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        江蘇省廿年瀝青路面技術(shù)框架與發(fā)展路徑

        2020-03-25 06:16:22蔣振雄
        公路交通科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:瀝青路面江蘇省瀝青

        蔣振雄

        (江蘇省交通工程建設(shè)局,江蘇 南京 210004)

        0 引言

        改革開放40年,我國交通事業(yè)發(fā)展日新月異,公路建設(shè)實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。在瀝青路面結(jié)構(gòu)組合以及材料方面進(jìn)行了大量研究、探索與實踐,促進(jìn)了高速公路建設(shè)水平的提升[1-3]。截至2018年,全國高速公路建設(shè)總里程達(dá)14.26萬公里,公路建設(shè)實現(xiàn)了“量”的極大積累,而站在新時代的發(fā)展全局,實現(xiàn)公路建設(shè)“質(zhì)”的進(jìn)一步飛躍,則成為新時期公路建設(shè)目標(biāo)。

        江蘇省高速公路建設(shè)歷史已經(jīng)超過20 a,在瀝青路面建設(shè)和使用過程中,有效解決了早期的水損害、反射裂縫發(fā)展過快等問題,所采用的典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)總體上應(yīng)用良好,有效促進(jìn)了江蘇省高速公路建設(shè)水平的提升[4-5]。而隨著國家“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的提出及“品質(zhì)工程”打造的需求,社會對高速公路瀝青路面建設(shè)質(zhì)量的要求也越來越高。如何提升道路使用品質(zhì),延長瀝青路面使用壽命,成為當(dāng)前人們所關(guān)注的熱點問題。

        回顧過往,在江蘇省高速公路建設(shè)事業(yè)發(fā)展過程中,高速公路瀝青路面建設(shè)質(zhì)量和技術(shù)水平一直名列全國前茅,并且率先采用改性瀝青等新型路面技術(shù),引領(lǐng)了全國使用風(fēng)潮[6]。國內(nèi)某些省份剛提出瀝青路面“8年不大修”的奮斗目標(biāo)時,江蘇省高速公路瀝青路面已經(jīng)基本實現(xiàn)10年無大修,十一五期間,江蘇省“十年路面百年橋”的品牌已經(jīng)叫響全國。

        而在新時期,為了響應(yīng)國家高質(zhì)量發(fā)展的號召,進(jìn)一步提升瀝青路面建設(shè)水平,江蘇省交通工程建設(shè)局基于省內(nèi)以往半剛性基層瀝青路面的成功經(jīng)驗,結(jié)合新時期瀝青路面建設(shè)面臨的形勢,于2019年2月23日召開的江蘇省高速公路瀝青路面技術(shù)研討會上,提出了“雙十路面百年橋”的建設(shè)目標(biāo),這一目標(biāo)的提出,對瀝青路面設(shè)計、施工、運營期的質(zhì)量和技術(shù)都提出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求,但是如何實現(xiàn)該目標(biāo)還需進(jìn)一步進(jìn)行研究:

        其一,對現(xiàn)有道路服役狀態(tài)及存在的問題缺乏深入評估與分析。路面在車輛的長期荷載及環(huán)境變化的循環(huán)作用下,不可避免地出現(xiàn)車轍、開裂等問題,常規(guī)主要對路面基本性能和病害狀況進(jìn)行簡單分析,但是對道路服役狀態(tài)、病害特征、破壞機(jī)理并未進(jìn)行深入研究,因此無法對江蘇省高速公路使用效果形成準(zhǔn)確的認(rèn)識,不能全面掌握當(dāng)前路面存在的問題,從而為未來瀝青路面建設(shè)提供優(yōu)化方向。

        其二,當(dāng)前所提出的“廿年路面”的基本內(nèi)涵尚不明確?,F(xiàn)階段所提出的“廿年路面”概念還較為籠統(tǒng),并且對于“何為廿年路面”這一核心問題并未作出詳細(xì)解釋,即尚未回答“廿年路面”的具體涵義。究其原因在于傳統(tǒng)路面壽命的定義較為模糊,沒有明確定義道路使用壽命的終止?fàn)顟B(tài),并且對廿年瀝青路面的使用性能和養(yǎng)護(hù)方面的要求也并不明晰。

