重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用

1 2018 年国家科技进步奖提名项目公示 一 项目名称 重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用 二 提名者及提名意见 提名者 提名者 山西省 提名意见 提名意见 在中国极重的交通荷载 复杂的气候环境 易冲刷的半刚性结构和较粗犷的施工工艺 下 尽管水泥混凝土铺面具有承载力高 耐候性强 经济耐久等优点 但仍存在经典设计 理论不适应 早期断裂频发 行驶舒适性不足 抗滑衰变快 维修干扰大等难题 严重影 响了铺面使用性能 并威胁飞机和车辆的运行安全 同时 我国每年有 8 亿吨水泥产能过 剩 却需进口 500 万吨优质沥青用于铺面修筑 为攻克重载水泥混凝土铺面寿命 舒适 抗滑 维修等技术难题 国家科技部 交通 运输部 山西和内蒙等省区先后设立 20 余项课题 由 19 家科研 设计 高校 建设等单 位历经十多年联合攻关 建立了复杂荷载下的多板联动双层板理论模型 提出了应对重载 的复杂多层复合结构 突破了混凝土铺面施工过程的精准控制技术 实现了小时级快速维 修 做到了重载混凝土铺面工程的有据可依 有材可用和有法可修 项目成果获授权美国发明专利 1 项 中国发明专利 16 项 发表论文 250 余篇 出版 专 编 译 著 13 部 核心成果纳入机场 港口 公路交通领域国家 行业标准 11 部 并在重庆江北机场 昆明长水机场 广州和上海等港口 以及 1000 公里高速公路 2000 公里国省干线和近万公里国防公路 乡村公路中成熟应用 推动了民航 水运和公路等重 交通基础设施走向更安全 更舒适和更耐久 为新时代建设交通强国 实现国家供给侧改 革和产业结构调整 实施一带一路方略和保障国防安全贡献重要技术力量 提名该项目申报 2018 年度国家科学技术进步二等奖 三 项目简介 超大规模的机场 港口和国省干道等重交通基础设施的建设 维修和更新 关系我国 经济健康和国防安全 水泥混凝土铺面具有承载力高 耐候性强 经济耐久等国际公认优 2 点 是重交通铺面的优良选择 但中国极重的交通荷载 复杂的气候环境 易冲刷的半刚 性基层和较粗犷的施工工艺 使重载铺面存在经典设计理论不适应 早期断裂频发 行驶 舒适性不足 抗滑衰变快等问题 严重影响了使用性能 并威胁飞机和车辆的运行安全 同时维修对交通干扰大制约了其推广应用 然而我国有 8 万亿 吨 年的水泥产能过剩 因 此 攻克重载水泥混凝土铺面的寿命 舒适 抗滑 维修等技术难题意义重大 项目组历经十多年产学研联合攻关 建立了复杂荷载下的多板联动双层板理论模型 提出了应对重载的复杂多层复合结构 突破了混凝土铺面施工过程的精准控制技术 实现 了小时级快速维修 实现了重载混凝土铺面工程的有据可依 有材可用和有法可修 取得 了 4 项创新成果 1 基于大规模现场足尺试验和环道试验 获得了半刚性重载铺面在多轮轴荷载下的 多板协同传荷和破坏模态规律 提出了长寿命的设计参数取值方法 首次提出了温克勒地 基上多板联动双层板理论模型 统一了机场 港口 公路的铺面设计理论基础 成果纳入 规范 可实现铺面设计寿命延长到 30 年以上 2 基于三百万组铺面翘曲变形测量数据挖掘 耐冲刷和三轴重复压缩试验 得到诱 发铺面早期断裂的三种脱空规律及预测模型 由此提出降低翘曲的跟随变形协调层和缓解 沉陷的自我补偿层 消除了早期开裂 实现 30 年设计寿命预期 3 基于束胶体分子功能团技术 发明了含多组分表面活性的密实液化剂解决了低坍 落度和和易性之间的偶联矛盾 实现了混凝土振捣出浆快 振后不变形的广谱宽容性混凝 土 提高混凝土致密性和均质性 40 平整度提高 40 同时控制出浆量和多道工艺实现 外砂浆 3 5mm 皮肤层 致密耐磨 耐候稳定和砂颗粒微观抗滑 提高耐久性 1 倍 4 提出铺面双层分层摊铺 无缝湿接的功能梯度摊铺工艺 通过集料裸露整形 缓 凝砂浆厚度可控等工艺实现表面宏观纹理的可控构造 降低噪音 3db 延缓抗滑衰减 3 倍 提出预制拼装修复工法和快速修复材料二次拌合技术解决 6 小时内快通技术 有效解决不 停航施工难题 项目研究成果获授权美国发明专利 1 项 中国发明专利授权 16 项 实用新型专利 34 项 发表论文 250 余篇 SCI EI 检索 54 篇 出版 重载水泥混凝土路面结构设计 