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        2024世界交通運輸大會 投稿須知     典型人物
        長壽命瀝青路面的發展(圖)
        作者:■ 文|交通運輸部公路科學研究院 王旭東 來源:《中國公路》 時間:2023-10-12

        自2005年交通運輸部正式立項開展“重載交通長壽命瀝青路面關鍵技術研究”,至今已近20年。國內許多科研單位、大學先后開展長壽命路面工程驗證和理論創新。針對當前現狀,本文將圍繞觀念澄清、工程驗證、理論創新三方面探討我國長壽命路面技術研究過程中的一些問題,最后將針對當前遇到的主要難點和技術挑戰予以說明。

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        當前,我國已建成世界規模體量最大的高速公路網,然而設計標準還比較低,高速公路瀝青路面的設計壽命僅15年,與世界發達國家相比仍有較大差距,并不滿足加快建設交通強國,實現高質量發展,以及實現“雙碳”目標的國家戰略要求。為此,在2019年的香山科學會議上,業內專家、學者達成共識,自主研發適用于我國公路建設需求的長壽命路面設計與建造技術體系,并分為兩階段實施,首先將我國高速公路瀝青路面的使用壽命由15年提升至30年,然后再提升至50年。

        回顧我國路面工程技術的發展歷程,其是在學習吸收國外先進經驗的基礎上,結合我國實際情況,集成創新,形成了一套具有中國特色的路面工程設計與建造技術,指導并推動了以高速公路為代表的國家公路網建設,實現了從無到有,從少到多的跨越式發展。當前,研發長壽命路面技術正面臨新形勢,盡管國外長壽命路面技術的研發起步比我國早,但是仍未形成一套完整的技術體系,因此,在這一領域,我國正與世界先進國家形成“追趕、并跑”的競爭態勢,這也為我國在該領域趕超、引領世界路面技術的發展創造了一個契機。

        / 觀念澄清 /

        研發長壽命路面技術,首先應明確長壽命路面的概念和標準。對此,國內外的認知基本上是一致的,即長壽命路面是無須結構性維修,僅須表面功能維護的路面,或者說,與現有的路面設計標準相比,長壽命路面的結構維修周期大幅度延長,如50年,其間僅需要較長時間的(如15-20年)、定期的養護罩面。由此,長壽命路面具有明確的雙壽命標準,即結構安全壽命和路表使用功能壽命。

        常說的路面壽命(如我國設計規范中的15年)一般是指結構安全壽命,路面使用功能壽命實際上是指養護罩面周期?!半p壽命”概念、標準的提出,反映出長壽命路面技術是建養一體化的技術,長壽命路面也是需要正常養護的,只是這種養護僅限于表面層的功能性維修,且養護周期大幅度延長。從這個角度看,長壽命路面不存在預防性養護的概念,而是更強調養護罩面技術的耐久性。

        同時,“雙壽命”的提出也為路面工程實現“雙碳”目標指明了技術路徑。因為在一個相當長的使用期限內(50年或者100年),路面工程的結構性維修或深層次的路面大修、厚度較大的罩面,都是產生大量資源消耗和碳排放的環節,長壽命路面就是要消除這些環節或者大幅度減少這些環節,從而實現路面工程的碳中和。因此,長壽命路面也是真正意義上的綠色路面工程。

        另外,對于“長壽命路面中的壽命到底是設計壽命還是實際使用壽命”這個問題,答案當然是實際使用壽命。因為,僅僅局限于設計壽命是沒有意義的,任何一項路面工程的壽命都應該接受實際使用的檢驗,而不僅僅是“紙上談兵”。評判一項路面技術是否符合長壽命要求,最直觀的標準首先是對實體工程全壽命周期的驗證。這種驗證既包含設計因素,也包含施工因素,因為工程質量正是由這兩方面決定的。脫離施工談長壽命路面技術是沒有意義的,長壽命路面技術是設計與施工一體化的技術。這里的設計與施工不僅指建設期,也包括為確保路表使用功能而開展的維修罩面。

        再者,長壽命路面理論上應是面向所有等級公路的路面工程,既包括高速公路,也包括普通國省干線和農村公路;既包括極重、特重和重交通荷載的路面工程,也包括中等和輕交通的路面工程。目前主要是針對高速公路研發長壽命路面技術,因為鑒于我國目前的公路建設與養護情況,高速公路較為規范,能夠實現設計與施工的一體化。今后隨著我國公路建設與養護水平的整體提升,長壽命路面也將逐步拓展到所有的路面工程。

