《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《大都市区沥青路面低碳快速养护关键技术与应用》
1. 项目名称: 大都市区沥青路面低碳快速养护关键技术与应用
2. 完成单位: 交通运输部公路科学研究所、北京建筑大学、 北京市道路工程质量监督站、 北京航空航天大学、 北京市政路桥管理养护集团有限公司、 中国公路工程咨询集团有限公司、 北京市政路桥建材集团有限公司、 北京首发公路养护工程有限公司
3. 主要完成人: 徐剑、 季节、 秦永春、 薛忠军、 李峰、 侯芸、 周绪利、 王杰、 吴杰、 李宝生、黄颂昌、 高玉梅、 索智、 董元帅、 曾蔚、 许鹰、张艳红、 王鹏、 张艳鸽、 何志敏、 常嵘、 任万艳、王佳妮、 周思齐、 戴建华
我国沥青路面里程超150万公里,位居世界前茅。为保证服务水平、保证服役寿命,沥青路面必须不断进行养护。我国沥青路面每年大中修养护超10万公里,产生旧料2亿多吨、消耗砂石3亿吨和燃油50亿升,为世界之最。传统路面养护技术的施工效率低、交通干扰大、能源消耗高、旧料废弃多,养护作业与畅行需求、生态保护与资源开采的矛盾突出,在大都市区超大交通量与节能减排刚性约束下变得无法调和,路面养护难以实施,道路服役寿命和服务水平受到严峻挑战。
为此,开展沥青路面低碳快速养护技术创新研发,解决“传统决策不适用、快速养护时效短、低碳材料不耐久冶等系统性技术难题,形成具有自主知识产权的路面低碳快速养护技术体系,意义重大。该项目由交通运输部公路科学所徐剑研究员牵头,北京建筑大学、北京市道路工程质量监督站、北京航空航天大学等单位共同参与,历经十余年产学研用联合攻关,破解了沥青路面低碳快速养护难题。项目主要创新如下:淤开发了多源数据融合的路面低碳养护决策系统,解决了传统决策不适用低碳快速养护需求的难题。于构建了快速-长效的路面预防养护技术,实现了全天候快速养护效果的长效保持。盂研发了超低排放的路面全结构修复技术,攻克了冷拌冷铺路面性能不耐久的难题。
项目获得发明专利16项、SCI/EI论文33篇、专著9部,主编行业标准13部,支撑建立了1个国家级科研平台和2个省部级创新团队。项目形成了以“低碳、快速冶为特征的具有自主知识产权的沥青路面高效绿色养护技术及标准体系,在北京等大都市区应用超4000公里,多项养护工程获北京市市政基础设施长城杯工程金质奖,并推广应用于交通运输部科技示范工程等十余省1万余公里工程。入选了国家和交通运输部重点节能技术推广目录,成果应用近3年新增销售额达14亿元,社会、环境、经济效益显著。中国工程院院士及多名业内知名专家评审认为“成果具有显著的创新性,应用前景广阔,总体达到国际领先水平冶。成果引领和推动了道路行业科技进步,助力了“绿水青山冶保护,社会、环境、经济效益显著。
为此,项目荣获了2020年度中国交通运输协会科学技术奖特等奖。
项目面向大都市对道路低碳和快速养护的现实需求, 取得主要创新如下:
(1) 开发了多源数据融合的路面低碳养护决策系统。研发了基于机器学习的路面病害快速精准辨识技术, 探明了路面预防、 修复养护系列技术的能耗排放特征, 量化了路面全寿命能耗分布,基于 20 年养护大数据开发了多约束、 多目标的低碳养护智能决策平台, 解决了传统决策不适用低碳、 快速养护需求的难题。
(2) 构建了快速-长效的路面预防养护技术。研发了基于材料失效模式的-40 ~ 60益 宽温域自黏式贴缝带、 即铺即通的憎水型冷补料及评价方法,开发了玻璃纤维与高分子聚合物互穿的早强增韧型稀浆混合料, 研制了黏层油喷洒-纤维切割-搅拌摊铺的同步集约施工装备, 实现了全天候快速养护效果的长效保持。
(3) 研发了超低排放的路面全结构修复技术。研发了水性高分子三维网状交联加筋型增塑改性剂, 提出了基于界面效应和宏-细观映射的沥青面层冷再生材料优化设计方法, 创建了刚度协调的活化改性橡胶弹性骨架-致密型半刚性基层增柔修复技术, 攻克了冷拌冷铺路面性能不耐久的难题。
(一)开发了多源数据融合的路面低碳养护决策系统
(1)研发了路面病害快速精准辨识技术,构建了基于养护历史修正的路面性能预测模型,为养护科学决策提供了技术支撑。研发了基于机器学习的路面病害快速识别方法,建立了路面结构强度与材料动态模量串联分析模型,实现了路面病害的快速精准辨识。通过20年养护大数据的深度分析与融合,构建了基于养护历史修正的路面服役性能预测模型。
(2)揭示了沥青路面系列养护技术的能耗排放特征,量化了路面全寿命周期能耗分布,为低碳养护决策提供了依据。探明了沥青路面预防、修复养护系列技术的能耗排放特征。建立了基于材料类型、结构形式、施工工艺的沥青路面能耗三元矩阵基础数据库,揭示了全寿命能耗分布规律(见图1)。
