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道路工程领域近年研究热点分析
日期:2020-07-16 来源:中国公路学报
《中国公路学报》近日梳理了道路工程方面近年来的研究进展,以方便科研工作者追踪学术前沿和研究热点。为进一步了解国内外道路工程的研究动态,对我国知网数据库中道路工程领域核心及以上期刊的研究热点做了系统分析。凝练了先进路面材料、节能减排与循环利用、功能路面与智能路面、疲劳性能研究与评价、路面材料微细观特性、路面结构数值仿真、路面检测与养护决策七大主题的最新进展,并对道路工程未来的研究方向做了相关展望。
✦先进路面材料
近年来,学者们致力于使用橡胶粉、环氧改性剂、生物油、石墨烯、多聚磷酸等材料对沥青及其混合料进行改性研究。其中橡胶粉在减少环境污染和提高路面材料的弹性、抗疲劳性能等方面有着良好的效果,一直是路面材料的主要研究方向;环氧改性剂可有效改善沥青的路用性能,近年来得到大力发展,研究数量相对较多;生物油作为再生剂用于沥青及其混合料再生的研究一直是路面材料研究的重点领域;石墨烯是一种良好的碳纳米材料,在沥青材料的功能性提高方面有着显著效果,近年来得到广泛应用;多聚磷酸作为酸改性剂,具有成本低、改性工艺简单和显著改善沥青性能等优点,其在沥青性能改性中有着良好的应用前景。
橡胶粉是一种良好的道路沥青改性剂,其不仅可以减轻废轮胎对环境污染造成的压力,还可以提高路面材料的弹性和抗疲劳能力,一直是路面材料的主要研究方向。中文高级别期刊主要以橡胶沥青宏观性能和微观特性、相容性和改性工艺等方面的研究为主。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“橡胶粉”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文205篇,其中《公路工程》29篇、《公路》29篇和《中外公路》23篇,其余为其他中文期刊。
环氧改性剂可有效改善沥青的路用性能,近年来研究较多,其主要集中在环氧沥青在钢桥路面铺装的性能开发(相容性、抗剪特性)和水性环氧乳化沥青的性能及机理研究等方面。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“环氧”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文202篇,其中《公路》32篇、《中外公路》20篇和《筑路机械与施工机械化》12篇,《长安大学学报(自然科学版)》5篇,其余为其他中文期刊。
生物油,其组成成分与沥青相近,可有效提高沥青宏观性能和恢复老化沥青路用性能,其用作再生剂可有效提高路面废料在利用率,一直是路面材料的研究重点。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“生物油”或含“植物油”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文21篇,其中《重庆交通大学学报(自然科学版)》3篇、《公路工程》3篇、《应用化工》2篇,其余为其他中文期刊。
石墨烯是一种良好的碳纳米材料,在沥青材料的功能性提高方面有着显著效果,近年来应用较为广泛,在沥青研究中取得明显效果。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“石墨烯”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文25篇,其中《炭素技术》3篇、《化工新型材料》3篇、《材料导报》2篇,其余为其他中文期刊。
多聚磷酸作为酸改性剂,具有成本低、改性工艺简单、可显著改善沥青性能等优点,在沥青改性方面有着良好的应用前景。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“石墨烯”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文47篇,其中《公路工程》10篇,《中外公路》7篇,《复合材料学报》7篇,其余为其他中文期刊。
✦节能减排与循环利用
节能减排与循环利用是我国近年来一直关注的重要方向,其在交通基础设施建设领域中一直是近年的重要验收指标。道路工程界的学者们也一直致力于在该方面有所突破,其一直持有较高研究热度。
温拌沥青可以确保在不降低沥青路用性能的前提下,通过降低沥青混合料的拌和及压实温度,从而有效减少能耗、排放及人员伤害。其是一项近几十年来逐渐发展起来的新型路面技术,近几年来一直在环保型路面的研究中享有较高热度。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“温拌”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文231篇,其中《中外公路》48篇、《公路》30篇、《公路工程》25篇,其余为其他中文期刊。
路面再生技术可有效节约资源,保护生态环境,符合我国可持续发展建设理念。因此,国内外学者对于沥青路面养护的再生问题给予了高度重视,路面再生技术的研究也一直是近几年的研究重点。目前国内再生技术研究主要集中在高掺量热再生技术、温拌再生技术和冷再生技术优化等方面。
(1)沥青热再生技术是路面再生的主要方式之一,近几年,在我国取得突破性进展。然而,当前在再生过程中加入的RAP掺量一般不超过30%,再生资源的利用率并不高,废料再生效益不明显。因此,国内外学者当前聚焦于高掺量RAP热再生技术的研究。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“热再生”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文71篇,其中《公路工程》17篇、《中外公路》13篇、《公路》9篇,其余为其他中文期刊。同时,以“沥青”并含“热再生”为主题的精炼搜索中有16篇于近五年发表。
