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    马士杰:用一生走在“路”上  


     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,中国公路学会青年专家委员会委员、山东公路学会专家委员会委员、山东省交通系统有突出贡献中青年专家;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。

    从小到大,只是个玩石子泥巴的孩子

    泥巴是人类最亲密的朋友,它养育了动物、植物,还陪伴了很多人的童年。公路研究专家马士杰喜欢说自己是“玩石子、泥巴的人”,而且从小玩到大,乐此不疲。

    “一场透雨过后,空地上就会聚集起很多小孩子。我们一边呼吸着雨后泥土散发出的清香味,一边没了命似地跑向那些没有草的田地。不一会儿,浅浅的水塘边就围满了挖泥巴的小伙伴,你一团,我一团,我们比赛谁的泥质量更好,谁捏出的动物更像,谁的瓦屋摔得更响。没有泥巴的时候,一堆石子或者石头片就可以玩半天,打水漂、打弹弓……”在马士杰的童年记忆中,那是最快乐的时光。

    长大了,高考要填写专业,“我一眼就看上交通运输工程,以为是管理交通的,挺好玩。入学后才知道这个专业是修路、架桥的,也就是说还是‘玩石子、泥巴的’”。就这样,马士杰算是入行了。

    1998年从东南大学毕业,正赶上国家高速公路建设高潮,他顺理成章投身到火热的建设大潮中,成为一名高速公路建设者。一开始就常驻工地,几年下来,路基、路面、桥梁都参与了一遍。“那时候,皮肤晒得黝黑,经常是一身泥巴从早忙到晚”,说起那几年的生活,马士杰充满感激,“正是工地上的历练,让我熟悉了施工现场的一整套流程。而且,最关键的是工地上可以发现很多亟待解决的问题”。

    之后,开始跟着山东省交通科学研究院的老师们做科研,从路面材料开始,路面结构设计、材料设计、规范编写都有涉猎。说是研究,其实每天都在工地,观察施工情况,跟老师傅们交流,探究什么材料更长寿,什么结构更合适,以及工地上面临的各种技术问题。闲暇之余,马士杰也和同事们开玩笑。有一次,好几个搞路基的在一起,他们说起小时候玩泥巴,结果搞了公路建设,一辈子都在玩泥巴了。马士杰说他自己,“我也是从小玩泥巴、玩石子的,长大了,博士毕业了,还是玩泥巴、玩石子的”。

    一晃20多年过去了,20多年的研究生涯中,马士杰的主要研究内容涉及路基路面结构与材料、道路检测与养护等多个方向,其主要成果有“永久性沥青设计方法研究”“大粒径透水性沥青混合料应用技术研究”“路基与粒料基层设计参数和控制模型研究”“水泥混凝土桥面沥青铺装层研究”“冰冻海域环境下海底隧道铺装结构与材料研究”“高等级公路半刚性基层材料与结构损伤数值模拟研究”等。沉浸在玩石子、玩泥巴的故事中,他乐此不疲。

    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。

    影响路面结构性能的因素有很多,它不但要承受车轮荷载的作用,而且要受到自然环境因素的影响。路面通常是多层结构,由于荷载、环境、施工工艺及经济效益等因素的影响,不同结构层的功能与要求也是不同的。马士杰最初的研究就是路面结构与材料设计。“每个结构层的厚度需要多少?每一结构层的应力状态与功能是什么?对应的路基要求是什么?路基需要达到什么状态?每一层什么材料最合适?”提起路面结构,一连串的问题就会出现在他的脑海里。

    面层是马士杰研究较多的,它直接承受行车荷载作用,同时受到降雨和气温变化的不利影响最大,是最直接地反映路面使用性能的层次。因此,与其他层位相比,面层要求具有较高的结构强度、高低温性能、水稳定性等,表面层还应具有良好的抗滑性和平整度。马士杰说,“从安全角度道路等级愈高、设计车速愈大,对路面抗滑性、平整度的要求愈高”。

    基层是基础中的基础,是主要承重层。“打不好根基,一切都是白费”,偏爱面层的马士杰也逐渐将更多的时间和精力投入到了基层上。它位于面层之下,路基之上,主要承受面层传递的车辆荷载作用力,并把它扩散到路基,基层还要受到面层渗水,以及地下水的侵蚀。当土基处于不良状态,如潮湿地带、湿软土基、冻胀土等状态时,还能起到隔水、排水、隔温等作用,并传递和扩散由基层传来的荷载应力,保证路基在容许应力范围内工作。

    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。

    技术or环境,材料里有大学问

     随着极端气候的频发,在东北地区经常出现大范围高温天气,南方则会出现冰冻现象,东北地区温度差可达到70℃~80℃。这种极端的温度,对于搞路面材料研究的马士杰来说,无异于是一道难题。因为高温车辙、低温开裂和水损害是沥青路面三大破损形式,温度在路面材料的研究与选择中是极其重要的参考维度。当前高温车辙是沥青路面三大破损形式中最为突出的问题,按照传统沥青混合料理论,高温稳定性能70%依赖于矿料级配的嵌挤,30%依赖于结合料的性能,因此骨架嵌挤作用为主的沥青混合料具有较好的抗车辙能力,但是高温性能优异的混合料又会影响其低温性能。