混 凝土铺面工程 等专著 13 部 主修编 水泥混凝土铺面技术标准 国家标准 民用机 场水泥混凝土道面设计规范 和 公路水泥混凝土路面设计规范 等行业标准 11 部 成 果已在重庆江北机场 昆明长水机场 广州和上海等港口 以及 1000 公里高速公路 2000 公里国省干线和近万公里国防公路 乡村公路中成熟应用 使得铺面结构使用寿命 3 达 30 年以上 而养护费用仅为沥青铺装的 50 成果整体达到国际领先水平 并获山西 内蒙等省部级科技进步一等奖 7 项 项目系统解决了重载水泥混凝土铺面的有效应用难题 突破了传统对重交通水泥混凝 土铺面想用而不敢用的困局 大力推动了民航 水运和公路等重交通基础设施走向更安全 更舒适和更耐久 为新时代建设交通强国 实现国家供给侧改革和产业结构调整 保障国 防安全贡献重要技术力量 四 客观评价 1 获奖情况获奖情况 1 项目成果 重载交通水泥混凝土路面结构设计参数与表面功能研究 项目获得 2016 年度山西省科技进步一等奖 2 项目成果 西部地区耐久性水泥混凝土路面关键技术研究 项目获得 2015 年度 中国公路学会科学技术一等奖 3 项目成果 严寒地区超重载水泥混凝土路面设计施工技术 项目获得 2014 年度 内蒙古自治区科技进步一等奖 4 项目成果 基于耐久性的水泥混凝土路面结构设计技术研究 项目获得 2013 年 度中国公路学会科学技术一等奖 5 项目成果 黄土地区重交通水泥混凝土路面结构设计理论与方法 关键技术及 工程应用 获得 2012 年度中国公路学会科学技术一等奖 6 项目成果 山西省运煤重载水泥混凝土路面典型结构的研究 项目获得 2010 年 度山西省科技进步一等奖 7 项目成果 山西省超重交通水泥混凝土路面合理结构的研究 项目获得 2002 年 度山西省科技进步一等奖 2 鉴定意见鉴定意见 1 交通运输部科技司对 基于耐久性的水泥混凝土路面结构设计技术研究 鉴定 评价如下 通过多种温度梯度与轴载类型组合下的水泥混凝土路面破坏模式的研究 提出了基于疲劳破坏与冲刷破坏的耐久性水泥混凝土路面设计体系 研究成果创新性显著 推广前景广阔 总体上达到了国际领先水平 2 交通运输部科技司对 西部地区耐久性水泥混凝土路面关键技术研究 鉴定评 价如下 提出了协调路基不均匀变形和混凝土板变形的理念 采用设计 施工工况融 4 合技术 建立了基于实测数据修正的混凝土路面温度翘曲应力计算模型和混凝土路面施工 内嵌等环境应力计算方法 构建了路基路面一体化设计体系 研究成果具有显著的创新性 和实用性 推广应用前景广阔 总体达到国际先进水平 其中在混凝土路面路基性能指标 与参数和基于耐久性的混凝土路面结构设计技术方面处于国际领先水平 3 山西省科技厅对 山西省运煤重载水泥混凝土路面典型结构的研究 鉴定评价 如下 研究了电煤集运公路大型车辆的轴载特征 提出了累计轴载预估方法 提出了 基于面层和基层综合疲劳破坏作为设计准则的重交通水泥混凝土路面设计方法 提出了运 煤重载水泥混凝土路面典型结构 为行业技术规范修订提供了技术依据 成果达到国际领 先水平 4 交通运输部科技司对 水泥混凝土路面施工变异性及控制技术研究 鉴定评价 如下 提出了水泥混凝土的搅拌均匀性控制技术与质量控制标准 优化了水泥混凝土施工 技术和宽幅大厚度水泥混凝土路面的防塌边滑模施工新技术 项目总体上达到国际先进水 平 3 学术评价意见学术评价意见 1 国际水泥混凝土路面协会主席 Mark B Snyder 博士对该项目做出如下评价 the degree of bond present between the slab and base significantly affects thermal stress in the slab and that the use of a bond breaking interlayer can effectively eliminate thermal stress problems in concrete slabs on CTB It is no exaggeration to say that the use of the asphalt interlayer was an important contribution to the heavy traffic transportation industry and also provided a