切入点，绝不是研制出庞大昂贵的3D打印机以简单取代目前水泥和沥青混凝土路面的施工工艺，而是与新型路面材料及先进施工工艺相结合，作为路面工程设计、施工的主要技术手段，为新型路面工程注入新的活力。（作者：李结义 等）