裝配式水泥混凝土路面的研究及應用

崔藝馨，張毅，王濤 （1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；2.中咨數據有限公司，北京 100097；3.同濟大學 交通運輸工程學院，上海 20180；.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 1000）

0 引言

裝配式水泥混凝土路面技術是指根據使用需求在預制工廠內完成水泥混凝土路面的澆注、養護后，運輸到施工現場進行吊裝、安裝、接縫處理等后續工藝，僅需4～6h 即可快速開放交通的一種快速建造或維修的技術[1-2]。該技術具有氣候適應性強、路面質量可有效控制、施工污染小、周期短、對施工區域交通影響小、板體可多次重復利用等優點，通常被認為具有良好的經濟、社會和環境效益[3-7]?；谄湟陨蟽烖c，近年來被廣泛應用于大型基礎設施建設的施工場地硬化、臨時施工道路及交通繁忙路段水泥混凝土路面板快速維修養護等處[4,8-18]。

當前，對于裝配式水泥混凝土路面的研究主要集中在三個方面：裝配式水泥混凝土預制路面板的力學分析[9-11,19-32]；裝配式水泥混凝土預制路面板的生產工藝研究[20,22,24-25,28,32]；裝配式水泥混凝土預制路面板在臨時道路和水泥混凝土路面快速養護維修領域的應用[4,8-18,31-39]。

1 裝配式水泥混凝土路面板的力學分析

和傳統的水泥混凝土路面板直接鋪筑在路面基層上不同，裝配式水泥混凝土路面在工廠制備完成后，可能在工廠儲存和運輸過程中出現多層堆放、多次吊裝的現象[9,10,29]；裝配式水泥混凝土面層與基層的接觸是否完全（存在脫空）等都使其受力特性與傳統水泥混凝土路面板有很大差異[23,24,26]。若在設計時路面板尺寸不合適、鋼筋網位置設置不正確、吊孔位置選擇不當或者其自身材料強度不足可能會在運輸、吊裝過程中出現損壞，因此有必要對其應力應變特性和傳荷機理等進行研究[20]。

對裝配式水泥混凝土路面力學的分析主要通過各類有限元軟件進行實現[9-11,19-26,28-32]，路面力學分析的主要內容包括不同影響因素下的路面預制板力學響應分析、吊裝應力分析、接縫傳荷分析等（如圖1所示）[9-10,13,19-32]。

圖1 裝配式水泥混凝土預制路面板的應力云圖[20]

1.1 裝配式水泥混凝土路面力學響應分析

對裝配式水泥混凝土路面的力學響應分析以有限元軟件ABAQUS 為主[10,13,19-22,24-27]。在進行力學響應分析時，主要考慮不同因素（表1 所示）對預制路面板板底豎向位移、板底最大拉應力和最大剪應力的影響[9,13,19-27]。但不同的學者在進行裝配式水泥混凝土路面的力學響應分析時，考慮的影響因素有所差異，得到的影響規律也不完全一致[9,11,19,20,22-24,26]。

表1 裝配式水泥混凝土路面力學響應影響因素

裝配式水泥混凝土預制路面板的尺寸和彈性模量是影響其路面力學響應的關鍵因素，諸多學者對此展開了大量研究，但不同學者得到的影響規律有所不同。有學者認為裝配式水泥混凝土路面預制板的板底最大拉應力和最大豎向位移均呈現出隨板長增加而線性增加的趨勢[22-24]，但也有學者認為對板長雖有影響但影響不顯著[20-21]。有學者發現隨著預制路面板寬度的增加，其板底的最大拉應力和最大豎向位移呈現出線性遞減的整體趨勢，但超過3.5m 時會對其板底受力和撓度產生不利影響[23-24]?；陬A制路面板尺寸對其板體受力的影響規律并結合實際施工的便捷性，一般推薦預制路面板在形狀選擇時使用正方形[9,11,19]。一般認為隨著厚度的增加，預制路面板板底的最大拉應力、最大剪應力和最大豎向位移均呈現出明顯的線性降低趨勢，可通過增大板厚來降低縱縫附近混凝土應力，以提高路面承載力[9,11,20-23,26]。但持續增加板厚也會增加建設成本和施工難度，故推薦了預制路面板的厚度范圍（18 ～28cm），也有學者通過使用預應力技術來實現降低路面厚度的目的[20,24-26,28]。對于預制路面板面層材料的彈性模量，多數學者認為預制路面板材料的彈性模量對其板底最大應力、最大拉應力和最大豎向位移的影響不明顯[9,20,24]，但也有學者認為面層材料的彈性模量會影響板底的最大豎向撓度和最大剪應力，而對預制路面板板面的最大應力影響不明顯[26]。不同學者得到的結論不一致可能與其在進行有限元分析時，采用的路面結構板尺寸、路面結構層、各結構層材料參數和邊界設置不同有關。

