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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  
项目名称沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面研究
项目简介
  本项目研究属于交通运输领域。随着交通事业的迅猛发展,我国高速公路的主战场已经逐渐由平原转向山区,而山区地形地貌复杂,对路面结构及材料提出了更高的要求。陕北黄土高原由于气候、地质和水土流失等原因,形成了黄土高原河谷众多、地面破碎等独特的地貌类型。延志吴(延安-志丹-吴旗)高速公路沿线沟壑纵横,除了隧道及桥梁等构造物外,沟壑之间形成了大量的短路基。这些处于构造物之间的短路基由于填土高度处于变化之中,容易出现不均匀沉降,给传统的沥青路面修筑带来了巨大的挑战,加之近年来陕北地区车辆超载日趋严重,沥青路面出现了严重的车辙病害。如果在短路基之上直接修筑水泥路面,不但影响行车舒适性,而且由于短路基协同变形能力差,势必影响路面结构的耐久性,而且后期维修养护非常困难。因此,面对沟壑纵横的特殊地貌以及如此严峻的交通状况,必须探索新的路面结构形式,以适应特殊地区现代交通的需求。鉴于此,2013年,陕西省交通建设集团公司提出发展科技计划,批准“沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面研究(CPC-AC复合路面)”项目。旨在提出一种新型路面结构以适应陕北特殊地区短路基路段协同受力及变形的需求,解决路面结构存在的耐久性不足问题,并将该路面结构规范化,形成地方标准加以推广应用。整个项目以延志吴高速公路为依托工程,并分为“CPC-AC复合路面合理结构”和“CPC-AC复合路面层间处治技术和混合料设计优化”两个研究专题。项目针对陕北地区气候环境特点以及路面病害情况,建立了CPC-AC复合路面有限尺寸多层板模型,进行荷载应力、温度应力以及荷载-温度耦合应力有限元分析,提出CPC-AC复合路面力学设计指标;构建了基于全寿命周期设计理念的CPC-AC复合路面优化模型,优选最佳厚度组合方案;基于古德曼模型和BISAR模型,提出双层梁层间结合系数理念,构建层间结合状态与层间结合系数对应关系;构建了基于粒子干涉理论和散体力学模型的振动密实和多级嵌锁抗剪级配设计方法,优化CPC-AC复合路面沥青混合料配合比,明确了玻璃纤维用于小间距桥梁构造物连接路段复合路面的适用性;建立了基于实体工程的CPC-AC复合路面成套施工关键技术;基于寿命周期费用分析理念,构建了CPC-AC复合路面寿命周期效益对比分析体系,自主研发了CPC-AC复合路面层间植石处治工艺,并申请获得了国家专利。在项目实施过程中,基于研究内容发表了数篇较高水平学术论文,并授权了多项发明和实用新型专利,编制了陕西省地方规范《沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面技术规范》,研究成果兼备创新性和实用性,为交通部行业规范的编制提供了科学依据。项目已在包括延志吴高速等多条公路工程中铺筑了CPC-AC复合路面实体工程,CPC-AC复合路面结构不仅延承了CPC路面承载能力强、耐久性好、使用寿命长等优点,同时还可发挥沥青路面行车舒适性好、噪音小及维修方便等优势,同时也为我国CPC-AC复合型路面结构的推广应用提供了坚实的理论依据和有力的技术支持,具有显著的经济社会效益。
提名意见
  随着交通事业的迅猛发展,我国高速公路的主战场已经逐渐由平原转向山区,针对山区沟壑纵横的特殊地貌以及严峻的交通状况,亟待探索新的路面结构形式,以适应特殊地区现代交通的需求。项目主要以“CPC-AC复合路面合理结构”和“CPC-AC复合路面层间处治技术和混合料设计优化”两个研究专题进行研究,发表了数篇高水平学术论文,自主研发了新型CPC-AC复合路面及其路面材料、层间植石处治工艺、路面灌浆设备,并获得了多项发明和实用新型专利授权,编制了陕西省地方规范《沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面技术规范》。研究成果兼备创新性和实用性,为交通行业规范的编制提供了科学依据。项目成果成功推广应用于工程建设,推动了行业技术进步,同时也为我国CPC-AC复合型路面结构的推广应用提供了坚实的理论依据和有力的技术支持,解决了山区现代交通发展的需求,具有显著的经济社会效益。研究成果达到国际先进水平。符合陕西省科学技术二等奖推荐条件。
客观评价
 ?。?)陕西省交通运输厅科学技术成果鉴定意见:1)建立了CPC-AC复合路面结构模型,计算了荷载和温度耦合作用下路面结构层及层间的耦合应力,得到了沥青层与水泥混凝土层的荷载应力以及层间剪应力随轴载、结构层参数、层间结合系数的变化规律。2)基于双层梁层间结合模型,推导出了层间结合系数的表达式,通过双层梁弯曲模拟试验,提出了层间结合系数和最佳层间结合方案。3)通过剪切及拉拔等试验,总结了CPC板构造深度对层间结合效果的影响规律,提出了CPC板表面处理效果为:植石>刻槽>凿毛。4)确定了CPC-AC复合式路面结构设计力学指标,提出了沥青混合料性能指标及抗剪混合料设计方法。5)通过依托工程的实施,提出了沥青斜向预应力混凝土复合路面施工技术。综上所述,研究成果具有创新性、实用性,推广应用前景广阔,社会经济效益显著,研究成果总体上达到了国际先进水平。(2)教育部科技查新工作站(G01)本项目通过路面力学指标、使用性能指标以及经济性能指标,建立沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面(CPC-AC)结构优化模型,优化出该复合路面最佳厚度组合结构;结合双层梁层间结合理论,通过双层梁弯曲实验,剪切试验、拉拔试验及抗渗试验,开展层间结合系数研究及层间处治技术研究,提出CPC-AC复合路面层间最佳组合方案。在上述检索式与检索范围内,未见与本项目查新点相同的国内外文献报道。 