图1沥青路面全寿命能耗分布规律
(3)开发了多约束、多目标联动的路面低碳养护决策系统平台,实现了养护决策的信息化与智能化。开发了融合“GIS+VR冶信息技术的路况监控与低碳养护决策平台(见图2),内嵌了道路等级、路面病害识别、养护技术数据库、节能减排效益、施工效率等多约束、多目标模块,实现了路况实时监控、养护智能决策一体化。
(二)构建了快速-长效的路面预防性养护技术体系
(1)开发了裂缝和坑槽快速长效修复技术,实现了对路面局部病害的高效处治。基于材料失效模式阐明了多物理场结合下沥青-改性剂-增塑剂复杂材料体系性能演变规律,开发了自黏式宽温域(-40~60益)贴缝带及密封胶。首次提出了-40益极寒条件下裂缝修补材料的性能评价方法和技术指标。基于界面浸润理论和相似相容原理,开发了即铺即通的憎水型冷补料。
(2)研发了早强增韧型稀浆混合料罩面技术,实现了对整幅路面功能的高效提升。揭示了物理化学双重效应下稀浆混合料胶浆强度形成机制,提出了玻璃纤维与高分子聚合物网络结构体系互穿物理增韧技术(见图3),研制了60min快通型超黏稀浆混合料,开发了黏层油喷洒-纤维切割搅拌摊铺的同步集约施工装备(见图4)。
(三)建立了超低排放的路面全结构修复技术
(1)研发了零排放-高性能冷拌冷铺技术,实现了冷拌冷铺沥青混合料的高性能提升。开发了基于水性高分子的三维网状交联加筋型冷拌改性剂。提出了基于修正土工击实试验和马歇尔试验的冷拌混合料设计方法,建立了冷拌混合料本构模型,破解了冷拌沥青混合料不能应用于高等级公路面层的技术难题。
(2)研发了沥青面层冷再生材料优化设计方法,实现了废旧面层材料的高价值冷再生应用。揭示了水泥吸附和乳液聚合的胶浆结构重塑行为,研发了胶浆-旧沥青扩散程度量化表征技术。建立了冷再生沥青混合料荷载-环境耦合作用下的空间骨架结构及三维重构模型(见图5),攻克了细观结构特征与宏观材料组成及性能的敏感度关联技术难点。
(3)研发了半刚性材料高性能冷再生技术,实现了废旧基层材料的高品质冷再生应用。揭示了活化改性橡胶对新旧水泥浆体的弹性致密作用机制,提出了基于骨架重构的混合料级配改善技术,建立了不同交通荷载下的橡胶组成与掺量、水泥剂量三因素匹配方法,创建了基于路面结构层刚度匹配原则的半柔性基层结构,实现路面各结构层层底拉应力降低20%~50%(见图6)。
该项目形成的多源数据融合的路面低碳养护决策系统、快速-长效的路面预防养护技术、超低排放的路面全结构修复技术等关键技术,与国内外同类技术相比优势显著。主要参数对比见表1。
该项目研发的沥青路面低碳快速养护关键体术与应用体系总体达到国际领先水平,在保证和提高路面性能的基础上提高了施工效率、降低了工程造价、减少了能源消耗,实现了沥青路面养护向“高效施工、高效用能、高效再生冶的转型升级,推动了交通强国建设,经济、环境和社会效益显著,具有明显的市场竞争力。
北京市政路桥管理养护集团有限公司:先后在北京市二环路、三环路、四环辅路、机场北线高速公路等近200项道路工程中采用了路面低碳养护决策系统、预防性养护技术、路面全结构修复技术等。其中平蓟路、妙峰山路等十余项工程获北京市市政基础设施长城杯工程金质奖或银质奖。
北京首发公路养护工程有限公司:在北京市京新高速公路、首都机场高速公路、五环路等多个路段应用了该项目成果中的早强高性能稀浆混合料。研发的稀浆混合料可60min开放交通,施工效率比传统铣刨罩面提高5倍以上,尤其适合北京等大都市区超大车流量条件下的养护需求。
中国公路工程咨询集团有限公司:研发的憎水型冷补料、沥青层冷再生和半刚性基层增柔修复等技术,在海南、西藏等省区的多个项目推广应用。应用实践证明该技术施工便捷、干扰交通少、再生层性能优良,能满足海南高温多雨、西藏高寒冻融等我国特殊区域气候。
(1)保护道路资产,提升服务水平。本项目成果可经济高效地修复路面病害,保障道路巨额国有资产的安全和投资效益发挥。
(2)减少环境污染,促进民生改善。本项目成果可大幅减少二氧化碳等有害气体排放,使道路基础设施更绿色地促进民生改善。
(3)节约自然资源,助力可持续发展。本项目成果可大幅减少道路建养对自然资源的消耗,助力大都市区道路基础设施建设的可持续发展。
(4)缓解养护施工造成的交通拥堵。本项目可显著缓解养护施工带来的交通拥堵以及由此产生的用户时间成本和燃油消耗的增加。
(5)助推交通运输行业科技水平提升。本项目开展的路面高效、绿色养护技术研发,有力推动了交通运输行业科技水平的提升。
