二十年技術積累 用水泥混凝土鋪就世界頂級機場跑道

本報記者 矯 陽

舉世矚目的北京大興國際機場開通已經一個多月，運行順暢。大興機場建設應用了當今諸多最先進的技術，據專家介紹，其中跑道和停機坪等工程應用了交通運輸部立項研究的“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”成果，降低了建設成本、提高了使用品質。

道路鋪面材料分為瀝青混凝土和水泥混凝土兩種。我國石油多依賴進口，卻是水泥產量大國，年產量高達20億噸，佔世界總量70%以上。面對增長的重載交通，在機場、重載公路和港口堆場中提升重載水泥混凝土鋪面性能，是中國交通運輸建設領域一個重要發展方向。

上世紀90年代末，依託（北）京大（同）高速公路建設，交通運輸部門開始立項“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”課題研究，前後持續近20年。課題創新了力學計算模型，解決了濕陷性黃土帶給路面的沉降等問題，用新材料創新了施工工藝。

“通過近20年的研究，課題極大展示了水泥混凝土鋪面超強的承載力和擴散荷載的能力，成功應用於大興國際機場、上海浦東機場、海南洋浦港、1500公里高速公路和4000公里國省幹道。”交通運輸部公路科學研究院研究員、課題負責人田波博士説。該課題於2018年獲國家科技進步二等獎。

課題開始時，基礎理論幾乎一片空白

1998年，正在讀博士的田波，隨導師姚祖康教授加入“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”課題團隊，參與（北）京大（同）高速公路建設。“當時通過貨車軸重普遍為20噸，超過設計標準一倍，造成路面使用壽命嚴重縮短，鋪面結構斷裂早發，大修頻繁。”田波説，由於修復混凝土板需封路28天，全國每年大修路面達幾千公里，年經濟損失達數億元人民幣。

既要保持使用週期30年，還要能承受超載一倍以上的軸重碾壓，在論證這條新建高速公路時，路面結構是採用瀝青還是水泥混凝土？當時的情況是，瀝青路面不能承受運煤車輛的重載，重載水泥混凝土路面基礎理論卻幾乎是一片空白。

“水泥混凝土路面剛而脆，對設計和施工的容錯率更低，這些特點導致了水泥混凝土路面在我國高速公路上的長期缺位。”田波説，然而水泥混凝土路面建設維護成本低、耐重載、長壽命的優點，也使其越來越受重視。

統計表明，與瀝青材料相比，水泥混凝土路面造價低30%、養護費低50%。除路面載重性好的特點外，其30年的使用壽命是瀝青路面的兩倍。

經過反覆的論證，水泥混凝土路面方案勝出，並由交通運輸部公路科學研究院、山西省交通科學研究院、中國民航機場建設集團公司、同濟大學等多家單位，組成了產學研聯合攻關團隊，從設計、施工到快速維修的成套關鍵技術等方面着手，開展課題研究。

第一道難關，就是重載荷載下混凝土路面力學響應計算。歷經3年多，項目團隊研究出整套全新力學響應計算理論，成功將鋪面性能預測尺度拓展至全壽命服役30年，並編寫出了《重載交通水泥混凝土路面結構設計參數與表面功能研究》。

通車10年回訪，雨水困擾被完全解決

本月10日，田波帶項目團隊完成了對內蒙古白霍重載公路的回訪。“通車10年，困擾混凝土路面斷板和錯台問題被完全解決。”在接受科技日報記者採訪時，田波説，白霍重載公路採用了“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”中的一個子課題技術，即“重載水泥混凝土路面結構設計關鍵技術研究”。

水泥混凝土路由土基、基層和麪層（水泥混凝土板）組成。2003年以來，在降水較多的地區和季節，項目團隊陸續發現，因雨水滲入路面內部，在大流量交通和車輛反覆荷載作用下，路面結構內部形成動水壓力沖刷、細集料泵吸流失、混凝土板底空洞沒有支撐的情況，加速了混凝土板斷裂和沉降突出。

“雨水滲進後，半剛性基層細集料發生流動，重載車碾壓通過路面時，水泥混凝土板塊發生錯台、斷板等一系列現象，嚴重影響道路通暢。”田波解釋説。

“需要研發一種新基層材料，解決沖刷問題，給混凝土板提供穩定的支撐，就像給混凝土板做一雙合腳的鞋。”田波形象地比喻説。

什麼材料既經濟又耐水衝？研究人員巧借瀝青等材料，前後用3年時間，研發了耐沖刷的柔性過渡功能層，以及剛度適宜的鬆散結構體。“徹底解決了沖刷問題，同時功能層還具有自行補償和緩衝動荷載衝擊的能力。”田波説，這一技術降低了温度翹曲引起的結構脱空，解決了基層不均勻的支撐難題，大幅提高耐沖刷能力近10倍，降低翹曲應力28%，降低土基2/3的不均勻沉陷等問題，相關研究形成《重載水泥混凝土路面結構設計關鍵技術研究》，並於2011年結題，同時在全國各地重載公路上得以應用，白霍重載公路便是其中一個案例。

研發“發泡粉”，乾濕相濟攪拌混凝土

2014年2月15日，廣西南寧，自治區交通廳正在對“高速公路大厚度水泥混凝土路面鋪築技術研究”項目進行成果鑑定，這是“重載水泥混凝土鋪面關鍵技術與工程應用”課題中又一個子課題。

來自業內專家一致認為，子課題研發的路面混凝土專用引氣型複合外加劑，在發揮其傳統引氣抗凍作用的同時，還能顯著改善低坍落度的路面混凝工作性，提高了其流動性，減少了混凝土的離析、泌水現象，保證了水泥混凝土路面滑模攤鋪的正常進行。

2009年9月25日，侗鄉人民期待已久的三江侗族自治縣至柳州市高速公路開工。建設中出現施工難題，即混凝土的乾硬施工帶來的矛盾。

“稀的混凝土，流動好，方便施工，但硬化乾燥時，收縮大，因此混凝土易開裂；同時稀的混凝土拌合物在施工時，很容易出現分層現象，砂漿層上浮，碎石層下沉，這種路面肯定不耐磨，不抗滑。”田波説。

如何解決稀混凝土拌合物施工矛盾？最直接的辦法是減少混凝土拌合時的用水量，但此時混凝土又變得乾硬，不方便施工。“如同和麪擀麪皮，只有合適的水量才好揉麪，而太乾的麪粉則無法正常和麪。”田波説。

項目團隊研究嘗試採用一種“發泡粉”，用於添加在乾硬的混凝土拌合物中，使其變得比較蓬鬆。經過反覆試驗建模，並尋找材料，項目團隊成功發明出一種高效引氣材料，將大量氣泡引入混凝土拌合物中，在混凝土拌合物高頻振搗過程中細小氣泡聚集、遷移和上浮，起到滾珠作用，減少碎石之間阻力，消除因空氣泡帶來的蜂窩麻面等現象，從而促使混凝土拌合物經過振搗變得緊實、緻密。

“‘鋪面皮膚層構造’‘露石混凝土雙層攤鋪’等自主知識產權的建造方法和鋪面施工技術，提高混凝土均質性一倍以上，延緩抗滑衰減近5倍，顯著提高舒適性。”説起這些成果，田波十分自豪。

20年的研究、實踐，不僅系統解決了重載水泥混凝土鋪面結構的理論、設計、施工、維護等技術難題，突破了鋪面30年不大修的技術瓶頸。最新數據統計，課題技術已直接服務於國內外多個重載機場、港口、公路的建養工程。