        其三,廿年瀝青路面建設(shè)缺乏科學(xué)明確的技術(shù)發(fā)展路徑。對瀝青路面結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)計、施工過程的技術(shù)發(fā)展需求不清楚,各階段所需要突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)不明確,并且亦不能以一種系統(tǒng)性思維來對不同階段的技術(shù)進(jìn)行聯(lián)動發(fā)展,開展頂層規(guī)劃。

        綜上,通過對江蘇省高速公路瀝青路面的服役效果進(jìn)行深入總結(jié),明確江蘇省現(xiàn)役路面存在的問題;基于此,考慮路面實際使用需求,分別從交通條件、服役狀態(tài)等實際需求出發(fā),明確定義廿年瀝青路面內(nèi)涵;然后以20 a壽命為高速公路瀝青路面建設(shè)目標(biāo),分別從關(guān)鍵控制指標(biāo)、路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化與開發(fā)、施工管控以及示范工程等方面系統(tǒng)性進(jìn)行研究,建立整體研究框架,思考廿年路面實現(xiàn)的技術(shù)路徑。

        1 我國典型瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程

        改革開放以來,我國高速公路事業(yè)不斷發(fā)展,瀝青路面建設(shè)取得了突出的成就[7-9]。瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程經(jīng)歷了4個階段,如圖1所示。

        第1階段:1996年以前,在借鑒國外成功經(jīng)驗以及開展國內(nèi)前期探索的基礎(chǔ)上,我國早期高速公路路面結(jié)構(gòu)形式為“強(qiáng)基薄面”的半剛性基層瀝青路面,即瀝青層一般較薄,一般為14~15 cm,并且表面瀝青層采用普通瀝青AK型抗滑表層、中面層采用密級配的普通瀝青AC型混合料、下面層大多采用粗粒式瀝青混凝土(LH),而基層則主要為二灰穩(wěn)定碎石。這一階段瀝青路面質(zhì)量均較好,并且由于交通軸載較小,路面損壞狀況較少。

        第2階段:1996—1999年,我國高速公路建設(shè)進(jìn)入全面發(fā)展期,在總結(jié)上一階段建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,瀝青面層厚度有所增加,約為16 cm,瀝青面層與基層材料類型與上一階段相似。特別的是,該階段開始引入SMA技術(shù)。這一階段路面交通軸載相對變重,路面出現(xiàn)了以水損害為主的病害形式。

        第3階段:2000—2005年,針對路面普遍存在的水損害問題,在材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)排水及施工等方面開展大量研究。在這一階段,瀝青面層主要為17~18 cm,且單層改性和雙層改性瀝青層結(jié)構(gòu)被投入使用,表面瀝青層級配和材料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整,而基層則普遍采用水泥穩(wěn)定碎石。在這一階段路面質(zhì)量得到顯著提升,水損害問題基本得以解決,但是車轍問題突出。

        第4階段:2005年以后,隨著瀝青結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展,針對瀝青路面車轍問題,改性瀝青和SMA技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。并且針對路面裂縫問題,進(jìn)一步對瀝青面層進(jìn)行加厚,江蘇、山東等省份開展柔性基層以及組合式基層研究。

        圖1 我國典型瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程

        2 江蘇省瀝青路面建設(shè)現(xiàn)狀分析

        2.1 總體情況

        自20世紀(jì)90年代以來,江蘇省的高速公路建設(shè)取得了巨大的成就。截止到2018年底,江蘇省高速公路通車總里程達(dá)4 748 km,高速公路密度居全國第一,通車總里程居全國前列,如圖2所示。在20多年的建設(shè)發(fā)展過程中,主要采用半剛性基層瀝青路面作為路面結(jié)構(gòu)形式,積累了大量的成功經(jīng)驗。其中,基層結(jié)構(gòu)類型由“二灰碎石-普通水穩(wěn)碎石-抗裂水穩(wěn)碎石”逐步優(yōu)化,并且近年來也在組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方面做了一些探索與實踐,如表1所示。從整體路況來看,路面平均技術(shù)狀況指數(shù)(MQI)在96以上,道路技術(shù)狀況優(yōu)良率達(dá)100%,性能變化較為穩(wěn)定,如圖3所示。

        圖2 江蘇省高速公路歷年通車?yán)锍套兓?/p>

        2.2 當(dāng)前瀝青路面建設(shè)所面臨的形勢

        回顧我國高速公路的使用狀態(tài),在建設(shè)發(fā)展過程中,公路建設(shè)取得了很大的成就,但是現(xiàn)役路面建設(shè)仍存在如下問題,對路面耐久性、服務(wù)水平產(chǎn)生不利影響,需進(jìn)一步完善[10]:

