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二十年技術積累 用水泥混凝土鋪就世界頂級機場跑道

2019-11-15 08:22 來源:科技日報

  圖為白霍重載公路3公分AC10功能層新結構施工現場。 受訪者供圖

  舉世矚目的北京大興國際機場開通已經一個多月,運行順暢。大興機場建設應用了當今諸多最先進的技術,據專家介紹,其中跑道和停機坪等工程應用了交通運輸部立項研究的“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”成果,降低了建設成本、提高了使用品質。

  道路鋪面材料分為瀝青混凝土和水泥混凝土兩種。我國石油多依賴進口,卻是水泥產量大國,年產量高達20億噸,占世界總量70%以上。面對增長的重載交通,在機場、重載公路和港口堆場中提升重載水泥混凝土鋪面性能,是中國交通運輸建設領域一個重要發展方向。

  上世紀90年代末,依托(北)京大(同)高速公路建設,交通運輸部門開始立項“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”課題研究,前后持續近20年。課題創新了力學計算模型,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的承載力和擴散荷載的能力,成功應用于大興國際機場、上海浦東機場、海南洋浦港、1500公里高速公路和4000公里國省干道!苯煌ㄟ\輸部公路科學研究院研究員、課題負責人田波博士說。該課題于2018年獲國家科技進步二等獎。

  課題開始時,基礎理論幾乎一片空白

  1998年,正在讀博士的田波,隨導師姚祖康教授加入“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”課題團隊,參與(北)京大(同)高速公路建設!爱敃r通過貨車軸重普遍為20噸,超過設計標準一倍,造成路面使用壽命嚴重縮短,鋪面結構斷裂早發,大修頻繁!碧锊ㄕf,由于修復混凝土板需封路28天,全國每年大修路面達幾千公里,年經濟損失達數億元人民幣。

  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,路面結構是采用瀝青還是水泥混凝土?當時的情況是,瀝青路面不能承受運煤車輛的重載,重載水泥混凝土路面基礎理論卻幾乎是一片空白。

  “水泥混凝土路面剛而脆,對設計和施工的容錯率更低,這些特點導致了水泥混凝土路面在我國高速公路上的長期缺位!碧锊ㄕf,然而水泥混凝土路面建設維護成本低、耐重載、長壽命的優點,也使其越來越受重視。

  統計表明,與瀝青材料相比,水泥混凝土路面造價低30%、養護費低50%。除路面載重性好的特點外,其30年的使用壽命是瀝青路面的兩倍。

  經過反復的論證,水泥混凝土路面方案勝出,并由交通運輸部公路科學研究院、山西省交通科學研究院、中國民航機場建設集團公司、同濟大學等多家單位,組成了產學研聯合攻關團隊,從設計、施工到快速維修的成套關鍵技術等方面著手,開展課題研究。

  第一道難關,就是重載荷載下混凝土路面力學響應計算。歷經3年多,項目團隊研究出整套全新力學響應計算理論,成功將鋪面性能預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構設計參數與表面功能研究》。

  通車10年回訪,雨水困擾被完全解決

  本月10日,田波帶項目團隊完成了對內蒙古白霍重載公路的回訪!巴ㄜ10年,困擾混凝土路面斷板和錯臺問題被完全解決!痹诮邮芸萍既請笥浾卟稍L時,田波說,白霍重載公路采用了“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”中的一個子課題技術,即“重載水泥混凝土路面結構設計關鍵技術研究”。

  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,在降水較多的地區和季節,項目團隊陸續發現,因雨水滲入路面內部,在大流量交通和車輛反復荷載作用下,路面結構內部形成動水壓力沖刷、細集料泵吸流失、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。

  “雨水滲進后,半剛性基層細集料發生流動,重載車碾壓通過路面時,水泥混凝土板塊發生錯臺、斷板等一系列現象,嚴重影響道路通暢!碧锊ń忉屨f。

  “需要研發一種新基層材料,解決沖刷問題,給混凝土板提供穩定的支撐,就像給混凝土板做一雙合腳的鞋!碧锊ㄐ蜗蟮乇扔髡f。

  什么材料既經濟又耐水沖?研究人員巧借瀝青等材料,前后用3年時間,研發了耐沖刷的柔性過渡功能層,以及剛度適宜的松散結構體!皬氐捉鉀Q了沖刷問題,同時功能層還具有自行補償和緩沖動荷載沖擊的能力!碧锊ㄕf,這一技術降低了溫度翹曲引起的結構脫空,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,降低翹曲應力28%,降低土基2/3的不均勻沉陷等問題,相關研究形成《重載水泥混凝土路面結構設計關鍵技術研究》,并于2011年結題,同時在全國各地重載公路上得以應用,白霍重載公路便是其中一個案例。

  研發“發泡粉”,干濕相濟攪拌混凝土

  2014年2月15日,廣西南寧,自治區交通廳正在對“高速公路大厚度水泥混凝土路面鋪筑技術研究”項目進行成果鑒定,這是“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”課題中又一個子課題。

  來自業內專家一致認為,子課題研發的路面混凝土專用引氣型復合外加劑,在發揮其傳統引氣抗凍作用的同時,還能顯著改善低坍落度的路面混凝工作性,提高了其流動性,減少了混凝土的離析、泌水現象,保證了水泥混凝土路面滑模攤鋪的正常進行。

  2009年9月25日,侗鄉人民期待已久的三江侗族自治縣至柳州市高速公路開工。建設中出現施工難題,即混凝土的干硬施工帶來的矛盾。

  “稀的混凝土,流動好,方便施工,但硬化干燥時,收縮大,因此混凝土易開裂;同時稀的混凝土拌合物在施工時,很容易出現分層現象,砂漿層上浮,碎石層下沉,這種路面肯定不耐磨,不抗滑!碧锊ㄕf。

  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的用水量,但此時混凝土又變得干硬,不方便施工!叭缤兔鎿{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!碧锊ㄕf。

  項目團隊研究嘗試采用一種“發泡粉”,用于添加在干硬的混凝土拌合物中,使其變得比較蓬松。經過反復試驗建模,并尋找材料,項目團隊成功發明出一種高效引氣材料,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象,從而促使混凝土拌合物經過振搗變得緊實、致密。

  “‘鋪面皮膚層構造’‘露石混凝土雙層攤鋪’等自主知識產權的建造方法和鋪面施工技術,提高混凝土均質性一倍以上,延緩抗滑衰減近5倍,顯著提高舒適性!闭f起這些成果,田波十分自豪。

  20年的研究、實踐,不僅系統解決了重載水泥混凝土鋪面結構的理論、設計、施工、維護等技術難題,突破了鋪面30年不大修的技術瓶頸。最新數據統計,課題技術已直接服務于國內外多個重載機場、港口、公路的建養工程。

(責任編輯:王蔚)

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