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  重交通沥青路面设计的理论体系、关键技术与工程应用  
  日期:2010-12-20    来源:  
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——2009年国家科学技术进步奖二等奖

 

重交通对路面破坏很大。

  解决路面不能承受之“重”

  沥青路面的研究和应用已有很长的历史,美、欧、日等已建立了许多具有划时代意义的设计理论和方法,但随着交通和轴载的不断增加,路面上出现了许多既有理论难以解释的损坏现象,对传统的路面设计理论和设计方法提出了严峻的挑战。由同济大学等单位承担的“重交通沥青路面设计的理论体系、关键技术与工程应用”日前获得国家科技进步奖二等奖。

  重交通对沥青路面是个考验

  为了回答沥青路面实践中遇到的新问题,美国于1987年执行了一个为期5年、投资1.5亿美元的研究计划;遗憾的是,该研究及其后续的改进,未能很好地实现其预定的目标,未能建立起新一代的路面设计理论。在该计划的基础上,2004年美国又建立了一个ME(AASHTO2002)设计指南。由于对路面损坏的机理没有准确认识,依然未能建立起适用于重交通的新一代方法。这从侧面说明了重交通沥青路面的复杂性。1988年沪嘉高速公路通车标志着我国高等级公路建设高潮的到来,但高速公路建设的突飞猛进和路面的大量损坏形成了鲜明的对照。借鉴国外成果,经过20多年研究,我国于20世纪80年代颁布了路面设计相关规范,并经90年代修订后使用至今。我国在路面技术实践上大体可分为三个阶段,即1996年以前(以反射裂缝为代表)、1997至2004年之间(以水损坏为代表)和2004年之后(以车辙为代表)。虽然这三个阶段路面的损坏特点不同,但技术上并没有实质差异,只是交通量不同造成了损坏表现的不同。我国道路运输中重车比例高,货车比例平均为37.5%,远大于国外的平均数12.6%,加上超载的作用,繁重程度为国外的10倍,这导致路面寿命仅5到8年,甚至一两年,损失巨大。这些道路建设使用了当今最新的材料,施工技术也有了长足的进步,但并没能有效延长路面寿命。除了车辆超载等原因外,路面技术上的缺陷是主要的因素。

  在理论上,国内外路面分析和设计理论存在如下共同缺陷:一是对重交沥青路面损坏机理的认识不全面、不确切、不正确,未能及时发现新条件下的新变化。二是路面力学特性与使用性能间缺乏定量的联系,力学分析结果没有针对性,不能控制高轮压下的局部损坏,不能定量指导路面结构组合设计。三是材料试验与路面结构之间缺少“相似性”,材料设计过程与结构设计过程是“双轨制”,这是一个很大的缺陷。四是设计理论中对温度的考虑缺少科学的定量,并忽略了湿度或水的影响。五是过于注重一次性投资,未考虑整个寿命周期内的经济因素。

  按性能设计 按力学验算

  针对上述路面结构设计理论中的重大缺陷,从1991年开始,在多项国家自然科学基金、上海市科技启明星计划、国家杰出青年科技基金、教育部、原交通部以及多省市众多部门和企业科研课题的支持下,经过18年的艰苦研究,项目在理论上取得了重大突破,在应用上取得了重大成效,原创性地建立了一套适用于重交通的完整设计理论和关键技术。通过研究,揭示了重交路面损坏的新机理,解释了自上而下开裂的必然性,提出了路面损坏的新类型和新模式。研究建立了“按性能设计,按力学验算”的设计理论和结构—材料—性能一体化的设计技术,提出了新的设计指标和路面全寿命结构行为方程;提出了等效结构变换法,统一了国际路面核心设计方程,建立了室内疲劳试验结果与现场寿命的关系;发现了影响路面温度的新因子,建立了实用路面温度预测方法;提出了抗剪强度测试原理并研发了测试设备,突破了重交通路面设计的瓶颈。

  多年来,项目组还研制了多种具有知识产权的改性沥青技术,包括F1赛道特殊改性沥青,形成了品牌。

  成果已在各地的(高速)公路、城市快速路、桥面铺装、机场跑道等工程中大量使用,许多路面的设计发生了重大变化,路面寿命显著延长,所提出的路面设计新理念和新理论已被广泛接受,大大推动了行业的科技进步。

 

(转自2010年1月15日《中国交通报》) 

  
 
 
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