舉世矚目的北京大興機(jī)場開通已經(jīng)一個(gè)多月，運(yùn)行順暢。大興機(jī)場建設(shè)應(yīng)用了當(dāng)今諸多的技術(shù)，據(jù)專家介紹，其中跑道和停機(jī)坪等工程應(yīng)用了交通運(yùn)輸部立項(xiàng)研究的“重載水泥混凝土鋪面關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”成果，降低了建設(shè)成本、提高了使用品質(zhì)。
道路鋪面材料分為瀝青混凝土和
混凝土攪拌站水泥混凝土兩種。我國石油多依賴進(jìn)口，卻是水泥產(chǎn)量大國，年產(chǎn)量高達(dá)20億噸，占總量70%以上。面對增長的重載交通，在機(jī)場、重載公路和港口堆場中提升重載水泥混凝土鋪面性能，是中國交通運(yùn)輸建設(shè)領(lǐng)域一個(gè)重要發(fā)展方向。
上世紀(jì)90年代末，依托（北）京大（同）高速公路建設(shè)，交通運(yùn)輸部門開始立項(xiàng)“重載水泥混凝土鋪面關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”課題研究，前后持續(xù)近20年。課題創(chuàng)新了力學(xué)計(jì)算模型，解決了濕陷性黃土帶給路面的沉降等問題，用新材料創(chuàng)新了施工工藝。
“通過近20年的研究，課題極大展示了水泥混凝土鋪面超強(qiáng)的承載力和擴(kuò)散荷載的能力，成功應(yīng)用于大興機(jī)場、上海浦東機(jī)場、海南洋浦港、1500公里高速公路和4000公里國省干道。”交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院研究員、課題負(fù)責(zé)人田波博士說。該課題于2018年獲科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
課題開始時(shí)，基礎(chǔ)理論幾乎一片空白
1998年，正在讀博士的田波，隨導(dǎo)師姚祖康教授加入“重載水泥混凝土鋪面關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”課題團(tuán)隊(duì)，參與（北）京大（同）高速公路建設(shè)。“當(dāng)時(shí)通過貨車軸重普遍為20噸，超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一倍，造成路面使用壽命嚴(yán)重縮短，鋪面結(jié)構(gòu)斷裂早發(fā)，大修頻繁。”田波說，由于修復(fù)混凝土板需封路28天，每年大修路面達(dá)幾千公里，年經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元人民幣。
既要保持使用周期30年，還要能承受超載一倍以上的軸重碾壓，在論證這條新建高速公路時(shí)，路面結(jié)構(gòu)是采用瀝青還是水泥混凝土？當(dāng)時(shí)的情況是，瀝青路面不能承受運(yùn)煤車輛的重載，重載水泥混凝土路面基礎(chǔ)理論卻幾乎是一片空白。
“水泥混凝土路面剛而脆，對設(shè)計(jì)和施工的容錯(cuò)率更低，這些特點(diǎn)導(dǎo)致了水泥混凝土路面在我國高速公路上的長期缺位。”田波說，然而水泥混凝土路面建設(shè)維護(hù)成本低、耐重載、長壽命的優(yōu)點(diǎn)，也使其越來越受重視。
統(tǒng)計(jì)表明，與瀝青材料相比，水泥混凝土路面造價(jià)低30%、養(yǎng)護(hù)費(fèi)低50%。除路面載重性好的特點(diǎn)外，其30年的使用壽命是瀝青路面的兩倍。
經(jīng)過反復(fù)的論證，水泥混凝土路面方案勝出，并由交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院、山西省交通科學(xué)研究院、中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司、同濟(jì)大學(xué)等多家單位，組成了產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，從設(shè)計(jì)、施工到快速維修的成套關(guān)鍵技術(shù)等方面著手，開展課題研究。
道難關(guān)，就是重載荷載下混凝土路面力學(xué)響應(yīng)計(jì)算。歷經(jīng)3年多，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究出整套全新力學(xué)響應(yīng)計(jì)算理論，成功將鋪面性能預(yù)測尺度拓展至全壽命服役30年，并編寫出了《重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與表面功能研究》。
通車10年回訪，雨水困擾被完全解決
本月10日，田波帶項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成了對內(nèi)蒙古白霍重載公路的回訪。“通車10年，困擾混凝土路面斷板和錯(cuò)臺(tái)問題被完全解決。”在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)，田波說，白霍重載公路采用了“重載水泥混凝土鋪面關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”中的一個(gè)子課題技術(shù)，即“重載水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究”。
