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  激发基层创新活力 挑战公路科技难题  
  日期:2014-08-26    来源:中国交通报  
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    6月26日,部科技司在部机关五楼视频会议室举办了第十八期交通科技大讲堂。本期科技大讲堂是部科技司落实群众路线教育实践活动深化整改的具体措施,专门邀请基层科技创新的代表——安徽省滁州市公路管理局局长蒋新明介绍基层单位科技创新工作的体会、经验和成果。

一、为什么重视科技创新工作? 
    作为基层的公路管理单位,主要从事公路建管养工作,按理说,科技创新不是我们的主业,但我们长期被一些关键技术问题困扰。 
    (一)基层对科技需求的迫切性 
    90年代后期,滁州市沥青路面大多采用二灰碎石、水稳碎石等半刚性基层,沥青面层在6cm厚左右,路面基层强度得到大幅提高,但在实际使用中发现,沥青路面在改造后不久就出现了开裂、冒浆等病害,甚至出现“一场雨水、一片冒浆、一路坑槽”现象,社会反响很大。针对半刚性基层顽疾,公路养护单位显得束手无策,道班只能疲于应付,像“消防队”一样到处修补病害,弥补公路建设的缺陷,新路也很快变成了“乞丐路”。常规的解决办法就是大修,重新加铺补强一层,个别路段在五年内加铺了三次,老百姓形象地称“路比树长得快”。即便这样,还是很难提高公路服务水平。 
    1998年前后,我局修建了4条水泥混凝土路面,尽管我们从源头上加强质量管理,但路面抗弯拉强度难以提高,使用寿命也很难达到设计年限。究其原因,主要是公路建设先天不足,虽然可能有管理方面的因素,但更多的是技术原因造成的。我们深深地感到,要修好路,必须要有强有力的科技作支撑,科技创新是公路建设质量得以保障的重要基础,是我们基层主业中的“主业”。 
    (二)基层开展科研工作的优势 
    尽管我们不是科研单位,但通过对自身条件进行客观分析,认为也具有一定的科研优势: 
    1.有一大批长期从事工程的技术人员。我局共有工程技术人员198人,其中高级工程师24人,工程师101人,分别在公路设计、施工、监理、检测、养护管理等各个岗位,知识结构多元化。 
    2.技术人员有丰富的现场感悟。工程技术人员长期在工程一线,能够对公路建设、使用、养护到新一轮改造进行全过程跟踪观测,直接面对生产,最接地气。因而,对工程具有丰富的感性认识。 
    3.科研能快速、充分地与工程项目相结合。作为地市级公路局,每年均有新改建、大修工程建设任务。我们能整合各种资源,在经过论证后,对生产中急需解决的问题,利用科研快速通道,使科研工作充分结合工程项目,快速推进实施。
为弥补科技创新理论水平不足,我们还积极与高校和科研院所开展合作,寻求技术上的支援。 
    

二、怎样开展科技创新工作? 
    1.成立科技工作领导小组,制定奖励办法。制定《滁州市公路局科技创新奖励办法》,设立成本节余奖、质量贡献奖和合理化建议奖等,用于奖励科技项目中作出贡献的个人、集体。近几年,先后奖励35人次,累计奖励金额46.4万元,激发了工程技术人员的活力和潜能。 
    2.成立项目课题组。近年来,我们针对急需解决的技术难题,成立项目课题组,开展专项研究。 
    3.开展多种形式的技术大讨论。召开各种形式研讨会、培训班,通过给技术人员发送短信、征求合理化建议,开展专题大讨论等方式,积极营造良好的科技创新氛围。近年来,先后开展讨论、培训1000多人次。 
    4.采取“走出去、请进来”的办法。组织技术人员考察学习,交流经验;先后与交通运输部公路科学研究院、长安大学、东南大学等科研院所、高校进行合作。

三、开展的主要科技研究项目 
    (一)基础性课题研究 
    我们围绕如何提高公路耐久性,选择对质量影响大的“水泥混凝土路面抗弯拉强度”及“沥青路面半刚性基层裂缝”两个基础性课题进行深度研究。由于基础性课题具有难度大、周期长的特点,在研究过程中,我们遇到重重困难,也曾彷徨过、迷茫过,但都最终坚持下来,没有退缩。 
    1.水泥混凝土路面抗弯拉强度研究 
    该研究成果解决了影响路面水泥混凝土强度的关键问题,利用该技术施工的水泥混凝土路面具有强度高、节约水泥、施工方便等优点,能显著提高混凝土路面耐久性。    

