防微杜渐诊治沥青路面裂缝

文/同济大学 庞亚凤

获奖等级：一等奖

项目名称：沥青路面开裂损伤演化机理与防治技术及应用

裂缝是沥青路面的顽症，以开裂为主的路面损伤具有显著的多因素耦合和多尺度特征。在道路材料类型丰富、路面结构组合多样，以及多变的交通荷载和复杂的环境影响下，沥青路面的开裂损伤机制难以掌握，病因的不确定性造成了裂缝处治存在“头痛医头，脚痛医脚”的现象，裂缝防治成为道路工程界的国际性难题，建立高质量、高效率、强保障的路面开裂病害防治技术体系迫在眉睫。

从“亡羊补牢”到“未雨绸缪”的理念转变

长期以来，沥青路面损伤演化机理不明晰，病害处治技术普遍存在施工效率低、材料耐久性差等问题，沥青路面病害防治亟需理论突破和技术发展。在解决沥青路面裂缝防治的重大技术难题上，还存在着裂缝防控难和裂缝处治难的挑战，几乎所有的沥青路面均发生不同程度的裂缝病害，大多数公路通车一年后即出现裂缝，并且处治材料失效率高、次生病害多、施工效率低等问题时有发生。

针对这些国际性技术难题，同济大学、北京航空航天大学、交通运输部公路科学研究院、中交第一公路勘察设计研究院有限公司、北京中天路业科技有限公司、北京路新沥青混凝土有限公司、太原理工大学、上海浦东路桥（集团）有限公司和上海浦东建筑设计研究院共同组成的研究团队依托20多项国家自然科学基金、国家重点研发计划、交通运输部科技项目等课题资助，历经10余年的系统研究，沿着“精确解析-主动防控-高效处治”的技术路线，突破了路面损伤起裂演化机理、路面裂缝主动愈合方法、路面病害高效处治技术等系列瓶颈问题，创建了具有自主知识产权、经大规模工程应用验证的路面开裂病害防治技术体系。

←沥青路面开裂损伤演化机理与防治技术及应用项目研究思路

← 组图：微观尺度分析沥青-集料界面吸附扩散机制和界面失效模式多因素耦合作用机制

该项目的研发思路是从“亡羊补牢”的被动式养护到“未雨绸缪”的主动式防控与高效处治，解决“沥青材料损伤演化机理精确解析”这一科学问题，面向裂缝防治这一道路工程界的国际性难题，研发裂缝主动防控和高效处治技术。

项目组以理论为指引，应用为导向，就多因素耦合作用下沥青混合料界面断裂失效机理、界面弱化影响下的沥青混合料性能劣化演变规律、沥青混合料裂纹萌生到扩展的多尺度联动机制、沥青材料裂纹自愈合行为理论与评价、沥青路面微胶囊自愈技术、铁氧体微波自愈技术、裂缝处治材料性能表征及技术应用、冷补料和地聚合物灌浆材料研发与应用、高弹抗裂超薄罩面材料研发与应用等方面开展了深入的研究，解决了面向裂缝防治“高效耐久”的工程需求和技术难题。

创新全生命周期路面损伤诊治技术

项目组利用跨学科交叉互补研究的方式，结合中医学理论中“审证求因，审因论治”的核心思想，形成了包括“明病理—沥青路面界面开裂的多尺度演化机理”“治未病—沥青路面损伤主动愈合方法”“治已病—沥青路面裂缝高效处治技术的系列创新成果”，对道路工程界裂缝防治这一国际性难题的破解起到了巨大的推动作用，项目创新成果总体达到国际领先水平。

明病理 沥青路面界面开裂的多尺度演化机理

沥青胶浆和集料之间的界面是沥青混合料中的薄弱环节，界面抵抗开裂的能力直接影响沥青混合料的强度及耐久性。在微观尺度，项目采用分子动力学，从能量角度和分子运动角度明确了多因素影响下的沥青分子在集料表面的吸附和扩散机制；揭示了沥青膜厚度、集料表面粗糙度、水、老化等对界面断裂模式(黏附性破坏/黏聚性破坏)的耦合作用机理。从细观尺度上，项目提出了沥青混合料界面微区性能采集的标准实验方法，构建了考虑界面的等效集料模型，克服了界面区尺寸过小而难以进行数值模拟的瓶颈，阐释了界面对性能劣化（蠕变性能、弹性模量、裂纹扩展）的影响。在宏观尺度，项目提出了考虑自愈效应的开裂区黏弹塑本构模型，采用数字图像相关技术和单轴蠕变等试验，获取了不同温度、加载频率下开裂区本构参数，通过两阶段耦合模型，建立材料性能与路面结构性能之间的定量关系。

