高等级水泥混凝土路面基本特性及施工质量的优化

2017-10-10郝新宝

山西交通科技 2017年6期

关键词：使用寿命摊铺路面

郝新宝

（山西朔州路桥建设有限责任公司，山西朔州 036000）

在国内外已建成通车的高等级道路中，路面结构的主要形式为沥青和水泥混凝土路面。目前，水泥混凝土路面在整个高等级道路中所占比重较低，这是基于水泥路面现存的某些技术问题所致。

1 问题的提出

虽然在国内外高等级道路中水泥路面的应用较少，但道路工程学术界普遍认为，水泥路面的下述性能和技术优势是十分突出的：

a）水泥路面是一种刚性路面，其受力形式为板式整体承压结构。与分散受力的沥青混凝土路面（柔性路面）相较，水泥路面对上部的动、静荷载，特别是车辆的冲击荷载的受力均匀且具有更好的承压能力。有鉴于此，水泥路面更加适宜于在路基承压能力较低的松散砂土基础和水网沼泽地带建设和使用。同时，我国广大农村乡镇和偏远地带的较低等级道路，由于路基建设等级较低使得基层承压较为薄弱，故选择水泥路面结构更为适宜。

b）水泥混凝土路面材料主要是多种无机物质的混合物，这些原材料按照设定级配和制备工艺混合而成。路面形成强度后，对水（落雨和地表水）的侵蚀具有更强的抵御能力。因此，在落雨较多、地下水位较高和水网地带的应用具有明显的优势。

c）在长期的运行中，因车辆故障（包括交通事故等）或使用不当难免会有一些油品（以车辆使用的汽、柴燃油和润滑冷却系统的各种机油为代表）遗落在路面上。与路用沥青相较，这些油品属于轻质稀油，与沥青的接触和混合必然使得已形成强度的沥青路面出现严重的乳化现象，使路面形成腐蚀和松散破坏。而水泥路面由于材料的组成基本是无机物质，其化学组成的相对稳定性对这些油品的侵蚀具有较强的抵抗能力。

d）水泥路面的材料混合（制备）过程在常温下（但施工时的环境温度必须高于冰点。为了保证道路的施工质量，水泥路面的施工期、包括必要的养生期，应在当年春暖后开始，而在冬季来临前完成）进行，故路面混凝土材料在制备、转运、摊铺和压实等所有施工工序无需进行加热作业，施工成本相对较低，工艺也相对简单，且在整个施工（包括材料制备）期间基本不会产生有害排放。

e）在正常情况下，水泥路面的使用寿命明显高于沥青路面。如山西省第一条现代意义上的高等级道路是建成于20世纪30年代后期的太原市城南公路（市中心至南郊黄陵，约25 km），整条道路为宽7.5 m的水泥混凝土路面（路面厚度300～350 mm）。该道路建筑质量甚佳，一直到20世纪后期仍在正常使用，直至21世纪初才被沥青混凝土路面所取代。

虽然水泥路面具有一定的技术优势，但其建设和使用中的一些弱势也是十分明显和突出的。有鉴于此，如果对水泥路面的路用特性及施工工艺进行充分研究，有的放矢地解决某些存在的技术问题，必将有力地促进水泥路面的快速发展和规模应用。

2 水泥路面存在的主要问题和解决方案

2.1 刚性受力使得行车振动较大舒适性较差

水泥路面的材料主要是各种粒径级配的矿料与作为黏结剂的水泥和水混合而成，经摊铺和养生后形成刚性板块承压结构的道路面层，对上部车辆的冲击和振动荷载基本没有吸收作用，因此这些振动又被反射回行驶车辆自身来承受，因此行车振动较大，舒适性较差。

水泥路面的刚性受力结构是造成行车振动较大的主要原因。行车对路面造成的冲击荷载与车辆自身的质量和冲击速度的平方成正比，由此可建立相应的数学模型进行量化：

式中：F为车辆对路面形成的冲击荷载；k为综合系数；m为车辆自身（包括自重和承载质量）的总质量；v为车辆行进时对路面形成的相对速度。

显然，在行车自身的总质量决定之后，车辆对路面形成的冲击荷载的大小取决于车辆行进时对路面形成的相对速度。而这个相对速度由两部分组成，一是车辆行进的速度由人为和车辆自身性能决定，是难以改变的；二是由于路面的不平整使得车辆行进时对路面产生的瞬时冲击。显然，后者是能够通过提高道路施工时的质量，特别是提高路面的平整度来弱化，从而尽可能减少车辆对路面形成的冲击荷载。