(2)温拌技术和再生技术的结合,可以提高RAP料的利用率,降低沥青混合料的拌和及压实温度,能有效减少能耗和排放。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“热再生”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文39篇,其中《公路》9篇、《公路工程》8篇、《中外公路》6篇,其余为其他中文期刊。
(3)由于技术研发、施工条件等问题,一些冷再生沥青混合料路用性能很难达到技术要求,并没有真正实现废料的高价值再生利用,因此,提高冷再生沥青路面的路用性能是当前研究的重点方向。在知网中文核心和EI合集上以“冷再生沥青”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文102篇,其中《公路工程》23篇、《公路》18篇、《中外公路》12篇,其余为其他中文期刊。同时,以“冷再生沥青”并含“改性”或者“高性能”或者“优化”为主题的精炼搜索中有8篇于近五年发表。
工业废弃物和建筑垃圾的回收再利用,在保持道路的路用性能和力学性能的前提下,既可以节省成本,又可以废物利用。废弃物的再利用主要有生活垃圾焚烧飞灰、废旧塑料、工业废渣等。其实现了道路循环再生的理念,具有较为较为广阔的研究前景。在知网中文核心和EI合集上以“路面”并含“废弃物”或“建筑垃圾”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文42篇,其中《混凝土》4篇、《新型建筑材料》3篇、《筑路机械与施工机械化》3篇,其余为其他中文期刊。
✦功能路面与智能路面
智能路面技术是一个涉及多学科交叉,需要多领域合作才能实现的技术。其可以定义为由特定的结构材料、感知网络、信息中心、通信网络和能源系统所组成,且具有主动感知、自动辨析、自主适应、动态交互等多种功能的智能型路面。随着科学技术的不断进步,尤其是大数据和人工智能的迅速发展,交通运输服务智能化已成为社会发展的必然趋势,因此智能路面技术的研究及应用,必将成为未来交通科学研究的主要方向。
自修复(自愈合)路面技术。沥青是一种具有自愈合功能的材料,但在实际应用中其自愈功能非常有限,需采取合理的措施来提高其自愈合性能,以提高沥青路面寿命和减少养护维修成本。目前关于自愈合技术的研究主要集中在微胶囊、电磁感应加热自愈合技术,以及相应的自愈合性能评价方面。在知网中文核心和EI合集上以“沥青路面”并含“自愈合”或“自修复”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文14篇,其中《中国公路学报》3篇、《建筑材料学报》2篇、《公路工程》2篇,其余为其他中文期刊。
自感知、自诊断路面技术。智能路面是由特定的结构材料、感知网络、信息中心、通信网络和能源系统组成,具有多种智能,并且能够为人、车、环境提供服务的道路路面。通过路面自感知、自诊断、自监测等功能,对路面情况进行实时跟踪调查,可有助于有效处理相应病害,减少养护维修成本。智能路面的发展将有助于充分发挥道路自身潜力和适应未来的交通工具行驶需求。在知网中文核心和EI合集上以“智能路面”并含“感知”或“诊断”或“监测”或“传感器”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文8篇,其中《中外公路》3篇,其余为其他中文期刊。
自供能道路。能源紧缺、气候变暖等环境问题的凸显促使社会将开发清洁能源作为当前研究重点,道路结构在频繁车辆荷载作用下内部积存了可观的机械振动能量,具备高机电转换系数、无需外接电源等优点的压电振动新型能量采集技术可有效实现道路机械振动能的绿色开发。目前,有关自供能式的压电发电路面的研究已陆续展开。在知网中文核心和EI合集上以“路面”并含“供能”或“发电”或“压电”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文15篇,其中《中国公路学报》3篇、《压电与声光》2篇,其余为其他中文期刊。
自净化(尾气降解)道路。随着经济的快速发展, 机动车使用量高速增长, 给人们带来便捷生活的同时, 汽车尾气的排放也也对环境造成了严重的影响。若能将汽车尾气进行及时的降解,一方面有利于绿色环保,另一方面也有益于城市居民的身体健康。具有自净化功能的路面,能够降解汽车尾气的“路面降解技术”,已被公认为最有前途的城市汽车尾气治理措施。在知网中文核心和EI合集上以“道路”并含“自净化”或“尾气降解”为主题的精炼搜索可知,相关论文数量较少,近五年仅有3篇已发论文。
自调温(凉爽)路面。温度的变化显著影响着沥青路面的性能,导致路面产生各种各样的病害,降低路面使用寿命。通过提高沥青混合料的调温性能,可在一定程度上减少病害的产生,大多数研究表明相变材料的使用可以改善其调温效果。在知网中文核心和EI合集上以“调温路面”为主题的精炼搜索中,近五年已发表论文仅为6篇。
降噪/静音路面。随着城市和道路建设的逐渐发展和完善,路网密度与日俱增,交通量也不断增加,路面降噪成为现代化公路建设所追求的目标。在知网中文核心和EI合集上以“路面”并含“降噪”或“静音”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文12篇,其中《中国公路学报》3篇,其余为其他中文期刊。
