預(yù)制式水泥混凝土路面研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

王旭昊， 劉澤鑫， 李虎成， 田繼明, 李 程， 李 鵬

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 西安 710043)

水泥混凝土路面雖具有強(qiáng)度高，耐久性好的特點(diǎn)，但其材料養(yǎng)生期長(zhǎng)、開(kāi)放交通較遲、病害維修難度大，也極大地影響了此類(lèi)材料在路面結(jié)構(gòu)中的使用。工廠預(yù)制式水泥混凝土路面的出現(xiàn)可以有效解決這一問(wèn)題，在板塊預(yù)制期間可以對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，這一技術(shù)具有施工便捷、快速開(kāi)放交通、快速修復(fù)、重復(fù)利用、工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可推廣應(yīng)用于大型基建項(xiàng)目的施工場(chǎng)地硬化、施工道路及進(jìn)站道路鋪裝、交通繁忙需快速開(kāi)放交通的道路功能需求。

中外對(duì)于預(yù)制式水泥混凝土路面應(yīng)用研究主要集中于混凝土預(yù)制塊路面、預(yù)制板拼接修復(fù)技術(shù)、連續(xù)裝配式混凝土路面、預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土路面4個(gè)方面。針對(duì)預(yù)制式路面的現(xiàn)有應(yīng)用形式，分別從預(yù)制板塊的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝兩個(gè)角度進(jìn)行總結(jié)和論述，并通過(guò)對(duì)不同方案的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比來(lái)供讀者參考優(yōu)選，同時(shí)對(duì)部分形式推薦出較為常用的設(shè)計(jì)和施工方案。

1 混凝土預(yù)制塊路面

混凝土預(yù)制塊路面是指平面尺寸不大于30 cm×30 cm的預(yù)制塊鋪筑的路面形式[1]，這種路面具有結(jié)構(gòu)單一、快速施工、快速修復(fù)、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于使用預(yù)制塊會(huì)導(dǎo)致大量接縫的出現(xiàn)，表面平整度很難達(dá)到行車(chē)要求，所以其適應(yīng)于對(duì)路面使用性能要求相對(duì)較低的道路。

1.1 混凝土預(yù)制塊體路面的結(jié)構(gòu)性能

預(yù)制塊體常見(jiàn)的砌塊類(lèi)型有矩形混凝土砌塊和混凝土嵌鎖塊兩種。矩形砌塊塊體整齊、受力形式單一、鋪筑效果整齊美觀；嵌鎖塊又分為四面嵌鎖和兩面嵌鎖的異形塊體，由于異形塊體間接觸面積較大的緣故，且利用不同砌塊之間的嵌鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳力，研究發(fā)現(xiàn)異形塊體的力學(xué)性能高于矩形塊體[2-4]，所以預(yù)制塊體的形狀在滿(mǎn)足施工條件和經(jīng)濟(jì)性的前提下選擇異形塊體形式更優(yōu)。

砌塊路面的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能主要包括路面使用性能(如安全性、舒適性、耐久性)、結(jié)構(gòu)承載力、結(jié)構(gòu)耐久性。路面使用性能的影響因素是接縫特性和砂墊層厚度；結(jié)構(gòu)承載力的影響因素依次為: 基層類(lèi)型、砂墊層厚度、接縫寬度、塊體尺寸；結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素為砂墊層厚度和荷載作用次數(shù)[1]，因此對(duì)砂墊層厚度和接縫特性的選擇成為決定預(yù)制塊路面性能的關(guān)鍵因素。隨著砂墊層厚度的增加，預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性都在加強(qiáng)，但當(dāng)其厚度超過(guò)4 cm后效果不再明顯，所以建議砂墊層厚度選取2～4 cm。接縫特性的主要影響因素有接縫填料，主要包括細(xì)砂、水泥+細(xì)砂、乳化瀝青砂漿3種，接縫寬度一般為2～8 mm及4種接縫組合形式(圖1)，經(jīng)過(guò)對(duì)3種因素的不同組合形式驗(yàn)證臨界彎沉值和應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)采用乳化瀝青砂漿+2 mm接縫寬度+十字形接縫最為合理[1]，該方案是利用了乳化瀝青砂漿較好的膠結(jié)性能、接縫寬度越小砌塊分散荷載作用能力越強(qiáng)及十字形縫較高的傳荷性的特點(diǎn)。

圖1 預(yù)制砌塊路面的常用接縫形式[1]Fig.1 Common joint forms of concrete block pavement[1]

