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2019年度陕西省科学技术奖项目提名公示

作者:科技质量安全部 来源:科技质量安全部 时间:2019/6/20  

  根据省科技厅《关于2019年度科学技术奖励推荐工作的通知》要求,现将我校2019年拟申报陕西省科学技术奖项目相关信息公示如下:

项目名称纳米改性沥青及沥青混合料技术与应用研究
项目简介
  传统的沥青材料很难同时满足同时抵抗车辙和开裂的要求,尤其是对于夏热冬寒地区更为突出。近年来,纳米技术正在逐渐渗透到交通材料领域,纳米材料改性沥青即是其中一个重要的研究方向。它是将纳米材料通过各种手段引入到沥青材料中,以纳米效应改善沥青的各项性能,如高温稳定性、抗疲劳性、摩擦性能(防滑性能)、抗老化性、水稳定性等。例如,SBS改性沥青具有较好的高、低温稳定性,是夏热冬寒地区常用的沥青品种,用其修筑的高速公路路用性能要比普通沥青优越的多。但是SBS在基质沥青中的分散状态不够均匀且分散粒径偏大,从而导致SBS改性沥青在行车荷载等因素作用一段时间后会出现不同程度的损坏,影响路面的使用周期。SBR改性沥青虽可改善沥青混合料的低温性能,但对基质沥青的高温改善性能却不尽人意。目前市场上还有很多其他的聚合物改性剂,对基质沥青的机械物理性能都有不同程度的影响,但基本都难以同时满足高温、低温性能都优良的要求。纳米材料由于粒径处于纳米级别,使其具有非常大的比表面积和特殊的表面特性,从而具有一系列的特殊功能,其应用前景非常广泛。目前,大部分纳米粒子已逐渐实现大规?;ひ瞪?,价格低廉,为其作为沥青改性剂的新型材料提供了充足的条件。然而,目前对纳米材料表面修饰并用于改性沥青的研究还比较少,同时对基质沥青性能的提高幅度是否显著、与单纯加高分子聚合物改性沥青的微观改性机理有何差别、是否在满足各性能要求的基础上减少聚合物的用量等方面,国内还没有全面系统性的研究??鼓擅赘男粤で嗉傲で嗷旌狭霞际跤胗τ醚芯?,最终优选出一种性能优良的纳米改性沥青,以同时减少夏热冬寒地区沥青路面的车辙和开裂病害的发生。在改性沥青与纳米材料应用越来越多的今天,针对夏热冬寒地区对改性沥青本身性能要求的提高,将具有较高的使用价值和理论意义。本项目致力于研究能够同时改善改性沥青高温和低温性能的纳米材料以及表面活性剂,系统地对纳米改性沥青的性能进行分析比较。首先筛选出适合夏热冬寒地区的纳米材料,对每一种纳米材料进行表面改性,优选出改性沥青性能较好的纳米材料。通过室内试验研究纳米改性沥青及沥青混合料的性能,从微观和分子动力模拟两方面揭示改性的机理,并建立其粘弹性模型,研究其施工技术,最后形成抗车辙又抗裂的纳米沥青路面成套技术。本项目研究成果能够改善沥青路面路用性能,延长沥青路面使用寿命,进而适应我国交通发展需求并显著降低道路全寿命成本。本项目取得以下创新性成果:(1)开发出的纳米ZnO+纳米TiO2+SBS、纳米CaCO3+SBR两种复合纳米改性沥青同时具有良好的高、低温性能,可以用于夏热冬寒地区沥青路面的修筑。(2)对于纳米ZnO+纳米TiO2+SBS、纳米CaCO3+SBR两种复合纳米改性沥青混合料,建立了粘弹性模型。(3)采用分子动力学模拟方法,结合热力学相容性理论,研究了纳米改性沥青的改性机理。(4)提出纳米改性沥青的针入度、软化点、延度等评价指标,且提出纳米改性沥青混合料马歇尔稳定度、动稳定度、最大弯拉应变等评价指标,并建立了评价标准。本项目研究过程中,推动了行业的进步,累计发表发明专利1项,学术论文8篇(其中SCI检索3篇),获批实用新型专利3项,培养博士1名,硕士2名以及其他高级人才若干名。研究成果形成了既抗车辙又抗裂的纳米改性沥青路面成套技术,并且编制了施工指南。该技术的推广使用,可以有效改善沥青路面的高温和低温性能,减少车辙和开裂等病害,具有良好的社会经济效益和推广应用前景。 
提名意见
