全国市政工程行业科技成果展示--绿色生态城市道路体系研究


    “绿色生态城市道路体系研究”项目于2009年7月立项,2013年12月完成,并于2014年3月通过了天津市高新科技成果转化中心组织的项目成果鉴定。该项目研究由天津市交通科学研究院承担。该项目研究成果获2014年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖,其成果适用于城市市政道路工程。 

    项目研究技术原理

    该项目在生态环保理念的指导下,采用材料组成设计原理、路面结构组合设计原理及路面结构力学分析等原理,创新路面材料设计方法,开展了《长效耐久型排水性沥青混合料设计方法和性能研究》、《废轮胎胶粉循环利用技术研究》、《低碳耐久型基层材料应用研究》三个专题的研究。在此基础上,总结适用于天津生态性发展要求的新材料设计方法及相应的力学参数,开展了组合式基层排水性沥青面层层位功能分区研究,提出了绿色生态型城市道路体系的路面典型结构、施工工艺及质量控制方法。

06-2-3-1

排水性沥青混合料摊铺碾压

    《长效耐久型排水性沥青混合料设计方法和性能研究》技术原理:

    1)针对高粘度改性沥青评价指标和评价结果的模糊性、综合性和评价指标的层次关系,提出了基于层次分析法和模糊数学法相结合的高粘改性沥青综合评价方法,建立了高粘度改性沥青综合性能评价模糊模型,通过综合评判针对实体工程,优选得到了技术可行、经济合理、施工便捷的改性方案。

05-2-3-2

排水性沥青路面结构示意图

    2)采用能够模拟振动压路机现场实际施工工况的表面振动压实设备,结合理论分析,对排水性沥青混合料在振动压实下的压实特性进行了系统研究,提出了排水性沥青混合料振动成型方法和振动压实施工工艺。

    3)通过采用振动压实法对排水性沥青混合料级配进行优化研究,并且对混合料的路用性能进行了试验研究,提出了基于振动压实法的排水性沥青混合料级配范围和材料设计方法;

    《废轮胎胶粉循环利用技术研究》技术原理:

    1)通过对斜交胎胶粉改性沥青性能影响因素的试验研究,确定了胶粉改性沥青的室内制备工艺。

    2)通过对国内外比较常用的沥青混合料设计方法进行比选分析,为规避胶粉改性沥青混合料在设计过程中难以准确定量的体积参数计算问题,同时为更好地模拟现场碾压工况,提高现场质量控制标准,确定GTM旋转剪切方法作为胶粉改性沥青混合料的最优设计方法,并优化确定了成型条件。

06-2-3-3

排水性沥青路面碾压后的路面细部

    3)采用SAC级配设计方法作为理论工具,以路用性能为判据,通过大量试验研究确定了废轮胎胶粉改性沥青混合料基于GTM旋转成型方式下的合理级配形式及其优化范围;并对优化设计的混合料的路用性能和疲劳性能进行了系统研究。

    4)以天津某高速公路胶粉改性沥青混合料的生产拌合及现场摊铺碾压情况为依托,将室内研究成果应用于本工程,并在实践中从生产质量及施工质量控制等方面来进一步完善胶粉改性沥青路面施工技术,并对其碾压方案进行优化调整,提出了胶粉改性沥青混合料的高温碾压工艺。

    《低碳耐久型基层材料应用研究》技术原理:

    1)根据目前基层施工中常用的振动压路机械的性能,确定了振动参数的合理范围。在试验研究成果的基础上,优化得到了适用于成型基层材料的最佳振动参数H35S3X6JJ90-2min,并提出了一套完整的振动压实试验方法和振动压实成型试验方法。

    2)在多级嵌挤密实级配的基础上,采用均匀设计法和振动成型技术,以CBR、最大干密度、级配衰变为指标,优化得到了高性能级配碎石的级配范围。

06-2-3-4

胶粉改性沥青粘度室内检测 

 

    3)通过采用振动压实法级配碎石材料的配合比设计及路用性能研究,提出了基于振动压实法的级配碎石材料设计方法和设计参数;

    4)根据现场使用的铣刨设备,以铣刨回收料的级配组成为主要参照,研究确定了沥青面层材料的铣刨工艺参数和铣刨方法。

    5)基于振动成型试验方法,总结提出了包括铣刨料级配范围、振动压实成型方法、混合料设计标准等内容的较为完善的水泥冷再生沥青面层材料配合比设计方法,在此基础上进行了振动成型水泥冷再生沥青面层材料的路用性能研究。

