预制式水泥混凝土路面研究现状及发展趋势

王旭昊， 刘泽鑫， 李虎成， 田继明, 李 程， 李 鹏

(1.长安大学公路学院， 西安 710064； 2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

水泥混凝土路面虽具有强度高，耐久性好的特点，但其材料养生期长、开放交通较迟、病害维修难度大，也极大地影响了此类材料在路面结构中的使用。工厂预制式水泥混凝土路面的出现可以有效解决这一问题，在板块预制期间可以对其质量进行严格控制，这一技术具有施工便捷、快速开放交通、快速修复、重复利用、工厂化生产等优点，可推广应用于大型基建项目的施工场地硬化、施工道路及进站道路铺装、交通繁忙需快速开放交通的道路功能需求。

中外对于预制式水泥混凝土路面应用研究主要集中于混凝土预制块路面、预制板拼接修复技术、连续装配式混凝土路面、预应力装配式混凝土路面4个方面。针对预制式路面的现有应用形式，分别从预制板块的材料结构设计以及现场施工工艺两个角度进行总结和论述，并通过对不同方案的优劣势对比来供读者参考优选，同时对部分形式推荐出较为常用的设计和施工方案。

1 混凝土预制块路面

混凝土预制块路面是指平面尺寸不大于30 cm×30 cm的预制块铺筑的路面形式[1]，这种路面具有结构单一、快速施工、快速修复、承载能力强等优点，但是由于使用预制块会导致大量接缝的出现，表面平整度很难达到行车要求，所以其适应于对路面使用性能要求相对较低的道路。

1.1 混凝土预制块体路面的结构性能

预制块体常见的砌块类型有矩形混凝土砌块和混凝土嵌锁块两种。矩形砌块块体整齐、受力形式单一、铺筑效果整齐美观；嵌锁块又分为四面嵌锁和两面嵌锁的异形块体，由于异形块体间接触面积较大的缘故，且利用不同砌块之间的嵌锁结构进行传力，研究发现异形块体的力学性能高于矩形块体[2-4]，所以预制块体的形状在满足施工条件和经济性的前提下选择异形块体形式更优。

砌块路面的力学结构性能主要包括路面使用性能(如安全性、舒适性、耐久性)、结构承载力、结构耐久性。路面使用性能的影响因素是接缝特性和砂垫层厚度；结构承载力的影响因素依次为: 基层类型、砂垫层厚度、接缝宽度、块体尺寸；结构耐久性的影响因素为砂垫层厚度和荷载作用次数[1]，因此对砂垫层厚度和接缝特性的选择成为决定预制块路面性能的关键因素。随着砂垫层厚度的增加，预制块路面结构的承载能力和耐久性都在加强，但当其厚度超过4 cm后效果不再明显，所以建议砂垫层厚度选取2～4 cm。接缝特性的主要影响因素有接缝填料，主要包括细砂、水泥+细砂、乳化沥青砂浆3种，接缝宽度一般为2～8 mm及4种接缝组合形式(图1)，经过对3种因素的不同组合形式验证临界弯沉值和应力值，发现采用乳化沥青砂浆+2 mm接缝宽度+十字形接缝最为合理[1]，该方案是利用了乳化沥青砂浆较好的胶结性能、接缝宽度越小砌块分散荷载作用能力越强及十字形缝较高的传荷性的特点。

图1 预制砌块路面的常用接缝形式[1]Fig.1 Common joint forms of concrete block pavement[1]

根据已有的研究成果总结出当路面铺筑采用矩形预制块时，建议采用的设计参数[5]如表1所示，异形块参数数值可根据矩形块形式进行适当调整。

表1 矩形预制块路面推荐结构尺寸[5]Table 1 Recommended structure size of rectangular precast block pavement[5]

1.2 预制块体路面的应用

预制块路面在外国广泛应用于低速交通道路、人行道及建筑区道路[6-8]。在人行道上铺筑具有美学特征，还能提供给表面层的雨水渗入，减少路面表面雨水径流量。

预制块路面在中国主要应用于乡村道路、市政道路、人行道和公园等。高速公路的附属道路要求路面具有较大的行车摩阻力，所以预制块路面还可应用于高速公路紧急停车道及服务区道路路口处[1,9-10]，如表2所示。