  该项目分别建立了沥青平均分子模型、聚合物分子模型及纳米簇团结构,揭示了聚合物(SBS、SBR)、纳米材料(ZnO+TiO2、CaCO3)与沥青的相容性机理;优化了纳米改性沥青的表面活化和制备技术,提出了纳米复合改性沥青配比的筛选方法;推荐出的纳米复合改性沥青混合料的低温抗裂、水稳定性等路用性能有较大的提高,发表了多篇高水平论文以及1项发明专利。综上所述,研究成果具有创新性、实用性,有一定的推广应用前景和社会经济效益,总体达到了国内领先水平。 
客观评价
 ?。?)已有的中外文文献涉及了纳米ZnO、纳米TO2、纳米SO2、纳米SiO2和纳米CaCO3对改性沥青的改性机理、路用性能等方面的研究,查新课题研究了ZnO+TO2+SBS、CaCO3+SBR两种纳米复合改性沥青的高温、低温性能,路用性能,分析了应力水平对其粘弹性能的影响,并建立相应的粘弹性模型,研究了聚合物(SBS、SBR)、纳米材料(ZnO+TiO2、CaCO3)与沥青的相容性。在科技查新的检索式和检索范围内,未见到与本课题查新点完全相同的中外文文献报道。(科技查新报告)(2)目前纳米改性沥青,多能提高高温性能,低温性能提高得很有限,而本项目优选出的纳米ZnO+纳米TiO2+SBS、纳米CaCO3+SBR两种复合纳米改性沥青同时具有良好的高、低温性能,可以用于夏热冬寒地区沥青路面的修筑。(科学技术成果验收证书)(3)纳米沥青混合料是一种粘弹性材料,但目前粘弹性模型尚是空白,本项目对于纳米ZnO+纳米TiO2+SBS、纳米CaCO3+SBR两种复合纳米改性沥青混合料进行了应力松弛试验,分析了应力水平的影响,建立了粘弹性模型。(科学技术成果验收证书)(4)在沥青改性机理的分子模拟方面,目前对沥青分子模型的研究虽然不少,但模型较为不统一;对聚合物SBS改性沥青基于分子模拟的改性剂机理研究非常少,尚未有对纳米改性沥青改性机理的研究,且纳米改性沥青改性机理研究领域仍空白。本项目根据沥青组成组分、聚合物分子结构、纳米材料分子结构分别建立沥青平均分子模型、聚合物分子模型及纳米簇团结构,并采用分子动力学模拟方法,结合热力学相容性理论研究聚合物(SBS、SBR)、纳米材料(ZnO+TiO2、CaCO3)与沥青的相容性。(科学技术成果验收证书)(5)目前缺乏纳米改性沥青的性能评价标准,本项目对于纳米ZnO+纳米TiO2+SBS、纳米CaCO3+SBR两种复合纳米改性沥青和沥青混合料,提出了评价指标及评价标准。(科学技术成果验收证书)(6)本项目选择或开发出适应于既抗车辙又抗裂的沥青路面性能要求的纳米改性沥青,并形成该地区纳米改性沥青路面成套技术。该技术的推广使用,可以有效改善沥青路面的高温和低温性能,减少车辙和开裂等病害。车辙和开裂是我国沥青路面的两大主要病害,这两大病害的同时消除有助于在很大程度上提高沥青路面的使用寿命,既能减少沥青路面养护和改建成本,还能节省宝贵的资源和减少对于环境的污染,有利于社会的可持续发展。在改性沥青与纳米材料应用越来越多的今天,针对夏热冬寒地区对改性沥青本身性能要求的提高,将产生巨大的经济效益。(科学技术成果验收证书)
应用情况
序号应用单位名称应用起始时间应用截止时间应用单位联系人联系电话
1延志吴高速公路建设管理处2013年7月长期赵宝俊18991180036
2中交第四公路工程局有限公司咸旬高速公路LM1标段项目经理部2014年9月长期成进科18628485800
3黄延高速公路建设管理处2015年7月长期葛守飞13572511686
主要完成人情况
排序姓名行政职务技术职称工作单位完成单位对本项目主要学术和技术创造性贡献
1常海洲延志吴管理处处长高工陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)指导课题总体研究,负责项目总体规划及实施;(2)协调试验路工程的落实,指导试验路工程的实施,使课题成果得以有效推广;(3)指导施工现场试验检测工作。
2张洪亮教授长安大学长安大学(1)为本项目的技术负责人,主要负责技术方案的制定与理论研究(2)撰写研究报告。
