碾压混凝土在道路工程中的应用及其施工技术应用

骆小平 覃森

1.新疆大学建筑工程学院 新疆 乌鲁木齐 830017

2.中建三局绿色产业投资有限公司 湖北 武汉 430000

1 引言

道路的主要工作环境主要是交通荷载环境和自然环境，我国路面大多数都以传统半刚性沥青路面结构为主。公路交通运输事业蓬勃发展的同时，随之而来的是交通车流量的不断增加、车辆大型化、重载和超载等现象的频繁发生，由于交通负荷和外界自然环境的共同作用，传统半刚性基层沥青路面很快就会出现结构性破坏，如开裂、下陷、基层泥泞、基层强度衰减和疲劳损坏等问题，严重影响了路面结构性能和服务功能，直接导致了路面的使用性能急剧下降和寿命普遍缩短[1-2]。

我国的道路结构一直在逐步发展，传统的半刚性基层沥青路面结构便是典型结构之一，比如其结构层的材料和厚度不断尝试变化等。然而，尽管我们不断增加对沥青路面结构的设计建设、运营和维护的投资，但它的使用寿命却没有有效的增加。对此，路面材料的选择及其路面结构应如何应对日益严酷的重载交通和复杂的自然环境，从而提高公路的服役寿命和降低后期的运维成本，这急需耐久性沥青路面作为支撑[3]。

耐久性沥青路面特点是设计寿命可达30~50年甚至更长。耐久性沥青路面结构既可做成诸如国外全厚式沥青路面也可采用碾压混凝土刚性材料作为路面基层[4]。经研究表明，碾压混凝土基层相对于半刚性基层有着更良好的路用性能，如碾压混凝土基层材料强度、刚度、抗冲刷能力和耐疲劳性能优于半刚性基层材料，且有利于提升沥青路面整体刚度，减小路表弯沉[5-6]；半刚性基层(如二灰稳定碎石和水泥稳定碎石等)通常在铺筑面层前因强度较低易发生松散或表局部破碎的情况，而碾压混凝土基层能克服早期强度低的不足并使封层的粘合力较好，从而有效发挥封层应有功能[7]；碾压混凝土基层材料在承载大型重载货车时表现出明显的优势，相较于半刚性基层材料，它能够有效改善沥青面层的开裂问题，并且能够避免在持续高压使用中出现的材料脱落和路面下沉等不良情况[7-8]；碾压混凝土基层相较于半刚性基层材料，能较大程度上提升荷载的扩散能力，降低重载、超载对路基顶面的压应变，从而降低路基顶面的永久变形，提升路面结构的服役寿命[9]；在进行道路基层铺设时，可以通过预先切割缝隙的方式来释放混凝土中的湿度和温度应力，同时在切割缝隙处铺设适当的应力吸收层，可以有效减少传统半刚性基层产生的不规则裂缝，并降低或延缓沥青面层的反射裂纹的发展[10]。由此可见，碾压混凝土在道路工程中有着良好的应用前景。

2 碾压混凝土在道路工程中的应用概述

碾压混凝土被美国混凝土协会(ACI)定义为用搅拌设备将水泥及粉煤灰等其它胶粘材料，掺和级配骨料、再拌和用水、外加剂等拌制而成的一种混合料，其为坍落度为零的水泥混凝土相似，都是在摊铺后由压路机振动碾压，分层压实成型的一类混凝土。碾压混凝土具有的特点：① 水泥用量少，技术经济效益显著；② 因其单位水泥用量及用水量少，故干缩小、裂缝少和抗渗性好；③ 采用振动碾压的方式成型，混合料泛浆成型后结构稳定，致密性好，抗冻性好，表面耐磨性良好；④ 强度、刚度的增涨幅度较快，在可早期实现道路通行或快速开放交通的同时，车辆的行车荷载对其自身结构层的损伤程度也降到了很低的程度；⑤抗冲刷和抗疲劳能力强，尤其是敏感性低。随着相关机械设备和技术的成熟，近年来碾压混凝土在道路工程的应用受到了越来越多学者的关注，且其因自身材料性能优势的原因，适用于各级公路的路面基层建设和修复。

2.1 碾压混凝土在路面面层中的应用

安徽合肥高新技术开发区工业走廊的合派路全长7.5km，采用双向四车道的碾压混凝土与沥青混凝土复合式路面。近年，山西省第一条高速公路(旧关—太原)全长为140.7km，碾压混凝土材料便在这一高速公路面层改造与返修中得到应用，从1996年6月开始通车，因为长期以来重载和超重的大型卡车频繁通行，导致道路和桥梁的破坏程度非常严重，严重影响了道路状况的平稳程度。为了解决这个问题，从2004年5月开始，进行了为期两年的分段大修，在路面维修的面层中多处采用钢纤维碾压混凝土面层，该高速公路于2006年9月完工，经过对路面钻芯取样结果表明，修复效果很好。

