攻克層狀結構粘韌難題 助力路面耐久服役

文/ 供圖 | 西南交通大學

截至2022年底，我國已建成公路535萬公里，高速公路17.7萬公里。在我國由交通大國向交通強國邁進的過程中，公路基礎設施的服役性能成為各方關注的重點。路面作為公路基礎設施的重要組成部分，由不同材料組成，具有典型的層狀體系特征，其性能好壞直接影響著行車舒適度、安全性與運輸成本。而在不同支撐條件的路面中，無論是路基段路面、橋面鋪裝、隧道鋪裝，還是加鋪路面，層間界面均為薄弱環(huán)節(jié)，粘結不良會帶來路面諸多病害，粘結失效易引發(fā)結構性損壞，導致路面服役壽命明顯縮短。

為實現路面層狀結構粘韌提升與耐久服役的研究目標，針對路面性能評價常規(guī)模型精度低、常規(guī)材料性能弱及常規(guī)結構壽命短3個問題現狀，需要轉變3個研究思路，即攻克層間結構多荷載粘結行為“表征難”、層與層間材料多目標粘韌性能“提升難”，以及層狀體系多類型協同強化“實現難”三大技術難題?！奥访鎸訝罱Y構粘韌提升關鍵技術及工程應用技術研究”項目在國家自然基金、省級科技計劃、省市重點工程科技攻關等項目資助下，圍繞路面層狀結構粘韌提升關鍵技術，針對層間力學及其與結構性能關聯模型、粘韌材料性能提升方法、結構協同強化技術等問題開展了系統(tǒng)研究，取得了系列創(chuàng)新突破。

/ 成果：路面層間結構多荷載粘結行為機理與表征/

路面層間特性是多荷載綜合作用力學行為表現，而目前的表征模型，大多僅采用單一參數（如摩擦系數或水平剪切反應模量），或僅考慮單一荷載（如切向或法向），但實際上實車作用下的路面層間力學行為十分復雜，尤其在啟停、加減速、彎道及陡坡路段表現得更為突出，常規(guī)模型已不適用。在路面性能與層間粘結劣化進程中，兩者互為不利影響，而目前路面結構疲勞模型尚未將此關聯。

項目總體思路

對此，項目建立了荷載與環(huán)境因素耦合作用下路面層間宏觀力學及其與結構疲勞關聯的評價模型，構建了多荷載作用下的路面層間宏觀力學模型，實現了覆蓋100%復雜路況的層間性能精準測試與評估；建立了基于“數字曲面”的路面層間細觀力學模型，揭示了亞毫米級界面構形影響下的性能形成機理；建立了層間與結構交互作用的路面分溫區(qū)疲勞評價模型，形成了路面結構性能多因素致損量化評價體系。這些模型的建立攻克了層間結構多荷載粘結行為“表征難”問題，解決了路面層間性能評價常規(guī)模型精度低的問題。

基于“數字曲面”的路面層間細觀力學模型

/ 成果：路面層（間）材料多目標粘韌性能提升措施與方法/

在粘結材料方面，國內外主要通過物理或化學改性以提高其性能，但目前僅單一改性方式尚未有效解決材料熱穩(wěn)定性問題，需要尋求復合改性新途徑；在粘結層方面，僅靠粘層油形成的面粘強度不足，為增強層間粘結，需尋求多材料混合粘結新方式。在結構層方面，國內外針對路面特定服役工況，研發(fā)了數以千計的結構層材料，但面對復雜服役工況時仍容易發(fā)生破損，需研發(fā)綜合性能更優(yōu)的結構層新材料。