    ①提出问题。我们查阅了大量的国内外有关资料。一直以来,我国在水泥混凝土方面的研究以抗压为主,在抗弯拉强度方面仍需进一步研究。 
    ②理论分析。我们从分析水泥混凝土的微观机理和级配设计着手,通过水对抗弯拉强度作用机理的深入研究,找准了影响抗弯拉强度的关键因素,并着力加以解决。 
    ③试验验证。在机理分析取得突破之后,我们按机理设计的配合比进行了多次、反复的试验室验证。 
    ④道路验证。课题依托省道311定远段大修工程做了对比试验(各5公里),在人员、设备和原材料产地均不变的情况下,水泥用量节约了15%,抗弯拉强度提高了17.4%。我们还通过其它工程进行了大量的道路验证。 
    (2)影响抗弯拉强度的机理分析 
    ①不良界面过渡区是影响抗弯拉强度的关键因素 
    水泥混凝土由骨料、砂胶和界面过渡区三相组成。界面过渡区是指由于水的集聚而在骨料界面处形成的多孔疏松的网状结构。如果水过分集聚,就形成不良界面过渡区。 
    当混凝土受压时,不良界面过渡区对抗压强度影响很小,可以忽略不计;但受到拉应力作用时,砂胶和骨料很容易在不良界面过渡区产生剥离,造成骨料参与强度贡献率不高,影响混凝土抗弯拉强度。 
    ②为什么水会集聚在骨料表面 
    常规配合比设计采用逐级填充理论,骨料为连续级配。经试验分析,砂胶富余过多(约富余17%),过多的“富余砂胶”势必将骨料悬浮在砂胶中,使混凝土在振捣完成后,初凝之前,呈半液态特点。由于水的比重最轻,在重力作用下,骨料及水泥颗粒下沉,水则不可避免地向上浮。水在上浮过程中,如果遇到骨料,一部分水就聚集在骨料的底部和侧面,形成界面过渡区;多余的水继续上浮直至混凝土表面,产生泌水现象。

  
    常规路面混凝土水的上浮和集聚过程图

 

 

    由上述机理分析得知:在混凝土凝结过程中,内部密度大的物质下沉,密度小的物质上浮,水在这一过程中集聚在集料底面或侧面,形成不良界面过渡区,造成砂胶对骨料握裹力丧失,破坏骨料对混凝土抗弯拉强度的贡献。这种因水分子上浮而引起的连锁反应称之为“浮力效应”。 
    (3)解决问题的思路和方法 
    要提高路面水泥混凝土抗弯拉强度,必须减少不良界面过渡区,我们从两个技术路径进行了研究: 
    首先采用减少用水量,添加减水剂的常规方法。但事实表明,只能适度提高抗弯拉强度,而且成本高,控制难,效果差,必须寻找另一条路径。
通过对以往工程进行梳理总结,反复研究,既然是“浮力效应”造成的,何不用物理的方法解决物理现象,去改变浮力的外部条件呢?于是找到了巧妙的新思路和方法。
克服“浮力效应”思路。在混凝土中采用适度的“富余砂胶”,使拌合好的混凝土由偏液态向偏固态过渡,由于主骨料形成框架,骨料重力通过框架传递给地面,包裹在砂胶里面的水将不受骨料挤压,以达到克服“浮力效应”。


“浮力效应”逐级克服原理图

 

