構(gòu)建全球首個(gè)長壽命瀝青路面足尺試驗(yàn)平臺(tái)

文/交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院

獲獎(jiǎng)等級(jí)：一等獎(jiǎng)

項(xiàng)目名稱：基于足尺環(huán)道五千萬次級(jí)試驗(yàn)的耐久性瀝青路面服役機(jī)理與建造技術(shù)

“基于足尺環(huán)道五千萬次級(jí)試驗(yàn)的耐久性瀝青路面”項(xiàng)目搭建了世界上首個(gè)滿足長壽命瀝青路面全壽命周期服役性能驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)類型完整、觀測(cè)與監(jiān)測(cè)功能齊全的足尺路面試驗(yàn)平臺(tái)。已經(jīng)完成五千萬次級(jí)的實(shí)車加速加載試驗(yàn)，平臺(tái)系統(tǒng)采集了瀝青路面多元服役性能的長期演化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了長壽命瀝青路面第一階段的試驗(yàn)驗(yàn)證目標(biāo)，夯實(shí)了我國長壽命瀝青路面技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)基礎(chǔ)，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的空白。

創(chuàng)新 形成一批新理論、新方法、新技術(shù)

該項(xiàng)目通過開展耐久性瀝青路面服役機(jī)理與建造技術(shù)研究，形成了一批新理論、新模型、新方法與新技術(shù)，其中在海量數(shù)據(jù)高頻采集與處理，瀝青路面破壞機(jī)理及瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)正演、反演方法研究方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

平臺(tái)建設(shè)與數(shù)據(jù)采集

項(xiàng)目擁有目前世界上路面基層結(jié)構(gòu)類型最完整的RIOHTrack足尺環(huán)道，可實(shí)現(xiàn)寬剛度域基層同時(shí)空試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)加載效率約每年1500至1700ESALs，相當(dāng)于美國NCAT的2倍至3倍，加載能力世界領(lǐng)先；5年加載累計(jì)達(dá)5000萬次，相當(dāng)于車輛正常通行30年的荷載水平，是目前國際上累計(jì)試驗(yàn)加載次數(shù)最多的足尺環(huán)道；提出“四法”聯(lián)用技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法，使有效數(shù)據(jù)密度提高5倍以上，數(shù)據(jù)信噪比可提高至60dB，異常數(shù)據(jù)識(shí)別率可達(dá)85%以上，數(shù)據(jù)加工處理能力達(dá)到每秒2GB；數(shù)據(jù)共享總量已達(dá)326TB，全部向國內(nèi)外同行免費(fèi)共享。

模型驗(yàn)證與損傷機(jī)理

項(xiàng)目除驗(yàn)證柔性基層、厚瀝青混凝土結(jié)構(gòu)和全厚式結(jié)構(gòu)外，還可驗(yàn)證半剛性基層結(jié)構(gòu)、剛性基層結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)；首次觀測(cè)到車轍變形以年為周期“損傷-恢復(fù)-損傷”的波動(dòng)性增長新現(xiàn)象，以及薄瀝青面層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的路表橫向Top-Down開裂的疲勞破壞新模式；基于環(huán)道試驗(yàn)現(xiàn)狀分析，首次明確提出耐久性瀝青路面承力結(jié)構(gòu)疲勞壽命逐層累積的新假設(shè)，可使路面壽命評(píng)估可靠性提高50%。

性能演化與力學(xué)分析

項(xiàng)目首次提出融合外因、內(nèi)因與受力狀態(tài)三個(gè)維度的服役性能演化統(tǒng)一模型；建立了以Boltzmann模型為基礎(chǔ)的瀝青路面服役性能溫度修正新模型，可準(zhǔn)確描述影響服役性能溫度的敏感區(qū)域和惰性區(qū)域，進(jìn)而顯著提高各指標(biāo)的溫度修正精度；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的精度可達(dá)90%以上，多元統(tǒng)計(jì)分析模型精度可達(dá)80%以上；基于材料非線性的瀝青路面力學(xué)分析方法可解決力學(xué)分析的唯一性問題，與實(shí)測(cè)結(jié)果相關(guān)性達(dá)到80%以上；提出的模量反演方法適用于各類型結(jié)構(gòu)的4層體系反算，適用范圍更廣。

←試驗(yàn)平臺(tái)路面結(jié)構(gòu)模型

← 瀝青路面“雙向”疲勞損傷的新理論示意圖

建造技術(shù)

項(xiàng)目提出的高強(qiáng)度半剛性基層7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到6至7MPa，可顯著提高路面承載能力，且不會(huì)產(chǎn)生反射裂縫；提出的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，可充分發(fā)揮礦料結(jié)構(gòu)作用，不增加造價(jià)，在提高高溫性能50%以上的同時(shí)，使應(yīng)力吸收層瀝青混合料成本降低20%。

