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      2020混凝土科學技術獎
      【科技進步類】二等獎:高等級混凝土路面病害精準識別及新型聚合物快速修復技術
      時間:2021-01-07    來源:中國混凝土與水泥制品協會    分享:
      本項目組從 2007 年開始,持續開展水泥混凝土路面病害識別、評價及處治技術攻關,在病害精準識別、 量化評價、新型聚合物快速修復材料研發、功能性罩面和結構性加鋪等關鍵技術形成重大突破,建立了數 字化識別、科學化評價及高性能低成本的水泥混凝土路面快速修復技術體系。





      2021年度中國混凝土與水泥制品協會混凝土科學技術獎已經啟動,歡迎業內企事業單位及從業人員,持續關注協會官方公眾號【混凝土科技獎】的相關信息。


      2020年度中國混凝土與水泥制品協會

      混凝土科學技術獎?科技進步類

      獲獎項目展示





      2020年度中國混凝土與水泥制品協會混凝土科學技術獎工作于2020年6月啟動,至12月圓滿完成。報名期間共收到有效申報項目61項。經過專家評審委員會的初評及終評,共計39個項目獲獎,包括一等獎2項、二等獎15項、三等獎22項,其中“科技進步類”13項、“基礎理論類”2項、“技術革新類”24項。



      二等獎項目:高等級混凝土路面病害精準識別及新型聚合物快速修復技術



      主要完成單廣西交科集團有限公司、長安大學、廣西長長路橋建設有限公司、南寧師范大學、廣西高速公路投資有限公司



      主要完成人:周勝波、譚華、熊劍平、郭寅川、劉樂平、覃潤浦、楊占峰、李庚飛、徐國棟、白雷、廖巧玲


      項目概況

      我國是世界上公路水泥混凝土路面鋪裝里程最多國家,廣西作為全國水泥路面規模最大省份,早期建設水泥路面已進入規模維修改造階段,水泥混凝土路面養護壓力巨大。

      水泥混凝土路面具有承載力高、建設成本低特點,但路面一旦出現露骨、麻面病害將大幅降低行車舒適性,出現錯臺、坑槽、抗滑不足病害將對行車安全性造成隱患,而基層承載力下降、板底脫空斷板將直接縮減道路使用壽命。

      現有水泥混凝土路面養護技術存在難度大、效果差、封閉交通時間長等問題,已成為束縛水泥路面發展核心因素。其原因可以歸結為以下幾個方面:(1)病害發現及處治時效滯后:水泥混凝土路面是脆性材料,病害一旦擴展將快速貫通。而現有檢測及病害識別方法未考慮材料結構損傷,有效性和可靠性不足。特別是板底脫空和基層開裂屬于隱蔽工程,致使多數道路表面發現嚴重病害才著手修復,錯過了關鍵養護時機。(2)材料性能不可控和耐久性差:路面面層病害類型多、基層開裂和抗沖刷問題突出。已有修復方法中采用提高混凝土強度標號修復面層病害,無法改變需延長養護造成封閉交通時間長問題;采用瀝青砂或環氧材料耐久性差、成本高問題突出;而基層水泥灌漿材料易離析、水泥顆粒粗可灌性差、結實率低,普遍暴露基層灌漿處治不到位、二次開裂和多次注漿問題,且未考慮廣西巖溶地區溶蝕環境,灌漿耐久性差?;炷谅访娌『乐爻潭炔煌?、存在新舊界面薄弱區、施工環境工況復雜,路面長期承受車輛動載和溫濕度變化疲勞作用。因此,材料性能指標控制需滿足可調控性和高性能。(3)罩面及加鋪改造技術匱乏:路面功能性病害、結構性病害修復時,需進行薄層罩面或者打裂、碎石化加鋪,但由于相關結構和材料設計缺乏依據,反射性裂縫和層間脫粘問題突出。

