装配式水泥混凝土路面的研究及应用

崔艺馨，张毅，王涛 （1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；2.中咨数据有限公司，北京 100097；3.同济大学 交通运输工程学院，上海 20180；.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 1000）

0 引言

装配式水泥混凝土路面技术是指根据使用需求在预制工厂内完成水泥混凝土路面的浇注、养护后，运输到施工现场进行吊装、安装、接缝处理等后续工艺，仅需4～6h 即可快速开放交通的一种快速建造或维修的技术[1-2]。该技术具有气候适应性强、路面质量可有效控制、施工污染小、周期短、对施工区域交通影响小、板体可多次重复利用等优点，通常被认为具有良好的经济、社会和环境效益[3-7]。基于其以上优点，近年来被广泛应用于大型基础设施建设的施工场地硬化、临时施工道路及交通繁忙路段水泥混凝土路面板快速维修养护等处[4,8-18]。

当前，对于装配式水泥混凝土路面的研究主要集中在三个方面：装配式水泥混凝土预制路面板的力学分析[9-11,19-32]；装配式水泥混凝土预制路面板的生产工艺研究[20,22,24-25,28,32]；装配式水泥混凝土预制路面板在临时道路和水泥混凝土路面快速养护维修领域的应用[4,8-18,31-39]。

1 装配式水泥混凝土路面板的力学分析

和传统的水泥混凝土路面板直接铺筑在路面基层上不同，装配式水泥混凝土路面在工厂制备完成后，可能在工厂储存和运输过程中出现多层堆放、多次吊装的现象[9,10,29]；装配式水泥混凝土面层与基层的接触是否完全（存在脱空）等都使其受力特性与传统水泥混凝土路面板有很大差异[23,24,26]。若在设计时路面板尺寸不合适、钢筋网位置设置不正确、吊孔位置选择不当或者其自身材料强度不足可能会在运输、吊装过程中出现损坏，因此有必要对其应力应变特性和传荷机理等进行研究[20]。

对装配式水泥混凝土路面力学的分析主要通过各类有限元软件进行实现[9-11,19-26,28-32]，路面力学分析的主要内容包括不同影响因素下的路面预制板力学响应分析、吊装应力分析、接缝传荷分析等（如图1所示）[9-10,13,19-32]。

图1 装配式水泥混凝土预制路面板的应力云图[20]

1.1 装配式水泥混凝土路面力学响应分析

对装配式水泥混凝土路面的力学响应分析以有限元软件ABAQUS 为主[10,13,19-22,24-27]。在进行力学响应分析时，主要考虑不同因素（表1 所示）对预制路面板板底竖向位移、板底最大拉应力和最大剪应力的影响[9,13,19-27]。但不同的学者在进行装配式水泥混凝土路面的力学响应分析时，考虑的影响因素有所差异，得到的影响规律也不完全一致[9,11,19,20,22-24,26]。

表1 装配式水泥混凝土路面力学响应影响因素

装配式水泥混凝土预制路面板的尺寸和弹性模量是影响其路面力学响应的关键因素，诸多学者对此展开了大量研究，但不同学者得到的影响规律有所不同。有学者认为装配式水泥混凝土路面预制板的板底最大拉应力和最大竖向位移均呈现出随板长增加而线性增加的趋势[22-24]，但也有学者认为对板长虽有影响但影响不显著[20-21]。有学者发现随着预制路面板宽度的增加，其板底的最大拉应力和最大竖向位移呈现出线性递减的整体趋势，但超过3.5m 时会对其板底受力和挠度产生不利影响[23-24]。基于预制路面板尺寸对其板体受力的影响规律并结合实际施工的便捷性，一般推荐预制路面板在形状选择时使用正方形[9,11,19]。一般认为随着厚度的增加，预制路面板板底的最大拉应力、最大剪应力和最大竖向位移均呈现出明显的线性降低趋势，可通过增大板厚来降低纵缝附近混凝土应力，以提高路面承载力[9,11,20-23,26]。但持续增加板厚也会增加建设成本和施工难度，故推荐了预制路面板的厚度范围（18 ～28cm），也有学者通过使用预应力技术来实现降低路面厚度的目的[20,24-26,28]。对于预制路面板面层材料的弹性模量，多数学者认为预制路面板材料的弹性模量对其板底最大应力、最大拉应力和最大竖向位移的影响不明显[9,20,24]，但也有学者认为面层材料的弹性模量会影响板底的最大竖向挠度和最大剪应力，而对预制路面板板面的最大应力影响不明显[26]。不同学者得到的结论不一致可能与其在进行有限元分析时，采用的路面结构板尺寸、路面结构层、各结构层材料参数和边界设置不同有关。