平整度较低一直是水泥路面建设质量的瓶颈之一，笔者认为做好下述工作对提高水泥路面的平整度是非常重要的：

a）适当减少水泥混凝土制备时材料的含水量。水是水泥和级配矿料良好结合的必备，但水量过大会大大提高混凝土路面形成强度过程中的弯沉值，从而造成路面平整度的下降[1]。因此混凝土材料中的含水量应在设计范围内取低值，同时应根据施工季节、环境温度、空气的相对湿度和材料制备基地与路面摊铺地点的相对运距等指标的不同随时进行必要的调整和优化。

b）减少材料在运输和摊铺过程中的离析。水泥混凝土在运输和摊铺过程中的材料离析较沥青混凝土更为严重[2]，为了尽量规避此类问题，应特别注意尽可能缩短材料的运输距离，并在运输过程中采取慢速搅拌等防离析措施。

c）摊铺过程。在水泥混凝土路面摊铺过程中，摊铺机必须保证匀速连续作业，并采用变螺距摊铺（输送）器以减少混凝土材料在输送（特别是8 m以上的大宽度摊铺）过程中的材料离析。

2.2 水泥混凝土路面抗滑构造寿命较低

有别于沥青混凝土路面，水泥路面自身难以形成较好的抗滑构造，所以必须在摊铺工艺中加设抗滑构造制作工序（横向刻纹）。但这种抗滑构造在长期的车辆磨耗下通常只能维持2年左右。当水泥混凝土路面形成强度后，重新制作抗滑构造十分困难，作业效率低且工程成本很高。目前抗滑构造的后期制作工艺和相关设备在国际范围内尚未成熟。我国交通运输部科研院和山西省交通科学研究院曾立项研发水泥路面抗滑构造专用施工设备并已完成相应的成果，但终因作业效率和施工成本等问题而难以规模推广。笔者认为，在目前阶段可以考虑采用下述方案尽量提高路面抗滑构造的使用寿命。

a）适当加深抗滑构造的深度。在相同荷载及车流数量前提下，抗滑构造的有效厚度（即刻纹深度）与使用寿命成正比。图1是在此前提下抗滑构造厚度与使用寿命的数据曲线。

图1 抗滑构造厚度与使用寿命的关系

但抗滑构造的深度不宜过大（其具体数据并非常数，而与其横向间距和混凝土材料的组成有关），否则不仅会增加工程费用和作业难度，而且会影响路面的整体强度。

b）道路表面以高硬石料铺筑。水泥混凝土路面材料组成中的级配矿料可根据设计选配不同的石质和矿渣材料，如笔者所在的山西晋中地区主要有石灰岩、青石、玄武岩和闪长岩等。这些矿料的硬度不同，其耐磨性能指标也存在较大的差异，但采用玄武岩和闪长岩等高硬石料的道路表面抗滑结构的使用寿命可较其他石料高出3～5倍。因此，以高硬石料铺筑的水泥混凝土路面能够明显提高抗滑构造的使用寿命。

c）水泥路面材料再生难度较大。新世纪以来，材料的再生利用和节能减排已成为我国各行业的共识和基本国策，但基于水泥路面的特殊性，其材料的再生利用尚处在较为初级的阶段，很难作为路面材料再生利用，只能以冷再生方式将其作为道路基层的填料，再生利用价值有限。但作为一种有别于松散泥土的物质，路面旧材料能够在粉碎至一定粒度后作为工民建筑的预制水泥构件的原材料进行再生利用。山西省公路工程建设和养护单位也将其作为路缘石和城镇道路边侧人行道的预制铺筑件制作的原材料进行再利用，取得了良好的成果。相信通过和借鉴相关领域的技术进步，水泥路面材料的再生利用会取得更大的成就。