    6)通过对采用振动成型法的高性能级配碎石和水泥冷再生沥青面层材料基层材料的施工应用技术研究,总结提出了包括施工前的准备、拌合、运输、摊铺、碾压、接缝处理、养护和交通管制等一系列较为完善的基层混合料施工控制技术。

    《安全、环保型排水性沥青路面层位分工研究》技术原理:

    1)根据沥青面层疲劳开裂、车辙和低温缩裂的力学分布规律和道路使用者对路面性能要求,研究了不同深度处沥青面层的功能要求和层位功能分区,划分了四个功能区,即Ⅰ区(表面功能区);Ⅱ区(抗低温缩裂区);Ⅲ区(抗高温车辙区);Ⅳ区(抗疲劳开裂区),提出了排水性沥青路面结构设计和材料设计一体化成果。

06-2-3-5

胶粉改性沥青粘度现场快速检测

    解决的主要技术问题

    “绿色生态城市道路体系研究”项目研究的所解决的主要技术问题如下。

    1)采用能够模拟振动压路机现场实际施工工况的表面振动压实设备,结合理论分析,对排水性沥青混合料在振动压实下的压实特性进行了系统研究,提出了排水性沥青混合料振动成型方法和振动压实施工工艺。

    2)通过对胶粉改性沥青性能影响因素的研究,确定了胶粉改性沥青室内制备工艺。

    3)为规避胶粉改性沥青混合料在设计过程中难以准确定量的体积参数计算问题,同时为更好地模拟现场碾压工况,提高现场质量控制标准,确定GTM旋转剪切方法作为胶粉改性沥青混合料的最优设计方法,并优化确定了成型条件;采用SAC级配设计方法作为理论工具,以路用性能为判据,通过大量试验研究确定了废轮胎胶粉改性沥青混合料基于GTM旋转成型方式下的合理级配形式及其优化范围;并且提出了胶粉改性沥青混合料的高温碾压工艺。

06-2-3-6

旧路面沥青混合料回收利用铣刨作业

    4)根据目前基层施工中常用的振动压路机械的性能,确定了振动参数的合理范围。在试验研究成果的基础上,优化得到了适用于成型基层材料的最佳振动参数H35S3X6JJ90-2min,并提出了一套完整的振动压实试验方法和振动压实成型试验方法。

    5)通过对采用振动成型法的高性能级配碎石和水泥冷再生沥青面层材料基层材料的施工应用技术研究,总结提出了包括施工前的准备、拌合、运输、摊铺、碾压、接缝处理、养护和交通管制等一系列较为完善的基层混合料施工控制技术。

    6)以沥青路面结构层功能分析、结构组合设计与结构受力分析为依托,提出了基于结构和材料设计一体化的组合式基层排水性沥青路面结构设计方案,并为实际工程采用。

    7)通过总结、分析,形成了包括长效耐久型排水性沥青混合料设计方法、废轮胎胶粉循环利用技术、基于振动成型的低碳耐久型基层材料应用技术以及各结构层材料力学设计参数和施工工艺,排水性沥青路面结构设计和材料设计一体化研究等技术成果的研究报告。

06-2-3-7

胶粉改性沥青混合料摊铺作业

    与国内外同类技术的比较

    “绿色生态城市道路体系研究”项目的技术特点如下。

    1)《长效耐久型排水性沥青混合料研究》专题,其技术特点为:(1)采用离散元方法,构建了能够反映振动压实后排水性沥青混合料的颗粒承载运动以及非连续性特征的细观结构模型,结合单轴贯入试验的数值模拟,明确提出振动压实是改善排水性沥青混合料抗变形能力的关键因素;(2)采用层次分析法和模糊数学理论,构建了性能影响因素综合评价模型,提出了高粘改性沥青综合评价指标权重值,建立了适用于排水性沥青混合料高粘改性沥青的综合评价方法;(3)提出了适用于排水性沥青混合料成型的最佳振动参数(频率H、夹角J、上配重S和下配重X)组合:H35J120S4X5-2 min;(4)提出采用粗集料剪切模量比GR(振动压实状态下粗集料混合料的剪切模量与干插捣紧装状态下粗集料的剪切模量之比)作为表征粗集料骨架稳定性的评价指标。

    2)《废轮胎胶粉循环利用技术研究》专题,其技术特点为:(1)提出常温粉碎法斜交胎胶粉改性沥青的室内制备工艺;(2)选用模拟现场碾压工况的揉搓剪切设计方法优化材料结构,在SAC级配设计的基础上,通过路用性能试验比选,确定了胶粉改性沥青混合料的优化级配范围。(3)提出了“高温、紧跟、重碾、慢压”的胶粉改性沥青混合料碾压工艺,并进行了试验路验证。