valuable experience for the heavy traffic pavement construction industry worldwide 混凝土板和基层的结合程度对板的温度应力有显著影响 功能层可以有效缓 解水泥稳定基层上板的温度应力 功能层的应用对重交通运输做出了巨大贡献 也对世界 范围内重交通水泥混凝土路面建设具有重要的参考价值 2 美国普渡大学姜艺教授对本项目做出如下评价 This project has made technical breakthroughs in reflective and thermal cracking control which presents a giant leap forward and provides practical technical guidance needed for tomorrow s concrete pavement rehabilitation 该项目在水泥混凝土路面反射裂缝和温度裂缝控制方面取得了技术突 破 其代表了一个巨大的飞跃 可为将来混凝土路面修复提供操作性强的技术指南 3 白俄罗斯大使馆给项目组发来的感谢信中称 5 感谢项目组在水泥混凝土路面设计理论和方法领域做出的创新贡献 帮助解决白 俄罗斯水泥混凝土路面结构设计问题 4 媒体报道媒体报道 2014 年 06 月 06 日 中国交通报 以 水泥混凝土路面的技术革命 为题对项目新 型设计方法 新型铺面结构 新型施工工艺及工程应用进行了整版报道 并给予了高度评 价 五 推广应用情况 项目成果直接服务于全国 10 余省份高速公路 国省干线公路 干线机场及港口铺面 工程设计 施工和养护工作 高速公路建设项目累计应用 1000 余公里 国省干线公路累 计应用约 3000 公里 干线机场 4 座 铺面面积约 800 万平方米 成果对于推动民航 水 运和公路等重交通基础设施走向更安全 更舒适和更耐久发挥了重要作用 主要应用单位情况表主要应用单位情况表 应用单位名称应用技术 应用的 起止时间 应用情况 内蒙古高等级公路建 设开发有限责任公司 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2009 年 03 月 2010 年 05 月 项目成果直接应用于全长 100 公里的内蒙 古自治区白霍 白音华至霍林郭勒 一级 公路新建工程中 大大提高了水泥混凝土 路面结构使用耐久性 内蒙古交通设计 研究院有限责任公司 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2007 年 03 月 2009 年 04 月 项目成果直接应用于全长 260 公里的内蒙 古自治区准兴 准格尔旗至兴和县 高速 公路新建工程设计中 有效保证了路面结 构设计可靠度 广西金龙高速公路 有限公司 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2007 年 03 月 2009 年 04 月 项目成果直接应用于全长 168 公里的广西 三柳 三江至柳州 高速公路新建工程建 设中 提高了道路结构的使用耐久性 减 少了日常养护及小中修工作量 黑龙江省公路勘察 设计院中山分院 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2010 年 03 月 2011 年 05 月 项目成果直接应用于全长 244 公里的黑龙 江北黑 北安至黑河 高速公路新建工程 设计中 减少了施工材料的浪费 有效提 高了施工质量 西藏自治区林芝市 交通运输局 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2010 年 4 月 2014 年 10 月 成果推广应用于 G318 国道 S306 省道 S202 省道等工程建设中累计应用 400 公 里 在完善工程设计 攻克工程核心技术 难题等方面 发挥了巨大的技术支持作用 西藏自治区交通重载水泥混凝土铺面2013 年 4 月 项目成果在 G317 国道改则至革吉段改建 6 勘察设计研究院关键技术 2014 年 9 月 工程建设中应用 降低工程造价 对于工 程建设规范有序推进具有重大指导意义 黑洛公路十八站至 金沟段改扩建工程 建设指挥部 