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马士杰:用一生走在“路”上

发布时间:2021-09-10

来源:科学中国人

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他是交通运输部高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南)主任,山东省道路结构与材料重点实验室主任,交通运输部中青年科技创新领军人才;他主要从事路基路面结构与材料、公路养护技术、沥青路面再生等方面研究,完成部、省级交通科技项目20余项,主持4000余公里高速与干线公路沥青路面施工过程质量控制与技术咨询等项目,荣获国家科技进步奖二等奖1项,省部级科技进步奖一等奖5项;他发表论文30余篇,其中SCI、EI收录9篇,授权发明专利11项,参与编写行业标准《公路沥青路面设计规范》、山东省地方标准《大粒径透水性沥青混合料应用技术规程》《多级嵌挤沥青混合料技术规程》等多项……

他就是山东省交通科学研究院总工程师马士杰,一位自称用一生走在“路”上的人。

分层与连续之间,沉迷于路面结构与材料的奥妙

公路,看上去很简单,石子加沥青拌一下,摊铺完后用压路机压一下。其实,它是由不同结构层组成的,材料也是有严格配比的。按照所处的层位和作用,分为面层、基层和底基层。马士杰的工作就是研究确定不同的结构层厚度与组合,每一层采用的混合料类型,在施工过程中严格进行材料设计与质量控制,实现各结构层无缝连接,水乳交融,提升材料性能,延长使用寿命。

我国的路面以沥青路面为主,而水损害是沥青路面早期的主要病害之一。水损害是怎么形成的呢?主要是水分在路面使用过程中逐步渗透至结构层中,达到饱和时在动水压力作用下使得沥青与集料的界面黏结力丧失,沥青膜从石料表面剥落,沥青混合料强度降低,从而在路表面形成坑槽、推挤变形等现象。2000年前后,水损害是一个很大的问题。马士杰说,“最严重的时候,一场雨后路面就会出现很多坑,以致人们‘谈水色变’”。

实践中遇到难题,就是最需要研究人员的时候。马士杰将全部精力投入到了水损害的研究中。研究发现材料种类、沥青与集料的界面特性、混合料的材料设计等是主因,深入研究还发现即使在干旱少雨的地方也会出现水损害,为什么呢?进而研究其微观与机理,逐渐明白水分在路面结构中不仅以液态水存在,还会以气态形式存在,并逐渐积聚。由于材料的孔隙很小,这些水分很难出去,即使太阳晒过,只是将表面的水分蒸发了,里面的水还是会一直积下去。今年积一点,明年积一点,积到饱和的时候,重载作用下产生动水压力,水损害就产生了。没有发现这些问题的时候,总是重视程度不够,路面结构的破坏就比较严重。因此,“重载沥青路面结构与材料适应性”“大粒径沥青混合料的应用”“Superpave沥青混合料应用研究”等一大批研究成果应运而生。

生态+景观,呼唤全生命周期绿色公路

高性能乳化沥青厂拌冷再生技术,实现了废旧沥青混凝土材料100%循环利用,节约了170多万吨的碎石用量和5万多吨的沥青用量;废弃结构物混凝土再生集料高值化利用技术研究,使得废弃混凝土再生利用率达到80%以上,减少弃渣占地100余亩;对公路护栏进行绿色循环利用的安全性能提升,使旧路波形护栏100%实现了再利用……

这条路叫济青高速公路,是国家高速公路网青岛至银川线的重要路段,也是国家“五纵五横”综合运输大通道的重要组成部分。2015年12月,济青高速公路开始实施改扩建工程,被列入交通运输部科技示范工程,山东省交通科学研究院作为技术支持单位参与了这一重点项目,马士杰全面负责各项内容的技术推进。

改扩建中,济青高速坚持“融合创新、安全耐久、资源利用、节约环保、智慧共享”的建设理念,重点围绕“全寿命周期设计施工一体化、不间断交通的施工交通组织与安全保障提升、旧路材料与大宗工业废弃物循环利用、生态防护与节能减排、信息化建管养效率提升”开展系列科技攻关和推广应用。

绿色循环可利用,是建设交通强国的应有之义。其需要重点解决的是长期以来公路建设中普遍存在的资源统筹利用不足、循环利用率较低、能源耗用较高等问题。同时,尊重自然、保护自然、恢复自然是绿色公路建设的重要目标。绿色公路应坚持生态优先、和谐发展的指导方针,强化设计、施工、运营、养护等各阶段的生态环境保护,实现最大限度地保护、最小程度地影响、最有力度地自然恢复,实现公路与生态、社会的健康可持续发展。

马士杰运用全生命周期思想,统筹协调公路设计、施工、养护、管理等各阶段,对沥青路面的再生利用进行了理论和实践的探索,形成了“沥青路面现场热再生技术”“道路结构性能与材料响应规律、全寿命周期一体化设计及工程应用”等成果,并运用到了施工过程中,产生了良好的效果。

问道未来交通,无缝衔接是最好的

“研究是一项用数据说话的极其严谨的工作,但是我们现在的数据还不够扎实”,马士杰说,“以跟踪观测为例,我们最早的数据是从2005年开始持续记录和积累的,到现在也就20年的时间。但是,国外的类似研究,数据基本都在30年以上。这样,说服力、严谨性就会好很多。在数量上,我们使用几条路的数据来分析,结论的可靠性上就差了一些。在手段上,我们也还有差别,比如疲劳试验,2005年我们在研究永久性沥青路面研究时,开展小应变疲劳试验,设备24小时不停地运转,做了39天,做试验的人扛不住了,设备也扛不住了,只好停下来了。同样的试验,在国外有的研究机构是多台设备同时开展工作,要连续试验1年甚至更长。”

这是马士杰参加完世界交通运输大会后,在他的试验室跟研究人员的研讨会上谈到的内容。他希望他的研究团队能加倍重视数据的质量,“不要因为数据问题而一遍一遍返工”。

从理论与实践的结合来看,修路是一门工程科学,研究是偏应用的。“如果成果只在试验室行,在铺路现场不行,那就是不行”,因此,马士杰把实践应用看作研究的生命线。

研究的出发点就是把研究成果研究转化成生产力,比如研究如何抵抗车辙,如何抵抗水损害,如何抗裂缝等,最终就是要落地。马士杰一直说自己就是修路人,只是修路的技术层次上高一点罢了。所以,在马士杰主持的项目中,他要做的事情就是把路面设计做到最合理,把技术理念运用到现场,让现场的施工满足设计。在这一过程中,他强调最多的,是团队成员之间的无缝衔接和从理论层进到施工层之间的无缝衔接。他总说,“无缝衔接是最好的,未来的公路需要这样的水平”。


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