    3)《低碳耐久型基层材料应用研究》专题,主要技术要点为:① 基于多级嵌挤密实级配,采用多指标综合优化方法,优化得到高性能级配碎石的合理级配组成;② 在优化振动成型参数(H35S3X6JJ90-2min)的基础上,提出了基于振动成型的高性能级配碎石材料设计方法,并与重型击实法进行了对比研究;③ 针对高性能级配碎石材料的施工特性,提出了一整套拌合、运输、摊铺、碾压、养护的施工方法和质量控制措施;④ 提出采用上置式表面振动成型仪进行水泥冷再生沥青路面材料配合比设计的方法,并系统研究了振动成型水泥冷再生沥青路面材料的物理力学性能,提出了相应的结构设计参数。

    经文献检索表明,国内外均未见与该项目各专题研究技术要点相同的相关科技成果文献报道。

06-2-3-8

胶粉改性沥青混合料碾压作业

    项目应用成果与效益

    该项目研究成果于2012年3月~2012年6月应用于中新天津生态城起步区基础设施道路工程建设中,路面质量检测与评价证明,各路面结构层工程质量得到提高,使用效果良好,未见有早期破坏迹象。2013年成果应用于国道112线高速公路天津东段延长线工程中,取得了同样良好的效果。目前,该项目成果正在天津地区的其他高速公路和市政道路的路面工程中应用,取得了显著的经济、社会效益。

    经济效益  该项目研究成果的经济效益主要体现在新材料和再生材料的推广应用方面,在为国家节约宝贵资源的同时,也延长了道路的使用寿命。

    1)厚度4cm每平方米排水性沥青路面的材料成本为62.87元,而SMA路面的材料成本为66.2元,采用Sino-TPS改性剂的排水性沥青路面的成本仅为SMA路面(采用SBS改性剂)成本的95%。而且,振动压实的排水性沥青混合料表面层性能优越,结构稳定,能够延缓孔隙率衰减,减少辙槽、松散等早起病害的发生,延长使用寿命,经济效益显著。

    2)废轮胎胶粉改性沥青混合料,抗车辙能力突出,疲劳性能优越。不但可以提高路面使用性能,延长面层使用寿命,而且还可以节约材料40%,大幅度降低工程造价。胶粉颗粒的掺加可以替代聚合物改性剂,在性能指标相近的前提下,每吨废轮胎胶粉改性沥青较SBS改性沥青便宜500元左右。

    3)用高性能级配碎石替代18cm水泥稳定碎石基层,在无需使用特殊设备的情况下,每立方米级配碎石可节约水泥约30元,每公里将产生直接经济效益30万元。此外,级配碎石基层可多次重复利用,再生工艺简单,无需添加任何稳定剂,养护成本低。

    4)水泥冷再生沥青面层材料使用旧路面材料代替新骨料,节约了石料资源,能够显著降低工程造价。以同样的单价水平和取费标准测算,按照冷再生方案预算每公里造价202.13万元,每平米造价96.25元;按照挖除新建方案预算每公里造价308.4万元,每平米造价146.85万元。采用冷再生方案每公里节约投资106.27万元,每平米造价水平降低34%。。      

    社会效益  该项目推广应用的社会效益主要体现在以下两方面。

    1)在城市道路中发展排水路面,能够大大提高行车安全性。

    在零径流长度下,排水沥青路面通过其结构内部的连通空隙使雨水迅速下渗到路面表面结构层中,从而消除路表积水和水膜,增加道路的抗滑性能,减少水漂、溅水、水雾和眩光,提高了雨天行车的安全性。与普通路面相比,排水路面大大的降低了交通事故率。

    2)提倡采用绿色、循环、低碳材料和节能减排技术,为建设生态文明城市做贡献。

    建设可持续发展的生态工程已成为城市建设过程中的热点问题,以“生态绿色市政”的理念拓宽出一条项目建设和环境保护协调发展的道路已成为我们的最佳选择。本课题利用废轮胎胶粉改性沥青混合料,推广循环可再生的低碳基层材料和节能减排技术,形成了一套符合可持续发展观的生态路面结构体系和施工技术,为促进交通建设领域的低碳排放,建设生态道路工程做出了新的贡献。

    (天津市交通科学研究院 供稿

     注:本文刊载于《市政技术》2016年第2期,第6-9页。