基層作為路面結構的重要組成部分之一，其厚度和材料參數也會對裝配式水泥混凝土預制路面板的受力產生影響，但不同學者得到的結論有所不同[20,22-24,26]。有學者通過研究發現隨著基層厚度的增加，預制路面板的板底最大撓度，板底最大拉應力和最大剪應力均減小，并提出可將基層厚度設置在34cm[26]。但其他學者則認為隨著基層厚度對預制路面板的層底最大拉應力和最大豎向位移影響不顯著[20-24]。對于基層材料的模量對裝配式水泥混凝土預制路面板的力學響應影響而言，有學者認為增大基層材料的模量會對預制路面板的板底最大拉應力和最大豎向位移產生顯著影響[26]，但也有學者認為基層彈性模量的增加，板底最大豎向位移和最大剪應力降低，但整體影響較小，并提出當原路面基層未出現明顯的破壞時，可選擇不對原路面基層進行處治[20,24]。

路基的參數對裝配式水泥混凝土路面結構力學響應影響的研究相對較少。李娣[20,21]通過分析發現路基的反應模量對預制路面板的層底最大拉應力、最大豎向位移影響不顯著；龐旭[24]則發現路基的回彈模量雖對預制路面板層底最大拉應力影響不明顯，但會影響其最大豎向位移。

交通荷載對裝配式水泥混凝土路面結構力學響應的影響可分為靜載影響、動載影響和超載率影響三類[9,20-24]。龐旭[24]發現在靜載作用時，當脫空位于預制路面板的板角處時，其面層豎向位移和應力增幅最大，為最不利脫空發生位置；而在動載作用時，其預制路面板板底的最大豎向位移和應力值均呈現出隨車速提高而遞減趨勢，車速對預制路面板的垂直應力和剪切應力影響相對較大，而對橫向應力和水平應力影響相對較小。湯羽釗[20-22]發現隨著移動荷載向裝配式水泥混凝土預制路面板中心點行進，路面各結構層最大豎向拉應力和豎向位移逐漸增加，在中心位置處達到最大，但剪應力最大值出現在路面板邊緣，其他學者也通過研究也得到了類似的結論。此外，李娣[20]還通過有限元軟件分析了靜載和動載作用下不同的路面材料與結構參數對裝配式水泥混凝土預制路面板的力學響應影響，并對兩種荷載作用下的路面應力響應結果進行了對比，提出從模擬的便捷性和結構的安全性出發，應采用靜載作用模型對裝配式水泥混凝土路面結構進行設計。劉大鵬[9]通過研究車輛荷載作用在預制路面板中間和邊緣中部時其板底的最大豎向位移、最大拉應力和最大壓應力均呈現出隨超載率增加而線性增加的趨勢，提出為延長裝配式水泥混凝土預制路面板的使用壽命，應嚴格限制行駛車輛的超載率。

綜合以上可知，裝配式水泥混凝土路面預制板的尺寸、各結構層的厚度、材料參數、荷載類型等均會對其路面結構力學響應產生不同程度的影響。因此在進行路面材料與結構設計時，應重點關注對力學響應產生顯著影響的因素，并應注意在運營中對交通荷載的控制。

1.2 裝配式水泥混凝土路面板吊裝應力分析

對裝配式水泥混凝土預制路面板在吊裝時產生的吊裝應力研究，主要是通過有限元軟件（FLAC3D和ABAQUS）和平面桿系法對預制路面板在吊裝過程中的受力狀況進行分析，基于分析結果推薦吊點的數量和位置[10,20,23,24,28]。