根據(jù)已有的研究成果總結(jié)出當(dāng)路面鋪筑采用矩形預(yù)制塊時(shí)，建議采用的設(shè)計(jì)參數(shù)[5]如表1所示，異形塊參數(shù)數(shù)值可根據(jù)矩形塊形式進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表1 矩形預(yù)制塊路面推薦結(jié)構(gòu)尺寸[5]Table 1 Recommended structure size of rectangular precast block pavement[5]

1.2 預(yù)制塊體路面的應(yīng)用

預(yù)制塊路面在外國(guó)廣泛應(yīng)用于低速交通道路、人行道及建筑區(qū)道路[6-8]。在人行道上鋪筑具有美學(xué)特征，還能提供給表面層的雨水滲入，減少路面表面雨水徑流量。

預(yù)制塊路面在中國(guó)主要應(yīng)用于鄉(xiāng)村道路、市政道路、人行道和公園等。高速公路的附屬道路要求路面具有較大的行車(chē)摩阻力，所以預(yù)制塊路面還可應(yīng)用于高速公路緊急停車(chē)道及服務(wù)區(qū)道路路口處[1,9-10]，如表2所示。

表2 不同應(yīng)用類(lèi)型預(yù)制塊路面推薦形式[1,9-10]Table 2 Recommended forms of precast block pavement for different application types[1,9-10]

2 預(yù)制板拼接修復(fù)技術(shù)

預(yù)制板拼接修復(fù)技術(shù)是利用預(yù)制好的混凝土板塊來(lái)替換已經(jīng)破壞的板塊，主要采用夜間維修的方式并且從修復(fù)開(kāi)始到開(kāi)放交通時(shí)間一般不超過(guò)5 h。這一做法改變了傳統(tǒng)的混凝土路面的維修方式，解決了維修后混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)慢、開(kāi)放交通遲的問(wèn)題，有利于實(shí)現(xiàn)病害道路的快速通車(chē)，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，另外這一技術(shù)還可應(yīng)用在搶險(xiǎn)救災(zāi)方面。

2.1 修復(fù)板塊設(shè)計(jì)

2.1.1 材料設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)水泥混凝土路面的材料研究和應(yīng)用已趨于成熟，大多研究者在預(yù)制技術(shù)的材料選擇上都與之相同。只有部分研究者認(rèn)為，在板塊預(yù)制完成后，首先就是要對(duì)板塊進(jìn)行運(yùn)輸和吊裝，過(guò)重的板塊會(huì)造成板角或板邊的碰撞破壞，以及在板塊吊點(diǎn)位置出現(xiàn)混凝土受拉損傷現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)出一種更為輕質(zhì)的混凝土材料更能滿(mǎn)足預(yù)制路面板的性能要求。

一種有效方法是利用輕質(zhì)粗集料陶粒替換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輕水泥混凝土。新拌混凝土的塌落度隨著陶粒取代率的增大逐漸增大，通過(guò)調(diào)整取代率為30%時(shí)混凝土既能滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度要求，又能保證塌落度和工作性能較優(yōu)，這種方式可以有效降低板塊自重從而利于板塊吊運(yùn)[11]。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在尺寸設(shè)計(jì)上，通過(guò)對(duì)板塊尺寸與撓度、應(yīng)力之間關(guān)系的計(jì)算如圖2、圖3所示，發(fā)現(xiàn)2.5 m×2.0 m 的小板相較于其他尺寸板塊而言，板底最大應(yīng)力更大、板底最大撓度更小[12-13]，所以這種小尺寸板塊具有更高的承載能力，在進(jìn)行修復(fù)時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)大量的接縫，行車(chē)舒適性也能得到滿(mǎn)足。特別是在農(nóng)村混凝土路面和市政道路工程的修復(fù)工藝中，研究者經(jīng)室內(nèi)計(jì)算和實(shí)際施工驗(yàn)算分別采用尺寸為2.5 m×2.5 m、2.5 m×3 m和5 m×2 m的預(yù)制板塊[14-15]，發(fā)現(xiàn)其具有溫度翹曲應(yīng)力小、可靠度高、橫縫較少、行車(chē)舒適性較好等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 板塊尺寸與撓度的關(guān)系[13]Fig.3 The relationship between plate size and deflection[13]

圖2 板塊尺寸與應(yīng)力的關(guān)系[12]Fig.2 The relationship between plate size and stress[12]