基层作为路面结构的重要组成部分之一，其厚度和材料参数也会对装配式水泥混凝土预制路面板的受力产生影响，但不同学者得到的结论有所不同[20,22-24,26]。有学者通过研究发现随着基层厚度的增加，预制路面板的板底最大挠度，板底最大拉应力和最大剪应力均减小，并提出可将基层厚度设置在34cm[26]。但其他学者则认为随着基层厚度对预制路面板的层底最大拉应力和最大竖向位移影响不显著[20-24]。对于基层材料的模量对装配式水泥混凝土预制路面板的力学响应影响而言，有学者认为增大基层材料的模量会对预制路面板的板底最大拉应力和最大竖向位移产生显著影响[26]，但也有学者认为基层弹性模量的增加，板底最大竖向位移和最大剪应力降低，但整体影响较小，并提出当原路面基层未出现明显的破坏时，可选择不对原路面基层进行处治[20,24]。

路基的参数对装配式水泥混凝土路面结构力学响应影响的研究相对较少。李娣[20,21]通过分析发现路基的反应模量对预制路面板的层底最大拉应力、最大竖向位移影响不显著；庞旭[24]则发现路基的回弹模量虽对预制路面板层底最大拉应力影响不明显，但会影响其最大竖向位移。

交通荷载对装配式水泥混凝土路面结构力学响应的影响可分为静载影响、动载影响和超载率影响三类[9,20-24]。庞旭[24]发现在静载作用时，当脱空位于预制路面板的板角处时，其面层竖向位移和应力增幅最大，为最不利脱空发生位置；而在动载作用时，其预制路面板板底的最大竖向位移和应力值均呈现出随车速提高而递减趋势，车速对预制路面板的垂直应力和剪切应力影响相对较大，而对横向应力和水平应力影响相对较小。汤羽钊[20-22]发现随着移动荷载向装配式水泥混凝土预制路面板中心点行进，路面各结构层最大竖向拉应力和竖向位移逐渐增加，在中心位置处达到最大，但剪应力最大值出现在路面板边缘，其他学者也通过研究也得到了类似的结论。此外，李娣[20]还通过有限元软件分析了静载和动载作用下不同的路面材料与结构参数对装配式水泥混凝土预制路面板的力学响应影响，并对两种荷载作用下的路面应力响应结果进行了对比，提出从模拟的便捷性和结构的安全性出发，应采用静载作用模型对装配式水泥混凝土路面结构进行设计。刘大鹏[9]通过研究车辆荷载作用在预制路面板中间和边缘中部时其板底的最大竖向位移、最大拉应力和最大压应力均呈现出随超载率增加而线性增加的趋势，提出为延长装配式水泥混凝土预制路面板的使用寿命，应严格限制行驶车辆的超载率。

综合以上可知，装配式水泥混凝土路面预制板的尺寸、各结构层的厚度、材料参数、荷载类型等均会对其路面结构力学响应产生不同程度的影响。因此在进行路面材料与结构设计时，应重点关注对力学响应产生显著影响的因素，并应注意在运营中对交通荷载的控制。

1.2 装配式水泥混凝土路面板吊装应力分析

对装配式水泥混凝土预制路面板在吊装时产生的吊装应力研究，主要是通过有限元软件（FLAC3D和ABAQUS）和平面杆系法对预制路面板在吊装过程中的受力状况进行分析，基于分析结果推荐吊点的数量和位置[10,20,23,24,28]。