        (1)瀝青路面使用性能有待提升

        當(dāng)前路面的車轍問題持續(xù)存在,半剛性基層反射裂縫較為密集,路表抗滑性能存在下降趨勢,并且結(jié)構(gòu)內(nèi)部層間粘結(jié)不良,如圖4所示。

        表1 不同基層類型典型高速公路

        圖3 江蘇省高速公路路面性能狀況

        圖4 瀝青路面使用性能狀況

        (2)現(xiàn)有的瀝青路面設(shè)計理論與方法不夠健全

        我國瀝青路面設(shè)計壽命總體上是從結(jié)構(gòu)層疲勞角度進(jìn)行定義,但是當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計使用壽命末期,各結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)全面破壞的情況仍非常少見,一般主要是瀝青面層的功能性損壞和基層的反射裂縫,因此,設(shè)計壽命與實際使用壽命并不匹配。

        (3)材料性能與路面實際需求匹配性有待提升

        目前,我國在材料優(yōu)化設(shè)計方面做了大量工作,但是路面結(jié)構(gòu)層材料性能與實際層位需求的匹配性尚不夠明確,并且所優(yōu)化設(shè)計的材料性能無法滿足路面結(jié)構(gòu)的功能需求。

        (4)道路原材料質(zhì)量波動性增加

        瀝青、集料等原材料質(zhì)量受到加工工藝、材料來源、管理機(jī)制、市場體制等多方面因素的影響,在不同程度上對瀝青混合料性能造成影響。

        (5)信息化技術(shù)有待高效應(yīng)用

        缺乏對原材料、生產(chǎn)、管理(質(zhì)量、安全、進(jìn)度)等路面建設(shè)全過程的精細(xì)化把控,智能化和信息化管理技術(shù)有待提升和推廣。

        3 廿年瀝青路面定義

        3.1 概念

        通過對AASHTO指南、法國LCPC、國內(nèi)幾個版本的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行調(diào)研[11-13],分析國內(nèi)外瀝青路面“壽命”定義,并且參考長壽命瀝青路面的概念[14],考慮我國瀝青路面的設(shè)計需求,對廿年瀝青路面進(jìn)行定義:在規(guī)定交通條件下,通過科學(xué)的設(shè)計、施工和運營,在設(shè)計年限(20 a)內(nèi)保持良好的服役狀態(tài),15 a無大修,僅需根據(jù)表面層損壞狀況進(jìn)行周期性修復(fù)而基層保持穩(wěn)定的瀝青路面。

        3.2 內(nèi)涵

        在總費用上,初期建設(shè)費用相對較高,日常養(yǎng)護(hù)費用較少,總費用效益比最大;

        在設(shè)計年限上,至少使用20 a,減少了重建的幾率;

        在損壞模式上,路面的損壞只發(fā)生在表層,如表面開裂,小車轍等,不存在結(jié)構(gòu)性破壞;

        在養(yǎng)護(hù)維修上,只需日常養(yǎng)護(hù),不需進(jìn)行結(jié)構(gòu)性大修。

        3.3 設(shè)計理念

        圖6 廿年瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)研究框架

        基于變壽命設(shè)計理念[15],考慮不同結(jié)構(gòu)層的功能及維修難易程度,進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層自上而下設(shè)計壽命遞增的設(shè)計,如圖5所示。上面層的設(shè)計壽命為15 a,中下面層的設(shè)計壽命為20 a,基層設(shè)計壽命為30~40 a,而路基設(shè)計壽命應(yīng)按永久性路基考慮。在整個路面壽命周期內(nèi),路面翻修次數(shù)從上至下逐漸減少,而非現(xiàn)行等壽命設(shè)計理念所設(shè)定的路面使用末期各結(jié)構(gòu)層同時損壞、翻修。而且中面層通過材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,施工質(zhì)量的精細(xì)化管理,其使用壽命達(dá)到20 a是完全可行的。

        圖5 廿年瀝青路面設(shè)計理念

        4 廿年瀝青路面技術(shù)框架

        采用理論分析、現(xiàn)場檢測、室內(nèi)試驗、模型搭建、工程應(yīng)用、跟蹤反饋等綜合性手段,并始終堅持調(diào)研→評價→理論分析→實踐→分析論證與調(diào)整→再實踐的基本思路,形成如圖6所示的技術(shù)框架。