2.2 碾压混凝土在基层中的应用

2002年，在上海云南中路、黄家路等道路，都将碾压混凝土应用在了路面基层中；国道107线工程中的清连高速化改造项目部分,其地质环境和沿线地形相对较复杂，且超重车辆多，交通量也较为庞大，于2010年为了尽可能延长道路使用寿命，减少现阶段及其后期的运维投资，采用了碾压混凝土基层作结构层设计方案；2014年7月初，采用碾压混凝土基层沥青路面的广乐高速公路段正式开放交通,经检测调查，其路面采用了碾压混凝土基层结构形式，且满足路面的各项使用要求。

2.3 碾压混凝土在路基工程中的应用研究

在路基工程中，碾压混凝土的主要作用是针对性处理软土地基。一个典型的例子是2006年底通车的连云港到盐城的高速公路，在连云港段的低路堤路基填筑材料中，选用了碾压混凝土。因为该施工段的土壤环境十分恶劣，路基上四处都是海相淤泥质软土，而且地下水位也相对较高。考虑到综合水文地质等自然因素，连云港段的连盐高速公路在多个地点选择了低路堤路基方案。由于没有对地基土体进行足够深入的处理，如果在软土路段上建设传统的路基，那么路基的压实度和弯沉将无法达到要求，而且还会受到高水位的影响，从而导致路基的稳定性非常差。因此，低路堤设计方案的道路施工方案采用了“手放碎石+碾压混凝土复合路基施工方法，具体操作步骤为先在路基上铺设25cm厚的手摆片层，随后填筑25～45cm厚的碾压混凝土层，最后进行防水土工布和路床等的铺设。该工程的路基采用了高刚性和整体承载力的复合结构，有效减少了路基的不均匀沉降，并通过碾压混凝土层来增强路堤的强度，同时防止地下水渗透对路基稳定性的影响，该工程共使用碾压混凝土约3万m3[11]。

3 在道路工程中的碾压混凝土施工技术应用概述

道路工程中碾压混凝土的施工主要分为六个重要部分，即对混合料的搅拌、运输、摊铺、碾压、养护和切缝清缝灌缝等步骤，为确保施工现场的质量和达到现场质量验收标准，应严格要求和控制好现场施工工序。

3.1 碾压混凝土配合比试配

碾压混凝土的混合料中的粗、细集料表面都有一层薄薄的浆体层附着在上面，这层浆体层的厚度决定了集料与胶浆体界面之间的粘结吸附力或者胶结力的大小，同时也受到浆体本身内聚力的影响。在混凝土混合料搅拌过程中，随着浆体体积的增加，各种粗、细集料颗粒的表面浆体层也会逐渐变厚。当达到某个“关键厚度”后，再增加的浆体量将会变得多余无用，并散落在粗细骨料之间。在碾压混凝土基层材料的拌合物混合料中，胶浆体数量的占比量对碾压混凝土的物理力学性能以及施工性能起着至关重要的主导作用。当混合料的其他条件相对稳定时，如果胶浆体的体积不足，那么混合物就会变得过于干硬，导致粗细集料过于分散且无法凝聚在一起，从而无法达到碾压密实的状态。这会导致基层碾压混凝土的混合物最终无法达到标准的压实度，进而对其力学强度和耐久性造成重大影响；在振动碾压的施工过程中，如果浆体体积过大，分层摊铺的混合料容易陷入或悬浮在“空中”，导致无法进行施工和碾压。另外，如果粗集料的数量比重较小，粗骨料在骨架作用方面的发挥程度将受限，这也会导致基层碾压混凝土的强度较低。

选取最合适的浆体胶凝材料用量是碾压混凝土配比设计的核心目标。胶浆体体量恰好能够填充粗细集料间产生的空隙，同时在粗细骨料颗粒表面形成一次薄薄的浆体层，无游离胶浆体散落出来，以实现技术目标和经济要求。在这个基础上，再思考混合料的配比过程中可能出现的搅拌混合不均匀的情况，以及施工现场按方案进行分层摊铺碾压和实验室操作之间的差异情况，同时适当的增加一定比例的胶浆材料的体量作为一定的余度。最后通过现场分层摊铺、振动碾压的现场情况，对比检验出设计的碾压混凝土拌合物混合料与现场的综合目标的差距，通过改进缩小差距。