向雅贤[10]使用FLAC3D 软件对尺寸为3.0m×3.0m×0.18m 的装配式水泥混凝土预制路面板的吊孔位置进行了分析（如图2所示），提出在采用4点吊装时吊孔的位置应设置在距预制路面板边缘0.5m 时为最佳。尹锦明[28]同样使用FLAC3D 软件分析了吊点位置对装配式水泥混凝土预制路面板中拉应力的影响，发现其板内最大横向拉应力受吊装位置的影响显著，并且其板内的最大横向拉应力出现的位置随着吊点逐渐向中间转移由板底逐渐向板顶转移，由跨中向吊点附近转移，建议在吊装时应合理选择吊位比（推荐5～6）。李娣[20]使用平面杆系和ABAQUS 软件两种方法对装配式水泥混凝土预制路面板的不同吊装方式进行了分析，提出预制路面板吊装应首先采用4点吊装方式，当4点吊装不能满足受力要求时，可采用6点或8点的吊装方式。庞旭[24]和宋娃丽等[23]则使用ABAQUS 软件对采用钢丝绳娄底和4点吊装两种方式吊装的装配式水泥混凝土预制路面板受力情况进行了分析，提出应控制装配式水泥混凝土预制路面板的自重在合适的范围内。

图2 装配式水泥混凝土预制路面板吊装三维模型及吊点板底应力云图（FLAC3D软件）[10]

基于以上，可认为在进行装配式水泥混凝土路面预制板制作时，应分析其吊点的数量（建议采用四点吊装方法）和吊点的布设位置对其吊装应力的影响，合理设置吊点数量和位置以满足吊装过程的安全性，避免因吊装对预制路面板造成损伤。

1.3 装配式水泥混凝土路面板接缝传荷分析

装配式水泥混凝土预制路面板的接缝处理方式有集料嵌锁（使用较少）、企口缝搭接（方形、圆形、梯形和咬合梯形）和传力杆（上开口式、下开口式、上窄开口式和水平孔式）3 种[1,18]。部分接缝处理方式如图3所示。

图3 装配式水泥混凝土路面常用接缝示意图[1]

田正旺[29]对3 种不同的装配式水泥混凝土预制路面板的板间传力方式进行了对比，推荐使用传力杆式系统，提出应对传力杆进行固定和喷塑处理，保证传力杆在使用过程中不受腐蚀，使其性能保持在长期稳定状态。

严秋荣等[30]通过分析发现圆企口的跨矢比值会对企口缝接缝的挠度变形和传荷能力产生显著影响，当跨矢比较大时有利于凸板受力，较小时有利于凹板受力，基于研究结果推荐跨矢比采用3.5。庞旭[24]通过计算提出采用梯形企口缝的装配式水泥混凝土预制路面板的受力较现浇水泥混凝土路面结构更为合理。孟亚楠等[11]和王轩[25]均发现梯形企口缝尺寸对装配式水泥混凝土预制路面板的板底拉应力、剪应力分布和接缝处应力传递效果影响显著，对其板底的最大拉应力的影响程度为企口深度＞企口厚度＞企口坡度，提出榫头坡度为1:4时最佳，但前者认为企口缝的最佳榫头深度为4cm，后者认为最佳榫头深度为5cm。两者的关于榫头最佳深度的结论不同，可能与两者选用的路面厚度和内部钢筋网的布设不同有关。

李娣[20]使用ABAQUS 对设置传力杆的装配式水泥混凝土预制路面板的接缝传荷能力进行了分析，提出传力杆应设置于预制路面板的1/2 板厚度处，横缝配筋率应在1.3%，接缝的宽度应设置为10～20mm。苏海花[33]通过修建足尺的装配式预应力混凝土道面分析了该路面结构的传荷能力，提出装配式机场预应力道面的传荷能力主要包括板与板之间的摩擦作用、预应力钢绞线作为传力杆的传荷作用和企口缝的传荷作用三种，认为增加预应力是提高板边传荷能力的有效措施，预制路面板的板角为最不利受荷位置，板中为最佳受荷位置。

