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山西交通科学研究院主持完成“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”获国家科学技术进步奖二等奖
让“负重前行”的道路轻松起来
山西商报网 2019-01-10 10:53  来源:山西晚报

从1998年到2018年,20年,我省交通领域喜获国家科学技术进步奖。

从秦时的驰道、汉丝绸之路到唐宋御道、明清官道,再到今天贯穿全球的“一带一路”,道路对于促进经济发展的重要性不言而喻。自一个多世纪前,水泥混凝土路面发展起来,其较强的承载力使其迅速在传统铺面建设中脱颖而出。如今,我国超过90%的机场跑道、70%的港口堆场和60%的公路路面均采用水泥混凝土铺面,为我国交通运输做出了重要贡献。

然而,随着现代交通重轴载、多轴化趋势的发展,混凝土铺面普遍面临早期断裂易发、抗滑衰减加快、舒适性能降低、维修难以实施等世界级难题,严重影响运行品质和效率,缩短使用寿命,并危及飞机和车辆安全。

为此,自1998年起,山西省交通科学研究院牵头联合交通运输部公路科学研究所、同济大学等单位的专家学者,围绕这一难题潜心钻研,开展了重载和环境耦合作用下混凝土铺面结构的设计理论与方法、材料与施工工艺、快速维护技术等研究,系统解决了重载作用下混凝土铺面的理论、设计、施工和维护等技术难题。成果“重载水泥混凝土铺面关键技术”成功应用于山西京大、得大、大同西北环、太古、平榆、阳左、长临等高速公路,大同电煤集运通道、吕梁、朔州等地的重载公路,北京新机场、上海浦东机场、喀麦隆kribi深水港、海南洋浦港等铺面工程中,并在中国及“一带一路”沿线国家近千个机场和港口、上万公里的重载公路和百万公里乡村道路的新建、更新与升级中发挥作用,对建设交通强国和质量强国,保障国防安全,意义重大。

A 重载频繁公路受损“严重”

众所周知,山西是我国最重要的能源基地之一,每年数亿吨煤炭通过公路运输销往全国各地。如此规模的重载煤运车辆在保障国家电煤运输体系安全的同时,也给公路建养带来了严峻的考验。运煤重载公路“修了坏、坏了修”的魔咒一直困扰着混凝土路面的建设。

为彻查重载车辆特征及路面损坏原因,项目组先后组织近千人次、历时3年,顶风雨、冒严寒、战酷暑,对近百条重载高速、干线公路的交通情况进行了摸排,大量双联轴、三联轴重载煤运车辆令人心惊。在重荷载、高频次作用下,普通混凝土路面结构、材料,以及常规设计和施工方法均远远无法满足使用需求。

理清重载特征后,在混凝土路面结构和材料上下功夫便成了当务之急,这功夫一下便是整整5年。混凝土铺面的温度场是影响其结构性能的重要因素,而我国南北方气候迥异,温度梯度差别巨大,为了给出全国都能使用的温度梯度计算式,项目组历时2年,遍寻大江南北,收集了分布在乌鲁木齐、漠河、拉萨、广州等全国各地194个站点最近50年的气象资料,绘制了不同混凝土铺面结构近10年的温度场图谱,给出了3区12项体系的全国混凝土铺面结构气候分区及分析参数。

针对重载作用下基底沉陷、层间脱空等引发的混凝土铺面损坏问题,项目组通过现场取芯、室内成型等方式开展了11820组不同材料的耐冲刷试验和三轴重复压缩试验,仅实验室废件就堆满了两间厂房,最终建立了基层冲刷系数和土基塑性、弹性应变比的预测模型,为解决铺面脱空断裂提供了理论依据。