      圖1.廣西水泥路面病害圖片

      現有低投入、高產出及快速通行需求形式嚴峻,如何實現在役路面病害的識別和有效評價,為養護時機和處治決策提供技術支持已是迫切需求。同時開發路面病害快速、低成本、高效率的修復成套技術并推廣應用,對提升水泥混凝土路面養護品質、縮短封閉時間、降低修復成本、提高道路使用壽命、維護友好社會形象勢在必行。從2007年開始,廣西交科集團有限公司聯合高校、業主、養護施工單位組成攻關項目組,從高效利用原有路面整體結構承載力、延長使用壽命、發展暢安交通等客觀需求出發,持續開展十余年混凝土路面的快速修復關鍵技術攻關。先后承擔了國家自然科學基金面上項目、交通運輸部科技項目、廣西科技攻關項目等十余項重大課題,重點解決水泥混凝土路面性能評價方法缺乏、傳統修復材料性能不足、維修資金利用率低等關鍵性問題。在水泥混凝土道路病害精準識別及定量評價、復雜環境快速修復材料時間可控和高性能化技術、新型聚合物灌漿基層穩固技術、面層功能快速恢復薄層罩面技術、舊水泥混凝土路面加鋪結構和材料設計技術以及低成本、高性能、多尺度病害修復工藝方面取得系列技術成果。累計實現應用483公里水泥混凝土路面面層、基層預防性養護及大中修改造工程,培養了大批技術骨干和高層次人才,創造經濟效益超過1680.9萬元,節支1026.24萬元。顯著提升了水泥混凝土路面養護技術水平,維護了社會友好形象。

      主要創新點

      1.采用圖像增強、噪音濾波、結構元多尺度選擇、形態學算法設計等四方面,開發了多尺度數學形態學邊緣檢測結合Ostu法分割和定量提取數字化識別表征技術。從荷載、溫度、濕度多因素共同作用,進行了路面性能劣化效應評價,建立了三場耦合條件下宏細觀一體化的水泥混凝土路面性能損傷發展模型和壽命預測模型。綜合考慮基層結構、材料及溫度對路面板底脫空影響,建立了動態彎沉病害控制標準,提出了廣西濕熱地區水泥混凝土路面板底脫空量發展預估模型。病害識別和性能衰減評價精準度顯著提升,形成了水泥混凝土路面面層、基層病害高效定位、數據精準識別及科學評價的技術體系。


      圖2 傳統圖像分割(左)與邊緣檢測算法分割(右)
      圖3 低對比度病害圖像的MNSMO 形態學分類分割

      圖4 病害提取及自動化定量過程

      2.開發了膠結料凝結硬化時間調控技術和新舊界面粘結改性技術,提出了基于逆向填充的磷硅體系顆粒材料組成設計方法。發明了時間可控、低成本高性能的新型聚合物水泥基面層病害快速修復材料和溫度、濃度敏感性低抗溶蝕基層灌漿新型地質聚合物。在低成本(同類產品降低30%)、長壽命(增加3倍)、快速恢復交通(3h~24h)、性能指標提升(1~2倍強度、2倍粘結性能、3倍耐久性能)等方面具有顯著優勢,灌漿材料解決了可灌性差、易離析及抗巖溶腐蝕等問題。

      圖5 新型快速修復材料體系的粘結抗拉性能

      3.建立了舊水泥混凝土路面功能性快速恢復處治、加鋪前打裂壓穩和碎石化處治不同修復方式關鍵控制指標,開發了薄層罩面修復技術,建立了舊路面改造局部修復加鋪和再生加鋪結構、材料設計體系,解決了原有路面結構高效利用、薄層罩面成本高、復合式路面反射裂縫控制、層間粘結提升等關鍵技術問題。

      圖6局部修復后加鋪的瀝青加鋪層結構
      應用效果

      項目成果應用于G323鹿寨經平山至柳城公路、S204蒙山至金田公路(蒙山至平南大鵬段)、G359靈山沙坪至大塘公路、S210來賓良江至賓陽武陵公路二級路水泥混凝土路面改造工程。針對舊路面板破碎病害嚴重路段,采用碎石化后進行白加白加鋪技術。原有路面小尺度病害,采用了聚合物改性水泥基材料進行面層病害修復,材料成本每方節支0.45萬元;針對基層開裂和脫空破壞采用地質聚合物進行灌漿處治,每平方米灌漿料節支0.0045萬元元。近三年四條路段累計消耗面層修復材料157噸,節支70.65萬元;地聚合灌漿5400平方米,節支24.3萬元;共計節支135.6萬元。