治未病 沥青路面损伤主动愈合方法

沥青具有一定损伤自愈合能力，但自愈效率较低，如能通过技术措施强化沥青混合料的自愈合行为，将显著延长沥青路面的服役寿命。项目构建了考虑裂面处沥青分子浸润及沥青分子扩散的两阶段裂纹自愈合模型，提出活化能指数评价沥青材料自愈合能力，为自愈合沥青混合料组成设计确立理论基础；开发了适用于沥青路面的微胶囊自愈合材料，使沥青路面萌生微裂纹初期即可自动响应并主动修复，添加微胶囊后的沥青混合料疲劳寿命提升2.2倍。项目研发了铁氧体微波自愈技术，自主研发了微波辅助设备，通过微波加热的方法实现多次、全域裂纹愈合，疲劳寿命提升2.3倍；提出“断裂过程区裂纹发育程度”的评价指标，以制定微波自愈养护优化方案。

治已病 沥青路面裂缝高效处治技术

面向路面病害高效耐久处治的工程需求，聚焦路面裂缝及其衍生病害，从技术标准、材料研发和施工工艺三方面克服了传统技术普遍存在的技术瓶颈。项目研究建立了沥青路面裂缝坑槽材料标准体系，广泛调研了裂缝处治失效破坏模式，提出了材料性能表征方法，开发了相关试验仪器；研发了沥青路面裂缝及其衍生病害的高效处治材料，实现了裂缝、网裂、唧浆等路面裂缝类病害发展各阶段的全覆盖；提出了沥青路面病害高效处治成套技术，攻克了传统沥青路面裂缝处治存在的技术难题。

← 组图：铁氧体微波主动愈合原理与沥青路面微波辅助渗透设备

表1 沥青路面开裂损伤演化防治技术与同类技术的对比表

← 组图：裂缝处治材料纤维组成优化和裂缝衍生病害处治材料开发

应用前景广阔 社会经济效益兼顾

推广应用

项目技术成果在北京市延庆冬奥会馆项目等全国近30个省份沥青路面中得到推广，累计应用超过1500万延米，并在北美洲和大洋洲等国开展了试验路修补，在“一带一路”沿线国家进行试验性推广与应用。项目各应用材料的性能优异，施工工艺成熟，对沥青路面开裂的防控具有绝对优势，具有广阔的推广应用前景。

项目形成了产学研用一体化协同攻关、创新驱动的格局，有效提升了研发效率，极大地推动了技术转化并提高了现实生产力，通过交通运输部典型示范工程应用及标准图编制，为项目研究成功以后的推广应用提供了充分的理论基础、技术支撑和实践经验。

← 组图：研发的裂缝处治类材料在国内近30个省区市累计应用超过1500万延米

项目主要完成人在《国际工程科学（International Journal of Engineering Science）》（期刊的影响因子IF：9.219）、《水泥与混凝土研究（Cement and Concrete Research）》（期刊的影响因子IF：8.328）、《清洁生产杂志（Journal of Cleaner Production）》（期刊的影响因子IF：7.246）、《工程(Engineering)》（期刊的影响因子IF：8.328）、《胶体和界面科学杂志（Advances in Colloid and Interface Science）》（期刊的影响因子IF：9.922）、《中国公路学报》《科学通报》等国际权威学术期刊、中文卓越期刊发表相关论文75余篇，3次获“科学指南（ScienceDirect）”颁发的最热门文章奖，4篇论文连续多次入选ESI高被引论文（前1%），1篇ESI热点论文（前1‰），通过介绍项目研究成果，提升了研究成果的国际影响力。同时，项目通过出版沥青混合料自愈领域的专著、发明专利等途径，进一步推广项目研究成果。

社会效益

项目研发的主动防控和高效处治材料与技术，有利于降低道路的维修养护频次，减少由于养护维修造成的拥堵和滞留，保障高速公路、城市道路的安全、高效运营。项目部分成果纳入6部交通行业标准和两部地方标准，被广泛用于道路工程的建设、维修与养护。

此外，裂缝处治材料在美国加州、加拿大多伦多等地，以及泰国、越南、埃及等“一带一路”沿线7个国家进行了试验性推广应用，高性能冷补料出口巴布新几内亚和关岛等国家和地区，推动了我国裂缝处治材料的技术进步和高端产品的国产化，强力支撑了我国“一带一路”等国家战略的推进，实现了科研成果走出国门，为实现交通强国提供了强有力的理论基础和技术支撑。

← 组图：项目出版知识产权

← 组图：项目组主编发布6部交通行业标准

← 组图：加拿大多伦多、美国加州、泰国曼谷、越南、埃及等国家进行裂缝处治试验路，冷补料出口巴布新几内亚、美国关岛等。

经济效益

研发的微胶囊自修复技术可使沥青混合料疲劳寿命提升两倍，铁氧体微波自愈技术使沥青路面疲劳寿命延长至233%。研发的裂缝处治材料累计应用超过1500万延米，施工效率提高两倍至4倍，冷补料和灌浆料年应用量超过2000吨。高弹抗裂超薄罩面在青海、贵州、河北等地成功应用。成果在包括北京市延庆冬奥会馆、上海市沪南公路等我国近30个省区市得到成功应用，并在海外各个国家和地区进行了试验性推广应用，直接经济效益达到2.1亿元，间接经济效益15.2亿元。经济社会效益显著，推广应用前景广阔。