應(yīng)用 為一批技術(shù)研究推廣提供參考依據(jù)

工程應(yīng)用方面

該項(xiàng)目的相關(guān)成果對(duì)長壽命路面技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要的借鑒作用，為交通運(yùn)輸部安監(jiān)司“平安百年品質(zhì)工程”建設(shè)研究、河北省雄安高速永久路面設(shè)計(jì)、江蘇省長壽命路面（30年以上）技術(shù)預(yù)研究、河南省在役典型瀝青路面結(jié)構(gòu)性能延續(xù)技術(shù)研究等提供了切實(shí)可行的參考與指導(dǎo)。

數(shù)據(jù)應(yīng)用方面

項(xiàng)目已向清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校和研究院所，累計(jì)開放共享數(shù)據(jù)326TB，涵蓋了8類，30余種數(shù)據(jù)。項(xiàng)目成果納入3項(xiàng)國家科學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和3項(xiàng)交通運(yùn)輸行業(yè)規(guī)范，為相關(guān)成果的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

推廣前景方面

耐久性瀝青路面建造技術(shù)研究成果可有效提升道路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的可靠性和使用的耐久性，大大節(jié)約公路養(yǎng)護(hù)資金，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

效益 多維度體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院依托該項(xiàng)目編制了交通行業(yè)首部《公路長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》，對(duì)于指導(dǎo)、發(fā)展和推廣長壽命路面技術(shù)具有重要意義。與傳統(tǒng)路面相比，長壽命路面服役周期將延長1倍以上，不僅節(jié)約養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，還可減少資源開采與消耗。

該項(xiàng)目研究所得的公路科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，極大地豐富了我國公路科學(xué)戰(zhàn)略資源，支撐了多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的實(shí)施，項(xiàng)目參與編制的3部國家科學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于公路科學(xué)數(shù)據(jù)的規(guī)范化采集、存儲(chǔ)和利用具有重要的指導(dǎo)意義；以足尺環(huán)道為核心的公路長期性能國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站和交通運(yùn)輸行業(yè)野外科學(xué)觀測(cè)研究基地，將為我國公路學(xué)科的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究提供重要支撐。

該項(xiàng)目采集的服役性能數(shù)據(jù)面向全世界進(jìn)行深度開放共享，為國內(nèi)外高校和科研機(jī)構(gòu)提供了詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)資料。作為國際長壽命路面技術(shù)研究領(lǐng)域重要的學(xué)術(shù)平臺(tái)，足尺環(huán)道可顯著提升我國路面技術(shù)的國際影響力。

貢獻(xiàn) 取得多項(xiàng)專利并形成規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

該項(xiàng)目共取得發(fā)明專利27項(xiàng)，軟件著作權(quán)4項(xiàng)，出版專著4部，發(fā)表核心學(xué)術(shù)論文58篇；主持制修訂了《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）、《公路長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（已報(bào)批）和《橡膠瀝青路面技術(shù)規(guī)范》（已報(bào)批）等行業(yè)規(guī)范，參編了《科技計(jì)劃形成的科學(xué)數(shù)據(jù)匯交技術(shù)與管理規(guī)范》（GB/T 39912-2021）、《科技計(jì)劃形成的科學(xué)數(shù)據(jù)匯交通用代碼集》（GB/T 39908-2021）、《科技計(jì)劃形成的科學(xué)數(shù)據(jù)匯交通用數(shù)據(jù)元》（GB/T 39909-2021）等3項(xiàng)國家科學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

依托該項(xiàng)目，公路行業(yè)兩次香山科學(xué)會(huì)議獲得成功申辦，會(huì)議主題分別為“中國長壽命路面關(guān)鍵科學(xué)問題及技術(shù)前沿”和“長壽命道路的材料本構(gòu)與結(jié)構(gòu)性能模型”，進(jìn)一步推動(dòng)了長壽命路面技術(shù)發(fā)展。

項(xiàng)目相關(guān)成果直接孵化了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“足尺環(huán)道高通量響應(yīng)數(shù)據(jù)挖掘與長壽命道路服役性能驗(yàn)證技術(shù)（2017YFC0840201）”“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”與重點(diǎn)專項(xiàng)課題“瀝青路面全壽命周期服役性能全時(shí)空全環(huán)境試驗(yàn)與示范應(yīng)用（2020YFA0714304）”，服務(wù)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“道路基礎(chǔ)設(shè)施全壽命服役性能衰變機(jī)理及預(yù)測(cè)理論（2018YFB1600103）”“智能道路鋪裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)集成技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論體系（2018YFB1600204）”等，引領(lǐng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了交通科技創(chuàng)新。