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2013.7至今刘维民0911-3261196
2咸阳至旬邑高速公路建设管理处2016.10至今郭杰荣13649265515
3商丹公路建设管理处2016.10至今苟静波18146829896
4西咸北环线高速公路建设管理处2016.10至今谢路18591085263
5黄延高速公路建设管理处2016.10至今苗占军13347436178
6山西路众道桥有限公司2016.3至今吴鹏13809876508
7内蒙古高建路桥工程有限公司2016.1至今赵春阳18604722251
排序主要完成人情况

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申爱琴道路系主任教授长安大学长安大学作为项目负责人,总揽负责项目全局规划及实施。撰写项目可行性研究报告,确定项目研究目标,制定项目研究大纲,规划研究方向和内容,对整个项目的实施进行组织、协调与指导,撰写项目总报告,并对报告进行审核与指导;
2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)确定项目研究目标,制定项目研究大纲,规划研究方向和内容,对项目的实施进行组织、协调与指导,对研究报告进行指导与审核;
3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。
4郭寅川处长助理副教授长安大学长安大学(1)指导完成CPC-AC复合路面结构层间结合状态评价指标与测试方法的确定;(2)指导完成复合路面荷载应力、温度应力以及荷载-温度耦合应力有限元分析;指导完成基于全寿命周期的CPC-AC复合路面结构优化设计研究;
5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。
6李博成助理工程师长安大学长安大学(1)参与课题大纲、可行性研究报告等的撰写工作;(2)负责课题的理论及相关实验;(3)负责课题报告的撰写工作。
7吕政桦助理工程师长安大学长安大学(1)参与课题的理论及室内相关试验工作;(2)参与报告撰写、项目结题及成果发表等工作。
8李创军副处长高工陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)负责试验段的协调工作,保证项目依托工程试验段顺利实施;(2)指导施工现场试验检测工作。
9刘太军科长高工陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)负责试验段的协调工作,保证项目依托工程试验段顺利实施;(2)指导施工现场试验检测工作。
10赵耀辉陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)参与课题的前期调研及研究大纲的制定;(2)对试验路铺筑效果进行长期跟踪观测。
11王龙科长陕西省交通建设集团陕西省交通建设集团(1)参与课题的前期调研及研究大纲的制定;(2)对试验路铺筑效果进行长期跟踪观测。
完成人合作关系说明:
  本项目完成人共11位,其中申爱琴/1、郭寅川/4、李博成/6、吕政桦/7、赵耀辉/10隶属于长安大学,常海洲/2、赵宝俊/3、葛守飞/5、李创军/8、刘太军/9、王龙/11隶属于陕西省交通建设集团。自2013年1月起至2015年11月止,在陕西省交通运输厅的大力支持下,完成人申爱琴,常海洲,赵宝俊,郭寅川共同立项,开展了“沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面研究”(见合同附件2)。在项目的实施过程中,完成人申爱琴,常海洲,赵宝俊,郭寅川通力合作,共同参与制定了标准规范,即《沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面技术规范》,目前已经专家评审并修改完成,待印刷阶段。申爱琴,郭寅川共同获得发明专利“一种斜向预应力无缝水泥混凝土材料”(CN103342518B)和发明专利“一种CPC -AC复合路面纤维沥青混合料及其制备方法”(CN106587744B);郭寅川、吕政桦、申爱琴共同获得发明专利“一种试验室马歇尔试件拌和及装料一体化装置”(CN105606434B)和发明专利“一种水泥路面裂缝清杂及灌浆一体化便携装置”(CN201610111766);郭寅川、申爱琴、李博成共同获得实用新型专利“一种植石式层间处治方法铺筑的复合路面”(CN204662194U)和实用新型专利“斜向预应力水泥混凝土-沥青混凝土复合路面”(CN204662193U)。郭寅川、申爱琴、李博共同发表中文核心论文《基于贝雷法的SMA-13双指标控制配合比优化设计》;申爱琴、郭寅川共同发表SCI论文《Relationship between flexural strength and pore structure of pavement concrete under fatigue loads-Freeze-thaw interaction in seasonal frozen regions》;申爱琴、郭寅川、吕政桦共同发表SCI论文《Grey target optimization and the mechanism of cold recycled asphalt mixture with comprehensive performance》 