3吕文江经理正高工陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)指导课题总体研究,总体组织与协调(2)参与确定研究方案与技术线路,并对研究报告进行指导,协调试验路工程的落实。
4葛守飞副处长高工陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)指导课题总体研究,总体组织与协调,参与确定研究方案与技术线路,并对研究报告进行指导;(2)协调试验路工程的落实,使课题成果得以有效推广。
5周  睿分公司党委书记高级经济师陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)在项目的推进过程中,重点对经济可行性进行了论证,并对项目完工试运行的经济效益进行了分析。(2)对项目立项、顺利实施及后期推广起到了重要作用。
6张增平教授长安大学长安大学(1)深入研究了适用于沥青基体的纳米粒子的表面活化和处理技术。(2)对纳米有机化层状硅酸盐改性沥青进行了详细研究。
7赵宝俊副处长高工陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)指导课题总体研究,负责项目总体规划及实施;(2)协调试验路工程的落实,指导试验路工程的实施,使课题成果得以有效推广;(3)指导施工现场试验检测工作。
完成人合作关系说明:
项目完成人常海洲、张洪亮、吕文江、葛守飞、周睿、张增平、赵宝俊是纳米改性沥青及沥青混合料技术与应用研究团队的核心成员,已进行了长期合作。完成人常海洲是本项目的负责人,是多篇合著论文的主要作者,和张洪亮共同发表了论文《纳米CaCO3/SBS复合改性沥青性能与机理的研究》,发明专利《一种用于冷再生混合料在击实前后级配的调整方法》。两人对比评价纳米CaCO3/SBS复合改性沥青的常规技术性能, 确定纳米CaCO3的最佳含量, 同时通过粘度和共混机理对纳米CaCO3/SBS改性沥青的微观结构与改性机理进行研究与探讨,得出结论总体上纳米CaCO3/SBS改性沥青的一些性能, 如温度敏感性、低温等与纳米CaCO3的剂量呈正相关关系。完成人张洪亮是本项目的技术骨干,负责或参与了本项目若干课题的研究,是多篇合著论文的主要作者,是多项专利的主要发明人。与团队成员合作完成了该项目的技术经济指标。完成人吕文江是本项目的技术骨干,参与了本项目若干课题的研究,指导课题总体研究,总体组织与协调,参与确定研究方案与技术线路,并对研究报告进行指导,协调试验路工程的落实。完成人葛守飞是本项目的技术骨干,参与了本项目若干课题的研究,和张洪亮共同发表了论文《纳米改性沥青综述》,两人对纳米改性剂在沥青改性、路面性能方面的研究进行了总结, 研究纳米粒子与沥青研究现状和改性机理, 有效的改善纳米材料改性沥青的各项性能。完成人周睿是本项目的经济技术骨干,参与了本项目若干课题的研究,在项目的推进过程中,重点对经济可行性进行了论证,并对项目完工试运行的经济效益进行了分析。对项目立项、顺利实施及后期推广起到了重要作用。完成人张增平是本项目的材料技术骨干,参与了本项目若干课题的研究,深入研究了适用于沥青基体的纳米粒子的表面活化和处理技术以及对纳米有机化层状硅酸盐改性沥青进行了详细研究。完成人赵宝俊是本项目的技术骨干,参与了本项目若干课题的研究,和张洪亮共同发表了论文《Effects of ZnO particle size on properties of asphalt and asphalt mixture》和《纳米CaCO3/SBR 复合改性沥青性能与机理研究》。两人利用纳米/聚合物复合改性剂, 研究能同时提高沥青高、低温性能的复合改性方案。
排序主要完成单位及对本项目的贡献
