建设科技创新成果系列报道丨废旧市政道路全结构绿色循环利用关键技术研究与应用-2023中国市政工程建设与环卫装备展览会

市政基础设施建设工程是国民经济中基础性、先导性、战略性产业和重要的服务性行业，同时是全行业总碳排放来源主体行业之一，为落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标，争取早日实现行业碳达峰及碳中和，实现生态文明建设目标，全面贯彻落实绿色发展理念势在必行。随着大量市政道路逐渐进入衰老期，据统计，每年全国将近10%的市政道路需要维修改造，旧市政道路材料废弃量高达千万吨以上且逐年递增，大体量废旧材料的遗弃堆积及掩埋不仅增加了环境容量负担，还造成城市环境严重污染。废旧道路材料循环利用技术的出现无疑为市政基础建设行业的绿色发展带来了新的增长极，为实现低能耗、高能效、可持续、低污染、低排放、高质量发展提供了新机遇和新途径。

在此背景下，为服务无废城市建设，打造绿色低碳经济，实现废旧市政道路材料可持续再服务能力，迫切需要突破以下技术瓶颈：（1）市政道路结构长期性能影响因素复杂且多尺度跨越机制不明晰，不同应用场景和结构层位的路面病害发展趋势与演变规律难以预测；（2）铣刨重铺和常规再生等传统路面修复技术难以满足多应用场景的使用、环境、经济与高效的多样性需求，缺乏对应不同结构层位和材料类型的高品质绿色循环利用技术；（3）废旧市政道路材料循环利用的生产施工及管养方式直接决定维修改造后路面质量及服务能力，已有常规施工及管养设备无法保证维修改造路面的长期路用性能，缺乏循环利用标准生产装备及工艺，造成路面二次服役期路用性能不佳、旧料利用效率低下、加剧资源消耗与环境污染等问题。

本项目重点攻克了废旧市政道路全结构绿色循环利用关键技术研究与应用，提出了废旧市政道路服役期结构行为时空演变机制，研发了满足市政道路不同应用场景的绿色循环利用关键技术，建立了全结构循环利用“装备-工艺-管控”施工体系。

为了使数值模拟分析结果更加符合现场实际施工情况，本技术提出了复杂环境下大管径顶管施工的全过程数值模拟分析方法，特别是对注浆层的模拟方法，减少了模拟管片与土体之间的空隙引起的地层损失。同时通过研究不同支护压力、侧摩阻力两项施工敏感性参数对地表沉降的影响规律，得出结论，用于指导现场施工，有效地减少了地表沉降量，保证了顶管施工安全。

1.废旧市政道路材料细观力学高精度建模技术。①提出了道路材料细观结构三维空间重构方法，采用高精度CT无损扫描、动态自适应阈值划分以及数字图像处理技术，提出了不同类型混合料三维数字试件生成方法，精准重构其各细观结构组分。②构建了道路材料细观结构特征量化表征体系，针对不同层位路面材料的细观结构组分，针对砂浆、粗骨料、空隙分别提出了对应的空间形貌与分布特征评价指标以及互相之间接触特性评价指标。③建立了废旧市政道路材料细观力学数值模型，提出不同结构组分黏结失效的判断依据，开展了使用年限、荷载特征、损伤状况等材料属性及服役环境因素对道路材料性能劣化的敏感性分析，数值模拟可靠度达到95%以上。

2.市政道路服役期多物理场耦合模拟技术。①提出了市政道路全结构应力场和温度场模拟方法。②建立了可人为控制的路面结构自然降雨过程模拟试验系统，通过暴雨过程线模型和喷头组合设计实现降雨强度在时间和空间上的动态控制，用以模拟不同降雨重现期和历时下路面结构承受的降雨作用。③研制了沥青胶结料再生行为模拟试验装置，对高温、紫外线照射、氧化、浸水润湿和雨水冲刷等作用进行耦合模拟，发明了基于多环境介质耦合作用沥青胶结料老化模拟试验装置；基于简便操作、无需反复加热和准确性原则，发明了新旧沥青融合渗透模拟试验装置，测试精度提高了20%以上。

