路面“长寿”难题怎么破?来听听专家怎么说

发表时间:2019-10-25 08:16作者:梁微 栾玉博 汪水银


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当前,我国高速公路设计寿命为15年,那么能否达到30至50年?以长寿命路面为代表,我国如何加快构建具有中国特色的、体现世界领先水平的第五代道路技术体系,是摆在路面科学工作者面前的一项重要课题。


10月17日至18日,在京召开的香山科学会议第S54次学术讨论会上,数十位多学科跨领域的专家学者齐聚一堂,以中国长寿命路面关键科学问题及技术前沿为主题,展开交流研讨、碰撞智慧火花。


与会专家认为,当前我国路面工程技术正处在跨越式引领发展阶段,路面学科应坚持问题导向和需求导向,以建设中国长寿命路面为总体目标,进一步强化基础研究,加强路面学科的平台建设,推动我国路面工程向耐久、绿色、智能化高质量发展。


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会议现场



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我国有能力研发自主长寿命路面技术体系


砥砺大道国运兴,新中国成立70年来,我国公路发展取得举世瞩目的成就。


70年前,我国公路通车里程仅为8.07万公里,公路等级都在二级以下;到2018年年底,里程已达到484.65万公里,一半以上公路都达到二级及以上等级。沉甸甸的成绩背后,是我国路面技术的快速进步。


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交通运输部副部长刘小明



站在历史的新起点,面向更高的要求,我国公路路面技术还有不足。交通运输部副部长刘小明指出,路面使用寿命偏短、原创基础理论严重缺乏、应用研究多基础性研究少、专业人才多复合型人才少,成为我国路面技术存在的突出短板。


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会议执行主席之一、中国工程院院士、科学技术部副部长黄卫


会议执行主席之一、中国工程院院士、科学技术部副部长黄卫表示,提升路面的使用寿命,研发长寿命路面技术,应是当代路面科技发展的核心目标,也是降低养护成本、提高路面使用性能的优良率和路网通行能力的有效途径。


长寿命路面技术,是世界各国公路路面研究的方向。自1997年英国首次明确提出长寿命路面概念以来,世界各国竞相开展长寿命路面的研究。欧美国家制定系统可行的战略规划,开展扎实深入的应用基础研究,并建立了路面学科的科学平台,取得了诸多原创性的理论成果,希望将公路路面的使用寿命提高到30至50年甚至是99年。


相比之下,我国长寿命路面技术研发起步稍晚。近15年来,我国开展了较大规模的长寿命路面技术研发,修筑了不同结构形式的试验路和实体工程,路面结构型式向多样化发展。黄卫认为,这体现出我国学术界对沥青路面长期服役行为的认知还存在较大的差异。


黄卫指出,我国与欧美国家在路面结构上也有区别。当前,欧美国家针对厚沥青混凝土结构和全厚式结构,提出实际使用寿命50年的目标。我国是以半刚性为主的路面结构,这是我国路面学科面临的新挑战。


黄卫表示,我国路面科技人员通过材料创新、结构创新、设计创新、工艺创新、维护创新,有能力研发出具有中国特色的长寿命路面技术体系。具体来说,我国路面科技人员可以从采集更全面的性能数据、挖掘更深的演化机理、建立更可靠的服役模型三个方向做好工作。



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搭建平台 做好数据积累



开展长寿命路面技术研究,持续、系统、详实的长期性能数据积累是基础条件。而开展跟踪观测、搭建数据平台,则是获取和丰富数据资源的必要措施。


针对路面学科的研发特点,欧美国家十分重视平台建设,并依托其开展长期研究,取得诸多原创性成果。与会专家认为,借鉴国外成功经验,可建设长期性能野外科学观测站、大型足尺试验平台、国家重点实验室和科学数据中心等科学研发平台。


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足尺路面试验环道平台组成结构示意图。交通运输部公路科学研究院供图


会议执行主席之一、交通运输部公路科学研究院首席研究员王旭东介绍,当前研发适用于我国公路发展需求的长寿命路面设计体系和方法,需要开展足尺模拟试验。当前,我国路面足尺模拟试验能力仅次于美国。


2015年,我国建成世界第一条以长寿命路面设计体系研究为目标的足尺路面试验环道——RIOHTrack环道。环道长度2038米,共安装了10余类、超过2000个智能传感器,布设了6大类19种不同的主试验路面结构,是迄今为止最具多样性的路面研究平台。


据介绍,试验至今,RIOHTrack环道已完成2000万次的累积加载。足尺环道的研究充分证明了非线性和结构依赖性是沥青路面的典型特征,为我国研究长寿命路面技术提供可靠依据。中交第一公路勘察设计研究院有限公司总经理汪双杰指出,当前基于足尺环道的集中式研究,能够在可控因素下研究典型路面结构的长期性能行为表现,但也存在环境和交通荷载条件与实际状况不相符的问题。