基于不同接缝方式会对装配式水泥混凝土预制路面板接缝传荷效果产生不同的影响，建议在进行预制路面板制作时应通过计算分析合理选择接缝类型和参数。

2 装配式水泥混凝土路面板的制备工艺研究

装配式水泥混凝土路面分为常规装配式水泥混凝土路面、次轻装配式水泥混凝土路面和预应力装配式水泥混凝土路面三大类[1,20,31,33]。其制备主要包括材料设计、结构设计和板块预制3个部分。

2.1 材料设计

同现状水泥混凝土路面材料设计类似，装配式水泥混凝土路面材料设计也以混合料配合比设计为主，通过配合比设计使得所制备的装配式水泥混凝土预制块能满足强度、耐久性和其他各项路用性能指标的要求[10,13,20,22-24]。装配式水泥混凝土预制路面板一般会基于其应用地点和使用要求，确定其材料的强度等级，根据其强度等级要求进行相应的配合比设计。装配式水泥混凝土预制板的制备材料包括粗集料、细集料、砂、水泥、水、外加剂（根据需要添加）等[13,20,24-27]。

常用的粗集料和细集料为玄武岩、石灰岩等，集料粒径在3～31.5mm 之间，粗集料和细集料的性能应满足相关技术标准的要求[10,13,20,22,24-27]；对于次轻水泥混凝土路面其会选择使用烧制的页岩陶粒取代一定比例的粗集料，但不同学者通过试验得到的陶粒的取代比例有所差异[14,31,34]。所用的砂为中砂，建议使用河砂，并对其进行适当筛分去除杂质[20,24,27]。根据制备装配式水泥混凝土强度等级的不同，所用的水泥类型和强度等级有所不同，常用的水泥有P.O 42.5（R）、P.O52.5（R）普通硅酸盐水泥和P.Ⅱ52.5 硅酸盐水泥[10,22,24,31]。水可直接使用工厂自来水。所使用的外加剂有减水剂、硅灰、粉煤灰、玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、增强剂、分散剂、消泡剂、密实剂、引气剂、UEA 膨胀剂、乳胶粉、丁苯乳液、硅溶胶等[10,13,22,24,27,31]。

装配式水泥混凝土路面预制板所用混凝土材料的基准配合比设计应根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG F30）中相关要求完成[40]，并将实验室制备的试块根据使用要求进行强度、耐久性能、路用性能和生态性能（装配式透水混凝土路面预制板）测试，并基于测试结果对配合比中的材料配比进行调整以得到最佳的配合比设计方案。

2.2 结构设计

装配式水泥混凝土路面板的结构设计则包括板的尺寸设计（长度、宽度、厚度）、常规配筋设计、预应力筋设计（装配式预应力水泥混凝土路面）、吊孔设计、企口缝设计、调平构件设计等[20,24,25]。装配式水泥混凝土预制路面板的结构设计应首先确定预制路面板的尺寸。对于旧水泥混凝土路面板的快速修复和养护，可基于拟更换板的尺寸确定预制路面板的尺寸。而对于施工临时道路，可根据经验初拟路面的尺寸。

当前，装配式水泥混凝土预制路面板的结构设计还未有专门的设计标准，其结构设计可借鉴《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40）进行[41]。对施工临时道路，其设计流程包括：①根据道路等级、交通等级、地质水文和气候条件进行路基、垫层和基层材料进行选取；②面层厚度计算，包括交通量分析、初拟路面结构、路面材料参数确定（可采用2.1中材料参数）、荷载应力计算、温度应力计算、结构极限状态校核；③面板配筋计算，包括确定横向接缝间距、计算接缝处纵向钢筋应力、钢筋间距和根数计算。