向雅賢[10]使用FLAC3D 軟件對尺寸為3.0m×3.0m×0.18m 的裝配式水泥混凝土預制路面板的吊孔位置進行了分析（如圖2所示），提出在采用4點吊裝時吊孔的位置應設置在距預制路面板邊緣0.5m 時為最佳。尹錦明[28]同樣使用FLAC3D 軟件分析了吊點位置對裝配式水泥混凝土預制路面板中拉應力的影響，發現其板內最大橫向拉應力受吊裝位置的影響顯著，并且其板內的最大橫向拉應力出現的位置隨著吊點逐漸向中間轉移由板底逐漸向板頂轉移，由跨中向吊點附近轉移，建議在吊裝時應合理選擇吊位比（推薦5～6）。李娣[20]使用平面桿系和ABAQUS 軟件兩種方法對裝配式水泥混凝土預制路面板的不同吊裝方式進行了分析，提出預制路面板吊裝應首先采用4點吊裝方式，當4點吊裝不能滿足受力要求時，可采用6點或8點的吊裝方式。龐旭[24]和宋娃麗等[23]則使用ABAQUS 軟件對采用鋼絲繩婁底和4點吊裝兩種方式吊裝的裝配式水泥混凝土預制路面板受力情況進行了分析，提出應控制裝配式水泥混凝土預制路面板的自重在合適的范圍內。

圖2 裝配式水泥混凝土預制路面板吊裝三維模型及吊點板底應力云圖（FLAC3D軟件）[10]

基于以上，可認為在進行裝配式水泥混凝土路面預制板制作時，應分析其吊點的數量（建議采用四點吊裝方法）和吊點的布設位置對其吊裝應力的影響，合理設置吊點數量和位置以滿足吊裝過程的安全性，避免因吊裝對預制路面板造成損傷。

1.3 裝配式水泥混凝土路面板接縫傳荷分析

裝配式水泥混凝土預制路面板的接縫處理方式有集料嵌鎖（使用較少）、企口縫搭接（方形、圓形、梯形和咬合梯形）和傳力桿（上開口式、下開口式、上窄開口式和水平孔式）3 種[1,18]。部分接縫處理方式如圖3所示。

圖3 裝配式水泥混凝土路面常用接縫示意圖[1]

田正旺[29]對3 種不同的裝配式水泥混凝土預制路面板的板間傳力方式進行了對比，推薦使用傳力桿式系統，提出應對傳力桿進行固定和噴塑處理，保證傳力桿在使用過程中不受腐蝕，使其性能保持在長期穩定狀態。

嚴秋榮等[30]通過分析發現圓企口的跨矢比值會對企口縫接縫的撓度變形和傳荷能力產生顯著影響，當跨矢比較大時有利于凸板受力，較小時有利于凹板受力，基于研究結果推薦跨矢比采用3.5。龐旭[24]通過計算提出采用梯形企口縫的裝配式水泥混凝土預制路面板的受力較現澆水泥混凝土路面結構更為合理。孟亞楠等[11]和王軒[25]均發現梯形企口縫尺寸對裝配式水泥混凝土預制路面板的板底拉應力、剪應力分布和接縫處應力傳遞效果影響顯著，對其板底的最大拉應力的影響程度為企口深度＞企口厚度＞企口坡度，提出榫頭坡度為1:4時最佳，但前者認為企口縫的最佳榫頭深度為4cm，后者認為最佳榫頭深度為5cm。兩者的關于榫頭最佳深度的結論不同，可能與兩者選用的路面厚度和內部鋼筋網的布設不同有關。

李娣[20]使用ABAQUS 對設置傳力桿的裝配式水泥混凝土預制路面板的接縫傳荷能力進行了分析，提出傳力桿應設置于預制路面板的1/2 板厚度處，橫縫配筋率應在1.3%，接縫的寬度應設置為10～20mm。蘇海花[33]通過修建足尺的裝配式預應力混凝土道面分析了該路面結構的傳荷能力，提出裝配式機場預應力道面的傳荷能力主要包括板與板之間的摩擦作用、預應力鋼絞線作為傳力桿的傳荷作用和企口縫的傳荷作用三種，認為增加預應力是提高板邊傳荷能力的有效措施，預制路面板的板角為最不利受荷位置，板中為最佳受荷位置。