    实际应用中,我们采取“一抽两减”的办法来减少“富余砂胶”,以克服“浮力效应”,一抽:将集料中瓜子片(4.75mm-9.5mm)一级抽除,以增加空隙率,这样,就相对地减少“富余砂胶”量;两减:一是适当减少砂率,一般较常规减少3-4 %,用以减少“富余砂胶”绝对量;二是减少水泥用量。试验表明,约5-7% 的“富余砂胶”保证了主骨料形成框架的前提下,有足够的砂胶填满空隙,施工和易性不受影响。 
    综上所述:“浮力效应”是造成水对抗弯拉强度影响的主要因素,提出了减少“富余砂胶”是克服“浮力效应”的思路和方法,以增强骨料在混凝土中强度的“贡献率”,从而达到提高抗弯拉强度的主要技术路径。 
    (4)新型抗弯拉水泥混凝土路面优点 
    一是强度提高。经统计,我市采用新技术施工的水泥路面抗弯拉强度平均提高15%左右。 
    二是节约水泥。经统计,采用新技术施工的水泥路面水泥用量较以往下降12%左右。 
    三是施工简单方便。由于对水灰比的敏感性下降,施工管理简单方便;因基本无泌水现象,工序衔接紧凑。 
    四是无需外加剂。新技术简单可行,质量可控,施工中无需增加任何减水剂或其他外加剂。 
    2.沥青路面半刚性基层裂缝研究 
    半刚性基层收缩裂缝,是目前一直没有很好解决的技术难题,可以说裂缝是半刚性基层的“癌症”,特别是普通公路薄层沥青面层表现尤为突出,裂缝造成基层唧浆等病害,影响公路使用品质和寿命。现在通常采用“姑息疗法”,即允许裂缝的存在,通过增厚沥青面层、调整半刚性基层配合比等方法,来延缓或减少裂缝带来的不良影响,但不能从根本上克服。 
    (1)项目研究主要经历了三个阶段: 
    ①配合比调整阶段(2000—2002年) 
    主要研究思路:调整材料配比,具体措施包括:减少细料用量,增大粗骨料比例、减少结合料用量、掺加外掺剂等。 
    结果:裂缝只能减少,不能克服。 
    ②摩阻约束阶段(2002—2004年) 
    主要研究思路:半刚性基层裂缝主要是由于四季温度变化引起的,路面越往下温度变化幅度越小。我们采用逐级层间约束的思路,控制基层材料的约束条件来改善开裂。 
    结果:有一定抗裂效果,但施工繁琐,难以操作。 
    ③探索新型基层结构阶段(2004年至今) 
    由于半刚性基层形成整体板块,必然产生收缩裂缝;柔性基层又容易造成水平推移,产生网裂下沉等病害。受到中国传统儒家思想“中庸之道”启发,探索一种介于半刚性和柔性之间的新型基层结构—水稳填充大粒径碎石基层。 
    新型基层结构的探索过程:我们大胆假设,能否将半刚性基层和柔性基层进行融合,保留两者的优点,克服两者的缺点,即:以主骨料形成框架,细料水稳填充空隙,其强度主要来源为主骨料间的框架嵌挤作用;水稳填隙料起到稳固主骨料框架作用,丧失与主骨料粘接力,从而使整体半刚变为空隙内的局部半刚。
这种假设状态,结构承载呈柔性特点,而空隙内的水稳填料,又克服了柔性基层水平推移的缺点。 
    现实中,很难实现这种理想状态,我们通过配合比和施工工艺共同调整来靠近这种状态,将“拒压空隙”概念引入,作为局部半刚的裂缝源,并尽量弱化主骨料与填料粘接力,便于裂缝源扩展。“拒压空隙”来自于增大、增多主骨料;二次拌合的施工工艺,弱化了主骨料与填料粘接力。 
    (2)配合比及施工工艺 
    施工配合比:基层材料主要由大颗粒骨料(公称最大粒径26.5-53mm)作为框架,用细料水稳(12.5 mm)作为填充料,以骨料在堆积状态下的空隙率来确定填充料的数量,一般情况下骨料与填充料之间的质量比在52:48左右。配合比的显著特点:主骨料含量大。
施工工艺流程:首先,用摊铺机将大颗粒主骨料直接摊铺在路上,水稳填隙料则采用集中场拌,运至现场;然后,将填隙料均匀摊铺在主骨料上,用稳定土拌和机进行二次拌合,确保翻拌均匀;最后,整平、碾压成型。 
    (3)特性及适用性 
    ①刚柔相济 
    新基层结构抗压回弹模量在900Mpa左右,介于半刚性和柔性之间(柔性基层一般在300Mpa左右,半刚性基层在1800Mpa左右),因而是一种刚柔相济的新型基层结构。 
    ②与半刚性基层相比,具有克服裂缝的特点 
    由于大粒径骨料的存在阻断了连续水稳板体的形成,使得应力不能连续传递,从而弱化了整体半刚,保留空隙内填料的局部半刚,可有效克服裂缝产生。
拒压空隙产生薄弱点:由于超大粒径骨料紧密嵌锁形成主框架,而水稳填隙料不能完全填满空隙,将保留一定的拒压空隙率,两种材料之间存在薄弱点,产生微裂缝。
骨料与填料粘接力弱化:通过二次拌和的方式施工,主骨料表面裹覆的水泥量相对较少,与水稳填隙料之间的粘接力变弱。 
    ③与柔性基层相比,具有克服水平推移变形的特点 
    由于水稳细料在大粒径骨料间隙形成小的水稳团块,对大粒径骨料框架起到有效地支撑和侧向限制作用,避免了材料的水平推移和蠕变变形发生,可以克服柔性基层网裂下沉的缺点。 
    ④适用范围 
    新基层结构具有良好的抗裂性,可用于一般基层补强,也可用于半刚性基层与沥青面层之间的柔性过渡层。 
    以上两个课题一个共同特点,就是打好“三张牌”,即:骨料、填料、胶结料,三种材料有机组合,巧妙出牌,一个强化,粘得紧;一个弱化,粘不牢,使基础性课题更具有原生态性。 
    (二)一般性技术应用研究 
    近年来,我局除开展基础性课题研究外,还因地制宜地开展了一般性技术应用研究,现场解决多项施工难题。 
    1.以人为本,提高道路桥梁通行安全性,如:公路紧急避险区设置、反光示警桩、危桥抗超载设计等。 
    2.重视环保,对废旧材料循环利用,节约工程建设成本:先后开展了沥青再生、破碎水泥混凝土再利用、桥梁改造板上加板。 
    3.因地制宜,巧思妙想,解决建设中具体问题,保证质量,提高效率:振捣水稳特殊路段应用、街道软基巧处理、涵洞窄填素混凝土。 
    例如:公路陡坡急弯紧急避险区设置 
    S312来安长山段地处山区,弯多坡陡,以前每年要发生大小事故200多起,老百姓称“十里长山头,两处鬼门关”。2006年,我局实施安保工程,借鉴汽车试验场高速环形跑道设计思路,在工程设计中融入了“容错理念”,在弯道外侧创新设计了超高40%,宽2.7米的“紧急避险区”。该设计容许驾驶员在刹车失灵的情况下驶入“紧急避险区”,保证车辆在高速行驶中不会因离心力而侧翻。安保工程实施后,有效地遏制了该路段事故频发的态势,避免了多起因超速或方向失灵造成的重大交通事故。 

