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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    如何讓瀝青路面更長壽?

                    2021-03-10 08:48:00

                      我國擁有世界上最長的國家高速公路網,但是,我國高速公路瀝青路面的成本、維護、壽命等仍有巨大的提升空間。近日,山東省交通科學研究院王林院長等在《科學通報》發表觀點文章“‘四個一體化’破解長壽命瀝青路面技術瓶頸”,深度分析了長壽命瀝青路面面臨的主要需求、科學/技術難點,并提出了路基與路面一體化、結構與材料一體化、設計與施工一體化、建設與養護一體化的“四個一體化”設計框架。


                      文章首先總結了我國高速公路長壽命瀝青路面存在的主要問題:

                      (1) 路面壽命不足,與嚴酷重載交通和復雜自然環境的需求相矛盾;

                      (2) 路面周期性重建消耗巨大資源,與節能環保的需求相矛盾;

                      (3) 路面建、管、養失衡,與全壽命周期的理念相矛盾。

                      需要解決的相應基礎科學問題和關鍵技術問題為:

                      (1) 路面結構與材料損傷的控制原理與方法;

                      (2) 服役性能監測技術;

                      (3) 設計理論與方法;

                      (4) 施工質量控制等。

                      長壽命瀝青路面的性能受到多因素的影響,只有綜合考慮路基、路面、結構、材料、設計、施工、建設、養護等各因素的平衡,才能取得最優效果。因此,作者提出了“四個一體化”設計框架和體系,希望為我國長壽命瀝青路面的技術發展提供方向和途徑。

                      路基與路面一體化

                      穩定的路基是瀝青路面的結構基礎。提升路基穩定性,并確定合理的路基承載力指標,是保證長壽命瀝青路面結構和性能的基礎。

                      與國際先進國家相比,我國現行的路面設計規范對路基承載力的要求明顯較低。進一步提高這一設計指標,才能適應長壽命瀝青路面的要求。

                      為了達到路基的穩定和承載力要求,應當補充和細化路基結構組合設計方法和標準。對地基承載力標準、未處治填土承載力標準及路床改善土承載力標準等,都研究相應控制標準和要求,而不是僅對路基頂面提出指標控制要求。

                      在滿足路基承載力最小要求的基礎上,應當加強路基路面結構一體化設計分析,為長壽命路面結構優化設計,提高合理的路基承載力數值。在滿足一定交通荷載條件和最小路基承載力條件下,路基承載力越大(處治成本越高),整體路面結構厚度就越小(路面成本越低);反之亦然。一體化分析原則是在滿足同樣交通荷載條件下,路基承載力標準與路面結構厚度的經濟最優化。

                      結構與材料一體化

                      將長壽命瀝青路面的結構組合,與高品質混合料相結合,可以極大地提升路面結構的使用性能。按照實際需求,選擇或開發合適的混合料類型、確定各功能層材料的性能要求,從而把結構設計與材料設計結合起來,才能實現瀝青路面結構設計與材料設計的一體化。

                      現有的常用瀝青膠結料與混合料無法滿足重載交通與復雜氣候條件的要求,開發更高品質的瀝青混合料勢在必行。國際上已經開始研發綜合性能更優的瀝青混合料,如法國的EME、美國的HiMA等。目前通常采用單一的模量提高技術,雖然能在一定程度上提高混合料的抗車轍能力,但導致其抗疲勞、抗水損害、抗裂性能下降,反而縮短了使用壽命??梢?,瀝青混合料的設計理念需要全面提升。

                      為此,需要從以下三方面開展研究:

                      1) 建立以功能需求為基礎的新一代高品質耐久性瀝青混合料設計理論與方法,攻克瀝青混合料性能全面提升的技術難題,為各類嚴酷荷載環境下的耐久性鋪面設計奠定基礎;

                      2) 研究基于瀝青膠體體系、瀝青質團簇重構理論的膠結料性能綜合提升方法,以及先模量梯級升級-后改性的新一代高勁度改性瀝青制備技術,突破配伍性和存儲穩定性差的技術瓶頸;

                      3) 開發高勁度瀝青規?;I生產裝置和工藝技術流程,攻克高勁度瀝青均勻性控制和施工溫度確定技術難題,實現新一代高品質瀝青混合料在不同嚴酷條件下的規?;瘧?。

                    瀝青公路

                      設計與施工一體化

                      設計與施工一體化是指,設計指標與施工控制指標一致。一方面,結構設計參數要盡可能符合施工實際,充分考慮施工的變異;另一方面,成品路面結構幾何參數、層間結合狀態、不同結構層混合料性能等必須滿足設計指標要求。

                      開發和運用新一代施工技術是確保設計與施工一體化的重要手段。施工質量信息化、智能化壓實技術、新一代施工裝備(大噸位壓路機、寬幅大厚度攤鋪機等)、全覆蓋大數據無損檢測技術等的開發和運用將為長壽命路面的施工質量提供強有力保障。例如,大厚度連續攤鋪碾壓工藝解決了無機結合料穩定材料施工層間連接不良問題,極大地提高了路面結構整體性;路面三維雷達系統開發的路面結構層厚度和材料均勻性大數據檢測為成品路面質量評價提供了強有力保證。

                      建設與養護一體化

                      建設與養護一體化是指,按照壽命周期費用分析、壽命周期評價的理念和方法進行建設和后期運營養護評估,確保全壽命周期的費用和能耗排放達到最優。長壽命瀝青路面需要減少產生結構損傷的可能性,并使可能發生的破壞限制在路面表層,當路表破壞達到某一臨界水平時,只需更換或加鋪一層表面層即可,不需要大的結構性重修或重建,且路面結構能長期持續使用50年以上。只有保證結構不發生破壞,才能使以功能恢復為主或預防性的現代養護技術,如薄層罩面、微表處、就地再生等,真正發揮作用。因此,長壽命瀝青路面的結構應該能與現代養護技術銜接良好。

                      立足于問題與現狀,我們一方面要學習和借鑒發達國家的有關經驗和教訓,另一方面要基于我國的基本國情,深度挖掘長壽命瀝青路面的基礎科學問題、關鍵技術問題,并按照“四個一體化”的技術體系與總體展望,在實踐中不斷檢驗和改進,促進傳統瀝青路面向新一代綠色耐久路面的轉變。

                    文/王林

                    本文來自《科學通報》

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