对于旧水泥混凝土路面板快速养护维修，则首先需要确认其基层是否遭到损坏，基层的强度是否明显下降，若未明显下降，则可直接使用原路面结构的路基、垫层和基层材料的参数，仅需要对面层结构进行设计；否则应重新对基层进行设计[10,20]，其设计步骤与上文中施工临时道路一致。也有学者基于可靠度理论，提出了基层强度下降的装配式水泥混凝土路面结构设计方法，该方法以预制路面板在设计使用年限内，在车辆荷载和温度应力的综合作用下，预制路面板不产生疲劳断裂作为设计标准，并以在最大轴载和最大温度梯度综合作用下，预制路面板不产生极限断裂作为验算标准，并应满足接缝控制要求[20]。

对于预应力装配式水泥混凝土路面，其结构设计除了以上内容外，还应考虑预应力筋的布设对路面结构的影响，除考虑荷载应力、温度应力外，还应进行预应力度的确定，其具体设计步骤可参见相关文献[31-32]。

在完成路面结构设计后，可基于经验或通过计算完成吊孔设计、企口缝设计和调平构建设计等工作。

2.3 预制路面板预制

在装配式水泥混凝土路面预制板的材料设计和结构设计完成后，方可进行其预制路面板的预制，详细制备流程如下[42]：

①安装预制板的模板，使用钢卷尺和激光水平仪对模具的尺寸和变形进行校核，每次浇注前在表格中记录模具的平面尺寸，包括侧模的长度、宽度和四个角点处的高度；

②绑扎钢筋（预应力筋）和分布式光纤（根据需要布设），钢筋及光纤的布设必须与板块编号完全对应，具体位置及布设方法参考设计图纸及注意事项；

③预埋预制板块所需的构件，包括但不限于起吊构件、调平构件、企口缝槽及注浆管等，对于不布设构件的预留孔应使用透明胶带进行密封，确保水泥混凝土浆体不会进入；

④在钢筋、预埋构件安装到位后，涂抹脱模油，浇筑混凝土；

⑤混凝土浇筑后，应随即对混凝土进行充分振捣密实，并在振捣过程中随时检查模具有无漏浆、变形或预埋件有无移位等，若出现以上现象，应及时采取补救措施；

⑥对于正模法，将表面多余的混凝土刮掉，在混凝土初凝前将表面刮平，刮平作业进行3～4 次，如有需要，可在刮平之后对板块进行拉毛处理，若采用倒模法，则在混凝土初凝前，对板块表面进行抛光处理，清除板块表面浮浆；

⑦浇筑完成24h 后拆模，将板块起吊、翻身（倒模法），并根据预制施工的条件，可选择水浴养护、蒸汽养护、洒水覆盖和涂刷养护剂等一种或几种相结合的方式进行养护；

⑧在养生48h 后，但混凝土预制板的强度达到最终强度的50%～70%时，用吊车将板块起吊运走堆放，覆盖洒水养生不低于7d；

⑨对装配式预应力水泥混凝土路面预制板，当面层强度达到一定强度后，应按设计要求进行预应力张拉。

3 装配式水泥混凝土路面的应用及施工工艺

3.1 装配式水泥混凝土路面的应用

装配式水泥混凝土预制板在我国最早的应用是在1957 年的京塘公路改建中，公路总局第五工程局使用尺寸为100cm×100cm×18cm 的水泥混凝土预制板对原有的3m 宽单幅水泥混凝土路面进行更换[35]。1989 年，周泽民等[36]在310 国道偃师营坊口路面试铺了3600m2的装配式水泥混凝土路面。此后，装配式水泥混凝土路面预制板不断得到应用，并逐渐分为2 个应用方向：用于施工现场临时道路修建[3,6,8-11,38]；用于旧水泥混凝土路面、机场道面、收费站区域水泥混凝土路面板的快速维护[12-18,35-36]。其中前者不仅可大幅缩短临时道路的建设周期，降低对建设区域环境的影响，可实现人员及设备早日进场和预制板的重复使用；后者可明显降低对交通的影响，提高施工的安全性，并可实现快速通车的目标。

3.2 装配式水泥混凝土路面的施工工艺

装配式水泥混凝土路面的应用方向不同，其施工工艺也有所差异。当其用于临时道路时不需要对原有水泥混凝土路面板进行破板清除，但需要进行路基和基层的处理，而对于旧水泥混凝土路面的养护维修，不用再进行路基和基层处理，但需要对原路面板进行破板清除。

