攻克层状结构粘韧难题 助力路面耐久服役

文/ 供图 | 西南交通大学

截至2022年底，我国已建成公路535万公里，高速公路17.7万公里。在我国由交通大国向交通强国迈进的过程中，公路基础设施的服役性能成为各方关注的重点。路面作为公路基础设施的重要组成部分，由不同材料组成，具有典型的层状体系特征，其性能好坏直接影响着行车舒适度、安全性与运输成本。而在不同支撑条件的路面中，无论是路基段路面、桥面铺装、隧道铺装，还是加铺路面，层间界面均为薄弱环节，粘结不良会带来路面诸多病害，粘结失效易引发结构性损坏，导致路面服役寿命明显缩短。

为实现路面层状结构粘韧提升与耐久服役的研究目标，针对路面性能评价常规模型精度低、常规材料性能弱及常规结构寿命短3个问题现状，需要转变3个研究思路，即攻克层间结构多荷载粘结行为“表征难”、层与层间材料多目标粘韧性能“提升难”，以及层状体系多类型协同强化“实现难”三大技术难题。“路面层状结构粘韧提升关键技术及工程应用技术研究”项目在国家自然基金、省级科技计划、省市重点工程科技攻关等项目资助下，围绕路面层状结构粘韧提升关键技术，针对层间力学及其与结构性能关联模型、粘韧材料性能提升方法、结构协同强化技术等问题开展了系统研究，取得了系列创新突破。

/ 成果：路面层间结构多荷载粘结行为机理与表征/

路面层间特性是多荷载综合作用力学行为表现，而目前的表征模型，大多仅采用单一参数（如摩擦系数或水平剪切反应模量），或仅考虑单一荷载（如切向或法向），但实际上实车作用下的路面层间力学行为十分复杂，尤其在启停、加减速、弯道及陡坡路段表现得更为突出，常规模型已不适用。在路面性能与层间粘结劣化进程中，两者互为不利影响，而目前路面结构疲劳模型尚未将此关联。

项目总体思路

对此，项目建立了荷载与环境因素耦合作用下路面层间宏观力学及其与结构疲劳关联的评价模型，构建了多荷载作用下的路面层间宏观力学模型，实现了覆盖100%复杂路况的层间性能精准测试与评估；建立了基于“数字曲面”的路面层间细观力学模型，揭示了亚毫米级界面构形影响下的性能形成机理；建立了层间与结构交互作用的路面分温区疲劳评价模型，形成了路面结构性能多因素致损量化评价体系。这些模型的建立攻克了层间结构多荷载粘结行为“表征难”问题，解决了路面层间性能评价常规模型精度低的问题。

基于“数字曲面”的路面层间细观力学模型

/ 成果：路面层（间）材料多目标粘韧性能提升措施与方法/

在粘结材料方面，国内外主要通过物理或化学改性以提高其性能，但目前仅单一改性方式尚未有效解决材料热稳定性问题，需要寻求复合改性新途径；在粘结层方面，仅靠粘层油形成的面粘强度不足，为增强层间粘结，需寻求多材料混合粘结新方式。在结构层方面，国内外针对路面特定服役工况，研发了数以千计的结构层材料，但面对复杂服役工况时仍容易发生破损，需研发综合性能更优的结构层新材料。

对此，项目研发了路面层状结构增粘增韧系列材料：基于聚合物改性剂极性化处理及网链结构熵弹性提升，研发了宽温域超粘自愈粘层材料，固结粘结强度高达3.5兆帕，解决了普通粘结材料“低温脆、高温废”的通病；基于相态、热重、界面分析优化橡胶脱硫/溶胀耦合行为，研制了高溶解性橡胶沥青纤维增强复合封层，化“弱面粘”为“强层粘”，解决了潮湿环境下层间易剥离问题；研制了高黏高弹改性沥青纳米注浆半柔性上承层和高抗拉耐疲劳桥面铺装专用UHPC材料，实现了层间与上下部结构协同强化，解决了复杂受荷路段结构层易破损问题。该系列材料的研发突破了材料多目标粘韧性能“提升难”瓶颈，解决了常规层（间）材料性能弱的问题。

宽温域超粘自愈粘层材料研发与评价

/ 成果：路面层状体系多类型协同强化技术与应用/

对于路基段路面，由于基层、面层材料性质不同，在车辆荷载作用下，各结构层受力存在差异，需提高协同受力能力；对于刚柔组合、混凝土桥、隧道等混凝土基层沥青路面，由于“刚基”与“柔面”模量差异大，车辆荷载作用下易形成剪切破坏，需提高抗剪切破坏能力；对于钢梁板基础路面，由于桥面板在车辆荷载作用下挠度大，梁与铺装层两者变形难随从，需提高协同变形能力。因此，对于这三类路面，应强化设计建造一体化、材料结构匹配化、需求功能协调化，需要研究攻关路面层状体系多类型协同强化及其应用技术。

路面粘韧提升施工技术应用

对此，项目提出了路面层状体系“层-粘-层”协同强化与性能提升保障系列技术，以及路基段同质改性沥青路面结构协同增韧技术，显著提升了结构协同受力能力；提出了混凝土基础沥青铺面结构协同增强技术，显著提升了结构抗剪破坏能力；提出了钢桥面刚性超薄铺装协同增性技术，显著提升了结构协同变形能力。系列技术有效提升了路面长期服役性能，突破了层状体系多类型协同强化“实现难”问题，解决了常规结构寿命短的问题。

