返回顶部
返回首页
返回首页
3D打印技术在路面修复工程的应用探讨,中网沥青,haolibai.com
home 您现在的位置: 首页 >技术中心 > 详细信息
3D打印技术在路面修复工程的应用探讨
2020年08月26日    阅读量:     新闻来源:《公路》2019年4月第4期  |  投稿

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。

3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com

(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。


3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com


(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。


3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com


(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。


3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com


(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。


3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com


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。

3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com


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。


3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com


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打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com


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)


3D打印技术在路面修复工程的应用探讨 沥青网,sinoasphalt.com

标签:技术中心沥青混凝土施工案例行业新闻
免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国沥青网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。客服邮箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571
中国沥青网手机站MOBILE
扫描二维码,获取手机版最新资讯 公众号:中国沥青网 您还可以直接微信扫描打开
全站地图

深圳网络警察报警平台 深圳网络警
察报警平台

公共信息安全网络监察 公共信息安
全网络监察

经营性网站备案信息 经营性网站
备案信息

中国互联网举报中心 中国互联网
举报中心

中国文明网传播文明 中国文明网
传播文明

深圳市市场监督管理局企业主体身份公示 工商网监
电子标识