防微杜漸診治瀝青路面裂縫

文/同濟(jì)大學(xué) 龐亞鳳

獲獎(jiǎng)等級(jí)：一等獎(jiǎng)

項(xiàng)目名稱：瀝青路面開(kāi)裂損傷演化機(jī)理與防治技術(shù)及應(yīng)用

裂縫是瀝青路面的頑癥，以開(kāi)裂為主的路面損傷具有顯著的多因素耦合和多尺度特征。在道路材料類型豐富、路面結(jié)構(gòu)組合多樣，以及多變的交通荷載和復(fù)雜的環(huán)境影響下，瀝青路面的開(kāi)裂損傷機(jī)制難以掌握，病因的不確定性造成了裂縫處治存在“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的現(xiàn)象，裂縫防治成為道路工程界的國(guó)際性難題，建立高質(zhì)量、高效率、強(qiáng)保障的路面開(kāi)裂病害防治技術(shù)體系迫在眉睫。

從“亡羊補(bǔ)牢”到“未雨綢繆”的理念轉(zhuǎn)變

長(zhǎng)期以來(lái)，瀝青路面損傷演化機(jī)理不明晰，病害處治技術(shù)普遍存在施工效率低、材料耐久性差等問(wèn)題，瀝青路面病害防治亟需理論突破和技術(shù)發(fā)展。在解決瀝青路面裂縫防治的重大技術(shù)難題上，還存在著裂縫防控難和裂縫處治難的挑戰(zhàn)，幾乎所有的瀝青路面均發(fā)生不同程度的裂縫病害，大多數(shù)公路通車一年后即出現(xiàn)裂縫，并且處治材料失效率高、次生病害多、施工效率低等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。

針對(duì)這些國(guó)際性技術(shù)難題，同濟(jì)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院、中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司、北京中天路業(yè)科技有限公司、北京路新瀝青混凝土有限公司、太原理工大學(xué)、上海浦東路橋（集團(tuán)）有限公司和上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院共同組成的研究團(tuán)隊(duì)依托20多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目等課題資助，歷經(jīng)10余年的系統(tǒng)研究，沿著“精確解析-主動(dòng)防控-高效處治”的技術(shù)路線，突破了路面損傷起裂演化機(jī)理、路面裂縫主動(dòng)愈合方法、路面病害高效處治技術(shù)等系列瓶頸問(wèn)題，創(chuàng)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、經(jīng)大規(guī)模工程應(yīng)用驗(yàn)證的路面開(kāi)裂病害防治技術(shù)體系。

←瀝青路面開(kāi)裂損傷演化機(jī)理與防治技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目研究思路

← 組圖：微觀尺度分析瀝青-集料界面吸附擴(kuò)散機(jī)制和界面失效模式多因素耦合作用機(jī)制

該項(xiàng)目的研發(fā)思路是從“亡羊補(bǔ)牢”的被動(dòng)式養(yǎng)護(hù)到“未雨綢繆”的主動(dòng)式防控與高效處治，解決“瀝青材料損傷演化機(jī)理精確解析”這一科學(xué)問(wèn)題，面向裂縫防治這一道路工程界的國(guó)際性難題，研發(fā)裂縫主動(dòng)防控和高效處治技術(shù)。

項(xiàng)目組以理論為指引，應(yīng)用為導(dǎo)向，就多因素耦合作用下瀝青混合料界面斷裂失效機(jī)理、界面弱化影響下的瀝青混合料性能劣化演變規(guī)律、瀝青混合料裂紋萌生到擴(kuò)展的多尺度聯(lián)動(dòng)機(jī)制、瀝青材料裂紋自愈合行為理論與評(píng)價(jià)、瀝青路面微膠囊自愈技術(shù)、鐵氧體微波自愈技術(shù)、裂縫處治材料性能表征及技術(shù)應(yīng)用、冷補(bǔ)料和地聚合物灌漿材料研發(fā)與應(yīng)用、高彈抗裂超薄罩面材料研發(fā)與應(yīng)用等方面開(kāi)展了深入的研究，解決了面向裂縫防治“高效耐久”的工程需求和技術(shù)難題。

創(chuàng)新全生命周期路面損傷診治技術(shù)

項(xiàng)目組利用跨學(xué)科交叉互補(bǔ)研究的方式，結(jié)合中醫(yī)學(xué)理論中“審證求因，審因論治”的核心思想，形成了包括“明病理—瀝青路面界面開(kāi)裂的多尺度演化機(jī)理”“治未病—瀝青路面損傷主動(dòng)愈合方法”“治已病—瀝青路面裂縫高效處治技術(shù)的系列創(chuàng)新成果”，對(duì)道路工程界裂縫防治這一國(guó)際性難題的破解起到了巨大的推動(dòng)作用，項(xiàng)目創(chuàng)新成果總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