海绵型道路/排水路面。排水路面以其良好的表面功能特性, 已在很多国家得到推广应用。排水路面的应用以海绵城市的建设为理念,在满足道路使用功能的前提下,以改善和恢复城市的生态平衡。在知网中文核心和EI合集上以“海绵道路”或“排水路面”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文40篇,其中《公路》4篇、《中国给水排水》4篇、《中外公路》3篇,其余为其他中文期刊。
抗滑路面。为显著改善路面的抗滑性能,提供舒适的行车环境,路面抗滑性能研究已成为一大热点,其中包括从接触力学角度进行分析、抗滑衰减规律分析和评价指标的选择等。在知网中文核心和EI合集上以“路面抗滑”并含“性能研究”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文48篇,其中《公路》10篇、《中外公路》7篇,其余为其他中文期刊。
✦疲劳性能研究与评价
对沥青或沥青混合料进行疲劳性能评价或疲劳寿命预估,可选取的方法有多种,不同的测试方法所根据的理论基础也有所差异。近年来,学者们致力于沥青或沥青混合料疲劳性能的研究,其评价方法在不断的发展和完善当中。
在知网中文核心和EI合集上以“疲劳”为关键词,或以“沥青”并含“沥青混合料”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文114篇,其中《公路工程》27篇、《建筑材料学报》11篇、《重庆交通大学学报(自然科学版)》11篇,其余为其他中文期刊。同时,以“沥青”并含“疲劳评价”或者以“沥青混合料”并含“疲劳评价”为主题的精炼搜索中有13篇于近五年发表。
✦路面材料微细观特性
近年来,从微细观角度对路面材料的特性进行分析,已成为路面研究中的一大热点,其中包括沥青、集料、沥青-集料界面和沥青混合料的微观特性分析。
沥青微细观特性。通过对沥青材料的微观特性进行分析,有助于沥青改性或再生过程中的机理分析,同时可对宏观力学性能和微观特性之间的联系进行探索。在知网中文核心和EI合集上以“沥青”并含“微观”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文205篇,其中《公路》27篇、《建筑材料学报》13篇、《公路工程》12篇,其余为其他中文期刊。
集料微细观特性。路面性能在一定程度上受集料微细观特性的影响,相关研究对路面性能的分析有着至关重要的作用。在知网中文核心和EI合集上以“集料”并含“微观”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文9篇,其中《公路》2篇,其余为其他中文期刊。
沥青-集料界面。沥青与集料间的黏附作用是形成沥青混合料结构的重要影响因素,且直接关系到沥青混合料的结构强度、水稳性等主要性能,也对沥青混凝土路面的使用寿命有较大影响。因此,沥青与集料界面的相互作用的研究分析至关重要,其以沥青与集料间的黏附作用为主。在知网中文核心和EI合集上以“沥青与集料界面”或以“沥青集料黏附”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文47篇,其中《公路》9篇、《中外公路》7篇、《建筑材料学报》5篇,其余为其他中文期刊。
沥青混合料微观特性。当前沥青混合料微观分析主要解决沥青混合料微观结构的数字重构、基于微观力学的建模和分析方法两个重要问题。在知网中文核心和EI合集上以“沥青混合料”或以“微观”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文39篇,其中《公路》9篇、《中外公路》4篇、《材料导报》4篇,其余为其他中文期刊。
✦路面结构数值仿真
合理的路面结构能够有效提高路面承载力水平,减少病害的发生,提高路面使用寿命。利用数值仿真技术,可获得路面各结构层间的应力应变变化规律,其中以有限元和离散元分析作为主要的数值模拟手段,在路面结构分析中起到了重要的作用。
在知网中文核心和EI合集上以“路面结构”并含“仿真”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文28篇,其中《公路交通科技》6篇、《公路》3篇、《公路工程》3篇,其余为其他中文期刊。
✦路面检测与养护决策
随着计算机科学的蓬勃发展及路面养护技术的深入研究,路面三维检测技术、基于人工智能与大数据的智能养护决策技术、预防性养护技术等新技术,以及超薄磨耗层技术的深入探索研究,逐渐成为近年来路面养护技术的重要发展方向。
路面三维检测技术。其主要应用于路面构造深度、病害等的检测技术,是道路维修与养护的关键技术。在知网中文核心和EI合集上以“路面”并含“三维检测”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文18篇,其中《重庆交通大学学报(自然科学版)》2篇、《交通运输工程学报》2篇、《长安大学学报(自然科学版)》2篇,其余为其他中文期刊。
基于人工智能与大数据的智能养护决策技术。在知网中文核心和EI合集上以“大数据”并含“公路养护”或以“人工智能”并含“公路养护”为主题的精炼搜索中有3篇于近五年发表。
预防性养护技术。在知网中文核心和EI合集上以“路面”并含“预防性养护”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文31篇,其中《公路》11篇、《筑路机械与施工机械化》4篇、《中外公路》3篇,其余为其他中文期刊。
超薄磨耗层技术。在知网中文核心和EI合集上以“超薄磨耗层”为主题的精炼搜索中有如下结果,近五年已发表论文18篇,其中《中外公路》4篇、《江苏大学学报(自然科学版)》2篇,其余为其他中文期刊。
(以上内容由《中国公路学报》路面方向青年编委提供)