在厚度設(shè)計(jì)上，拼裝板塊通常采用與原路面板塊厚度一致的設(shè)計(jì)，這樣可以使新舊板塊間的接觸面積達(dá)到最大，增大集料嵌鎖面積從而提高傳荷能力[16]；還可保證新舊路面板塊的接縫高度一致性，提高路面表面的平整度以及行車(chē)舒適性。在鋼筋設(shè)計(jì)上，有學(xué)者采用彈性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行預(yù)應(yīng)力配筋設(shè)計(jì)，使其滿(mǎn)足方程：

σL+σΔT+σF≤σpy+fcm

(1)

式(1)中：σL為荷載拉應(yīng)力；σΔT為溫度翹曲拉應(yīng)力；σF為板底與基層摩擦應(yīng)力；σpy為預(yù)應(yīng)力鋼筋形成的預(yù)壓應(yīng)力；fcm為混凝土的極限抗彎拉應(yīng)力，即要求混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉應(yīng)力不小于外界環(huán)境產(chǎn)生的拉應(yīng)力[17]。采用預(yù)應(yīng)力配筋技術(shù)也可使板塊更薄、有效減輕板塊自重。在板塊設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意預(yù)制拼裝板塊的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度不應(yīng)小于原路面板塊的彎拉強(qiáng)度[12]，這樣才能保證新舊路面具有相同的使用性能，同時(shí)滿(mǎn)足原道路等級(jí)的力學(xué)要求。

2.2 修復(fù)技術(shù)施工工藝

板塊修復(fù)技術(shù)的施工工藝流程大致分為：板塊預(yù)制、破板清除、基層處理、吊裝運(yùn)輸和接縫處理。板塊修復(fù)的施工工藝技術(shù)具體如下。

2.2.1 板塊預(yù)制

搭模板→鋼筋綁扎→混凝土攪拌→澆筑→振搗→抹面→養(yǎng)生→脫?！逊臶18]，這些流程全部在室內(nèi)完成，在施工質(zhì)量上可達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 板塊清除

通過(guò)液壓沖擊鉆破碎或切割分塊吊裝兩種清除方式對(duì)原有破壞路面板塊進(jìn)行清除：①在液壓式破碎清除過(guò)程中，為避免對(duì)其余板塊造成不必要的破壞，先用液壓破碎錘將距板邊30 cm內(nèi)部進(jìn)行破碎切除，剩余板邊四周用液壓鎬破除；②切割分塊吊裝清除是將大板塊切割為小板塊，再在板中埋入膨脹性螺栓，最后用吊車(chē)吊起螺栓清除板塊[15,19]。在進(jìn)行破碎作業(yè)時(shí)，還應(yīng)注意避免接觸到基層而使其產(chǎn)生破壞[12,18]。

2.2.3 基層修復(fù)

基層修復(fù)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要是保證基層頂面具有較高的平整度。

(1)中國(guó)基層在修復(fù)時(shí)采用濕拌水泥混凝土、干拌水泥砂漿或自流平砂漿3種方式進(jìn)行修復(fù)：①濕拌法利用濕拌混凝土調(diào)平基層，水泥混凝土凝結(jié)硬化方才恢復(fù)交通；②干拌法主要采用水灰比為0.2的干拌水泥砂漿調(diào)平，需要通過(guò)刮平或者板底標(biāo)高來(lái)調(diào)平，恢復(fù)交通較快；③自流平砂漿具有自動(dòng)流平、強(qiáng)度高、快速凝結(jié)、不離析等優(yōu)點(diǎn)，不需要人工調(diào)平[12,18-21]。

(2)外國(guó)采用的是在路面板下使用常規(guī)膠凝材料或噴射高密度聚氨酯泡沫來(lái)填充空隙，其中聚氨酯泡沫是一種可膨脹材料，主要利用其膨脹性在板下形成穩(wěn)定的緩沖層[22]。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)具有高流動(dòng)性的灌漿材料和高孔隙率的級(jí)配碎石基層組合能提供給面板更高的強(qiáng)度，并推薦了一種灌漿材料與級(jí)配碎石基層的組合形式如表3所示[23]。

表3 推薦的一種級(jí)配碎石基層配合比[23]Table 3 A recommended mix ratio of graded crushed stone base[23]

在基層修復(fù)完成后，還應(yīng)對(duì)基層壓實(shí)度和回彈模量進(jìn)行檢測(cè)，要求基層壓實(shí)度在95%以上，回彈模量應(yīng)滿(mǎn)足原路面設(shè)計(jì)值要求[21-23]。