明病理 瀝青路面界面開(kāi)裂的多尺度演化機(jī)理

瀝青膠漿和集料之間的界面是瀝青混合料中的薄弱環(huán)節(jié)，界面抵抗開(kāi)裂的能力直接影響瀝青混合料的強(qiáng)度及耐久性。在微觀尺度，項(xiàng)目采用分子動(dòng)力學(xué)，從能量角度和分子運(yùn)動(dòng)角度明確了多因素影響下的瀝青分子在集料表面的吸附和擴(kuò)散機(jī)制；揭示了瀝青膜厚度、集料表面粗糙度、水、老化等對(duì)界面斷裂模式(黏附性破壞/黏聚性破壞)的耦合作用機(jī)理。從細(xì)觀尺度上，項(xiàng)目提出了瀝青混合料界面微區(qū)性能采集的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，構(gòu)建了考慮界面的等效集料模型，克服了界面區(qū)尺寸過(guò)小而難以進(jìn)行數(shù)值模擬的瓶頸，闡釋了界面對(duì)性能劣化（蠕變性能、彈性模量、裂紋擴(kuò)展）的影響。在宏觀尺度，項(xiàng)目提出了考慮自愈效應(yīng)的開(kāi)裂區(qū)黏彈塑本構(gòu)模型，采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和單軸蠕變等試驗(yàn)，獲取了不同溫度、加載頻率下開(kāi)裂區(qū)本構(gòu)參數(shù)，通過(guò)兩階段耦合模型，建立材料性能與路面結(jié)構(gòu)性能之間的定量關(guān)系。

治未病 瀝青路面損傷主動(dòng)愈合方法

瀝青具有一定損傷自愈合能力，但自愈效率較低，如能通過(guò)技術(shù)措施強(qiáng)化瀝青混合料的自愈合行為，將顯著延長(zhǎng)瀝青路面的服役壽命。項(xiàng)目構(gòu)建了考慮裂面處瀝青分子浸潤(rùn)及瀝青分子擴(kuò)散的兩階段裂紋自愈合模型，提出活化能指數(shù)評(píng)價(jià)瀝青材料自愈合能力，為自愈合瀝青混合料組成設(shè)計(jì)確立理論基礎(chǔ)；開(kāi)發(fā)了適用于瀝青路面的微膠囊自愈合材料，使瀝青路面萌生微裂紋初期即可自動(dòng)響應(yīng)并主動(dòng)修復(fù)，添加微膠囊后的瀝青混合料疲勞壽命提升2.2倍。項(xiàng)目研發(fā)了鐵氧體微波自愈技術(shù)，自主研發(fā)了微波輔助設(shè)備，通過(guò)微波加熱的方法實(shí)現(xiàn)多次、全域裂紋愈合，疲勞壽命提升2.3倍；提出“斷裂過(guò)程區(qū)裂紋發(fā)育程度”的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以制定微波自愈養(yǎng)護(hù)優(yōu)化方案。

治已病 瀝青路面裂縫高效處治技術(shù)

面向路面病害高效耐久處治的工程需求，聚焦路面裂縫及其衍生病害，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、材料研發(fā)和施工工藝三方面克服了傳統(tǒng)技術(shù)普遍存在的技術(shù)瓶頸。項(xiàng)目研究建立了瀝青路面裂縫坑槽材料標(biāo)準(zhǔn)體系，廣泛調(diào)研了裂縫處治失效破壞模式，提出了材料性能表征方法，開(kāi)發(fā)了相關(guān)試驗(yàn)儀器；研發(fā)了瀝青路面裂縫及其衍生病害的高效處治材料，實(shí)現(xiàn)了裂縫、網(wǎng)裂、唧漿等路面裂縫類病害發(fā)展各階段的全覆蓋；提出了瀝青路面病害高效處治成套技術(shù)，攻克了傳統(tǒng)瀝青路面裂縫處治存在的技術(shù)難題。

← 組圖：鐵氧體微波主動(dòng)愈合原理與瀝青路面微波輔助滲透設(shè)備

表1 瀝青路面開(kāi)裂損傷演化防治技術(shù)與同類技術(shù)的對(duì)比表

← 組圖：裂縫處治材料纖維組成優(yōu)化和裂縫衍生病害處治材料開(kāi)發(fā)