基于不同接縫方式會對裝配式水泥混凝土預制路面板接縫傳荷效果產生不同的影響，建議在進行預制路面板制作時應通過計算分析合理選擇接縫類型和參數。

2 裝配式水泥混凝土路面板的制備工藝研究

裝配式水泥混凝土路面分為常規裝配式水泥混凝土路面、次輕裝配式水泥混凝土路面和預應力裝配式水泥混凝土路面三大類[1,20,31,33]。其制備主要包括材料設計、結構設計和板塊預制3個部分。

2.1 材料設計

同現狀水泥混凝土路面材料設計類似，裝配式水泥混凝土路面材料設計也以混合料配合比設計為主，通過配合比設計使得所制備的裝配式水泥混凝土預制塊能滿足強度、耐久性和其他各項路用性能指標的要求[10,13,20,22-24]。裝配式水泥混凝土預制路面板一般會基于其應用地點和使用要求，確定其材料的強度等級，根據其強度等級要求進行相應的配合比設計。裝配式水泥混凝土預制板的制備材料包括粗集料、細集料、砂、水泥、水、外加劑（根據需要添加）等[13,20,24-27]。

常用的粗集料和細集料為玄武巖、石灰巖等，集料粒徑在3～31.5mm 之間，粗集料和細集料的性能應滿足相關技術標準的要求[10,13,20,22,24-27]；對于次輕水泥混凝土路面其會選擇使用燒制的頁巖陶粒取代一定比例的粗集料，但不同學者通過試驗得到的陶粒的取代比例有所差異[14,31,34]。所用的砂為中砂，建議使用河砂，并對其進行適當篩分去除雜質[20,24,27]。根據制備裝配式水泥混凝土強度等級的不同，所用的水泥類型和強度等級有所不同，常用的水泥有P.O 42.5（R）、P.O52.5（R）普通硅酸鹽水泥和P.Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥[10,22,24,31]。水可直接使用工廠自來水。所使用的外加劑有減水劑、硅灰、粉煤灰、玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、增強劑、分散劑、消泡劑、密實劑、引氣劑、UEA 膨脹劑、乳膠粉、丁苯乳液、硅溶膠等[10,13,22,24,27,31]。

裝配式水泥混凝土路面預制板所用混凝土材料的基準配合比設計應根據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTG F30）中相關要求完成[40]，并將實驗室制備的試塊根據使用要求進行強度、耐久性能、路用性能和生態性能（裝配式透水混凝土路面預制板）測試，并基于測試結果對配合比中的材料配比進行調整以得到最佳的配合比設計方案。

2.2 結構設計

裝配式水泥混凝土路面板的結構設計則包括板的尺寸設計（長度、寬度、厚度）、常規配筋設計、預應力筋設計（裝配式預應力水泥混凝土路面）、吊孔設計、企口縫設計、調平構件設計等[20,24,25]。裝配式水泥混凝土預制路面板的結構設計應首先確定預制路面板的尺寸。對于舊水泥混凝土路面板的快速修復和養護，可基于擬更換板的尺寸確定預制路面板的尺寸。而對于施工臨時道路，可根據經驗初擬路面的尺寸。

當前，裝配式水泥混凝土預制路面板的結構設計還未有專門的設計標準，其結構設計可借鑒《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40）進行[41]。對施工臨時道路，其設計流程包括：①根據道路等級、交通等級、地質水文和氣候條件進行路基、墊層和基層材料進行選取；②面層厚度計算，包括交通量分析、初擬路面結構、路面材料參數確定（可采用2.1中材料參數）、荷載應力計算、溫度應力計算、結構極限狀態校核；③面板配筋計算，包括確定橫向接縫間距、計算接縫處縱向鋼筋應力、鋼筋間距和根數計算。