3.2 碾压混凝土混合料的搅拌

在混合料的下料搅拌之前，施工人员必须严格掌控各原材料的下料量，以确保各种原材料的配料用量准确无误。在搅拌过程中，需要注意避免混合料在拌合后出现搅拌不均匀、分层、结块等情况，以免对混合料的后续使用造成不良影响。在最后搅拌完成后立即进行取样，以制作弯拉强度试件和无侧限抗压强度试件。

3.3 碾压混凝土混合料的运输

为了保证混合料搅拌的生产能够满足施工现场的使用要求，我们必须考虑到拌和料的产量、运输距离以及运输条件等因素，从而确定所需的运输混合料的汽车数量。此外，载装拌合料的运输车辆应使用遮布盖住，以保护拌合料的质量。为了确保混合料能够及时运送到摊铺施工现场，我们需要尽快进行混合料的摊铺工作。为了保证混合料符合施工规范的要求，在摊铺现场还需要有专门的人员定期检查已经运输到现场的混合料的水分含量，以确定是否适合进行摊铺和碾压工作。

3.4 碾压混凝土混合料的摊铺

在进行正式的摊铺施工之前，需要先根据实际情况对摊铺机的各项参数进行调整，以确保摊铺机能够达到最佳的工作状态，并制定出合理的机械使用方案。在进行碾压混凝土混合料摊铺之前，应该确保底层表面被徹底清洁，并进行适量的湿润处理，然后缓慢稳定地启动摊铺机。在摊铺机和摊铺过程初期，必须确保混合料在螺旋布料器内始终高于中心轴以上叶片的高度。摊铺机的速度必须在适当的范围内进行控制，以保证拌和料的产量、摊铺的宽度和压实的厚度的均衡和符合方案要求，并确保摊铺的均匀性和供料的连续性。在摊铺过程中，为了保证摊铺机的夯实行程，不能改变摊铺的速度，这样能够提高摊铺路面的平整度[12]。

3.5 碾压混凝土混合料的碾压

在摊铺混合料之后，但在碾压之前，需要确定机械组合的碾压施工方案。在完成一段摊铺后，需要立即进行碾压施工。碾压施工按照作业段进行控制，遵循“先轻后重、先低后高、先慢后快、先边后中”的原则。碾压施工分为三个阶段，分别是初压、复压和终压。在碾压过程中，初压、复压和终压之间必须紧密衔接，以免出现任何拖延或相互干扰的情况，同时要确保在水泥初凝之前完成所有的碾压作业。使用平稳缓慢的速度进行起步、后退和转向压路机，严禁压路机进行突然减速、急停、急转或调头等操作。

3.6 碾压混凝土施工完成后的养护

碾压混凝土摊铺、分成碾压施工完成后，需要进行现场养护，一种常用的养护方法是利用喷洒水并覆盖塑料薄膜来进行养护。需要重视前3天的养护效果，以确保混凝土中含有足够的水分。在进行养护期间，必须持续7天以上，并且需要对交通进行封锁，不允许任何车辆或行人通过。

3.7 切缝、清缝和灌缝

施工完成碾压混凝土结构层后，在混凝土不发生崩边的情况下应尽快进行切缝，通常为避免由于混凝土收缩而引发碾压混凝土大量裂缝，其切缝的时间应控制在养护后的24h至72h内。切割缝隙时间的确定不仅需要顾及到该地区施工期间的平均气温，还要考虑白昼温差。使用硬切缝的方法来切割出缝，不宜小于1/4板厚作为切缝深度，且最浅的深度大于60mm，宜将3mm至5mm的宽度作为切缝的宽度，而且横向切缝之间的距离应设置为10m。第一次清缝是在切割缝隙之后应立即进行，用以消除缝隙中的碎屑和污垢，以免切割时的灰浆在缝隙中凝结。在养护完成之后以及灌缝之前，要进行二次清理缝隙，可以配合直径为2mm内的细铁丝与森林灭火器使用进行清缝，在清理步骤完成后应随即进行灌缝操作。使用热沥青材料进行灌缝之前，必须确保缝隙干净、干燥无尘。

4 结语

近些年来，我国对道路碾压混凝土材料的性能进行了深入研究并逐渐将其应用于工程实践中，取得了显著的成果。碾压混凝土材料表现出诸多优势性能，不仅能够提升路面结构的整体性能，适应大流量、重超载交通环境，还能作为耐久性沥青路面结构层从而提升路面的服役寿命，并且其施工技术方面也已有了较为完善的实施体系，可见碾压混凝土在道路工程中具有较好的路用前景。