2.2.4 吊裝運(yùn)輸

吊裝方式主要采用四點(diǎn)吊裝或八點(diǎn)吊裝形式，即在板塊表面選取合適的點(diǎn)數(shù)和吊點(diǎn)位置，將帶有螺紋的吊環(huán)或者與工字鋼固定的吊環(huán)預(yù)埋入水泥中，完成板塊澆筑后用鐵鏈或者鋼絲繩進(jìn)行板塊吊運(yùn)，吊運(yùn)完成后將凸出板塊表面的吊環(huán)進(jìn)行切割處理以保證表面平整度[23-24]。

2.2.5 接縫處理

(1)對(duì)于無(wú)筋混凝土板塊修復(fù)拼裝時(shí)接縫處理采用集料嵌鎖傳荷的4種常用方式：填石環(huán)氧灌縫法、環(huán)氧砂漿塞滿(mǎn)法、改性瀝青灌入法和快硬高強(qiáng)水泥灌入法[25]。這4種方法采用石料或黏結(jié)劑作為接縫填料，其中石料的主要作用是提供嵌擠作用傳遞荷載，黏結(jié)劑的作用是填在縫隙頂端來(lái)防止水分的侵入。

(2)接縫設(shè)置為企口搭接的形式是通過(guò)企口縫進(jìn)行榫接，以達(dá)到傳荷的作用[18]，企口搭接方式的傳荷效率通常高于集料嵌鎖形式。

(3)對(duì)原路面為傳力桿接縫形式進(jìn)行修復(fù)時(shí)，預(yù)制板預(yù)留好安裝傳力桿的槽孔，將傳力桿插入后用環(huán)氧樹(shù)脂灌孔進(jìn)行固定[20]，這種方式要求有更高的施工技術(shù)，同時(shí)也具有更高的傳荷效率。

預(yù)制修復(fù)技術(shù)在國(guó)外主要應(yīng)用于對(duì)破損的混凝土路面接縫和面板進(jìn)行間歇性的全深度修補(bǔ)。經(jīng)過(guò)上述分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，將預(yù)制板運(yùn)用于板塊維修時(shí)需要具備以下要求：板下充足支撐、接縫良好傳荷能力、新舊板塊之間高度的一致性、良好的長(zhǎng)期使用性能等。

3 連續(xù)裝配式水泥混凝土路面

連續(xù)裝配式水泥混凝土路面是利用工廠預(yù)制板塊進(jìn)行全道路裝配，相比傳統(tǒng)水泥路面具有更快的施工速度，更好的質(zhì)量控制，更長(zhǎng)期的耐久性，投入更少的維修成本，因此可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益[24]。主要針對(duì)現(xiàn)有的研究成果，從裝配式路面的尺寸、接縫、配筋、吊裝、基層等角度進(jìn)行全面梳理總結(jié)。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配式路面既要經(jīng)受使用過(guò)程中環(huán)境和交通荷載的重復(fù)作用，也要經(jīng)受得住安裝和拆除過(guò)程中的施工外力的作用，因此針對(duì)裝配式路面的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

3.1.1 尺寸設(shè)計(jì)

裝配式水泥混凝土路面板的尺寸設(shè)計(jì)包括板長(zhǎng)、板寬和厚度尺寸，其尺寸設(shè)計(jì)思路是在面層材料基本確定之后，設(shè)計(jì)其最佳的三維尺寸組合來(lái)滿(mǎn)足某一地區(qū)路面使用壽命期內(nèi)的溫度與荷載疲勞應(yīng)力作用下的路用性能要求。

連續(xù)裝配式路面板塊在初步尺寸設(shè)計(jì)時(shí)需要盡量采用大板塊來(lái)減少路面接縫。當(dāng)板塊形式為正方形時(shí)，板塊橫、縱向最大拉應(yīng)力都隨邊長(zhǎng)的增加而增加，并推薦采用邊長(zhǎng)為3.5 m的正方體板塊進(jìn)行后續(xù)研究[26]。當(dāng)長(zhǎng)方形板塊的尺寸大于3 m×4 m時(shí)，平面尺寸的變化對(duì)荷載作用下板底縱向拉應(yīng)力最大值幾乎無(wú)影響，當(dāng)尺寸大于7 m×8 m 時(shí)，溫度作用下產(chǎn)生的板底拉應(yīng)力的尺寸效應(yīng)也不明顯[27]，可見(jiàn)單調(diào)的增大板塊尺寸并不會(huì)一直提高板塊的抗彎拉強(qiáng)度。對(duì)于大板塊的尺寸設(shè)計(jì)，不應(yīng)單純考慮減少接縫來(lái)增大板塊尺寸，還應(yīng)在滿(mǎn)足荷載和溫度極限拉應(yīng)力的前提下，以板塊吊裝板底拉應(yīng)力作為控制指標(biāo)。