水泥混凝土路由土基、基層和面層（水泥混凝土板）組成。2003年以來，在降水較多的地區(qū)和季節(jié)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，因雨水滲入路面內(nèi)部，在大流量交通和車輛反復(fù)荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成動(dòng)水壓力沖刷、細(xì)集料泵吸流失、混凝土板底空洞沒有支撐的情況，加速了混凝土板斷裂和沉降突出。
“雨水滲進(jìn)后，半剛性基層細(xì)集料發(fā)生流動(dòng)，重載車碾壓通過路面時(shí)，水泥混凝土板塊發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、斷板等一系列現(xiàn)象，嚴(yán)重影響道路通暢。”田波解釋說。
“需要研發(fā)一種新基層材料，解決沖刷問題，給混凝土板提供穩(wěn)定的支撐，就像給混凝土板做一雙合腳的鞋。”田波形象地比喻說。
什么材料既經(jīng)濟(jì)又耐水沖？研究人員巧借瀝青等材料，前后用3年時(shí)間，研發(fā)了耐沖刷的柔性過渡功能層，以及剛度適宜的松散結(jié)構(gòu)體。“徹底解決了沖刷問題，同時(shí)功能層還具有自行補(bǔ)償和緩沖動(dòng)荷載沖擊的能力。”田波說，這一技術(shù)降低了溫度翹曲引起的結(jié)構(gòu)脫空，解決了基層不均勻的支撐難題，大幅提高耐沖刷能力近10倍，降低翹曲應(yīng)力28%，降低土基2/3的不均勻沉陷等問題，相關(guān)研究形成《重載水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究》，并于2011年結(jié)題，同時(shí)在各地重載公路上得以應(yīng)用，白霍重載公路便是其中一個(gè)案例。
研發(fā)“發(fā)泡粉”，干濕相濟(jì)攪拌混凝土
2014年2月15日，廣西南寧，自治區(qū)交通廳正在對“高速公路大厚度水泥混凝土路面鋪筑技術(shù)研究”項(xiàng)目進(jìn)行成果鑒定，這是“重載水泥混凝土鋪面關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”課題中又一個(gè)子課題。
來自業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為，子課題研發(fā)的路面混凝土專用引氣型復(fù)合外加劑，在發(fā)揮其傳統(tǒng)引氣抗凍作用的同時(shí)，還能顯著改善低坍落度的路面混凝工作性，提高了其流動(dòng)性，減少了混凝土的離析、泌水現(xiàn)象，保證了水泥混凝土路面滑模攤鋪的正常進(jìn)行。
2009年9月25日，侗鄉(xiāng)人民期待已久的三江侗族自治縣至柳州市高速公路開工。建設(shè)中出現(xiàn)施工難題，即混凝土的干硬施工帶來的矛盾。
“稀的混凝土，流動(dòng)好，方便施工，但硬化干燥時(shí)，收縮大，因此混凝土易開裂；同時(shí)稀的混凝土拌合物在施工時(shí)，很容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，砂漿層上浮，碎石層下沉，這種路面肯定不耐磨，不抗滑。”田波說。
如何解決稀混凝土拌合物施工矛盾？最直接的辦法是減少混凝土拌合時(shí)的用水量，但此時(shí)混凝土又變得干硬，不方便施工。“如同和面搟面皮，只有合適的水量才好揉面，而太干的面粉則無法正常和面。”田波說。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研究嘗試采用一種“發(fā)泡粉”，用于添加在干硬的混凝土拌合物中，使其變得比較蓬松。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)建模，并尋找材料，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功發(fā)明出一種引氣材料，將大量氣泡引入混凝土拌合物中，在混凝土拌合物高頻振搗過程中細(xì)小氣泡聚集、遷移和上浮，起到滾珠作用，減少碎石之間阻力，消除因空氣泡帶來的蜂窩麻面等現(xiàn)象，從而促使混凝土拌合物經(jīng)過振搗變得緊實(shí)、致密。
“‘鋪面皮膚層構(gòu)造’‘露石混凝土雙層攤鋪’等自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的建造方法和鋪面施工技術(shù)，提高混凝土均質(zhì)性一倍以上，延緩抗滑衰減近5倍，顯著提高舒適性。”說起這些成果，田波十分自豪。
20年的研究、實(shí)踐，不僅系統(tǒng)解決了重載水泥混凝土鋪面結(jié)構(gòu)的理論、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等技術(shù)難題，突破了鋪面30年不大修的技術(shù)瓶頸。最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，課題技術(shù)已直接服務(wù)于國內(nèi)外多個(gè)重載機(jī)場、港口、公路的建養(yǎng)工程。
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