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：山西省提名意见：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，

2、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

3、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

4、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

5、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35mm“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

6、，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

7、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（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

8、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

9、进步一等奖。2. 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

10、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

11、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（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

12、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

13、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 tomorrows concrete pavement

14、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“ , . ”“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

15、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

16、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

17、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。西藏自治区交通勘察设计研究院重载水泥混凝土铺面关键技术2013年4月2014年9月项目成果在G317国道改则至革吉段改建工程建设中应用，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

18、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

19、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10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,

20、concrete slab and method for pavement construction美国US B22015.03.24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ZL132016.04.06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ZL802016.01.13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,谢晋德有效专利发明专利一种水泥混凝土路面板底的修

21、复材料中国ZL8X2015.09.16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ZL1x2014.08.20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ZL872016.06.01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ZL342016.11.09同济大学赵鸿铎,凌建明,袁捷,雷电,

22、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ZL852015.04.22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ZL472015.12.02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ZL242017.06.09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排名姓 名工作单位

23、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

24、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

25、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单位及贡献排名单位名称主要贡献1山西省交通科学研究

26、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、获奖第1完成人和第2、3、4完成人共同立项、完成了山西