表2 不同应用类型预制块路面推荐形式[1,9-10]Table 2 Recommended forms of precast block pavement for different application types[1,9-10]

2 预制板拼接修复技术

预制板拼接修复技术是利用预制好的混凝土板块来替换已经破坏的板块，主要采用夜间维修的方式并且从修复开始到开放交通时间一般不超过5 h。这一做法改变了传统的混凝土路面的维修方式，解决了维修后混凝土强度增长慢、开放交通迟的问题，有利于实现病害道路的快速通车，具有更高的经济效益和环境效益，另外这一技术还可应用在抢险救灾方面。

2.1 修复板块设计

2.1.1 材料设计

由于传统水泥混凝土路面的材料研究和应用已趋于成熟，大多研究者在预制技术的材料选择上都与之相同。只有部分研究者认为，在板块预制完成后，首先就是要对板块进行运输和吊装，过重的板块会造成板角或板边的碰撞破坏，以及在板块吊点位置出现混凝土受拉损伤现象，所以设计出一种更为轻质的混凝土材料更能满足预制路面板的性能要求。

一种有效方法是利用轻质粗集料陶粒替换普通混凝土中的粗集料，形成新型的配合比形式用于拌合出次轻水泥混凝土。新拌混凝土的塌落度随着陶粒取代率的增大逐渐增大，通过调整取代率为30%时混凝土既能满足抗压强度和抗折强度要求，又能保证塌落度和工作性能较优，这种方式可以有效降低板块自重从而利于板块吊运[11]。

2.1.2 结构设计

在尺寸设计上，通过对板块尺寸与挠度、应力之间关系的计算如图2、图3所示，发现2.5 m×2.0 m 的小板相较于其他尺寸板块而言，板底最大应力更大、板底最大挠度更小[12-13]，所以这种小尺寸板块具有更高的承载能力，在进行修复时也不会出现大量的接缝，行车舒适性也能得到满足。特别是在农村混凝土路面和市政道路工程的修复工艺中，研究者经室内计算和实际施工验算分别采用尺寸为2.5 m×2.5 m、2.5 m×3 m和5 m×2 m的预制板块[14-15]，发现其具有温度翘曲应力小、可靠度高、横缝较少、行车舒适性较好等优点。

图3 板块尺寸与挠度的关系[13]Fig.3 The relationship between plate size and deflection[13]

图2 板块尺寸与应力的关系[12]Fig.2 The relationship between plate size and stress[12]

在厚度设计上，拼装板块通常采用与原路面板块厚度一致的设计，这样可以使新旧板块间的接触面积达到最大，增大集料嵌锁面积从而提高传荷能力[16]；还可保证新旧路面板块的接缝高度一致性，提高路面表面的平整度以及行车舒适性。在钢筋设计上，有学者采用弹性设计准则进行预应力配筋设计，使其满足方程：

σL+σΔT+σF≤σpy+fcm

(1)

式(1)中：σL为荷载拉应力；σΔT为温度翘曲拉应力；σF为板底与基层摩擦应力；σpy为预应力钢筋形成的预压应力；fcm为混凝土的极限抗弯拉应力，即要求混凝土和预应力钢筋的抗拉应力不小于外界环境产生的拉应力[17]。采用预应力配筋技术也可使板块更薄、有效减轻板块自重。在板块设计时还应注意预制拼装板块的设计弯拉强度不应小于原路面板块的弯拉强度[12]，这样才能保证新旧路面具有相同的使用性能，同时满足原道路等级的力学要求。

2.2 修复技术施工工艺

板块修复技术的施工工艺流程大致分为：板块预制、破板清除、基层处理、吊装运输和接缝处理。板块修复的施工工艺技术具体如下。

2.2.1 板块预制

搭模板→钢筋绑扎→混凝土搅拌→浇筑→振捣→抹面→养生→脱模→堆放[18]，这些流程全部在室内完成，在施工质量上可达到更高的标准要求。

2.2.2 板块清除

通过液压冲击钻破碎或切割分块吊装两种清除方式对原有破坏路面板块进行清除：①在液压式破碎清除过程中，为避免对其余板块造成不必要的破坏，先用液压破碎锤将距板边30 cm内部进行破碎切除，剩余板边四周用液压镐破除；②切割分块吊装清除是将大板块切割为小板块，再在板中埋入膨胀性螺栓，最后用吊车吊起螺栓清除板块[15,19]。在进行破碎作业时，还应注意避免接触到基层而使其产生破坏[12,18]。