對此，項目研發(fā)了路面層狀結構增粘增韌系列材料：基于聚合物改性劑極性化處理及網鏈結構熵彈性提升，研發(fā)了寬溫域超粘自愈粘層材料，固結粘結強度高達3.5兆帕，解決了普通粘結材料“低溫脆、高溫廢”的通??；基于相態(tài)、熱重、界面分析優(yōu)化橡膠脫硫/溶脹耦合行為，研制了高溶解性橡膠瀝青纖維增強復合封層，化“弱面粘”為“強層粘”，解決了潮濕環(huán)境下層間易剝離問題；研制了高黏高彈改性瀝青納米注漿半柔性上承層和高抗拉耐疲勞橋面鋪裝專用UHPC材料，實現了層間與上下部結構協同強化，解決了復雜受荷路段結構層易破損問題。該系列材料的研發(fā)突破了材料多目標粘韌性能“提升難”瓶頸，解決了常規(guī)層（間）材料性能弱的問題。

寬溫域超粘自愈粘層材料研發(fā)與評價

/ 成果：路面層狀體系多類型協同強化技術與應用/

對于路基段路面，由于基層、面層材料性質不同，在車輛荷載作用下，各結構層受力存在差異，需提高協同受力能力；對于剛柔組合、混凝土橋、隧道等混凝土基層瀝青路面，由于“剛基”與“柔面”模量差異大，車輛荷載作用下易形成剪切破壞，需提高抗剪切破壞能力；對于鋼梁板基礎路面，由于橋面板在車輛荷載作用下撓度大，梁與鋪裝層兩者變形難隨從，需提高協同變形能力。因此，對于這三類路面，應強化設計建造一體化、材料結構匹配化、需求功能協調化，需要研究攻關路面層狀體系多類型協同強化及其應用技術。

路面粘韌提升施工技術應用

對此，項目提出了路面層狀體系“層-粘-層”協同強化與性能提升保障系列技術，以及路基段同質改性瀝青路面結構協同增韌技術，顯著提升了結構協同受力能力；提出了混凝土基礎瀝青鋪面結構協同增強技術，顯著提升了結構抗剪破壞能力；提出了鋼橋面剛性超薄鋪裝協同增性技術，顯著提升了結構協同變形能力。系列技術有效提升了路面長期服役性能，突破了層狀體系多類型協同強化“實現難”問題，解決了常規(guī)結構壽命短的問題。

項目主要完成單位

西南交通大學

西南交通大學是教育部直屬全國重點大學，國家首批“雙一流”“211 工程”“特色985 工程”“2011 協同創(chuàng)新計劃”重點建設大學。學校以工見長，其中交通運輸工程一級學科連續(xù)四次獲評“A+”學科并進入國家“雙一流”建設序列。學校建有綜合交通大數據應用技術國家工程實驗室、綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室、陸地交通地質災害防治技術國家工程研究中心、道路工程四川省重點實驗室等科技創(chuàng)新平臺和科研基地，硬件實力達到全國頂尖，研究成果豐富，學術影響力大。近10 年來交通運輸工程領域新增國家級科技獎勵15 項，其中包括主持國家科學技術進步獎一等獎1 項，二等獎1 項，國家技術發(fā)明獎二等獎2 項，新增其他省部級科學技術獎一等獎近30 項，為“一帶一路”倡議和“交通強國”等國家戰(zhàn)略不斷提供助力。

四川省交通勘察設計研究院有限公司

四川省交通勘察設計研究院有限公司，成立于1957 年，自誕生之日起便以服務交通、奉獻社會為己任，始終緊跟時代脈搏、順應行業(yè)變化、積極變革創(chuàng)新，以敏銳的市場嗅覺和恪守品質的誠心匠心勇毅前行，見證并參與了四川從“蜀道難”到“蜀道通”邁向“蜀道暢”的偉大發(fā)展成就和歷史性變遷。公司持有公路行業(yè)和水運行業(yè)等18 項甲級資質和市政工程設計等16 項乙級資質，業(yè)務涵蓋規(guī)劃、咨詢、勘察、設計、工程監(jiān)理、試驗檢測、項目管理、科技研發(fā)等交通運輸全產業(yè)鏈技術咨詢服務；完成8000 多公里高速公路、12000 多公里國省干線公路勘察設計工作，160 余項勘察設計成果獲國家和部省獎勵。公司擁有“全國五家、四川唯一”的BIM 交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，屬國家高新技術企業(yè)；通過了ISO9001、ISO14001、OHSAS18001“三標”體系認證，現已成長為一家根植巴蜀大地、服務全國市場的現代工程咨詢企業(yè)。