    模量是路面结构设计的重要参数,为了详细考察沥青混合料动态模量影响显著的因素,马士杰开展了多因素、多水平的沥青混合料动态模量试验,最终确定了试验温度、加载频率、油石比、软化点、空隙率、矿料间隙率VMA、9.5毫米筛孔通过率和2.36毫米筛孔通过率等8个主要影响因素。 

     为了搞清楚哪种沥青混合料更适合中国路面,马士杰带领科研团队针对法国、美国和中国沥青混合料进行了比较研究,从材料选择与分级、粒径与层厚、试验方法、混合料设计以及性能评价5个方面分析了不同沥青混合料类型的技术特点,为促进混合料类型选择、沥青路面技术的研究和混合料技术的进步提供有益的借鉴。


              路面材料看起来似乎并不复杂,通常见到的无非是沥青路面和水泥路面。而且,在大多数人的印象中,沥青路面常常出现在高速公路等路面中,所以总觉得沥青路面是不是就高档一些。马士杰是这样理解的,“沥青路面和水泥路面各有利弊,沥青的优势在行车舒适性好,坏了可以快速维修;水泥的优势在承载力比较强,缺点是行车舒适性不好,维修封闭的理论天数在28天以上。我们国家使用沥青路面比较多,水泥路面仅在部分省份使用较多。但是,在美国有很多高等级公路使用了水泥路面。”马士杰还建议,“水泥路面在农村也有广阔的应用前景,原因是农村公路等级低、功能需求也低,拖拉机、收割机等大型机械在上面走,不容易坏。而且,水泥路面一旦压坏了不会松散,只是变成几个大块而已。”

    材料是交叉科学,对公路的全生命周期都会产生巨大影响。在马士杰眼里,“材料里有大学问”。

    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,首次将沥青路面冷再生技术与耐久性路面结构进行集成应用,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,实现了旧路面材料的再生利用;

    废弃结构物混凝土再生集料高值化利用技术研究,解决了改扩建过程中产生的10余万立方米废弃混凝土再生利用难题,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,实现了旧路废弃结构物混凝土的再生利用;

    对公路护栏进行绿色循环利用的安全性能提升,不仅使旧路波形护栏100%实现了再利用,而且建筑节能、光伏发电、污水资源化、透水铺装、低影响开发雨水系统等技术的推广应用,使得低碳海绵型服务区建设得以实现;

    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,横贯山东半岛17个市、县(区) ,是山东省第一条高速公路,1993年12月全线建成通车。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。

    当下,绿色公路建设正是马士杰的研究重心所在。为了延长路面结构使用寿命,马士杰带领他的团队开始尝试新型全厚式路面结构,并采用新一代沥青  混合料降低结构层厚度。根据各层功能定位分别设计沥青混合料,自下而上可分为抗疲劳层、排水应力释放层、下承重层、上承重层、抗滑磨耗层。与传统路面结构相比,大幅降低了路面结构层总厚度,减少对水泥、砂石料等建筑材料的消耗达40%以上,同时还可实现道路结构长寿命化。

    同时,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14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”。

     

    科学研究是一项复杂、艰巨的群体劳动,在科研活动中人与人之间的相互作用直接影响着科研协作和科研计划的完成。除了科研上的要求之外,马士杰在平时就非常重视团队建设,因为他深知,“没有任何一个项目能一个人做起来”。

    “百家争鸣、百花齐放”是一个科研团队最好的状态。“每一位研究人员都有各自的性格和特点,每个人都能充分发挥自己的特长,就是一个好的团队。”马士杰说,“在我们团队,虽然大家年龄层次不同,研究方向各异,比如,有做材料的,有做结构的,也有做现场的,但是相互合作使得团队有着良好的科研和学术氛围,每个人都能包容其他人的学术观点,开会的时候可以面红耳赤,但是开完会还是一家人”。他还强调一个团队的学习力,“研究涉及的内容很多,不是学力学的就可以不懂材料,学结构的就可以不懂施工。在自己的研究方向之外,必须要广泛涉猎,使自己博学。这样才能在研究中游刃有余”。

    马士杰是交通科研院的技术总负责人,把握整个科研院的科研规划和方向策划。在他自己的研究团队里,已经形成了合理的研究梯队,各个梯队的负责人,分别负责自己的研究方向。马士杰说,“对于团队带头人而言,一是要有能力,包括技术能力,也包括领导能力;二是要有魄力,带着团队勇往直前的魄力,也是一种决断力;三是要有人格和性格魅力,让大伙儿愿意跟着你。”

    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”。

      


         来源:《科学中国人》2019年09月 (上)

     
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