        / 工程驗證 /

        35年的高速公路建設歷程,17.7萬公里高速公路的建設經驗,是我國自主研發長壽命瀝青路面技術的寶貴基礎。然而,由于我國高速公路的建設歷史遠遠短于歐美國家,能夠滿足長壽命路面驗證要求的實體工程或路段都很少,絕大多數工程由于技術或管理等方面的原因,都先后進行了大修或改建,已經失去了驗證的意義。目前僅有個別工程的某一段保持著30年前的結構狀態,這種情況并不利于我國長壽命路面技術的研究與發展。路面工程是以工程實踐和科學實驗為基礎的應用技術,工程驗證和理論研究的緊密結合,是路面技術研發的必要途徑。然而需要明確的是,路面技術首先是從工程實踐的經驗中總結發展而來的,而不是首先從理論分析中推理得到的。因此,長壽命路面技術的發展也是從已有的路面工程實踐中總結、發展而來的。盡管這些技術(包括設計技術和建造技術兩方面)還不夠完善,并不一定符合長壽命路面的技術要求,但是路面技術(也包括長壽命路面技術)的發展正是沿著實踐驗證、理論研發、再實踐驗證,這一螺旋上升的路徑而進行的。

        因此,研發我國長壽命路面技術包含著兩個驗證途徑,一是系統總結我國既有高速公路使用狀態,二是建設路面工程大科學平臺,開展全壽命周期的試驗驗證。對于前者,當前交通運輸部科技司倡導建設我國路基路面長期性能科學觀測網,以便科學、系統采集我國不同地域路面工程的荷載、環境、使用性能和力學響應等方面的長期數據,充實我國路面工程的科學數據資源,既有利于客觀總結評價我國在役公路的使用狀態,又有利于夯實我國路面工程應用基礎研究的基礎,創新研發適用于我國國情的長壽命路面技術。對于后者,交通運輸部公路科學研究院2015年已建成我國第一條足尺路面試驗環道,開展以長壽命路面驗證為目標的實體路面結構加速加載試驗驗證,目前已實現90 00萬標準軸次的加載,相當于我國重載、特重交通30年至40年的等效荷載壽命,為我國長壽命路面技術的研發提供了可靠的第一階段驗證數據。

        足尺試驗環道驗證與長期性能觀測網建設,對于長壽命路面技術驗證與研究來說,是相輔相成的兩個方面,既是局部與全局的關系,也是“麻雀”與“大象”的關系。

        開展足尺路面試驗環道驗證對于我國自主研發長壽命路面技術是必要的。一是全尺度的路面結構與實際工程是一致的,避免了結構效應對研究成果的干擾;二是按正常建設程序、工程管理和質量控制標準建設,研究成果對于實際工程具有可參照性;三是可以在較短時間內實現全壽命周期的等荷載壽命驗證,如30年、50年或更長的壽命周期,彌補實體工程驗證周期長的不足。

        更主要的是,依托既有的觀測能力和手段,可以實現高頻度(一個月兩次)的觀測,采集不同路面結構多元服役性能和力學響應數據,以及荷載、環境數據,觀測數據詳實、系統,有利于更加客觀認知不同路面結構長期服役性能的演化規律,為進一步揭示內在機理,建立長壽命路面設計理論體系奠定基礎。

        當然,足尺環道研究也存在自身的局限性,如地域的局限性、年周期性環境影響效應的驗證不足等。對此,可通過建設長期性能科學觀測網,開展更廣泛的長期觀測進行彌補。如果將足尺環道試驗研究比作“解剖麻雀”,在相同的荷載、環境條件下,比較不同路面結構的長期使用性能優劣,揭示共性機理,研發基礎理論與方法,那么,長期性能觀測網的建設和觀測就相當于“大象”,能夠全面了解、系統把握我國不同地域、不同氣候、不同公路、荷載等級條件下的路面使用狀態,充實、修正環道試驗研究的結論或認知。

        / 理論創新 /

        積極開展實體工程和大型科學實驗的驗證,并不意味著忽視對路面工程基礎理論的研究,恰恰相反,以工程實踐和科學實驗為基礎,深化路面工程的應用基礎理論研究,對于揭示路面長期服役性能的演化規律和內在機理,拓展局部驗證經驗,健全路面技術體系十分必要。