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2012 年 4 月 2014 年 10 月 项目成果在全长 425 公里的黑洛二级公路 黑河至洛古河 工程建设中得到应用 项目成果在完善工程设计 攻克工程核心 技术难题等方面 发挥了巨大的技术支持 作用 山西省公路局 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2003 年 6 月 2010 年 10 月 先后在大同电煤集运通道 通道连接线 以及朔州 吕梁 太原 临汾等地的煤运 重载公路 合计 2000 余公里 应用项目 成果 大幅提升了路面使用品质和耐久性 山西省高速公路 管理局 重载水泥混凝土铺面 关键技术 1999 年 4 月 2012 年 11 月 项目成果先后在 195 公里运煤高速公路 京大 大同西北环 德大 大新 太古 及 60 余公里隧道路面的建设中得到应用 对路面结构耐久性提升具有重大意义 重庆机场集团 有限公司 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2012 年 1 月 2014 年 12 月 在重庆江北国际机场三跑道建设工程的设 计和施工中采用 提高了水泥混凝土道面 结构的可靠性 对于减少道面的早期损坏 降低道面养护费用 昆明新机场建设 指挥部 重载水泥混凝土铺面 关键技术 2007 年 月 2012 年 6 月 在昆明新机场 长水国际机场 工程的设 计和施工中采用了 重载水泥混凝土铺面 关键技术 共建设跑道端 滑行道 站 坪等水泥混凝土道面 不含道肩 围场路 等 共计 172 万平米 对于减少道面的早 期损坏提高机场运行安全具有重要意义 六 主要知识产权证明目录 主要知识产权证明目录 不超过主要知识产权证明目录 不超过 1010 件 件 知识产 权类别 知识产权 具体名称 国家 地区 授权号授权日期 证书 编号 权利人发明人 发明专利 有效状态 发明 专利 Auxiliary member for pavement construction concrete slab and method for pavement construction 美国 US89858 95 B2 2015 03 24 8985895 交通运输部公 路科学研究所 田波 傅琴 陈志杰 有效专利 发明 专利 引气剂 添加引气 剂的水泥混凝土 以及它们在滑模施 工中的应用 中国 ZL201410 1316213 2016 04 06 2018795 交通运输部公 路科学研究所 柯国炬 田波 刘英 彭鹏 李思李 有效专利 发明 专利 一种早强耐磨型混 凝土养护剂及其制 备方法和用途 中国 ZL201410 1715980 2016 01 13 1922550 交通运输部公 路科学研究所 中路高科 北 京 公路技术有 限公司 王稷良 田波 韩聪 聪 王大鹏 刘康 柯 国炬 彭鹏 刘英 孙洪峰 谢晋德 有效专利 7 发明 专利 一种水泥混凝土路 面板底的修复材料 中国 ZL201310 141418X 2015 09 16 1792237 交通运输部公 路科学研究所 柯国炬 田波 彭鹏 王稷良 有效专利 发明 专利 路面施工辅助构件 混凝土板及路面施 工方法 中国 ZL201210 041291x 2014 08 201466983 交通运输部公 路科学研究所 北京科路泰技 术有限公司 广 西交通投资集 团有限公司 田波 傅琴 陈志杰 谢晋德 彭鹏 袁祖光 付智 罗翥 刘英 侯 荣国 王大鹏 王稷良 孙宏峰 莫秀雄 何哲 有效专利 发明 专利 水泥混凝土用引气 剂引气效果的评价 方法 中国 ZL201410 1325087 2016 06 01 2090594 交通运输部公 路科学研究所 柯国炬 田波 王稷 良 刘英 何哲 有效专利 发明 专利 一种机场轮迹测试 方法 中国 ZL201410 1433734 2016 11 09 2290670同济大学 赵鸿铎 凌建明 袁捷 雷电 史恩辉 有效专利 发明 专利 路面轮迹测量装置 和测量方法 中国 ZL201210 0018985 2015 04 221638917 交通运输部公 路科学研究所 北京科路泰技 术有限公司 田波 李思李 杨浩 王秋生 袁海文 孙晓 瑶 有效专利 发明 专利 一种考虑养生效应 的水泥混凝土路面 湿度场的建模方法 