文/同濟大學(xué) 龐亞鳳

獲獎等級：一等獎

項目名稱：瀝青路面開裂損傷演化機理與防治技術(shù)及應(yīng)用

裂縫是瀝青路面的頑癥，以開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，瀝青路面的開裂損傷機制難以掌握，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際性難題，建立高質(zhì)量、高效率、強保障的路面開裂病害防治技術(shù)體系迫在眉睫。

從“亡羊補牢”到“未雨綢繆”的理念轉(zhuǎn)變

長期以來，瀝青路面損傷演化機理不明晰，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、施工效率低等問題時有發(fā)生。

針對這些國際性技術(shù)難題，同濟大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、交通運輸部公路科學(xué)研究院、中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司、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）有限公司和上海浦東建筑設(shè)計研究院共同組成的研究團隊依托20多項國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、交通運輸部科技項目等課題資助，歷經(jīng)10余年的系統(tǒng)研究，沿著“精確解析-主動防控-高效處治”的技術(shù)路線，突破了路面損傷起裂演化機理、路面裂縫主動愈合方法、路面病害高效處治技術(shù)等系列瓶頸問題，創(chuàng)建了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、經(jīng)大規(guī)模工程應(yīng)用驗證的路面開裂病害防治技術(shù)體系。

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

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

該項目的研發(fā)思路是從“亡羊補牢”的被動式養(yǎng)護到“未雨綢繆”的主動式防控與高效處治，解決“瀝青材料損傷演化機理精確解析”這一科學(xué)問題，面向裂縫防治這一道路工程界的國際性難題，研發(fā)裂縫主動防控和高效處治技術(shù)。

項目組以理論為指引，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展的多尺度聯(lián)動機制、瀝青材料裂紋自愈合行為理論與評價、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)

項目組利用跨學(xué)科交叉互補研究的方式，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—瀝青路面界面開裂的多尺度演化機理”“治未病—瀝青路面損傷主動愈合方法”“治已病—瀝青路面裂縫高效處治技術(shù)的系列創(chuàng)新成果”，對道路工程界裂縫防治這一國際性難題的破解起到了巨大的推動作用，項目創(chuàng)新成果總體達到國際領(lǐng)先水平。

明病理 瀝青路面界面開裂的多尺度演化機理

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)，界面抵抗開裂的能力直接影響瀝青混合料的強度及耐久性。在微觀尺度，項目采用分子動力學(xué)，從能量角度和分子運動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散機制；揭示了瀝青膜厚度、集料表面粗糙度、水、老化等對界面斷裂模式(黏附性破壞/黏聚性破壞)的耦合作用機理。從細觀尺度上，項目提出了瀝青混合料界面微區(qū)性能采集的標(biāo)準(zhǔn)實驗方法，構(gòu)建了考慮界面的等效集料模型，克服了界面區(qū)尺寸過小而難以進行數(shù)值模擬的瓶頸，闡釋了界面對性能劣化（蠕變性能、彈性模量、裂紋擴展）的影響。在宏觀尺度，項目提出了考慮自愈效應(yīng)的開裂區(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，獲取了不同溫度、加載頻率下開裂區(qū)本構(gòu)參數(shù)，通過兩階段耦合模型，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，如能通過技術(shù)措施強化瀝青混合料的自愈合行為，將顯著延長瀝青路面的服役壽命。項目構(gòu)建了考慮裂面處瀝青分子浸潤及瀝青分子擴散的兩階段裂紋自愈合模型，提出活化能指數(shù)評價瀝青材料自愈合能力，為自愈合瀝青混合料組成設(shè)計確立理論基礎(chǔ)；開發(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響應(yīng)并主動修復(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，通過微波加熱的方法實現(xiàn)多次、全域裂紋愈合，疲勞壽命提升2.3倍；提出“斷裂過程區(qū)裂紋發(fā)育程度”的評價指標(biāo)，以制定微波自愈養(yǎng)護優(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，開發(fā)了相關(guān)試驗儀器；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 瀝青路面開裂損傷演化防治技術(shù)與同類技術(shù)的對比表

← 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發(fā)

應(yīng)用前景廣闊 社會經(jīng)濟效益兼顧

推廣應(yīng)用

項目技術(shù)成果在北京市延慶冬奧會館項目等全國近30個省份瀝青路面中得到推廣，累計應(yīng)用超過1500萬延米，并在北美洲和大洋洲等國開展了試驗路修補，在“一帶一路”沿線國家進行試驗性推廣與應(yīng)用。項目各應(yīng)用材料的性能優(yōu)異，施工工藝成熟，對瀝青路面開裂的防控具有絕對優(yōu)勢，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

項目形成了產(chǎn)學(xué)研用一體化協(xié)同攻關(guān)、創(chuàng)新驅(qū)動的格局，有效提升了研發(fā)效率，極大地推動了技術(shù)轉(zhuǎn)化并提高了現(xiàn)實生產(chǎn)力，通過交通運輸部典型示范工程應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)圖編制，為項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)支撐和實踐經(jīng)驗。

← 組圖：研發(fā)的裂縫處治類材料在國內(nèi)近30個省區(qū)市累計應(yīng)用超過1500萬延米

項目主要完成人在《國際工程科學(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）、《中國公路學(xué)報》《科學(xué)通報》等國際權(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，4篇論文連續(xù)多次入選ESI高被引論文（前1%），1篇ESI熱點論文（前1‰），通過介紹項目研究成果，提升了研究成果的國際影響力。同時，項目通過出版瀝青混合料自愈領(lǐng)域的專著、發(fā)明專利等途徑，進一步推廣項目研究成果。

社會效益

項目研發(fā)的主動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)護頻次，減少由于養(yǎng)護維修造成的擁堵和滯留，保障高速公路、城市道路的安全、高效運營。項目部分成果納入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。

此外，裂縫處治材料在美國加州、加拿大多倫多等地，以及泰國、越南、埃及等“一帶一路”沿線7個國家進行了試驗性推廣應(yīng)用，高性能冷補料出口巴布新幾內(nèi)亞和關(guān)島等國家和地區(qū)，推動了我國裂縫處治材料的技術(shù)進步和高端產(chǎn)品的國產(chǎn)化，強力支撐了我國“一帶一路”等國家戰(zhàn)略的推進，實現(xiàn)了科研成果走出國門，為實現(xiàn)交通強國提供了強有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

← 組圖：項目出版知識產(chǎn)權(quán)

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

← 組圖：加拿大多倫多、美國加州、泰國曼谷、越南、埃及等國家進行裂縫處治試驗路，冷補料出口巴布新幾內(nèi)亞、美國關(guān)島等。

經(jīng)濟效益

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至233%。研發(fā)的裂縫處治材料累計應(yīng)用超過1500萬延米，施工效率提高兩倍至4倍，冷補料和灌漿料年應(yīng)用量超過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館、上海市滬南公路等我國近30個省區(qū)市得到成功應(yīng)用，并在海外各個國家和地區(qū)進行了試驗性推廣應(yīng)用，直接經(jīng)濟效益達到2.1億元，間接經(jīng)濟效益15.2億元。經(jīng)濟社會效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。