3.2.1 临时道路施工工艺

装配式水泥混凝土路面预制板应用于施工临时道路时的施工流程如下[6,36,39]。

①路基处理，清除地表种植土和腐殖土，并根据临时道路的设计要求对路基进行处治，使处治后的路基宽度、路基顶部回弹模量值等满足设计要求；

②基层（垫层）处理，确保基层（垫层）材料的厚度、强度和回弹模量值等满足设计要求；

③调平层材料铺筑，确保调平层的厚度、平整度满足设计要求；

④装配式水泥混凝土路面预制板的运输、吊装和安装，采用吊装车对预制板进行安装，精确控制吊点的位置和安装位置，根据安装的实际情况使用调平构件进行对平整度进行微调以控制安装的效果，控制相邻板的高差、纵断高程和横坡坡度等指标；

⑤路面板的板底注浆，通过预留的灌浆孔使用板底注浆（早强高强材料）的方式对预制板与层底的空隙进行填充，利用压力作用下浆体的高流动性将装配式预制板与基层顶面完全贴合，保障其服役性能。

⑥接缝处理，板底注浆完成后，对接缝进行处理，对采用集料嵌锁接缝的可采用填石环氧灌缝法、环氧砂浆塞满法、改性沥青灌入法和快硬高强水泥灌入法；对企口搭接的无需进行处理；对采用传力杆搭接的则需要使用环氧树脂灌孔进行固定。

⑦开放交通，待接缝处理完成后，待板底灌浆材料和接缝处灌缝材料强度形成，便可开放交通。

3.2.2 快速养护维修施工工艺

装配式水泥混凝土预制路面板用于快速养护维修时的施工流程如下[18,42]：

①确定需更换水泥混凝土路面板的数量，测量其尺寸并采用机械设备对需更换的路面板进行破碎，清除破碎物（注意避免接触到基层而使基层发生破坏）；

②原路面基层处治，若原路面基层材料良好，则简单修复后（湿拌水泥混凝土、干拌水泥砂浆或自流平砂浆）继续使用，若损坏严重，则需要同破损板共同进行清除；

③在原水泥混凝土合适位置进行切割或钻孔，进行接缝设置（集料嵌锁、企口搭接和传力杆接缝）；

④原路面基层的压实及整平，在基层处治后使用平板夯土机对基层进行压实和整平；

⑤后续步骤同3.2.1中④后一致。

4 装配式水泥混凝土路面的发展趋势

装配式水泥混凝土路面技术未来将有以下发展趋势[1,2,5,43]。

①进一步实现装配式水泥混凝土路面技术的智能化、信息化、机械化和自动化，采用整套经智能化、信息化改造的机械化和自动化设备，实现装配式路面板从工厂预制到面向不同使用场所的装配作业全过程工业化解决方案；

②将装配式水泥混凝土预制路面板作为一个载体，在其上集成诸如景观、反光、排水、降噪、降温、尾气降解、表面抗滑、能量收集和储存等多种功能，推动其属性增值；

③推动装配式水泥混凝土路面预制板的设计、生产和施工标准化，基于不同应用场景推荐不同规格的路面预制板，使装配式水泥混凝土路面技术的应用走向标准化；

④以装配式水泥混凝土预制路面板为基体推动道路交通基础设施向数字化转型，在其内部布设传感器和光纤设施等，实现道路交通基础设施建设的信息化。

5 结论

装配式水泥混凝土路面技术虽存着诸多优点，但也存在着诸如初期建设成本较现浇路面成本高、缺乏明确的设计和施工规范、工厂化和规模化的技术水平偏低、行业水平参差不齐等诸多问题，在一定程度上制约着其更大规模的应用和发展。但伴随着我国道路交通基础设施建设逐渐向低碳化、功能化、智能化、信息化和数字化发展，装配式水泥混凝土路面技术作为一种被证明了具有良好经济、社会和环境效益的新型路面技术，将迎来新的发展机遇。