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:全面负责研究经费筹措;全面组织协调项目的研究工作,主持项目的实施。为项目参加单位提供详细的依托工程技术方案、技术措施、技术要求、施工关键技术;参与指导依托工程的实施、检测;负责试验工程的实施和施工技术研究、试验路效果观测,参与室内试验、理论分析和研究报告编写,组织项目鉴定。对本项目的贡献:(1)项目研究过程的组织和管理;(2)组织项目的调研工作;(3)负责协调各项目参与单位间的关系;(4)负责配套工程的落实工作;(5)负责施工现场试验检测工作;(6)负责课题最终鉴定工作。
2长安大学:(1)研究了一种新型路面结构,即沥青斜向预应力水泥混凝土复合式路面(CPC-AC),该路面结构不仅延承了CPC路面承载能力强、耐久性好、使用寿命长等优点,同时还可发挥沥青路面行车舒适性好、噪音小及维修方便等优势;(2)基于深入的理论分析和大量的室内外试验,在分析CPC-AC复合式路面受力特点的基础上,运用基于古德曼模型和剪切弹性模型的双层梁层间结合理论,开发出室内双层梁弯曲试验方法;(3)利用ANSYS有限元软件建立了复合路面结构模型,确定了最不利荷位,计算分析了沥青层和水泥混凝土层的荷载应力以及层间剪应力随荷载、沥青层模量、沥青层厚度、层间结合系数以及水泥混凝土厚度的变化规律,提出了CPC-AC复合式路面结构设计力学指标;(4)基于粒子干涉理论和散体力学模型,同时结合大量室内试验,设计了振动密实和多级嵌锁抗剪级配设计方法,提出通过添加纤维提升复合路面结构中AC型沥青混合料的抗剪性能及耐久性的方法,并通过大量试验揭示了纤维对沥青混合料各项性能的增强机理;(5)利用全寿命周期目标函数及优化模型对沥青斜向预应力水泥混凝土复合式路面结构厚度进行了优化,并推荐出了最佳CPC-AC复合式路面结构;(6)依托实体工程,铺筑了CPC-AC复合式路面实体工程段,并开展了CPC-AC复合式路面施工关键技术研究;(7)基于寿命周期费用分析方法,对比分析了CPC-AC复合路面结构经济效益与社会效益,为CPC-AC复合路面结构的推广应用提供技术指导。
完成单位合作关系说明:
  本项目自2013年1月起,至2015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,长安大学按照合同要求提供一套真实、完整、详细的技术资料及地方标准,经陕西省交通建设集团公司审查后,由陕西省市场监督管理局组织验收,陕西省交通运输厅参与验收过程。
完成人合作关系情况汇总表:
序号合作方式合作者/项目排名合作起始时间合作完成时间合作成果
1共同立项申爱琴/1,常海洲/2,赵宝俊/3,郭寅川/42013年1月2015年11月沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面研究
2共同参与制定标准规范申爱琴/1,常海洲/2,赵宝俊/3,郭寅川/42015年1月至今沥青斜向预应力水泥混凝土复合路面技术规范
3发明专利申爱琴/1,郭寅川/42014年1月2015年5月一种斜向预应力无缝水泥混凝土材料
4发明专利申爱琴/1,郭寅川/42016年1月2018年12月一种CPC -AC复合路面纤维沥青混合料及其制备方法
5发明专利申爱琴/1,郭寅川/4,吕政桦/72016年5月2018年5月一种试验室马歇尔试件拌和及装料一体化装置
6发明专利申爱琴/1,郭寅川/4,吕政桦/72015年7月2017年7月一种水泥路面裂缝清杂及灌浆一体化便携装置
7实用新型专利申爱琴/1,郭寅川/4,李博成/62014年9月2015年9月一种植石式层间处治方法铺筑的复合路面
8实用新型专利申爱琴/1,郭寅川/4,李博成/62014年9月2015年9月斜向预应力水泥混凝土-沥青混凝土复合路面
9论文合著申爱琴/1,郭寅川/4,李博成/62017年1月2018年1月CPC-AC复合路面层间结合系数研究
10论文SCI合著申爱琴/1,郭寅川/4,吕政桦/72018年1月2019年1月Grey target optimization and the mechanism of cold recycled asphalt mixture with comprehensive performance
11论文SCI合著申爱琴/1,郭寅川/42017年6月2018年6月Relationship between flexural strength and pore structure of pavement concrete under fatigue loads-Freeze-thaw interaction in seasonal frozen regions


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