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二十年技术积累 用水泥混凝土铺就世界顶级机场跑道

发布时间:2019/11/15 新技术

举世瞩目的北京大兴国际机场开通已经一个多月,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两种。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一个重要发展方向。

上世纪90年代末,依托(北)京大(同)高速公路建设,交通运输部门开始立项“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问题,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、1500公里高速公路和4000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。

课题开始时,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,铺面结构断裂早发,大修频繁。”田波说,由于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30年,还要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,路面结构是采用沥青还是水泥混凝土?当时的情况是,沥青路面不能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,这些特点导致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,也使其越来越受重视。

统计表明,与沥青材料相比,水泥混凝土路面造价低30%、养护费低50%。除路面载重性好的特点外,其30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30年,并编写出了《重载交通水泥混凝土路面结构设计参数与表面功能研究》。

通车10年回访,雨水困扰被完全解决

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问题被完全解决。”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”中的一个子课题技术,即“重载水泥混凝土路面结构设计关键技术研究”。

水泥混凝土路由土基、基层和面层(水泥混凝土板)组成。2003年以来,在降水较多的地区和季节,项目团队陆续发现,因雨水渗入路面内部,在大流量交通和车辆反复荷载作用下,路面结构内部形成动水压力冲刷、细集料泵吸流失、混凝土板底空洞没有支撑的情况,加速了混凝土板断裂和沉降突出。

“雨水渗进后,半刚性基层细集料发生流动,重载车碾压通过路面时,水泥混凝土板块发生错台、断板等一系列现象,严重影响道路通畅。”田波解释说。

“需要研发一种新基层材料,解决冲刷问题,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。”田波形象地比喻说。

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结构体。“彻底解决了冲刷问题,同时功能层还具有自行补偿和缓冲动荷载冲击的能力。”田波说,这一技术降低了温度翘曲引起的结构脱空,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的不均匀沉陷等问题,相关研究形成《重载水泥混凝土路面结构设计关键技术研究》,并于2011年结题,同时在全国各地重载公路上得以应用,白霍重载公路便是其中一个案例。

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“高速公路大厚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”课题中又一个子课题。

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同时,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、泌水现象,保证了水泥混凝土路面滑模摊铺的正常进行。

2009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,因此混凝土易开裂;同时稀的混凝土拌合物在施工时,很容易出现分层现象,砂浆层上浮,碎石层下沉,这种路面肯定不耐磨,不抗滑。”田波说。

如何解决稀混凝土拌合物施工矛盾?最直接的办法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,只有合适的水量才好揉面,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一种“发泡粉”,用于添加在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,项目团队成功发明出一种高效引气材料,将大量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现象,从而促使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方法和铺面施工技术,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。”说起这些成果,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结构的理论、设计、施工、维护等技术难题,突破了铺面30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。

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