        5 廿年瀝青路面發(fā)展路徑

        廿年瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)研究直接關(guān)聯(lián)新時期高速公路瀝青路面建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展,對高速公路瀝青路面管理、設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)等各個方面均有著重大指導(dǎo)意義和實際影響,是一個涉及理論依據(jù)、結(jié)構(gòu)組合、路面材料、施工技術(shù)、工程應(yīng)用等多方面的系統(tǒng)性問題,有必要分階段分方向的開展研究。

        (1)關(guān)鍵控制指標(biāo)

        在當(dāng)前階段,最為緊迫的是要對“廿年路面”關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行頂層設(shè)計,基于廿年路面基本內(nèi)涵,理清路面設(shè)計期、施工期和運營期養(yǎng)護(hù)等不同階段的需求及關(guān)鍵指標(biāo),從而形成總體技術(shù)路線,為“廿年瀝青”研究奠定基礎(chǔ),如圖7所示。

        圖7 關(guān)鍵控制指標(biāo)

        (2)路面結(jié)構(gòu)組合

        結(jié)合當(dāng)前半剛性基層瀝青路面的使用經(jīng)驗,考慮路面固有的技術(shù)缺陷[16-18],對現(xiàn)有強(qiáng)基薄面式的路面結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,并對組合式基層、強(qiáng)基全柔性基層等新型路面結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行探索。

        圖8 路面結(jié)構(gòu)組合

        (3)原材料管控與適應(yīng)

        考慮加工工藝、材料來源、管理機(jī)制、市場體制等因素影響,瀝青、集料等原材料質(zhì)量不可避免的產(chǎn)生波動性,一方面需對原材料質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)管控,另一方面要對原材料質(zhì)量波動條件下的混合料性能保障技術(shù)亟需開展研究,開發(fā)高兼容性瀝青混合料設(shè)計方法。

        (4)混合料性能提升

        如圖9所示,考慮結(jié)構(gòu)與功能的匹配性,基于“抗車轍、抗開裂、抗疲勞”性能優(yōu)化需求,設(shè)計開發(fā)復(fù)合高模量、巖瀝青復(fù)合改性、超吸水樹脂基層、裂縫阻斷層等高性能材料,并且考慮面向未來優(yōu)化使用的需求,推薦適用的瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料。

        圖9 材料性能提升

        (5)精細(xì)化施工管控

        瀝青路面施工過程中有效監(jiān)控與決策是高質(zhì)量路面形成的關(guān)鍵。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,瀝青路面施工質(zhì)量控制技術(shù)也在向智能化方向發(fā)展,從施工信息化和道路3D施工的角度出發(fā),開展精細(xì)化施工質(zhì)量管控技術(shù)研究,開發(fā)瀝青路面施工過程高效動態(tài)監(jiān)控技術(shù),創(chuàng)建瀝青路面智能信息管控平臺,實現(xiàn)瀝青路面養(yǎng)護(hù)管控動態(tài)化、互動化、智能化,如圖10所示。

        圖10 施工過程高效動態(tài)監(jiān)控平臺

        (6)示范工程

        基于廿年路面關(guān)鍵技術(shù)的確定,開展示范工程實施,并對混合料投料、拌和、運輸、攤鋪、碾壓等過程中的工藝參數(shù)控制,進(jìn)行施工工藝進(jìn)行研究。并進(jìn)行工后追蹤觀測,進(jìn)一步進(jìn)行驗證及優(yōu)化。

        6 結(jié)論

        基于高速公路瀝青路面建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的需求,闡述了我國瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)展的四階段特征,并總結(jié)了江蘇省半剛性基層瀝青的建設(shè)經(jīng)驗及現(xiàn)有瀝青路面建設(shè)所面臨的形勢,然后提出了以20 a壽命高速公路瀝青路面為目標(biāo),進(jìn)一步圍繞基本內(nèi)涵、關(guān)鍵控制指標(biāo)、路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化與開發(fā)、施工管控以及示范工程等方面開展研究思路,建立江蘇省廿年瀝青路面技術(shù)框架,并對發(fā)展路徑進(jìn)行思考。廿年瀝青路面的研究,對提高瀝青路面建設(shè)水平,保障路面建設(shè)質(zhì)量,具有重要的指導(dǎo)意義。

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