2.2.3 基层修复

基层修复的检验标准主要是保证基层顶面具有较高的平整度。

(1)中国基层在修复时采用湿拌水泥混凝土、干拌水泥砂浆或自流平砂浆3种方式进行修复：①湿拌法利用湿拌混凝土调平基层，水泥混凝土凝结硬化方才恢复交通；②干拌法主要采用水灰比为0.2的干拌水泥砂浆调平，需要通过刮平或者板底标高来调平，恢复交通较快；③自流平砂浆具有自动流平、强度高、快速凝结、不离析等优点，不需要人工调平[12,18-21]。

(2)外国采用的是在路面板下使用常规胶凝材料或喷射高密度聚氨酯泡沫来填充空隙，其中聚氨酯泡沫是一种可膨胀材料，主要利用其膨胀性在板下形成稳定的缓冲层[22]。还有学者发现具有高流动性的灌浆材料和高孔隙率的级配碎石基层组合能提供给面板更高的强度，并推荐了一种灌浆材料与级配碎石基层的组合形式如表3所示[23]。

表3 推荐的一种级配碎石基层配合比[23]Table 3 A recommended mix ratio of graded crushed stone base[23]

在基层修复完成后，还应对基层压实度和回弹模量进行检测，要求基层压实度在95%以上，回弹模量应满足原路面设计值要求[21-23]。

2.2.4 吊装运输

吊装方式主要采用四点吊装或八点吊装形式，即在板块表面选取合适的点数和吊点位置，将带有螺纹的吊环或者与工字钢固定的吊环预埋入水泥中，完成板块浇筑后用铁链或者钢丝绳进行板块吊运，吊运完成后将凸出板块表面的吊环进行切割处理以保证表面平整度[23-24]。

2.2.5 接缝处理

(1)对于无筋混凝土板块修复拼装时接缝处理采用集料嵌锁传荷的4种常用方式：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[25]。这4种方法采用石料或黏结剂作为接缝填料，其中石料的主要作用是提供嵌挤作用传递荷载，黏结剂的作用是填在缝隙顶端来防止水分的侵入。

(2)接缝设置为企口搭接的形式是通过企口缝进行榫接，以达到传荷的作用[18]，企口搭接方式的传荷效率通常高于集料嵌锁形式。

(3)对原路面为传力杆接缝形式进行修复时，预制板预留好安装传力杆的槽孔，将传力杆插入后用环氧树脂灌孔进行固定[20]，这种方式要求有更高的施工技术，同时也具有更高的传荷效率。

预制修复技术在国外主要应用于对破损的混凝土路面接缝和面板进行间歇性的全深度修补。经过上述分析总结发现，将预制板运用于板块维修时需要具备以下要求：板下充足支撑、接缝良好传荷能力、新旧板块之间高度的一致性、良好的长期使用性能等。

3 连续装配式水泥混凝土路面

连续装配式水泥混凝土路面是利用工厂预制板块进行全道路装配，相比传统水泥路面具有更快的施工速度，更好的质量控制，更长期的耐久性，投入更少的维修成本，因此可以获得更高的经济效益[24]。主要针对现有的研究成果，从装配式路面的尺寸、接缝、配筋、吊装、基层等角度进行全面梳理总结。

3.1 结构设计

装配式路面既要经受使用过程中环境和交通荷载的重复作用，也要经受得住安装和拆除过程中的施工外力的作用，因此针对装配式路面的力学结构设计尤为关键。

3.1.1 尺寸设计

装配式水泥混凝土路面板的尺寸设计包括板长、板宽和厚度尺寸，其尺寸设计思路是在面层材料基本确定之后，设计其最佳的三维尺寸组合来满足某一地区路面使用寿命期内的温度与荷载疲劳应力作用下的路用性能要求。