        路面工程是由多種非均質、各向異性材料組成的層狀復合結構體系,盡管結構形式簡單,但是面對多樣化的氣候和地質條件,以及繁重、隨機的交通荷載作用,路面工程表現出多元服役性能衰變現象。通過科學的設計方法、合理的建造技術,以及正確的養護對策,將這些性能衰變狀態有效地控制在合理范圍,使其滿足長壽命的使用要求,是長壽命路面基礎理論研究的目標。

        盡管當前足尺環道試驗尚未完成,但通過既有的觀測數據,發現了諸多以往未曾關注,但客觀存在的路面性能演化現象和規律,如“荷載-環境”耦合狀態下的路面性能年周期性波動增長規律、路面性能長期演化過程中的“拐點”特征、路面結構力學響應的非線性規律,以及不同路面結構服役性能及其演化的差異性等。由此,對于正常施工狀態下,不同結構形式瀝青路面的長期性能演化規律有了更深刻的認知,從而也驗證了既有瀝青路面設計理論與方法的不足(包括圖 一些國外設計方法),并為進一步開展長壽命瀝青路面設計理論體系的研究,啟迪了新的思路,提供了新的方向。

        足尺環道試驗研究現階段得到兩個主要的結論:一是基于我國已有的設計理論和方法,經過革新施工工藝和嚴格質量管理,可以將我國高速公路瀝青路面的設計壽命提升至30年(相當于使用壽命);二是面向長壽命路面的最終目標,50年或者更長時間,需要重構更為可靠的設計理論和方法。這兩個結論似乎矛盾,但這恰恰反映出路面建造與設計之間辯證統一的關系。當前路面工程的建造技術領先于理論化的設計技術,設計理論和方法在工程實踐的基礎上逐步發展。

        對于前者,在環道建設之初,系統總結了我國近30年(至2015年)高速公路建設的成功經驗,提出了以結構設計功能化、材料設計均衡化、施工工藝均一化和質量控制過程化為特點的“四化”建造技術體系,這套體系經環道驗證是成功的。盡管當初環道的設計壽命是15年,但仍可承受30年的荷載作用次數。對于后者,環道驗證的結果恰恰說明原有設計理論和方法的不足,設計冗余度偏大,不同路面結構的服役性能演化機理不清,為了科學合理地設計長壽命瀝青路面,需要對既有設計理論和方法進行反思、革新。

        通過環道的試驗驗證,已證明正常瀝青路面結構的疲勞損傷是“自上而下”壓剪與“自下而上”彎拉的雙向疲勞損傷,而不是傳統設計方法中的彎拉疲勞,這正好與長壽命路面“雙壽命”的技術標準相對應。同時,路面服役性能承受著“荷載-環境”的同時空耦合作用,演化規律表現為年周期性的波動增長趨勢,而不是傳統設計方法中單調增長的趨勢。為此,需要建立服役性能抗力模型的新范式,開展瀝青路面非線性力學體系的研究,提高設計模型的可靠性,滿足長壽命路面的使用要求。

        / 面臨挑戰 /

        長壽命路面技術研究是針對現有路面技術體系的革命,并不單純是技術層面的問題,還涉及到我國當前路面工程管理、建養體系,以及規范體系等諸多環節理念上的變革。例如,我國現有高速公路的收費年限大約為25年左右,所以作為高速公路的管理運行方往往并不關心其使用壽命能否達到30年或者50年,并不利于我國長壽命路面技術的發展。又如,長壽命路面是建養一體化技術,科學合理的養護是必要的,但首先這些養護技術本身應是耐久、長壽命的,目前國內工程界普遍使用的短壽命的預防性養護技術并不符合長壽命路面發展的需求。再如,革新建造技術是我國現階段實現長壽命路面第一階段目標的必要條件,目前怎樣革新建造技術也正是我國路面工程建設和養護過程中仍普遍存在的問題。如何有效解決這些問題,是我國長壽命路面技術發展面臨的現實困難。

        長壽命路面技術發展面臨的挑戰主要體現在長期系統的科學觀測數據積累和以工程實踐為基礎的基礎理論研究兩方面。

        客觀來說,路面工程長期性能的科學數據積累一直是制約我國路面原創技術發展的主要瓶頸。盡管我國積累了豐富的工程建設、養護資料,但往往并不能開放共享,難以廣泛地用于路面技術的研究。同時,這些數據僅僅是具體工程某一階段狀態的數據,并不能反映服役階段具體的性能演化過程。