1陕西省交通建设集团公司:(1)负责项目的立题论证和申请立项,制定项目总体研究方案,组织中间过程讨论以解决关键技术问题,协调项目研究。(2)组织完成项目的调研,配合完成试验路段的铺筑,并对项目成果进行评价。(3)牵头编制项目研究报告,负责研究报告内审和修改完善,并最终完成项目鉴定。(4)负责和设计单位与施工单位进行沟通,将本项目提出的纳米改性沥青及沥青混合料用于工程实际,以改善现有纳米沥青材料无法同时兼顾高温性能和低温性能的不足。
2长安大学:(1)主要完成项目理论研究和室外试验的设计工作,配合开展试验路铺筑及性能评价工作。(2)通过三大指标试验(针入度、软化点、延度)、沥青薄膜老化试验、动态剪切流变性能试验以及微观性能试验,研究了ZnO+TiO2+SBS、CaCO3+SBR两种纳米复合改性沥青的高温、低温性能。(3)通过水稳定性试验、车辙试验、小梁弯曲试验、间接拉伸试验、耐久性试验以及应力松弛试验,研究了ZnO+TiO2+SBS、CaCO3+SBR两种纳米复合改性沥青混合料的路用性能,分析了应力水平对其粘弹性能的影响,建立相应的粘弹性模型。(4)根据沥青组成组分、聚合物分子结构、纳米材料分子结构分别建立沥青平均分子模型、聚合物分子模型及纳米簇团结构,并采用分子动力学模拟方法,结合热力学相容性理论研究聚合物(SBS、SBR)、纳米材料(ZnO+TiO2、CaCO3)与沥青的相容性。(5)提出纳米改性沥青的针入度、软化点、延度等评价指标,对于各指标提出技术要求,建立评价标准;提出纳米改性沥青混合料马歇尔稳定度、动稳定度、最大弯拉应变等评价指标,对于各指标提出技术要求,建立评价标准。    
完成单位合作关系说明:
  本项目自2012年7月起,至2016年11月止,由陕西省交通建设集团公司和长安大学共同承担。其中,陕西省交通建设集团公司为本项目的主持单位,负责课题的立项、组织工作,配套工程的落实工作,施工现场实验检测以及课题最终鉴定;长安大学负责制定课题研究大纲,理论研究工作,资料的搜集、整理和调研,以及室内常规试验研究。项目完成后,由长安大学按照合同要求提供一套真实、完整、详细的技术资料,陕西省交通建设集团公司审查后,由陕西省交通运输厅组织验收。
主要论文专著目录:
  论文:1. Effects of ZnO particle size on properties of asphalt and asphalt mixture. Hongliang Zhang, Yang Gao , Guihong Guo , Baojun Zhao , Jinyang Yu2. High and low temperature properties of nanoparticles/polymer modified asphalt. Zhang H, Su M, Zhao S, et al.3. Effect of TiO2 Nanoparticles on Physical and Mechanical Properties of Cement at Low Temperatures. Wang L, Zhang H, Gao Y4.纳米CaCO3/SBR 复合改性沥青及混合料的高温性能.孙培, 韩森, 张洪亮5.纳米CaCO3/SBR 复合改性沥青性能与机理研究.赵宝俊, 赵士峰, 张洪亮6.纳米CaCO3/SBS 复合改性沥青性能与机理的研究.常海洲, 张洪亮专利:1.《一种用于冷再生混合料在击实前后级配的调整方法》. ZL 2014 1 0827171.1. 张洪亮;郭桂宏;高辉;刘继法;郭保和;常海洲2.《一种纳米材料活化装置》. ZL 2014 2 0820749.6. 张洪亮;贾伟;韩飞飞3.《一种便携式沥青混合料水稳定性测试车》. ZL 2014 2 0648199.4. 张洪亮;朱月风;许晔4.《一种用于称量倾倒沥青的感温容器》. ZL 2015 2 0083873.3. 张洪亮,韩飞飞,贾伟,姚晓光,王志祥


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