连续装配式路面板块在初步尺寸设计时需要尽量采用大板块来减少路面接缝。当板块形式为正方形时，板块横、纵向最大拉应力都随边长的增加而增加，并推荐采用边长为3.5 m的正方体板块进行后续研究[26]。当长方形板块的尺寸大于3 m×4 m时，平面尺寸的变化对荷载作用下板底纵向拉应力最大值几乎无影响，当尺寸大于7 m×8 m 时，温度作用下产生的板底拉应力的尺寸效应也不明显[27]，可见单调的增大板块尺寸并不会一直提高板块的抗弯拉强度。对于大板块的尺寸设计，不应单纯考虑减少接缝来增大板块尺寸，还应在满足荷载和温度极限拉应力的前提下，以板块吊装板底拉应力作为控制指标。

在厚度分析上出现了不同的研究结论，有学者认为温度翘曲应力随着板厚的增大而减小，也有学者认为其随板厚的增大先增大后减小并在板厚为22 cm处时出现峰值，如图4所示[27-28]，笔者认为这种差异主要是后者考虑了实际情况中的重力和层间接触作用。当预制板块厚度增加时，面层荷载扩散能力增加，基层顶面压应力也随之减小[29]，所以建议在满足经济性的前提下选择较厚尺寸。

图4 不同厚度下板体最大温度翘曲应力[27]Fig.4 Maximum temperature warping stress of plate under different thickness[27]

结合中国公路水泥混凝土路面设计规范[30]，路面板长度建议在4～6 m，宽度在3.5～4.5 m，厚度在22～26 cm，同时这也对板块尺寸优化设计时提供了参考。外国研究者基于弯矩半概率分析方法，研究了不同板体尺寸与混凝土板厚之间的最佳组合形式如图5所示，并建议道路使用板块的最佳尺寸为长4.6 m，宽4.0 m，板厚为27.7 mm[31]。

图5 板块尺寸与板块厚度之间的关系[31]Fig.5 The relationship between plate size and plate thickness[31]

3.1.2 接缝设计

装配式板块与修复技术的接缝类型相同，主要有3种接缝形式(表4)：集料嵌锁式接缝、企口缝和传力杆式接缝，其荷载传递方式分别对应于：板块之间的摩擦作用、榫卯结构连接作用、传力钢筋传力[32-33]。

表4 装配式路面接缝设计常用形式Table 4 Commonly used forms of prefabricated road joint design

国外研究者利用有限元方法分析发现板坯在发生破坏之前板间接缝先发生破坏，所以保证接缝良好的传荷性能更加重要，在使用传力杆嵌入模型中时，传荷效率最优，这是传递荷载的最佳系统[32]。传力杆的选取原则是光滑、圆柱、实心的钢筋，并通常在外侧以熔结环氧涂层的形式提供腐蚀保护，在直径选择上：对于厚度小于25 cm的板块，建议选用32 mm的钢筋，当厚度小于36 cm时，建议选用 38 mm 的钢筋；在长度选择上，建议选取45 cm；传力槽间距建议为12 cm。

3.1.3 配筋设计

通常无需使用加固钢筋即可满足车辆荷载要求，但是为了减少在吊装和运输过程中产生裂缝的可能性或者满足飞机荷载的要求，建议在连续装配式路面板上使用加固钢筋[37-38]。

苏联在对机场道面研发第一套装配式路面系统时，由于飞机质量过重以及没有配筋导致混凝土脱落问题频发[39]。国外研究者在研究机场预制道面的配筋设计时，研究了不同钢筋直径下钢筋变形量与承荷能力之间的关系如图6所示[40]，在满足变形量要求和荷载要求的前提下建议选取小直径钢筋。目前常采用的配筋形式是采用上下双钢筋网[37]，在板的横向和纵向至少应加固板横截面积的0.2%，并采用双环氧钢筋以提高钢筋抗腐蚀能力[41]。

图6 钢筋变形量与荷载大小的关系[40]Fig.6 The relationship between steel bar deformation and load[40]

3.2 吊装设计

3.2.1 分析方法

板块吊装分析可以采用平面杆系和空间有限元两种方法。平面杆系方法是将板块简化为梁模型，而有限元方法则是利用数值模拟软件进行分析[20]，两种方法都应满足板底弯拉应力不大于混凝土的极限抗拉强度，保证板块在吊装过程中板底不会出现裂缝。