3.多尺度下废旧市政道路结构损伤时空演变特性与破坏机理。①提出了市政道路宏观结构损伤和细观结构演变的测试技术，通过对荷载和环境等多物理场的耦合模拟，研发了基于市政道路实际工作状态的全结构动态损伤测试方法，应力水平的模拟误差小于10%；结合X射线CT扫描和数字图像处理技术，建立了路面材料细观结构特征追踪分析方法，识别精度达到0.1m㎡。②基于宏细观尺度结合揭示了市政道路结构服役期损伤协调发展机理，结合荷载和环境因素耦合作用下路面结构宏观损伤变化规律以及细观结构演变过程，提出了不同类型路面材料的破坏形式组成及其发展行为，揭示了市政道路不同结构层位内各主要破坏形式的协同发展机理。③建立了市政道路结构损伤多尺度仿真分析方法，结合宏细观性能测试技术和动态黏弹性力学理论，提出了全结构动态损伤虚拟仿真试验方法。

1.基于路面结构形式创新和专业施工设备研发的循环利用产品机械化生产链。①提出了适用于废旧材料循环利用的新型市政道路结构形式，根据废旧路面材料性能表现，量体打造旧料路面功能层，创新了原位再生、节能环保水泥再生、抗裂型等多种市政道路结构形式，实现旧料的合理回收利用和低碳建设。②首创了高性能全结构层路面材料循环利用系列设备，包括具备自动温度感知和实时程序控制的冷再生混料搅拌装置、能够自动调控和预警的冷再生沥青路面摊铺整平装置、高整体硬度低噪型防扬尘粉碎机械以及能够高效实现筛分分级的再生集料的生产系统，为循环利用技术提供了高效、便利、安全、环保、低碳的施工机械。

2.标准化生产施工工艺和生产施工养护全过程质量管控技术体系。①提出了废旧市政道路全结构循环利用标准化施工工艺，通过优化比选选定旧水泥混凝土板破碎方式，依据表面特性提出了物理和化学强化技术提高再生料路用性能；结合表面形貌微细观特征提出了旧基层铣刨料工程特性评价技术体系，构建了二灰碎石基层再生利用的关键施工工艺；基于沥青路面老化机理及长期性能劣化规律，提出了绿色高性能沥青路面就地再生施工工艺。②研发了施工过程质量提升控制技术及监测装置，研制了冷再生沥青混料的旧料级配检验装置，为再生料级配检测提供了高效检测方法；提出了用于检测不同压实层压实度的装置，并达到延长路基以及路面工程使用寿命的目的；基于光纤光栅传感技术发明了二灰碎石冷再生结构层干温缩应变检测装置，可以避免了外界环境温度对检测结果的影响。③研发了市政道路管养信息自动采集装置，设计了科学防抖功能系统，解决了现有设备养护信息采集精度不高等问题；利用地质雷达技术全景自主识别病害技术，提出了复合式路面脱空的检测修复方法，为再生路面养护维修提供了技术支持。

1.基于高精度CT扫描、细观重构技术、多环境介质仿真、全结构动态损伤试验等先进技术手段，提出了道路材料细观力学高精度建模技术，建立了市政道路服役期多物理场耦合模拟方法，揭示了复杂环境条件下废旧市政道路结构损伤时空演变特性与破坏机理。

2.基于绿色养护需求，以应用场景和结构层位为导向，研发了四类满足市政道路不同结构层位需求的绿色循环利用技术。首创了具有表面活性的离子型泡沫沥青面层冷再生技术，提出了复合改性乳化沥青面层常温再生技术，首次建立了适用于市政道路不同层位和交通量等级的基层旧料技术性能标准，建立了旧水泥混凝土路面板再生集料性能强化方法。

3.创新了适用于废旧材料循环利用的新型市政道路结构形式，首创了高性能全结构层路面材料循环利用系列设备，提出了废旧市政道路全结构循环利用标准化施工工艺，研发了施工过程质量提升控制技术和监测装置及管养信息自动采集装置。

项目成果已成功应用于江苏省南通市、南京市、无锡市以及重庆市等多条市政道路的路面养护维修工程，累计应用195万㎡，直接经济效益达1.4亿元。核心成果通过国家自然科学基金委、江苏省住房和城乡建设厅、江苏省科学技术厅、湖北技术交易所等行业主管及第三方评价单位组织的专家鉴定和验收，产生了重大经济社会效益和环境效益，为实现碳达峰、碳中和目标、推进无废城市建设贡献了行业新方案，提供了高质量基础建设支撑。

项目成果获得发明专利12项，其他知识产权14项，发表论文30篇，其中SCI收录10篇。