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为车轮上的制造业大国设计道路

已有 968 次阅读 2022-7-28 13:15 |系统分类:人物纪事

我国是制造业大国,制造、发展都要从车轮子上“跑”出来,这导致我国的交通运输量特别大,重载、超载严重,道路交通繁重程度为国外的10-15倍。这对路面结构材料的损伤、破坏程度都非常大。因此,在一段时间内,尤其是上世纪90年代中期到2005年前,我国公路的损坏现象特别严重,往往新建设的一条高速公路,在使用中不出三、五年就遭受了严重损坏,真实寿命不足设计寿命的30%,而公路的造价又相当高昂,由此造成的经济损失、对交通和社会的影响,都非常巨大。我国道路领域第一位博士、同济大学学术委员会副主任孙立军教授的研究,正是始于这一现实困境。

孙立军教授自研究生时代从事“用数字化技术进行道路的无损检测、无损评价和养护决策”课题起,就开展了大量的现场实地调查,迄今共积累了100多万个现场第一手路况数据。在此基础上,他开拓创新,通过精准的趋势把握和扎实的前瞻研究,建立了我国首个智能交通诱导系统,引领了我国城市交通智能化;建立了道路结构-材料一体化设计方法,推动了我国道路设计理念转变;创立了沥青路面行为学,攻克了道路耐久性国际难题;研发了我国首个道路设施运维平台,推动了道路设施运维管理数字化转型。继早年获得“中国青年科技奖“、首届“上海青年科技英才”称号之后,今年5月,他又入选上海“最美科技工作者”。日前在接受记者采访时,孙立军教授将自己这些年来从事的主要研究工作归纳为3个方面:道路结构与材料研究、道路管理,以及城市交通智能管理。

不是用更好的材料、更多的代价就一定能把事情做好

对于我国公路损坏曾经非常严重的现象,人们也许会猜想那是由于我国当时采用的理论与国际先进差距较大造成的,但身处业内的孙立军明白:并非这个原因——当时我国已经引进了国外一些很先进的技术和材料来进行公路建设。那是不是因为施工中偷工减料的情况比较多、施工不认真造成了“豆腐渣”工程呢?若考虑到这些工程都是地方的重点工程,则这方面的问题应该也不是那么严重。甚至有的工程,孙立军和他的同行们觉得质量非常好,所有的检测结果也满足规范的要求,但它照样发生早期损坏,而且损坏得比一般公路更严重。似乎不管怎么们做都会损坏、无法适应沉重的交通负担,而且找不到解决问题的办法。

孙立军感觉到当时国内使用的道路理论整体的前进方向也许需要改变。因此,他和团队开展了两方面的研究工作:一方面,他们通过大量的实地调查积累了大量数据进行分析;同时,他们跳出国际上常用的力学分析指标和分析方向,引入了一些新的指标进行深入的理论研究。研究发现,原先所使用的理论、方法、技术确实存在误区。比如当道路结构发生损坏的时候,传统的做法总是去加固原来路面结构的基础,认为把基础做得更强、更好,结构就不会坏了。但孙立军和他的团队发现,基础太弱固然不行,需要加强;但是,当基础被做得太强的时候,道路上部结构承受的剪应力也越大,会诱发上部结构的剪切破坏。他和团队成员通过分析提出了“剪切致损、拉伸扩展”的重载道路破损机制以及“高速-重载-高温-多雨”耦合造成的沥青迁移损坏过程。这个原理过去从未有人发现,国际上也未曾有过报道。由此,孙立军团队首创了刚度协调原理,即:当路面结构基层做得太刚、太硬的时候,其沥青面层受力非常大,就容易造成破坏。因此,道路每一层的刚度要相适配,这样,整个结构的抗力才是最高的,变形相对比较协调,结构也才最耐久。这就好比人们通常在一张木桌子上擀面条比较容易,如果放到偏软的席梦思床上去擀,就会用不上力、比较难擀。

除了用刚度协调原理解决了路面结构协调性问题之外,孙立军教授团队还首次建立了路面行为方程,量化了路面长期行为的演化过程,证明了国际通用的路面疲劳方程只是他们提出的路面行为方程的特例。之后,他们又根据这套原理建立了一种新的路面设计方法,并在全国宣传这一新理念推动了我国路面设计理念的转变,解决了理论-工程转换的国际难题。2005年起,我国重载路面的早期损坏问题就基本上得到了消除,相应道路的寿命跃升了3-5倍,达到国际先进水平的前列。相关研究成果被英国规范和美国德州规范采用,出版的著作《Structural Behavior of Asphalt Pavement》成为国内外多所大学的研究生教材。这个过程中,孙立军得到一个很大的启发:科学不是蛮干,不是用更好的材料、更多的代价就一定能把事情做好。