3.2.2 应力分析

研究发现，较小板块不配置受拉钢筋也能满足要求，而较大板块虽可避免更多接缝的出现，但其在吊装时随着板体尺寸或长宽比的增大，板底最大拉应力和挠度都会增加[29,36]，在板块吊装过程中易出现破坏断裂或者拉断现象，这需要在板块尺寸设计时就进行考虑分析。随着吊点向板块中间转移，最大横向拉应力出现的位置由板底移动到板顶，由板块跨中移动到接近吊点的位置[29]，所以应在板块吊装之前根据设计尺寸选择合理的配筋位置和吊点位置。

3.3 基层设计

基层与面板的均匀接触对装配式路面的性能影响尤为关键，在基层与面层间发生不均匀接触时会出现脱空状态，由于在路面荷载作用下板块受力不均匀极易出现断裂现象。研究发现，当板底脱空形状无论表现为有规则还是无规则的椎体和柱体，面板所受不均匀荷载应力大小只与板底脱空的总面积大小有关，而与脱空深度无关[42-43]，可见基层与面层的理想状态是脱空面积最小即基层与面板完全接触。

3.4 施工工艺

3.4.1 中国施工技术研究

目前中国常用的装配式混凝土路面施工流程如下[43-47]。

(1)基层处理：方法①采用压实和填平操作，在基层表面铺一层3～5 cm的中粗砂层。方法②采用底部灌浆方式，需利用嵌在面板内的螺纹螺栓将板块进行提升后通过预留孔道对板底进行灌浆填充处理如图7所示。

1为扳手; 2为预制板; 3为基层; 4为调平螺栓; 5为套筒

(2)模板制作与安装：需采用30°角钢作为路面的钢护角，两条锚固钢的距离为30 cm，侧模可采用废弃的钢板，底部通常放置一层防水塑料布用于维持平整。

(3)绑扎钢筋：安好底模后布置钢筋网，捆扎两层钢筋的同时设置钢筋的支撑层及放置保护层垫块。钢筋常用直径205～212 mm，间距为200 mm。

(4)吊钩预埋安装：路面板块的吊装有钢丝绳娄底、四角吊环两种吊装方式。在吊装点内埋设长度大于35 cm的圆形钢筋作为吊环，吊环需要嵌入到路面底部与面板下的钢筋捆扎，露出的钢筋部分需要做防锈蚀处理。

(5)混凝土浇筑：检查侧模、底模、钢筋及预埋件的质量后使用混凝土泵来浇筑混凝土。

(6)养护和拆模：当混凝土浇筑12 h之后对面板进行浇水处理，以及不少于7 d的覆盖物养护工作，拆板须在浇筑混凝土1 d后进行。

(7)道路板拆出：利用撬动铁棒撬动路面板保证其完整，再由工作人员用吊装设备吊起吊运至目的地。

(8)使用安装：在施工现场按照设计要求进行道路板装配，应保证基层的平整性以及接缝的传荷性能。

3.4.2 国外施工技术研究

国外装配式路面施工技术整体流程与国内大致相似，现将国外常用装配式路面系统及施工技术特点总结如表5[39-55]所示。

表5 国外装配式路面系统[39-55]Table 5 Foreign precast pavement system[39-55]

4 预应力装配式水泥混凝土路面

水泥混凝土抗拉强度远小于抗压强度是在进行板块设计时要考虑的重要因素，对于提高板块的抗弯拉强度设计至关重要。预应力装配式混凝土路面是通过后张法张拉钢筋建造的一种尺寸更大的装配式路面，这种方法可以增强板的结构特性并提高混凝土的抗弯拉强度，抵消荷载和温度相关的应力，并使板内的接缝紧密闭合[38]，同时也可减小路面板厚度和横向接缝数量。其关键设计和构造功能主要包括：混凝土要求、接缝处理、环境条件、荷载传递、板块加固及预应力、板块生产和安装效率。该路面已广泛应用于高速公路和机场的建设中，尤其在欧美等发达国家得到了广泛的应用。

图8 铺沙找平[37]Fig.8 Leveling with sand[37]

图9 用玻璃纤维和高密度聚合物填充切缝[39]Fig.9 Fill the kerf with glass fiber and high-density polymer[39]

