综述：路面维护：传统方法、智能解决方案以及3D打印技术的应用

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Pavement maintenance: Traditional methods, intelligent solutions, and 3D printing applications

沥青路面维护技术综述及3D打印应用前景分析。

　　

范秀泽|李敬辰|张继哲|王世龙|范玉石|郑玉凡|姚占勇

山东大学齐鲁交通学院，济南250061，中国

摘要

沥青路面经常在早期出现损坏现象，而传统的维护方法效率低下，质量控制存在挑战，并且存在安全隐患。本文回顾了传统的裂缝和坑洞修复技术，以及智能修复设备的发展、技术特点和应用。进一步阐述了3D打印技术在路面修复中的原理和潜力，包括直接和间接修复方法。同时总结了3D打印设备和改性沥青材料的优化策略。分析表明，3D打印是一种有前景的解决方案，可以实现有针对性的、高效且自动化的路面修复。然而，大多数3D打印的沥青材料仍处于实验室阶段，实际应用有限。因此，本文对未来3D打印沥青材料的材料选择和技术实施提出了建议和展望，为促进机器人技术和3D打印在基础设施建设和维护中的智能化和自动化发展提供了参考。

引言

在交通负荷、极端温度和降雨的共同作用下，沥青路面越来越容易出现裂缝和坑洞等表面损坏现象[1]、[2]、[3]。随着中国高速公路建设从“大规模建设阶段”过渡到“建设和维护并重的阶段”[4]，越来越多的沥青路面面临维护和修复的挑战[5]。截至2024年底，中国的高速公路总里程达到549.04万公里，其中维护里程占比超过99.9%，如图1所示[6]。路面维护已成为高速公路管理中的关键问题[7]、[8]。如果表面损坏不及时修复，不仅会降低驾驶舒适度，还会削弱路面的结构完整性和使用寿命，可能导致路基沉降和表面变形[9]、[10]。然而，当前技术主要依赖人工操作，在施工过程中需要大量投资机械设备和人力资源。此外，工人技能、操作习惯和经验的不同往往导致难以保证施工质量的一致性[11]、[12]。为了尽量减少对交通的影响，裂缝和坑洞修复通常需要封闭半幅道路进行。在这些操作过程中，频繁的车辆互动会带来显著的安全风险，增加交通事故的可能性，危及工人的生命[13]、[14]。因此，迫切需要先进的技术和机械化设备来替代传统修复技术，提高效率、质量和安全性。

全球每年都在道路维护和修复项目中投入大量资金[15]、[16]。用自动化检测和修复设备替代传统的人工方法已成为发展趋势[17]、[18]。例如，已经开发了几种基于X-Y工作平台的系统，以实现自动化的裂缝规划和密封[19]。尽管取得了这些进展，但在智能设备应用于沥青路面损坏修复方面仍存在重大挑战。首先，X-Y工作平台在灵活性方面存在局限，难以应对复杂多样的路面损坏情况。其次，设备的自动化和智能化程度有限，因为大多数设备仍然严重依赖人工干预[20]。最后，在效率、质量和准确性方面，现有设备尚未满足商业应用要求。因此，探索具有高适应性、先进智能性和高效操作能力的维护技术对于突破现有局限并推动下一代沥青路面维护和管理系统的发展具有重要意义。

三维（3D）打印技术作为增材制造的核心形式，是一种通过逐点、逐层添加材料来制造物理组件的先进技术，基于3D数字模型[21]、[22]、[23]。在制造领域，由于其无需模具生产、高度定制化和能够集成复杂结构等优点，3D打印技术已广泛应用于航空航天、生物医学、工业制造和建筑工程[24]、[25]、[26]。将3D打印技术结合到道路工程中，并与先进的路面表面损坏检测技术相结合，可以推动道路维护向自动化和智能化方向发展。这种方法可以使工人摆脱重复性、劳动密集型和危险性的任务[27]。通过将修复材料“打印”到损坏区域，3D打印可以用于填充路面裂缝和坑洞，显著减少施工时间、材料消耗和成本，同时尽量减少对交通的影响[28]、[29]。因此，3D打印在路面修复中的应用是切实可行的，符合未来智能建筑的发展趋势[30]、[31]。然而，目前关于3D打印在路面维护中应用的研究大多仍处于探索阶段，系统性的综述仍然不足。

为了解决沥青路面维护中高度依赖劳动力和质量控制困难的问题，本文系统回顾了传统的裂缝和坑洞修复技术及材料，并全面总结了全球智能修复设备的技术特点。此外，通过阐述3D打印的原理，本文综合了3D打印技术在路面维护中的应用进展，包括修复方法、设备设计和工艺参数控制的进步，以及专用沥青材料的优化。最后，本文对3D打印在道路工程中的集成提供了前瞻性的视角，为其在沥青路面维护和智能操作系统开发中的应用提供了理论见解和技术参考。

部分摘录

传统和智能维护方法

本节从传统和智能两个角度回顾了当前的沥青路面损坏修复方法。首先总结了裂缝和坑洞的传统修复材料和技术，然后讨论了针对这两种损坏类型的智能维护设备的发展。最后进行了比较分析，以突出现有维护方法的主要优点和局限性。

3D打印技术在路面维护中的应用

本节介绍了3D打印技术在路面维护中的应用。首先解释了3D打印的基本原理和基于3D打印的路面修复工作流程，然后总结了两种主要的实施方法，即直接3D打印修复和间接3D打印修复。通过本节讨论了3D打印在路面修复中的技术特点、应用潜力及当前的限制。

3D打印技术所需的设备和沥青材料

本节回顾了用于路面维护的3D打印技术和相关设备和沥青材料。重点介绍了打印设备、参数优化和材料改性的最新进展，旨在明确影响打印性能和修复效果的关键因素。

展望

凭借其高精度和准确性，3D打印技术在自动化领域发展迅速，并获得了广泛认可。将这项技术与上述智能修复设备相结合，可以进一步降低设备成本，减少材料浪费，降低能耗，并显著提高修复精度和质量。因此，将3D打印技术引入道路维护实践具有重要的实际价值。

结论

沥青路面损坏的修复技术正从传统的人工方法快速向自动化和智能化解决方案发展。本文系统回顾了沥青路面裂缝和坑洞修复技术的进展，深入探讨了传统修复方法、材料及智能设备的适用性和技术特点。此外，还探讨了3D打印技术在路面修复中的潜力。

作者贡献声明

范秀泽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。 李敬辰：资料收集。 张继哲：监督。 王世龙：形式分析，数据整理。 范玉石：撰写 – 原稿。 郑玉凡：监督。 姚占勇：撰写 – 审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号[NO.52478457]）和山东省自然科学基金（项目编号[ZR2024LZN003]）的支持。