      宜州至河池高速公路水泥混凝土路面全長71.57km,經過幾年的運營,路面出現斷板、坑槽、脫空等病害。在維修養護過程中采用本項目技術成果聚合物水泥基材料和地質聚合物灌漿材料進行病害處治,耐久性能和抗滑耐磨性能得到明顯改善,具有十分良好的應用效果。

      南寧繞城高速全線64.75公里,水泥路面斷板、坑槽及脫空現象普遍,每年均需要對板底脫空情況采用新型地質聚合物進行板底脫空灌漿。于201512月采用新型快速聚合物水泥基修復材料進行斷板、坑槽及裂縫病害的修復,使用效果良好。

      沿海公路改擴建路面改造工程西起蘭海高速公路原路面破損嚴重,采用無損檢測技術對板底脫空情況進行了評價,并推廣應用新型地質聚合物灌漿材料進行板底脫空加固,不僅有效利用了原路面結構,加固后使用壽命大幅度提升。

      廣西百隆高速公路田林隧道群、岑水高速均昌隧道加鋪抗滑磨耗層后,隧道路面TDBPN值遠遠高于水泥及瀝青路面規范值,無剝落、起皮掉粒等病害,路面抗滑性能顯著提高,行車安全達到顯著改善。

      廣西隆百高速公路混凝土路面坑槽采用聚合物混凝土修補料修補比市面同類產品價格低50%以上,且具有優異的耐久性及耐磨性,能夠滿足快速通車要求,綠色無污染,拌和工藝簡單易操作,具有良好社會經濟效益。

      企業介紹

      廣西交科集團有限公司是一家在廣西乃至全國交通運輸系統中具有重要影響力的高新技術企業。作為交通基礎設施領域綜合解決方案供應商,公司始終致力于“為建設交通強國貢獻智慧解決方案”。

      廣西交科集團于198412月由國家科委批準成立,位于南寧市國家級高新技術產業開發區,前身為廣西壯族自治區交通科學研究所;20203月更名為廣西交科集團有限公司。當前,廣西交科集團已成為廣西交通運輸系統科技開發、成果轉化和產業化基地,也是廣西交通行業中資質全、業務廣的國有科技服務型現代企業。

      廣西交科集團下設16個職能管理部門,3個事業部,事業部下屬17個生產研發部門;5個全資子公司,2個控股子公司,5個非獨立法人分公司;共有員工1500余人,其中博士40余人、碩士600余人,教授級高級工程師近30人、高級職稱300余人,享受政府特殊津貼專家2人、自治區優秀專家2人、第一批廣西高層次人才2人,交通運輸部與廣西“新世紀十百千人才工程”第二層次人選2人,廣西“十百千”知識產權(專利)人才4人。

      作為高新技術領航企業,集團公司先后獲得各類資質共計40余項,業務涵蓋交通基礎設施建設、建筑、工程地質與巖土、水務環保和信息化服務等多個領域;可提供技術研發、勘察設計、咨詢檢測、工程監理、項目分析,以及智能交通軟硬件產品開發、運維服務和交安施工,同時開展橡膠瀝青等路用綠色新材料研發生產和技術咨詢等全產業鏈服務。

      廣西交科集團建成了“國家企業技術中心”等26個科研平臺及創新載體,擁有價值超過億元的科研設備;榮獲包括國家科技進步二等獎、廣西科學技術特別貢獻獎等80余項科技成果獎,其中國家科技進步二等獎3項、自治區科技進步特別貢獻獎1項,自治區科技進步一等獎3項;獲得了各類設計及咨詢成果獎80余項。獲國家發明專利近100項、實用新型專利130項、軟件著作權近100項,解決了多個工程技術難題,為提高工程質量提供了有力的技術支撐,產生了巨大的經濟效益和社會效益。

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