图10 板块悬空灌浆法[40]Fig.10 Grouting method of slab suspension [40]

4.1 结构设计

现在中外对于预应力装配式路面主要采用有限元法来分析来研究路面性能，主要需要设计参数包括尺寸、厚度、接缝、预应力等[56]。

4.1.1 尺寸设计

外国学者根据工程实际经验对设计尺寸进行相关建议如表6所示。

表6 预应力装配式混凝土路面建议尺寸范围[38,55,57]Table 6 Recommended size range of prestressed fabricated concrete pavement[38,55,57]

4.1.2 厚度设计

在对厚度进行设计时需要考虑预应力的影响，板块的厚度可以随着预应力的增大而减小如图11所示，但其最低不应小于150 mm。接缝设计：为了减少对传力杆槽的数量从而节约施工时间，有研究者设计出了只采用一根传力杆件一种垛式接缝如图12所示，其接缝传荷系数可以达到97%[58]；提高接缝传荷能力的另一种有效方式就是增加预应力水平[33]。

图11 预应力与板块厚度的关系[58]Fig.11 The relationship between prestress and plate thickness[58]

图12 垛式接缝[58]Fig.12 Stacked joint[58]

4.1.3 吊装设计

建议吊点放置在板长的1/4处，并且在吊点处只需要顶部钢筋而不需要底部钢筋[58]。还有学者提出将预制板块中间部分设为空心，并在板块受拉下侧贴一层玻璃纤维布，在增加强度的同时减少钢筋用量，降低工程造价[59]。

4.1.4 预应力设计

预制板块的最大应力强度比随混凝土模量、预应力、基层刚度的增加而减小，而较低的计算应力强度比表明路面具有较高的承载能力以及更好的预期性能[60]，这意味着在进行预应力预制板块路面设计时，还应考虑到混凝土和基层性能对路面体系的影响。目前预应力筋的张拉有三处位置可供选择：面板中心、面板表面以及接缝处[55]，且建议使用与预张拉绞线横向且同向的单层普通钢筋[37]。

4.2 施工工艺

预应力钢筋混凝土路面在施工工艺上与连续装配式路面大致相同，如基层处理，吊装运输，接缝处理等都较为相似，区别最大之处在于预应力路面在进行板块预制时需要对钢筋进行张拉处理。

在应用预制预应力技术修复混凝土路面时，也可以利用修复板块锚固预应力钢筋的方式保持与原有板块之间的钢筋连续性，用快凝现浇材料来浇筑空隙[17]。钢筋张拉分为初始张拉和最终张拉两个阶段进行，张拉应力分别为设计张拉应力值的70%和105%[33]，这种张拉方式可有效减少接缝宽度，使板块结合更加紧密成为整体。也可采用无黏结预应力施工方法进行张拉，将无黏结预应力筋与普通钢筋进行绑扎，当混凝土强度达到设计强度的75%时进行张拉，张拉后用锚具进行锚固[43]。施加预应力后的板间传荷方式也变为预应力钢筋与混凝土材料的摩擦与接缝传荷二者综合作用。

5 结论与展望

通过中外对预制式水泥混凝土路面的研究和应用中总结发现，这一研究技术虽然起步较晚，但其在设计和施工中都有了较为丰富的研究经验和总结。目前该技术在应用前景方面使用还不够广泛，主要原因有：①目前该技术没有明确的设计和施工规范，大部分结论都是根据模拟计算以及现场施工经验总结而成，缺乏较为统一的标准；②在部分设计和施工过程中，还存在一些问题不能满足实际工程需求，亟待进一步解决；③该技术的初期经济成本相对于普通混凝土路面较高，很多投资者还没有看到其长期的经济价值和使用价值。

未来的研究方向主要应聚焦到适用于预制式水泥混凝土路面板块的高性能材料和结构性能的完善。在材料上可以向着具有非常高的抗压或抗弯强度、更小的密度、更好的施工和易性、更易于工厂预制性等方向发展，还可以向着吸收噪音、吸收汽车废气等环保方向发展；在结构上可以综合考虑利用工厂预制的优势设计出不同的板块尺寸、特殊的接缝形式，优化选择出更加适合预制式路面的结构类型，并着重于吊装和基层两个角度对施工工艺进行完善。