在厚度分析上出現(xiàn)了不同的研究結(jié)論，有學(xué)者認(rèn)為溫度翹曲應(yīng)力隨著板厚的增大而減小，也有學(xué)者認(rèn)為其隨板厚的增大先增大后減小并在板厚為22 cm處時(shí)出現(xiàn)峰值，如圖4所示[27-28]，筆者認(rèn)為這種差異主要是后者考慮了實(shí)際情況中的重力和層間接觸作用。當(dāng)預(yù)制板塊厚度增加時(shí)，面層荷載擴(kuò)散能力增加，基層頂面壓應(yīng)力也隨之減小[29]，所以建議在滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的前提下選擇較厚尺寸。

圖4 不同厚度下板體最大溫度翹曲應(yīng)力[27]Fig.4 Maximum temperature warping stress of plate under different thickness[27]

結(jié)合中國(guó)公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[30]，路面板長(zhǎng)度建議在4～6 m，寬度在3.5～4.5 m，厚度在22～26 cm，同時(shí)這也對(duì)板塊尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)提供了參考。外國(guó)研究者基于彎矩半概率分析方法，研究了不同板體尺寸與混凝土板厚之間的最佳組合形式如圖5所示，并建議道路使用板塊的最佳尺寸為長(zhǎng)4.6 m，寬4.0 m，板厚為27.7 mm[31]。

圖5 板塊尺寸與板塊厚度之間的關(guān)系[31]Fig.5 The relationship between plate size and plate thickness[31]

3.1.2 接縫設(shè)計(jì)

裝配式板塊與修復(fù)技術(shù)的接縫類(lèi)型相同，主要有3種接縫形式(表4)：集料嵌鎖式接縫、企口縫和傳力桿式接縫，其荷載傳遞方式分別對(duì)應(yīng)于：板塊之間的摩擦作用、榫卯結(jié)構(gòu)連接作用、傳力鋼筋傳力[32-33]。

表4 裝配式路面接縫設(shè)計(jì)常用形式Table 4 Commonly used forms of prefabricated road joint design

國(guó)外研究者利用有限元方法分析發(fā)現(xiàn)板坯在發(fā)生破壞之前板間接縫先發(fā)生破壞，所以保證接縫良好的傳荷性能更加重要，在使用傳力桿嵌入模型中時(shí)，傳荷效率最優(yōu)，這是傳遞荷載的最佳系統(tǒng)[32]。傳力桿的選取原則是光滑、圓柱、實(shí)心的鋼筋，并通常在外側(cè)以熔結(jié)環(huán)氧涂層的形式提供腐蝕保護(hù)，在直徑選擇上：對(duì)于厚度小于25 cm的板塊，建議選用32 mm的鋼筋，當(dāng)厚度小于36 cm時(shí)，建議選用 38 mm 的鋼筋；在長(zhǎng)度選擇上，建議選取45 cm；傳力槽間距建議為12 cm。

3.1.3 配筋設(shè)計(jì)

通常無(wú)需使用加固鋼筋即可滿(mǎn)足車(chē)輛荷載要求，但是為了減少在吊裝和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生裂縫的可能性或者滿(mǎn)足飛機(jī)荷載的要求，建議在連續(xù)裝配式路面板上使用加固鋼筋[37-38]。

蘇聯(lián)在對(duì)機(jī)場(chǎng)道面研發(fā)第一套裝配式路面系統(tǒng)時(shí)，由于飛機(jī)質(zhì)量過(guò)重以及沒(méi)有配筋導(dǎo)致混凝土脫落問(wèn)題頻發(fā)[39]。國(guó)外研究者在研究機(jī)場(chǎng)預(yù)制道面的配筋設(shè)計(jì)時(shí)，研究了不同鋼筋直徑下鋼筋變形量與承荷能力之間的關(guān)系如圖6所示[40]，在滿(mǎn)足變形量要求和荷載要求的前提下建議選取小直徑鋼筋。目前常采用的配筋形式是采用上下雙鋼筋網(wǎng)[37]，在板的橫向和縱向至少應(yīng)加固板橫截面積的0.2%，并采用雙環(huán)氧鋼筋以提高鋼筋抗腐蝕能力[41]。