四、科技成果应用 
    1.新型抗弯拉水泥混凝土 
    采用新技术能够延长道路使用寿命,减少维修费用,耐久性显著提升。滁州市目前推广应用该技术的公路共24条,计219公里,其中:国省干线公路133公里,县乡、农村公路86公里。 
    早在1999年,该技术在104国道明光北段应用,平均抗弯拉强度6.581Mpa,已使用十五年,拉砂石重载车辆非常多,目前路况良好。2008年,我局采用该技术施工的水泥路面76.3公里,抗弯拉强度平均值6.12MPa,经调查,目前基本无断板、错台等病害。 
    2.水稳填充大粒径碎石基层 
    作为一种全新的路面基层结构,目前,我们主要用于半刚性薄层沥青路面大修改造工程中,效果明显。2005年以来,已在我市一级、二级及三级公路上推广应用102公里,最早的已使用近十年,路况良好。使用新型基层结构的沥青路面无半刚性基层裂缝、冒浆及柔性基层网裂下、沉等病害,养护成本显著降低。经过多年的工程试验与长期性能验证,具有良好的抗车辙能力,在造价基本持平的情况下,提供了更好的使用品质。 

五、经济、社会效益 
    经过十多年持续不断的科技创新活动开展,为滁州公路科学发展注入新的活力,滁州公路路况及服务水平大幅提升。公路科技创新不但提升了工程质量、降低工程造价,同时节约了大量的资源,促进了“两型交通”的发展。 
    1.新型抗弯拉水泥混凝土 
    我国目前在县乡和农村公路大量使用水泥混凝土路面。新型抗弯拉混凝土较普通混凝土在经济效益、耐久性及节能减排等方面优势明显。 
    节约成本方面:仅2008年,我局修建水泥路76.3公里,节约水泥9500余吨,节约成本360余万元。若此项技术推广于全国,每年可节约水泥约400万吨,直接节约工程成本约13亿元。 
    由于路面强度高、耐久性好,公路使用周期延长产生的间接效益将大大超过节约的直接效益。 
    节能减排方面:若此项技术推广于全国,因节约水泥,每年可少消耗煤约50万吨、电3亿多度,节约石灰石等资源,可减少向大气排放粉尘和有害气体,环境效益突出。 
    2.水稳填充大粒径碎石基层 
    新基层结构适用性强,可以作为半刚性基层和沥青面层间柔性过渡层,也可作为半刚性基层损坏大修加铺层,可应用于各级公路的建设和改造,具有潜在的应用前景和推广价值。但仍需进一步完善,总结,同时可根据新的施工工艺研究配套施工机械,更有利于推广。 
    可作为探索长寿命沥青路面新的途径 
    长寿命沥青路面一直是国内外广泛关注和讨论的问题,美国长寿命沥青路面主要采取全厚式,由于我国石油资源缺乏,不可能像美国那样把沥青面层做得足够厚。要做到“路面长寿命”,基层必须保证“长寿命”,由于新基层结构有效解决了半刚性基层开裂的顽疾,给我国研究非全厚式长寿命沥青路面提供了新的技术路径。 

 

六、体会与建议 
    (一)由于基础性课题研究时间长、难度大,可能经过多次周而复始的循环,要注重研究方法,努力做到“先明理、后试验、再实体”,以达到事半功倍的效果。 
    (二)基层单位有强烈的科研需求和一定的科研潜力。如基层生产单位能与科研单位在科技创新方面有机结合,形成合力,将会进一步推动交通科研工作快速发展。 
    (三)基础性课题研究难以市场化,但研究意义重大。希望上级更加关注支持,在政策、资金和机制上给予更多的倾斜和保障。

  
 
 
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