看到技术背后的隐患、掌握了它们的本质,才能说真正掌握了技术

同样的理念也渗透在孙立军教授带领团队攻克“沥青废旧材料再生”项目的过程中。相关研究始于2005年前后。当时,国内早期建设的一些流量比较大的高速公路已经慢慢进入了维修期。每次维修的时候,都会产生大量的废旧材料。我国每年道路维修产生的沥青废旧材料多达2.3亿吨,无法再生利用的话,那些材料很难进行处理——如果把它们废弃掉,会污染环境;堆放的话,则需占用大量土地。将这些废旧材料作为新材料利用起来,是大家的希望,但我国道路交通繁重,利用难度较大。

那段时间江西的一条高速公路正面临这个问题,找到孙教授团队,希望他们协助开展废旧材料再生工作。工作的第一阶段进展比较顺利,同济方对路面结构进行了评价,做了一些维修方案和再生材料方案的设计,由江西方面实施。但是在实施的过程中,对方又请了一些其他专家做现场技术指导,对材料再生的技术方案做了一些“优化”。正是这个“优化”的结果,使得道路在施工过程中发生了超量的变形,整个工程被迫停工。施工期原定大约是七八个月时间,中间停工就停了一个多月。之后江西方面又找了许多专家,但问题一直没能很好得到解决。最后,他们又不得不请孙立军教授团队到现场做进一步的深入研究。看了“优化”方案,孙立军教授感觉双方对于“再生”的认识有非常大的不同:传统认为对废旧材料按照新料进行设计之后,加上再生剂,当作新的材料在施工中使用就可以了;但实际上他们团队发现整个再生机理并不是这样的,而是在施工过程中,当上覆热拌层的热量向下传递改变了常温再生层的温度场时,常温再生层中的死沥青被激活发生作用,导致结构层被进一步压密。这样一个再生过程之前在国际上从未被发现过。孙教授团队原先的方案因为回避了这个过程,所以能够产生比较好的再生效果。“优化”了之后,再生剂和结合料都需要添加很多,成本很高,在新的温度场作用下,反而更易变形,产生车辙问题。

后来,孙立军教授团队重新回到了原来的方案,并对原方案也进行了更好的优化,不仅节约了大量投资,而且使工程达到了新材料的技术效果。该工程从2006年起,迄今已整整使用了16年,使用寿命已经超过了新工程的设计寿命。这也是国际上第一条在特重交通情况下将再生材料作为新材料成功使用的公路。孙教授团队以此为契机,进一步深入开展研究,至今已经形成了一套较完整、成熟的再生技术,在全国5200多公里的道路上推广应用,并培育了一些相关企业。这一实现了废料100%高价值再生利用的成果还被写入了我国交通运输部规范和美国ASTM规范。

始终在实践中矫正自己的想象和推测的孙立军教授,从中又得到了新的启示,即:如何才可谓真正掌握了一个问题的技术要点?现在他认为,如果经常按照一些常规的技术去做,在一些比较简单、交通量比较小、技术状况比较好的环境下,那些技术背后的隐患不一定能够暴露出来;但是在环境比较恶劣、交通比较繁重、对技术要求比较高的情况下,能够真正暴露出原来理论和技术的缺陷。“我们只有掌握了它们的本质之后,才能够说,我们真正掌握了这个技术,或者说把这个技术提高到了一个更高的水准。”

因为敢讲真话、勇于创新,孙立军教授还有许多感人的故事在同行中流传。比如他在承担本市拥挤收费技术和政策研究的过程中,面对行业专家和管理者对这一技术和政策效果的争议、反对、憧憬与热情,秉持科学精神,顶着压力,真诚、客观地提出了“不支持”的结论,市主要领导经过进一步论证和调研,接受了他们的意见并对决策报告给予了高度评价。在孙立军教授心中,纯粹迎合领导的决策不见得是真正对政府负责,科技工作者只有用实际的科学结论支持政府做出科学决策,才能真正造福人民。



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