会议执行主席之一、重庆交通大学校长唐伯明提出建议,在科学分析足尺模拟试验基础上,研究规划中国长寿命路面科学观测站,制定路面长期性能野外科学观测机制;在路面长期性能观测站纳入《国家野外科学观测研究站建设发展方案(2019-2025)》的基础上,进一步确定路面长期性能跟踪观测的科学技术体系和规范;将路面长期性能观测站建设纳入《国家综合立体交通网规划纲要(2021-2050)》,并利用物联网、大数据等手段提升多元化服役性能的感知能力与效率。



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运用智能感知等技术找准服役性能规律



力学经验法是目前国内外广泛应用的一种路面结构设计方法。当前,国内外在建立路面结构的抗力模型时,采用最大拉应变强度理论或最大拉应力强度理论。


会议执行主席之一、中国工程院院士、长沙理工大学教授郑健龙指出,路面是一个三维结构,其内部也处于三维应力应变状态,用一维的强度模型表征三维结构的破坏准则,显然有失客观。


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会议执行主席之一、中国工程院院士、长沙理工大学教授郑健龙


“测不准、算不准是路面结构最主要的问题。”郑健龙认为,路面地面以下就好似一个黑匣子,很难全面获取其力学参数,从而为精准分析路面的力学响应特性带来了极大的困难。如何抽象路面结果的力学模型并准确地获取模型参数,正确地进行力学响应分析,一直是道路工程领域有待攻克的一大科学难题。


与会专家认为,采用智能感知、大数据分析等方法,实现快捷、准确地获取道路结构实际服役状态参数,感知道路结构性能和表面功能运行状态,才能实现精确预测道路结构的服役性能规律。


“智能感知是智能路面技术方向的基础和前沿。”会议执行主席之一、长安大学校长沙爱民指出,实现智能感知需要通过特定的感知器件、感知通信、数据网络和材料与结构的系统设计。专家建议,可以结合道路无损检测先进技术手段,推动道路结构服役性能智能感知和智能装备系统技术水平快速提升。


构建路面工程智能感知体系的同时,还要考虑如何用好海量的数据。沙爱民认为,需要研究路面基础设施时空域多源异构大数据预处理方法,同时构建道路基础设施大数据集成分析系统,才能实现路面安全性、耐久性和使用性的智能评估与预测。


开发耐久性路面材料,是发展长寿命路面的另一个关键技术问题。目前,路面材料研究大多采用物理而非化学的方法研究材料,材料科学领域的新成果、新方法在路面材料研究中应用较少。


哈尔滨工业大学教授谭忆秋认为,沥青基材料是长寿命路面系统构建的核心,但该类材料细观组成结构随机性强、不确定度大、分布均匀性差,且其单一功能性与现代道路对本体感知、智能化的需求日益迫切形成强烈反差。她建议,构建沥青路面材料结构组成数据库。


此外,专家们认为深度学习算法、仿真模拟等,也将在路面研究中发挥重要作用。


会议执行主席之一、同济大学教授孙立军指出,采用系统性的仿真方法,可以实现准确描述路面全寿命。路面服役性能仿真过程可抽象为两个关键科学问题,一是路面结构响应正逆向分析的统一理论和参数体系,涉及力学模型、力学求解、结构反演、多尺度试验和参数体系等;二是路面行为或服役性能的衍化,从损伤、损坏到失效。


发展长寿命路面,绕不开几个关键技术问题:对应的路面结构的设计理论与方法、提高路面材料的耐久性、科学的路面养护管理。这其中涉及力学、材料学、道路工程学等多个学科。郑健龙呼吁:“希望有更多的力学家、道路工程学家、材料学家及其他相关领域的专家都来关心这些问题,早日揭开这些一直困扰道路工程领域的科学谜团。”


本文图片除署名外由 香山科学会议办公室 提供


长寿命路面五问


1.为何建设长寿路面?

当代道路技术正从以高速公路为代表的“第四代”道路,向以耐久、绿色、智能为特征的“第五代”智能道路转型发展。满足人类和社会发展需求,提升路面使用寿命,研发长寿命路面技术,应是当代路面科技发展的核心目标。建设长寿命路面,是提高路面使用性能的优良率和路网通行能力最有效的途径,可以推动节约社会资源、保护自然环境等“绿色”目标的实现,同时也为智能交通体系的建设提供一个可靠、耐用的基础平台。


2.长寿命路面的概念什么时候提出的?

   

1997年,英国NUNN教授从全寿命周期费用最小的观点,首次明确提出长寿命路面的概念。至此,长寿命路面设计技术的研发成为主旋律。

   

3.路面寿命的内涵是什么?

   

一般来说,路面寿命的内涵包含两个方面:一个是设计基准期,即设计“期望”寿命,一个是实际的使用寿命。

   

4.长寿命路面的技术体系包括哪些方面?

   

长寿命路面的技术体系包括:路面结构设计的新理论与新方法,能改善路面使用性能、提高路面使用寿命的新材料研发、设计与制备技术,路面结构与材料路用性能的感知技术与试验检测技术,路面施工与质量控制技术,路面养护管理及大中修技术,以及相关的标准规范。

5.通过研究,路面使用寿命将达到多少年?

   

从上世纪末,世界各国竞相开展长寿命路面的研究,希望实现公路路面的使用寿命提高到30年和50年的分阶段目标。

   

根据会上专家发言整理



   




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