對于舊水泥混凝土路面板快速養護維修，則首先需要確認其基層是否遭到損壞，基層的強度是否明顯下降，若未明顯下降，則可直接使用原路面結構的路基、墊層和基層材料的參數，僅需要對面層結構進行設計；否則應重新對基層進行設計[10,20]，其設計步驟與上文中施工臨時道路一致。也有學者基于可靠度理論，提出了基層強度下降的裝配式水泥混凝土路面結構設計方法，該方法以預制路面板在設計使用年限內，在車輛荷載和溫度應力的綜合作用下，預制路面板不產生疲勞斷裂作為設計標準，并以在最大軸載和最大溫度梯度綜合作用下，預制路面板不產生極限斷裂作為驗算標準，并應滿足接縫控制要求[20]。

對于預應力裝配式水泥混凝土路面，其結構設計除了以上內容外，還應考慮預應力筋的布設對路面結構的影響，除考慮荷載應力、溫度應力外，還應進行預應力度的確定，其具體設計步驟可參見相關文獻[31-32]。

在完成路面結構設計后，可基于經驗或通過計算完成吊孔設計、企口縫設計和調平構建設計等工作。

2.3 預制路面板預制

在裝配式水泥混凝土路面預制板的材料設計和結構設計完成后，方可進行其預制路面板的預制，詳細制備流程如下[42]：

①安裝預制板的模板，使用鋼卷尺和激光水平儀對模具的尺寸和變形進行校核，每次澆注前在表格中記錄模具的平面尺寸，包括側模的長度、寬度和四個角點處的高度；

②綁扎鋼筋（預應力筋）和分布式光纖（根據需要布設），鋼筋及光纖的布設必須與板塊編號完全對應，具體位置及布設方法參考設計圖紙及注意事項；

③預埋預制板塊所需的構件，包括但不限于起吊構件、調平構件、企口縫槽及注漿管等，對于不布設構件的預留孔應使用透明膠帶進行密封，確保水泥混凝土漿體不會進入；

④在鋼筋、預埋構件安裝到位后，涂抹脫模油，澆筑混凝土；

⑤混凝土澆筑后，應隨即對混凝土進行充分振搗密實，并在振搗過程中隨時檢查模具有無漏漿、變形或預埋件有無移位等，若出現以上現象，應及時采取補救措施；

⑥對于正模法，將表面多余的混凝土刮掉，在混凝土初凝前將表面刮平，刮平作業進行3～4 次，如有需要，可在刮平之后對板塊進行拉毛處理，若采用倒模法，則在混凝土初凝前，對板塊表面進行拋光處理，清除板塊表面浮漿；

⑦澆筑完成24h 后拆模，將板塊起吊、翻身（倒模法），并根據預制施工的條件，可選擇水浴養護、蒸汽養護、灑水覆蓋和涂刷養護劑等一種或幾種相結合的方式進行養護；

⑧在養生48h 后，但混凝土預制板的強度達到最終強度的50%～70%時，用吊車將板塊起吊運走堆放，覆蓋灑水養生不低于7d；

⑨對裝配式預應力水泥混凝土路面預制板，當面層強度達到一定強度后，應按設計要求進行預應力張拉。

3 裝配式水泥混凝土路面的應用及施工工藝

3.1 裝配式水泥混凝土路面的應用

裝配式水泥混凝土預制板在我國最早的應用是在1957 年的京塘公路改建中，公路總局第五工程局使用尺寸為100cm×100cm×18cm 的水泥混凝土預制板對原有的3m 寬單幅水泥混凝土路面進行更換[35]。1989 年，周澤民等[36]在310 國道偃師營坊口路面試鋪了3600m2的裝配式水泥混凝土路面。此后，裝配式水泥混凝土路面預制板不斷得到應用，并逐漸分為2 個應用方向：用于施工現場臨時道路修建[3,6,8-11,38]；用于舊水泥混凝土路面、機場道面、收費站區域水泥混凝土路面板的快速維護[12-18,35-36]。其中前者不僅可大幅縮短臨時道路的建設周期，降低對建設區域環境的影響，可實現人員及設備早日進場和預制板的重復使用；后者可明顯降低對交通的影響，提高施工的安全性，并可實現快速通車的目標。

3.2 裝配式水泥混凝土路面的施工工藝

裝配式水泥混凝土路面的應用方向不同，其施工工藝也有所差異。當其用于臨時道路時不需要對原有水泥混凝土路面板進行破板清除，但需要進行路基和基層的處理，而對于舊水泥混凝土路面的養護維修，不用再進行路基和基層處理，但需要對原路面板進行破板清除。