        另外,歷年公路狀態的檢測數據屬于路面性能的普查性數據,不僅檢測指標少,而且也僅僅反映路面的一般狀態,并不能反映深層次的原因?;谶@些數據開展路面長期性能演化規律、長壽命路面技術的研究,依據并不充分。

        作為路面工程的科學觀測數據,應具備“定空間、定維度、長時間尺度”的特點。所謂的“定空間”是指明確路面觀測的具體位置,包括具體的樁號,以及觀測點的平面位置。這主要是由于路面工程的變異性較大,同一路段、同一結構的不同位置,其觀測數據本身存在一定差異,往往不具有可比性,不利于長期性能的系統觀測。

        “定維度”是指每次觀測記錄的路面性能數據,應具有三個維度的信息,除自身的性能維度外,還應明確相應的荷載維度和環境維度,也就是在記錄服役性能狀態的同時,還應準確記錄相應位置的交通荷載和氣候環境信息。

        當前,足尺路面試驗環道的觀測數據和一部分試驗路的觀測數據符合“定空間、定維度”的記錄要求,路基路面長期性能觀測網19個試點觀測點也是按該要求記錄觀測數據,但是,面向我國地域遼闊的公路網體系,這些觀測數據還不

        夠。況且,面向長壽命路面技術的研發,這些觀測數據的時間尺度不是幾年、十幾年,而是幾十年,因此,建立我國長期性能科學觀測網及其長期運行保障機制,落實人、財、物的保障措施,是確保長期性能科學觀測持續、有效實施的關鍵環節。

        另外,基礎理論研究也是當前長壽命路面技術研發面臨的另一個挑戰。首先,深化路面工程的應用基礎理論研究是健全長壽命路面技術體系不可或缺的重要組成部分,鑒于以往的經驗教訓,長壽命路面的基礎理論研究應樹立幾個觀念:實踐觀念、新時空觀念和非線性觀念。首先,基礎理論研究不能脫離工程實踐,基礎理論研究的問題來自于工程實踐和科學實驗,脫離實踐的基礎研究是沒有意義的。其次,路面服役性能演化過程中,“荷載-環境”的同時空耦合效應問題應引起充分重視,這不僅僅涉及到路面服役性能設計模型的重構問題,而且也涉及到對路面長期服役性能演化機理的認知問題。再者,瀝青路面服役性能和力學響應的非線性問題,現在看來難以回避,特別是對于長壽命瀝青路面設計。以往的線(黏)彈性模型的簡化處理對策將會產生較大的設計誤差,但是基于現有的力學和數學手段,徹底解決路面工程的非線性問題還難以實現。應樹立非線性的路面觀,正視路面服役行為的非線性特征,采用可行的非線性分析手段,逐步建立非線性的路面力學體系,更加合理地解析路面長期服役性能的演化機理。

        提升路面耐久性,實現長壽命路面目標是我國路面工程領域助力加快建設交通強國,實現“雙碳”目標的必然發展方向,也是我國路面工程技術實現原始創新,趕超、引領世界路面技術發展的契機。經過國內同行近20年的努力研發,我國長壽命路面技術已取得階段性成果。然而,作為世界性的技術難題,我國在路面工程長期性能科學數據的積累和應用基礎研究方面仍面臨著諸多挑戰,仍需要路面工程技術人員不斷努力和創新。

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        建設綠色、低碳的長壽命路面成為公路高質量發展的迫切需要。四川雅康高速公路責任有限公司 供圖

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        長壽命路面結構安全壽命的標準仍未定論

        當前國內外普遍認知的50年標準,僅僅是歐美國家基于全厚式瀝青路面或者厚瀝青路面結構而提出的,對于我國常用的半剛性基層瀝青路面或者剛性基層瀝青路面是否適用,還有待驗證和研究。但仍有一個基本標準,那就是不應少于50年。目前的研究(環道試驗驗證)表明,有可能多種結構形式的瀝青路面都可以實現50年結構安全壽命的使用要求,那么就存在一個經濟性的比較。哪種路面結構的工程造價最低、養護維修成本最低,就將成為長壽命路面首選的路面結構形式。簡而言之,長壽命路面是技術經濟最優化的路面工程,這也將回歸到研發長壽命路面技術的初衷。

        【編輯: 任 燕】
        【審核:余大鵬】
        【終審:張波】

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