橋梁維護(hù)是一項(xiàng)必不可少但耗費(fèi)人力的工作，尤其考慮到鋼材等材料易受腐蝕的影響。根據(jù)《2025年美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施報(bào)告》，美國(guó)僅有49%的橋梁狀況“尚可”，6.8%的橋梁被歸類(lèi)為“較差”。修復(fù)這些老化橋梁的預(yù)計(jì)成本超過(guò)1910億美元。然而，采用創(chuàng)新的修復(fù)技術(shù)可以顯著降低這一成本。馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校（UMASS）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在與麻省理工學(xué)院（MIT）機(jī)械工程系合作，研究冷噴涂3D打印（CSAM）技術(shù)，將其作為應(yīng)對(duì)這一全國(guó)性挑戰(zhàn)的有前景的解決方案。

腐蝕是造成鋼材老化的主要原因，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害基礎(chǔ)設(shè)施的完整性。在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)，老化情況會(huì)迅速惡化，常常導(dǎo)致道路封閉和通行受限。此外，缺乏有效的方法來(lái)早期發(fā)現(xiàn)腐蝕并準(zhǔn)確評(píng)估其影響，使問(wèn)題更加嚴(yán)重。此外，許多地區(qū)還面臨財(cái)政限制，限制了他們及時(shí)進(jìn)行日常維修和保養(yǎng)的能力。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校土木與環(huán)境工程副教授Simos Gerasimidis已經(jīng)研究橋梁老化約十年。Gerasimidis表示：“每次開(kāi)車(chē)，你都會(huì)從腐蝕的橋下或橋上經(jīng)過(guò)。它們無(wú)處不在。我們無(wú)法繞過(guò)它們，而且它們的狀況通常會(huì)嚴(yán)重惡化。我們知道這些數(shù)字。”

馬薩諸塞大學(xué)的研究人員對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行最后測(cè)試（圖片來(lái)源：馬薩諸塞大學(xué)）

馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)其名為“3D打印和鋼結(jié)構(gòu)：修復(fù)創(chuàng)新”的項(xiàng)目來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這項(xiàng)工作包括測(cè)試?yán)鋰娡啃迯?fù)橋梁的方法，以及開(kāi)發(fā)3D激光雷達(dá)掃描方法來(lái)取代目測(cè)。通常，目測(cè)評(píng)估既耗時(shí)又主觀。借助3D激光雷達(dá)掃描方法，研究人員可以更準(zhǔn)確地識(shí)別腐蝕情況并制定數(shù)字化修復(fù)計(jì)劃。這種方法還能讓他們識(shí)別出哪些區(qū)域必須進(jìn)行修復(fù)，從而節(jié)省時(shí)間和材料?！巴ㄟ^(guò)結(jié)合掃描和精確的材料沉積，我們可以非常有針對(duì)性地進(jìn)行修復(fù)，‘我們要在這里、這里和這里進(jìn)行打印，這樣就能讓這座橋的使用壽命延長(zhǎng)10年’，這意義重大?！盨imos Gerasimidis補(bǔ)充道。

冷噴涂3D打印的優(yōu)勢(shì)

在冷噴涂技術(shù)中，金屬粉末顆粒被高速?lài)娚涞奖砻?。它們與部件的受損部位（例如橋梁的鋼梁）結(jié)合并覆蓋其表面。反復(fù)噴涂可形成多層涂層，從而恢復(fù)處理區(qū)域的厚度和其他結(jié)構(gòu)特性。該技術(shù)將通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試（拉伸試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和其他腐蝕試驗(yàn)）進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)估該技術(shù)在腐蝕環(huán)境中修復(fù)或保護(hù)鋼材的有效性。

CSAM已在飛機(jī)、輪船和潛艇等大型應(yīng)用中得到有效應(yīng)用。而橋梁則面臨一個(gè)獨(dú)特的問(wèn)題：3D打印機(jī)必須運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)。幸運(yùn)的是，CSAM的維修工作不會(huì)對(duì)交通造成太大干擾。Gerasimidis解釋說(shuō)，即使車(chē)輛在橋上行駛，也可以進(jìn)行CSAM工作。

有希望的修復(fù)

馬薩諸塞大學(xué)團(tuán)隊(duì)在馬薩諸塞州大巴靈頓對(duì)建于1949年的紅橋（原名棕橋）進(jìn)行了測(cè)試性修復(fù)?！艾F(xiàn)在我們已經(jīng)完成了這項(xiàng)示范性修復(fù)，我們清楚地看到了一條通往更快、更便宜、更簡(jiǎn)單、侵入性更小的解決方案的道路，”杰拉西米迪斯說(shuō)?！皳?jù)我們所知，這是首例。當(dāng)然，還有更多的研發(fā)工作要做，但這是重要的一步。”

幾年后，紅橋?qū)⒈徊鸪脮r(shí)，麻省大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將把噴涂粉末的鋼梁帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。他們將測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)鋼粉在結(jié)構(gòu)上的附著力，并與受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行比較。此外，研究團(tuán)隊(duì)還將檢查噴涂后的腐蝕情況，并確定其機(jī)械強(qiáng)度特性。

編譯整理：3dnatives