上海市市政規(guī)劃設計研究院有限公司

上海市市政規(guī)劃設計研究院有限公司是以城市基礎設施為主的交通、規(guī)劃、咨詢、設計、科研、檢測綜合性技術服務企業(yè)。在工程檢測方面擁有交通運輸部公路工程綜合甲級、住建部建設工程質量檢測（主體結構、地基基礎、見證取樣及門窗幕墻4 個專項）等資質；燃氣設備檢測方面擁有國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備檢驗檢測甲類、上海市質量技術監(jiān)督局強制檢定和CAL 審查認可、CNAS 國家實驗室認可等資質。公司在交通發(fā)展研究、專業(yè)規(guī)劃編制、工程前期及城市基礎設施公益研究、新材料、新技術應用研究、工程設計與工程檢測等方面，碩果累累，先后獲得各類科學技術獎約50 項，其中國家級獎項7 項，部委級獎項13 項，上海市優(yōu)秀工程設計獎6 項，擁有多項國家專利成果。

項目主要完成人

艾長發(fā)

博士，教授、博士生導師。四川省環(huán)境適應型耐久性鋪面結構與材料四川省青年科技創(chuàng)新研究團隊帶頭人，研究生院副院長，道路工程四川省重點實驗室副主任，美國俄克拉荷馬州立大學訪問學者。長期從事瀝青路面結構設計理論與新材料應用技術等方面的研究工作，先后主持4 項國家自然科學基金項目和國家重點研發(fā)計劃子課題，5 項省部級項目，20 余項產學研合作項目；圍繞路面層狀結構行為理論與粘韌提升關鍵技術、路面新材料性能機理與利用技術等，發(fā)表學術論文100 余篇，出版學術專著1 部；授權專利30 余項。獲四川省公路優(yōu)秀科技工作者、中國公路學會科學技術獎、中國鐵道學會科技進步獎、中國鐵路工程總公司科學技術獎等榮譽5 項。

黃晚清

四川省交通勘察設計研究院有限公司路面結構研究中心主任，長期從事瀝青路面科研、設計與咨詢工作，主持瀝青路面施工質量監(jiān)控的多條高速公路運營10 年以上無路面自身病害，引導了四川省瀝青路面施工質量的發(fā)展。他曾主持參與省部級等科研項目10 余項，獲中國公路學會等省部級科學技術獎一等獎3 項，中國公路勘察設計協會等優(yōu)秀勘察設計獎一等獎兩項、二等獎兩項，授權國家專利10 余項，主參編行標、地標、團標10 部，發(fā)表高質量論文40 余篇，曾獲 “四川工匠”“成都工匠”、四川省公路優(yōu)秀科技工作者等稱號。

何昌軒

上海市市政規(guī)劃設計研究院有限公司研究發(fā)展中心主任，主要從事路橋工程科研和咨詢工作，先后主持參與了縱向和橫向科研項目10 余項，發(fā)表文章23 篇，編寫專著5 部，獲得專利授權27 項，編制標準11 項；取得了注冊土木工程師（巖土）、注冊土木工程師（道路工程）和注冊咨詢工程師（投資）執(zhí)業(yè)資格；獲得上海市科技進步獎二等獎1 項，中國公路學會科學技術獎三等獎1 項，上海市優(yōu)秀發(fā)明選拔賽優(yōu)秀發(fā)明金獎1 項，上海公路學會科技進步獎一等獎兩項，上海公路學會科技進步獎二等獎兩項，上海市土木工程學會科技進步獎二等獎1 項，2019 年獲得上海市重點工程實事立功競賽建設功臣稱號。