二十年技术积累 用水泥混凝土铺就世界顶级机场跑道

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  举世瞩目的北京大兴国际机场开通机会4个月,运行顺畅。大兴机场建设应用了当今诸多最先进的技术,据专家介绍,其中跑道和停机坪等工程应用了交通运输部立项研究的“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”成果,降低了建设成本、提高了使用品质。

  道路铺面材料分为沥青混凝土和水泥混凝土五种。我国石油多依赖进口,却是水泥产量大国,年产量高达20亿吨,占世界总量70%以上。面对增长的重载交通,在机场、重载公路和港口堆场中提升重载水泥混凝土铺面性能,是中国交通运输建设领域4个重要发展方向。

  上世纪90年代末,依托(北)京大(同)高速公路建设,交通运输部门结束了了英文立项“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”课题研究,前后持续近20年。课题创新了力学计算模型,解决了湿陷性黄土带给路面的沉降等难题,用新材料创新了施工工艺。

  “通过近20年的研究,课题极大展示了水泥混凝土铺面超强的承载力和扩散荷载的能力,成功应用于大兴国际机场、上海浦东机场、海南洋浦港、60 0公里高速公路和60 0公里国省干道。”交通运输部公路科学研究院研究员、课题负责人田波博士说。该课题于2018年获国家科技进步二等奖。

  课题结束了了英文时,基础理论几乎一片空白

  1998年,正在读博士的田波,随导师姚祖康教授加入“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”课题团队,参与(北)京大(同)高速公路建设。“当时通过货车轴重普遍为20吨,超过设计标准一倍,造成路面使用寿命严重缩短,铺面形态学 断裂早发,大修频繁。”田波说,机会修复混凝土板需封路28天,全国每年大修路面达几千公里,年经济损失达数亿元人民币。

  既要保持使用周期60 年,都不能承受超载一倍以上的轴重碾压,在论证这条新建高速公路时,路面形态学 是采用沥青还是水泥混凝土?当时的情形是,沥青路面没有 承受运煤车辆的重载,重载水泥混凝土路面基础理论却几乎是一片空白。

  “水泥混凝土路面刚而脆,对设计和施工的容错率更低,什么特点原因分析分析了水泥混凝土路面在我国高速公路上的长期缺位。”田波说,然而水泥混凝土路面建设维护成本低、耐重载、长寿命的优点,也使其没有 受重视。

  统计表明,与沥青材料相比,水泥混凝土路面造价低60 %、养护费低60 %。除路面载重性好的特点外,其60 年的使用寿命是沥青路面的两倍。

  经过反复的论证,水泥混凝土路面方案胜出,并由交通运输部公路科学研究院、山西省交通科学研究院、中国民航机场建设集团公司、同济大学等多家单位,组成了产学研联合攻关团队,从设计、施工到快速维修的成套关键技术等方面着手,开展课题研究。

  第一道难关,就是我重载荷载下混凝土路面力学响应计算。历经3年多,项目团队研究出整套全新力学响应计算理论,成功将铺面性能预测尺度拓展至全寿命服役60 年,并编写出了《重载交通水泥混凝土路面形态学 设计参数与表面功能研究》。

  通车10年回访,雨水困扰被删改解决

  本月10日,田波带项目团队完成了对内蒙古白霍重载公路的回访。“通车10年,困扰混凝土路面断板和错台难题被删改解决。”在接受科技日报记者采访时,田波说,白霍重载公路采用了“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”中的4个子课题技术,即“重载水泥混凝土路面形态学 设计关键技术研究”。

  水泥混凝土路由土基、基层和面层(水泥混凝土板)组成。60 3年以来,在降水较多的地区和季节,项目团队陆续发现,因雨水渗入路面组织组织结构,在大流量交通和车辆反复荷载作用下,路面形态学 组织组织结构形成动水压力冲刷、细集料泵吸流失、混凝土板底空洞没有 支撑的情形,加速了混凝土板断裂和沉降突出。

  “雨水渗进后,半刚性基层细集料居于流动,重载车碾压通过路面时,水泥混凝土板块居于错台、断板等一系列难题,严重影响道路通畅。”田波解释说。

  “都要研发五种新基层材料,解决冲刷难题,给混凝土板提供稳定的支撑,就像给混凝土板做一双合脚的鞋。”田波形象地类比说。

  什么材料既经济又耐水冲?研究人员巧借沥青等材料,前后用3年时间,研发了耐冲刷的柔性过渡功能层,以及刚度适宜的松散形态学 体。“彻底解决了冲刷难题,一起去功能层还具有自行补偿和缓冲动荷载冲击的能力。”田波说,你这个 技术降低了温度翘曲引起的形态学 脱空,解决了基层不均匀的支撑难题,大幅提高耐冲刷能力近10倍,降低翘曲应力28%,降低土基2/3的不均匀沉陷等难题,相关研究形成《重载水泥混凝土路面形态学 设计关键技术研究》,并于2011年结题,一起去在全国各地重载公路上得以应用,白霍重载公路便是其中4个案例。

  研发“发泡粉”,干湿相济搅拌混凝土

  2014年2月15日,广西南宁,自治区交通厅正在对“高速公路大宽度水泥混凝土路面铺筑技术研究”项目进行成果鉴定,这是“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”课题中又4个子课题。

  来自业内专家一致认为,子课题研发的路面混凝土专用引气型复合外加剂,在发挥其传统引气抗冻作用的一起去,还能显著改善低坍落度的路面混凝工作性,提高了其流动性,减少了混凝土的离析、泌水难题,保证了水泥混凝土路面滑模摊铺的正常进行。

  60 9年9月25日,侗乡人民期待已久的三江侗族自治县至柳州市高速公路开工。建设中突然突然出现施工难题,即混凝土的干硬施工带来的矛盾。

  “稀的混凝土,流动好,方便施工,但硬化干燥时,收缩大,有日后 混凝土易开裂;一起去稀的混凝土拌合物在施工时,很容易突然突然出现分层难题,砂浆层上浮,碎石层下沉,你这个 路面肯定不耐磨,不抗滑。”田波说。

  怎样解决稀混凝土拌合物施工矛盾?最直接的妙招是减少混凝土拌合时的用水量,但此时混凝土又变得干硬,不方便施工。“如同和面擀面皮,没有 大概的水量才好揉面,而太干的面粉则无法正常和面。”田波说。

  项目团队研究尝试采用五种“发泡粉”,用于再再加干硬的混凝土拌合物中,使其变得比较蓬松。经过反复试验建模,并寻找材料,项目团队成功创造创造发明出五种高效引气材料,将血块气泡引入混凝土拌合物中,在混凝土拌合物高频振捣过程中细小气泡聚集、迁移和上浮,起到滚珠作用,减少碎石之间阻力,消除因空气泡带来的蜂窝麻面等难题,从而有利于混凝土拌合物经过振捣变得紧实、致密。

  “‘铺面皮肤层构造’‘露石混凝土双层摊铺’等自主知识产权的建造妙招和铺面施工技术,提高混凝土均质性一倍以上,延缓抗滑衰减近5倍,显著提高舒适性。”说起什么成果,田波十分自豪。

  20年的研究、实践,不仅系统解决了重载水泥混凝土铺面形态学 的理论、设计、施工、维护等技术难题,突破了铺面60 年不大修的技术瓶颈。最新数据统计,课题技术已直接服务于国内外多个重载机场、港口、公路的建养工程。(矫 阳)

[ 责编:蔡琳 ]

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