3.2.1 臨時道路施工工藝

裝配式水泥混凝土路面預制板應用于施工臨時道路時的施工流程如下[6,36,39]。

①路基處理，清除地表種植土和腐殖土，并根據臨時道路的設計要求對路基進行處治，使處治后的路基寬度、路基頂部回彈模量值等滿足設計要求；

②基層（墊層）處理，確?；鶎樱▔|層）材料的厚度、強度和回彈模量值等滿足設計要求；

③調平層材料鋪筑，確保調平層的厚度、平整度滿足設計要求；

④裝配式水泥混凝土路面預制板的運輸、吊裝和安裝，采用吊裝車對預制板進行安裝，精確控制吊點的位置和安裝位置，根據安裝的實際情況使用調平構件進行對平整度進行微調以控制安裝的效果，控制相鄰板的高差、縱斷高程和橫坡坡度等指標；

⑤路面板的板底注漿，通過預留的灌漿孔使用板底注漿（早強高強材料）的方式對預制板與層底的空隙進行填充，利用壓力作用下漿體的高流動性將裝配式預制板與基層頂面完全貼合，保障其服役性能。

⑥接縫處理，板底注漿完成后，對接縫進行處理，對采用集料嵌鎖接縫的可采用填石環氧灌縫法、環氧砂漿塞滿法、改性瀝青灌入法和快硬高強水泥灌入法；對企口搭接的無需進行處理；對采用傳力桿搭接的則需要使用環氧樹脂灌孔進行固定。

⑦開放交通，待接縫處理完成后，待板底灌漿材料和接縫處灌縫材料強度形成，便可開放交通。

3.2.2 快速養護維修施工工藝

裝配式水泥混凝土預制路面板用于快速養護維修時的施工流程如下[18,42]：

①確定需更換水泥混凝土路面板的數量，測量其尺寸并采用機械設備對需更換的路面板進行破碎，清除破碎物（注意避免接觸到基層而使基層發生破壞）；

②原路面基層處治，若原路面基層材料良好，則簡單修復后（濕拌水泥混凝土、干拌水泥砂漿或自流平砂漿）繼續使用，若損壞嚴重，則需要同破損板共同進行清除；

③在原水泥混凝土合適位置進行切割或鉆孔，進行接縫設置（集料嵌鎖、企口搭接和傳力桿接縫）；

④原路面基層的壓實及整平，在基層處治后使用平板夯土機對基層進行壓實和整平；

⑤后續步驟同3.2.1中④后一致。

4 裝配式水泥混凝土路面的發展趨勢

裝配式水泥混凝土路面技術未來將有以下發展趨勢[1,2,5,43]。

①進一步實現裝配式水泥混凝土路面技術的智能化、信息化、機械化和自動化，采用整套經智能化、信息化改造的機械化和自動化設備，實現裝配式路面板從工廠預制到面向不同使用場所的裝配作業全過程工業化解決方案；

②將裝配式水泥混凝土預制路面板作為一個載體，在其上集成諸如景觀、反光、排水、降噪、降溫、尾氣降解、表面抗滑、能量收集和儲存等多種功能，推動其屬性增值；

③推動裝配式水泥混凝土路面預制板的設計、生產和施工標準化，基于不同應用場景推薦不同規格的路面預制板，使裝配式水泥混凝土路面技術的應用走向標準化；

④以裝配式水泥混凝土預制路面板為基體推動道路交通基礎設施向數字化轉型，在其內部布設傳感器和光纖設施等，實現道路交通基礎設施建設的信息化。

5 結論

裝配式水泥混凝土路面技術雖存著諸多優點，但也存在著諸如初期建設成本較現澆路面成本高、缺乏明確的設計和施工規范、工廠化和規模化的技術水平偏低、行業水平參差不齊等諸多問題，在一定程度上制約著其更大規模的應用和發展。但伴隨著我國道路交通基礎設施建設逐漸向低碳化、功能化、智能化、信息化和數字化發展，裝配式水泥混凝土路面技術作為一種被證明了具有良好經濟、社會和環境效益的新型路面技術，將迎來新的發展機遇。