中国 ZL201510 0039947 2015 12 02 1862822 山西省交通科 学研究院 山西 交科公路勘察 设计院 张翛 赵队家 刘少文 申俊敏 张艳聪 朱晓 斌 刘建伟 刘志胜 有效专利 发明 专利 水泥混凝土路面基 面层层间当量剪切 刚度的确定方法 中国 ZL201510 2514324 2017 06 09 2513293 山西省交通科 学研究院 山西 交科公路勘察 设计院 张艳聪 刘少文 张翛 高玲玲 有效专利 七 主要完成人及贡献 主要完成人及贡献主要完成人及贡献 排名 姓 名工作单位完成单位行政职务技术职称主要贡献 1田波 交通运输 部公路科 学研究所 交通运输 部公路科 学研究所 副主任研究员 总体负责项目实施 研究方案与大 纲制定 审查各专项成果 总体质量把 关 总体规划创新点 1 2 3 4 的研究 工作 建立内嵌温度应力的计算方法 创新了空间连续协调的铺面结构 发明 引气液化剂及其混凝土铺面施工技术 提出了二次拌合 6 小时快通混凝土技术 2赵队家 山西省交 通科学研 究院 山西省交 通科学研 究院 院长 教授级 高工 审查专项成果 总体质量把关 对 创新点 1 2 4 做出了贡献 提出重载 混凝土铺面结构的典型损坏模式 分析 和设计方法 实施运煤重载公路示范工 程 8 3刘少文 山西省交 通科学研 究院 山西省交 通科学研 究院 副院长 教授级 高工 对创新点 1 2 3 做出了贡献 实 施了大规模足尺试验 标定了铺面计算 模型和关键参数取值 验证了层间过渡 层 松散体结构的工作性能 提出了铺 面纹理化工艺技术 4赵鸿铎 同济大学同济大学副院长教授 对创新点 1 2 4 做出了贡献 建 立机场铺面结构更新的分析和设计方法 提出整板预制拼装 6 小时快速维修技术 5牛开民 交通运输 部公路科 学研究所 交通运输 部公路科 学研究所 集团副总 经理 研究员 对创新点 1 3 做出了贡献 设计耐 久性水泥混凝土材料 二次拌合 6 小时 快通技术 提出铺面平整度控制技术 6刘伯莹 中国交通 建设集团 有限公司 中国交通 建设集团 有限公司 科技部总 经理 教授级 高工 对创新点 1 2 做出了贡献 制定了 水泥混凝土路面设计 评价和维修策略 7姜昌山 中国民航 机场建设 集团公司 中国民航 机场建设 集团公司 规划设计 总院总工 教授级 高工 对创新点 1 3 做出了贡献 提出机 场混凝土铺面的结构设计和施工技术 8谈至明 同济大学同济大学无教授 对创新点 1 2 做出了贡献 提出公 路 港口道路 堆场混凝土铺面的结构 计算和分析方法 9梁军林 广西大学广西大学无教授 对创新点 2 3 做出了贡献 提出层 间过渡结构的材料组成设计方法及其施 工技 10张志耕 内蒙古交 通设计研 究院有限 责任公司 内蒙古高 等级公路 建设开发 有限责任 公司 董事长 教授级 高工 对创新点 1 3 做出了贡献 提出高 寒地区重载混凝土路面的设计与施工技 术 八 主要完成单位及贡献 主要完成主要完成单位单位及贡献及贡献 排名单位名称主要贡献 1 山西省交通科学 研究院 全面负责项目方案的制定 实施和成果验收 负责示范工程 试验段 的设计与实施 对创新点 1 2 3 4 做出了贡献 创立水泥混凝土铺面设 计方法 标定理论模型和参数体系 验证层间过渡结构的工作性能 提出 铺面平整度提高技术和板底脱空快速处治技术 2 交通运输部 公路科学研究所 负责项目研究方案的组织与实施 对创新点 1 2 3 4 做出了贡献 建立内嵌温度应力计算方法 提出基层防冲刷技术 研发引气液化剂及其 混凝土改性技术 提出二次拌合 6 小时快通混凝土技术 9 3 中国民航机场 建设集团公司 改为 对创新点 1 3 做出了贡献 提出机场混凝土铺面的结构设计和 施工技术 实施了北京新机场 昆明新机场等铺面设计 4 同济大学 对创新点 1 2 4 做出了贡献 提出公路 港口道路 堆场混凝土铺 面的结构设计技术 机场预制拼装快速维修技术 5 广西大学 对创新点 2 3 做出了贡献 提出层间过渡结构的材料组成设计方法及 其施工技术 九 完成人合作关系说明 项目第 1 完成人和其他完成人 其他完成人之间通过项目共同立项 共同获奖 共同 编制规范 专著论文合著等形式建立了长期 稳定的合作关系 1 共同立项 获奖共同立项 获奖 第 1 完成人和第 2 3 4 完成人共同立项 完成了山西省交通厅科技项