在突破层层困难,解决一个个的难题之后,项目组建立了双参数地基上的双层复合板模型,突破了传统理论存在奇异点等基础理论问题,将临界荷位应力与位移的计算精度提高了50%以上;系统整合了荷载作用模式和等效温度应力的时空变化特征和4种标准计算模态,提高铺面结构近10倍的耐冲刷能力,降低28%的翘曲应力,降低土基2/3的不均匀沉陷……每一个进步的背后都是科研人员不懈努力的见证。

B 攻克难关团队研发创新

针对机场不停航施工的迫切需求,团队又研发了“三维扫描、精细预制、低扰破除和精准装配”一体化快速修复技术,解决了不停航施工难题。采用地质雷达技术,检测出铺面结构内部缺陷;基于3D测量技术,扫描并重构旧铺面的三维尺寸,实现精细化板块预制;研发旧水泥混凝土板整体顶升拆除装置,实现低干扰快速破除;研发多角度、大量程调平装置实现高精度装配。

针对维修用混凝土的快硬需求与无法长距离运输之间的矛盾,项目组基于水泥基材料缓凝与速凝平衡机理,又发明了混凝土二次拌和用分散剂和促凝剂,通过对运至现场的大流态混凝土实施二次拌和,以实现混凝土现场自密、促凝,将延续近百年的28天的传统维修周期天缩短至6小时。对于项目组成员而言,每一个难关的攻克,都是下一次攻坚旅程的开始。面对不断涌现的新问题,他们从未有丝毫退缩,始终一如既往,迎难而上。针对脱空铺面结构,基于小尺寸效应和纳米改善液固相接触面技术,并经高速机械搅拌的破壁效应,最终将注浆浆体的流动性由22s提到12s,并且采用纳米改性自流平水泥基注浆修补材料,实现了2小时内达到开放交通的美好愿望,令业内侧目……

不仅如此,依托项目成果,项目组还编制了国家标准《水泥混凝土铺面技术标准》《民用机场水泥混凝土道面设计规范》《港口道路与堆场设计规范》《公路水泥混凝土路面设计规范》《民用机场飞行区水泥混凝土道面面层施工技术规范》《公路水泥混凝土路面施工技术细则》《公路水泥混凝土路面养护技术规范》《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》等10部国家行业标准,构建了涵盖设计、施工、试验、验收和养护技术的国家和行业标准体系,对机场、港口堆场、重载公路建养起到了积极的指导作用。并且,随着“一带一路”倡议的实施,大型设计、施工企业将越来越多地参与到沿线国家交通基础设施建设中,主导该领域国际技术标准的制定,对于沿线国家交通基础设施的互联互通具有重要作用。

C 捷报传来山西喜获二等奖

从1998年1月1日项目“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”正式拉开大幕起,至2014年12月31日止,项目历经了整整17年的时间,其间种种艰辛磨难数不胜数。幸运的是,一步一个脚印,一步一个阶梯,科研人员最终用独一无二的毅力与坚持将布满泥泞的崎岖坎途化作了绿林环拥的康庄大道。

2018年1月8日,中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。山西省交通科学研究院主持完成的这一“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”项目,荣获国家科学技术进步奖二等奖。该项目构建了重载混凝土铺面的国家及行业标准体系,攻克了结构计算理论和结构早期断裂控制技术、高品质建造方法和施工技术和铺面快速修复技术等一系列难关。成果获发明专利17项,总体达“国际领先水平”,并成功应用于喀麦隆、白俄罗斯和我国11个省市的重载机场、港口、以及1500余公里高速公路、近4000公里国省干线公路的建养工程中,近三年取得经济效益5.63亿元,系统解决了重载水泥混凝土铺面结构的理论、设计、施工、维护等技术难题,突破了铺面三十年不大修的技术瓶颈。

该奖项是山西省唯一主持完成的获奖项目,是山西省交通运输领域近20年来取得的国家科技最高奖项,也是山西交控集团坚持科技创新、引领产业发展取得的重大成果,对山西交控集团提升核心竞争力、推进高质量发展具有里程碑意义。

作者:赵德伟 张艳聪
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