應(yīng)用前景廣闊 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益兼顧

推廣應(yīng)用

項(xiàng)目技術(shù)成果在北京市延慶冬奧會(huì)館項(xiàng)目等全國(guó)近30個(gè)省份瀝青路面中得到推廣，累計(jì)應(yīng)用超過(guò)1500萬(wàn)延米，并在北美洲和大洋洲等國(guó)開(kāi)展了試驗(yàn)路修補(bǔ)，在“一帶一路”沿線國(guó)家進(jìn)行試驗(yàn)性推廣與應(yīng)用。項(xiàng)目各應(yīng)用材料的性能優(yōu)異，施工工藝成熟，對(duì)瀝青路面開(kāi)裂的防控具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

項(xiàng)目形成了產(chǎn)學(xué)研用一體化協(xié)同攻關(guān)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的格局，有效提升了研發(fā)效率，極大地推動(dòng)了技術(shù)轉(zhuǎn)化并提高了現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，通過(guò)交通運(yùn)輸部典型示范工程應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)圖編制，為項(xiàng)目研究成功以后的推廣應(yīng)用提供了充分的理論基礎(chǔ)、技術(shù)支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

← 組圖：研發(fā)的裂縫處治類材料在國(guó)內(nèi)近30個(gè)省區(qū)市累計(jì)應(yīng)用超過(guò)1500萬(wàn)延米

項(xiàng)目主要完成人在《國(guó)際工程科學(xué)（International Journal of Engineering Science）》（期刊的影響因子IF：9.219）、《水泥與混凝土研究（Cement and Concrete Research）》（期刊的影響因子IF：8.328）、《清潔生產(chǎn)雜志（Journal of Cleaner Production）》（期刊的影響因子IF：7.246）、《工程(Engineering)》（期刊的影響因子IF：8.328）、《膠體和界面科學(xué)雜志（Advances in Colloid and Interface Science）》（期刊的影響因子IF：9.922）、《中國(guó)公路學(xué)報(bào)》《科學(xué)通報(bào)》等國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊、中文卓越期刊發(fā)表相關(guān)論文75余篇，3次獲“科學(xué)指南（ScienceDirect）”頒發(fā)的最熱門文章獎(jiǎng)，4篇論文連續(xù)多次入選ESI高被引論文（前1%），1篇ESI熱點(diǎn)論文（前1‰），通過(guò)介紹項(xiàng)目研究成果，提升了研究成果的國(guó)際影響力。同時(shí)，項(xiàng)目通過(guò)出版瀝青混合料自愈領(lǐng)域的專著、發(fā)明專利等途徑，進(jìn)一步推廣項(xiàng)目研究成果。

社會(huì)效益

項(xiàng)目研發(fā)的主動(dòng)防控和高效處治材料與技術(shù)，有利于降低道路的維修養(yǎng)護(hù)頻次，減少由于養(yǎng)護(hù)維修造成的擁堵和滯留，保障高速公路、城市道路的安全、高效運(yùn)營(yíng)。項(xiàng)目部分成果納入6部交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和兩部地方標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛用于道路工程的建設(shè)、維修與養(yǎng)護(hù)。

此外，裂縫處治材料在美國(guó)加州、加拿大多倫多等地，以及泰國(guó)、越南、埃及等“一帶一路”沿線7個(gè)國(guó)家進(jìn)行了試驗(yàn)性推廣應(yīng)用，高性能冷補(bǔ)料出口巴布新幾內(nèi)亞和關(guān)島等國(guó)家和地區(qū)，推動(dòng)了我國(guó)裂縫處治材料的技術(shù)進(jìn)步和高端產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，強(qiáng)力支撐了我國(guó)“一帶一路”等國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了科研成果走出國(guó)門，為實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

← 組圖：項(xiàng)目出版知識(shí)產(chǎn)權(quán)

← 組圖：項(xiàng)目組主編發(fā)布6部交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

← 組圖：加拿大多倫多、美國(guó)加州、泰國(guó)曼谷、越南、埃及等國(guó)家進(jìn)行裂縫處治試驗(yàn)路，冷補(bǔ)料出口巴布新幾內(nèi)亞、美國(guó)關(guān)島等。

經(jīng)濟(jì)效益

研發(fā)的微膠囊自修復(fù)技術(shù)可使瀝青混合料疲勞壽命提升兩倍，鐵氧體微波自愈技術(shù)使瀝青路面疲勞壽命延長(zhǎng)至233%。研發(fā)的裂縫處治材料累計(jì)應(yīng)用超過(guò)1500萬(wàn)延米，施工效率提高兩倍至4倍，冷補(bǔ)料和灌漿料年應(yīng)用量超過(guò)2000噸。高彈抗裂超薄罩面在青海、貴州、河北等地成功應(yīng)用。成果在包括北京市延慶冬奧會(huì)館、上海市滬南公路等我國(guó)近30個(gè)省區(qū)市得到成功應(yīng)用，并在海外各個(gè)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)性推廣應(yīng)用，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到2.1億元，間接經(jīng)濟(jì)效益15.2億元。經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。