项目主要完成单位

西南交通大学

西南交通大学是教育部直属全国重点大学，国家首批“双一流”“211 工程”“特色985 工程”“2011 协同创新计划”重点建设大学。学校以工见长，其中交通运输工程一级学科连续四次获评“A+”学科并进入国家“双一流”建设序列。学校建有综合交通大数据应用技术国家工程实验室、综合交通运输智能化国家地方联合工程实验室、陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心、道路工程四川省重点实验室等科技创新平台和科研基地，硬件实力达到全国顶尖，研究成果丰富，学术影响力大。近10 年来交通运输工程领域新增国家级科技奖励15 项，其中包括主持国家科学技术进步奖一等奖1 项，二等奖1 项，国家技术发明奖二等奖2 项，新增其他省部级科学技术奖一等奖近30 项，为“一带一路”倡议和“交通强国”等国家战略不断提供助力。

四川省交通勘察设计研究院有限公司

四川省交通勘察设计研究院有限公司，成立于1957 年，自诞生之日起便以服务交通、奉献社会为己任，始终紧跟时代脉搏、顺应行业变化、积极变革创新，以敏锐的市场嗅觉和恪守品质的诚心匠心勇毅前行，见证并参与了四川从“蜀道难”到“蜀道通”迈向“蜀道畅”的伟大发展成就和历史性变迁。公司持有公路行业和水运行业等18 项甲级资质和市政工程设计等16 项乙级资质，业务涵盖规划、咨询、勘察、设计、工程监理、试验检测、项目管理、科技研发等交通运输全产业链技术咨询服务；完成8000 多公里高速公路、12000 多公里国省干线公路勘察设计工作，160 余项勘察设计成果获国家和部省奖励。公司拥有“全国五家、四川唯一”的BIM 交通运输行业研发中心，属国家高新技术企业；通过了ISO9001、ISO14001、OHSAS18001“三标”体系认证，现已成长为一家根植巴蜀大地、服务全国市场的现代工程咨询企业。

上海市市政规划设计研究院有限公司

上海市市政规划设计研究院有限公司是以城市基础设施为主的交通、规划、咨询、设计、科研、检测综合性技术服务企业。在工程检测方面拥有交通运输部公路工程综合甲级、住建部建设工程质量检测（主体结构、地基基础、见证取样及门窗幕墙4 个专项）等资质；燃气设备检测方面拥有国家质量监督检验检疫总局特种设备检验检测甲类、上海市质量技术监督局强制检定和CAL 审查认可、CNAS 国家实验室认可等资质。公司在交通发展研究、专业规划编制、工程前期及城市基础设施公益研究、新材料、新技术应用研究、工程设计与工程检测等方面，硕果累累，先后获得各类科学技术奖约50 项，其中国家级奖项7 项，部委级奖项13 项，上海市优秀工程设计奖6 项，拥有多项国家专利成果。

项目主要完成人

艾长发

博士，教授、博士生导师。四川省环境适应型耐久性铺面结构与材料四川省青年科技创新研究团队带头人，研究生院副院长，道路工程四川省重点实验室副主任，美国俄克拉荷马州立大学访问学者。长期从事沥青路面结构设计理论与新材料应用技术等方面的研究工作，先后主持4 项国家自然科学基金项目和国家重点研发计划子课题，5 项省部级项目，20 余项产学研合作项目；围绕路面层状结构行为理论与粘韧提升关键技术、路面新材料性能机理与利用技术等，发表学术论文100 余篇，出版学术专著1 部；授权专利30 余项。获四川省公路优秀科技工作者、中国公路学会科学技术奖、中国铁道学会科技进步奖、中国铁路工程总公司科学技术奖等荣誉5 项。

黄晚清

四川省交通勘察设计研究院有限公司路面结构研究中心主任，长期从事沥青路面科研、设计与咨询工作，主持沥青路面施工质量监控的多条高速公路运营10 年以上无路面自身病害，引导了四川省沥青路面施工质量的发展。他曾主持参与省部级等科研项目10 余项，获中国公路学会等省部级科学技术奖一等奖3 项，中国公路勘察设计协会等优秀勘察设计奖一等奖两项、二等奖两项，授权国家专利10 余项，主参编行标、地标、团标10 部，发表高质量论文40 余篇，曾获 “四川工匠”“成都工匠”、四川省公路优秀科技工作者等称号。

何昌轩

上海市市政规划设计研究院有限公司研究发展中心主任，主要从事路桥工程科研和咨询工作，先后主持参与了纵向和横向科研项目10 余项，发表文章23 篇，编写专著5 部，获得专利授权27 项，编制标准11 项；取得了注册土木工程师（岩土）、注册土木工程师（道路工程）和注册咨询工程师（投资）执业资格；获得上海市科技进步奖二等奖1 项，中国公路学会科学技术奖三等奖1 项，上海市优秀发明选拔赛优秀发明金奖1 项，上海公路学会科技进步奖一等奖两项，上海公路学会科技进步奖二等奖两项，上海市土木工程学会科技进步奖二等奖1 项，2019 年获得上海市重点工程实事立功竞赛建设功臣称号。