二十年技术积累 用水泥混凝土铺就世界顶级机场跑道

图为白霍重载公路3公分AC10功能层新结构施工现场。 受访者供图

本报记者 矫 阳

道路铺面材料分为沥青混凝土和水泥混凝土两种。我国石油多依赖进口，却是水泥产量大国，年产量高达20亿吨，占世界总量70%以上。面对增长的重载交通，在机场、重载公路和港口堆场中提升重载水泥混凝土铺面性能，是中国交通运输建设领域一个重要发展方向。

上世纪90年代末，依托（北）京大（同）高速公路建设，交通运输部门开始立项“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”课题研究，前后持续近20年。课题创新了力学计算模型，解决了湿陷性黄土带给路面的沉降等问题，用新材料创新了施工工艺。

“通过近20年的研究，课题极大展示了水泥混凝土铺面超强的承载力和扩散荷载的能力，成功应用于大兴国际机场、上海浦东机场、海南洋浦港、1500公里高速公路和4000公里国省干道。”交通运输部公路科学研究院研究员、课题负责人田波博士说。该课题于2018年获国家科技进步二等奖。

课题开始时，基础理论几乎一片空白

1998年，正在读博士的田波，随导师姚祖康教授加入“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”课题团队，参与（北）京大（同）高速公路建设。“当时通过货车轴重普遍为20吨，超过设计标准一倍，造成路面使用寿命严重缩短，铺面结构断裂早发，大修频繁。”田波说，由于修复混凝土板需封路28天，全国每年大修路面达几千公里，年经济损失达数亿元人民币。

既要保持使用周期30年，还要能承受超载一倍以上的轴重碾压，在论证这条新建高速公路时，路面结构是采用沥青还是水泥混凝土？当时的情况是，沥青路面不能承受运煤车辆的重载，重载水泥混凝土路面基础理论却几乎是一片空白。

“水泥混凝土路面刚而脆，对设计和施工的容错率更低，这些特点导致了水泥混凝土路面在我国高速公路上的长期缺位。”田波说，然而水泥混凝土路面建设维护成本低、耐重载、长寿命的优点，也使其越来越受重视。

统计表明，与沥青材料相比，水泥混凝土路面造价低30%、养护费低50%。除路面载重性好的特点外，其30年的使用寿命是沥青路面的两倍。

经过反复的论证，水泥混凝土路面方案胜出，并由交通运输部公路科学研究院、山西省交通科学研究院、中国民航机场建设集团公司、同济大学等多家单位，组成了产学研联合攻关团队，从设计、施工到快速维修的成套关键技术等方面着手，开展课题研究。

第一道难关，就是重载荷载下混凝土路面力学响应计算。历经3年多，项目团队研究出整套全新力学响应计算理论，成功将铺面性能预测尺度拓展至全寿命服役30年，并编写出了《重载交通水泥混凝土路面结构设计参数与表面功能研究》。

通车10年回访，雨水困扰被完全解决

本月10日，田波带项目团队完成了对内蒙古白霍重载公路的回访。“通车10年，困扰混凝土路面断板和错台问题被完全解决。”在接受科技日报记者采访时，田波说，白霍重载公路采用了“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”中的一个子课题技术，即“重载水泥混凝土路面结构设计关键技术研究”。

水泥混凝土路由土基、基层和面层（水泥混凝土板）组成。2003年以来，在降水较多的地区和季节，项目团队陆续发现，因雨水渗入路面内部，在大流量交通和车辆反复荷载作用下，路面结构内部形成动水压力冲刷、细集料泵吸流失、混凝土板底空洞没有支撑的情况，加速了混凝土板断裂和沉降突出。

“雨水渗进后，半刚性基层细集料发生流动，重载车碾压通过路面时，水泥混凝土板块发生错台、断板等一系列现象，严重影响道路通畅。”田波解释说。

“需要研发一种新基层材料，解决冲刷问题，给混凝土板提供稳定的支撑，就像给混凝土板做一双合脚的鞋。”田波形象地比喻说。

什么材料既经济又耐水冲？研究人员巧借沥青等材料，前后用3年时间，研发了耐冲刷的柔性过渡功能层，以及刚度适宜的松散结构体。“彻底解决了冲刷问题，同时功能层还具有自行补偿和缓冲动荷载冲击的能力。”田波说，这一技术降低了温度翘曲引起的结构脱空，解决了基层不均匀的支撑难题，大幅提高耐冲刷能力近10倍，降低翘曲应力28%，降低土基2/3的不均匀沉陷等问题，相关研究形成《重载水泥混凝土路面结构设计关键技术研究》，并于2011年结题，同时在全国各地重载公路上得以应用，白霍重载公路便是其中一个案例。

研发“发泡粉”，干湿相济搅拌混凝土

2014年2月15日，广西南宁，自治区交通厅正在对“高速公路大厚度水泥混凝土路面铺筑技术研究”项目进行成果鉴定，这是“重载水泥混凝土铺面关键技术与工程应用”课题中又一个子课题。

来自业内专家一致认为，子课题研发的路面混凝土专用引气型复合外加剂，在发挥其传统引气抗冻作用的同时，还能显著改善低坍落度的路面混凝工作性，提高了其流动性，减少了混凝土的离析、泌水现象，保证了水泥混凝土路面滑模摊铺的正常进行。

2009年9月25日，侗乡人民期待已久的三江侗族自治县至柳州市高速公路开工。建设中出现施工难题，即混凝土的干硬施工带来的矛盾。

“稀的混凝土，流动好，方便施工，但硬化干燥时，收缩大，因此混凝土易开裂；同时稀的混凝土拌合物在施工时，很容易出现分层现象，砂浆层上浮，碎石层下沉，这种路面肯定不耐磨，不抗滑。”田波说。

如何解决稀混凝土拌合物施工矛盾？最直接的办法是减少混凝土拌合时的用水量，但此时混凝土又变得干硬，不方便施工。“如同和面擀面皮，只有合适的水量才好揉面，而太干的面粉则无法正常和面。”田波说。

项目团队研究尝试采用一种“发泡粉”，用于添加在干硬的混凝土拌合物中，使其变得比较蓬松。经过反复试验建模，并寻找材料，项目团队成功发明出一种高效引气材料，将大量气泡引入混凝土拌合物中，在混凝土拌合物高频振捣过程中细小气泡聚集、迁移和上浮，起到滚珠作用，减少碎石之间阻力，消除因空气泡带来的蜂窝麻面等现象，从而促使混凝土拌合物经过振捣变得紧实、致密。

“‘铺面皮肤层构造’‘露石混凝土双层摊铺’等自主知识产权的建造方法和铺面施工技术，提高混凝土均质性一倍以上，延缓抗滑衰减近5倍，显著提高舒适性。”说起这些成果，田波十分自豪。

20年的研究、实践，不仅系统解决了重载水泥混凝土铺面结构的理论、设计、施工、维护等技术难题，突破了铺面30年不大修的技术瓶颈。最新数据统计，课题技术已直接服务于国内外多个重载机场、港口、公路的建养工程。