圖6 鋼筋變形量與荷載大小的關(guān)系[40]Fig.6 The relationship between steel bar deformation and load[40]

3.2 吊裝設(shè)計(jì)

3.2.1 分析方法

板塊吊裝分析可以采用平面桿系和空間有限元兩種方法。平面桿系方法是將板塊簡(jiǎn)化為梁模型，而有限元方法則是利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析[20]，兩種方法都應(yīng)滿(mǎn)足板底彎拉應(yīng)力不大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，保證板塊在吊裝過(guò)程中板底不會(huì)出現(xiàn)裂縫。

3.2.2 應(yīng)力分析

研究發(fā)現(xiàn)，較小板塊不配置受拉鋼筋也能滿(mǎn)足要求，而較大板塊雖可避免更多接縫的出現(xiàn)，但其在吊裝時(shí)隨著板體尺寸或長(zhǎng)寬比的增大，板底最大拉應(yīng)力和撓度都會(huì)增加[29,36]，在板塊吊裝過(guò)程中易出現(xiàn)破壞斷裂或者拉斷現(xiàn)象，這需要在板塊尺寸設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行考慮分析。隨著吊點(diǎn)向板塊中間轉(zhuǎn)移，最大橫向拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置由板底移動(dòng)到板頂，由板塊跨中移動(dòng)到接近吊點(diǎn)的位置[29]，所以應(yīng)在板塊吊裝之前根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸選擇合理的配筋位置和吊點(diǎn)位置。

3.3 基層設(shè)計(jì)

基層與面板的均勻接觸對(duì)裝配式路面的性能影響尤為關(guān)鍵，在基層與面層間發(fā)生不均勻接觸時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫空狀態(tài)，由于在路面荷載作用下板塊受力不均勻極易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)板底脫空形狀無(wú)論表現(xiàn)為有規(guī)則還是無(wú)規(guī)則的椎體和柱體，面板所受不均勻荷載應(yīng)力大小只與板底脫空的總面積大小有關(guān)，而與脫空深度無(wú)關(guān)[42-43]，可見(jiàn)基層與面層的理想狀態(tài)是脫空面積最小即基層與面板完全接觸。

3.4 施工工藝

3.4.1 中國(guó)施工技術(shù)研究

目前中國(guó)常用的裝配式混凝土路面施工流程如下[43-47]。

(1)基層處理：方法①采用壓實(shí)和填平操作，在基層表面鋪一層3～5 cm的中粗砂層。方法②采用底部灌漿方式，需利用嵌在面板內(nèi)的螺紋螺栓將板塊進(jìn)行提升后通過(guò)預(yù)留孔道對(duì)板底進(jìn)行灌漿填充處理如圖7所示。

1為扳手; 2為預(yù)制板; 3為基層; 4為調(diào)平螺栓; 5為套筒

(2)模板制作與安裝：需采用30°角鋼作為路面的鋼護(hù)角，兩條錨固鋼的距離為30 cm，側(cè)?？刹捎脧U棄的鋼板，底部通常放置一層防水塑料布用于維持平整。

(3)綁扎鋼筋：安好底模后布置鋼筋網(wǎng)，捆扎兩層鋼筋的同時(shí)設(shè)置鋼筋的支撐層及放置保護(hù)層墊塊。鋼筋常用直徑205～212 mm，間距為200 mm。

(4)吊鉤預(yù)埋安裝：路面板塊的吊裝有鋼絲繩婁底、四角吊環(huán)兩種吊裝方式。在吊裝點(diǎn)內(nèi)埋設(shè)長(zhǎng)度大于35 cm的圓形鋼筋作為吊環(huán)，吊環(huán)需要嵌入到路面底部與面板下的鋼筋捆扎，露出的鋼筋部分需要做防銹蝕處理。

(5)混凝土澆筑：檢查側(cè)模、底模、鋼筋及預(yù)埋件的質(zhì)量后使用混凝土泵來(lái)澆筑混凝土。

(6)養(yǎng)護(hù)和拆模：當(dāng)混凝土澆筑12 h之后對(duì)面板進(jìn)行澆水處理，以及不少于7 d的覆蓋物養(yǎng)護(hù)工作，拆板須在澆筑混凝土1 d后進(jìn)行。

(7)道路板拆出：利用撬動(dòng)鐵棒撬動(dòng)路面板保證其完整，再由工作人員用吊裝設(shè)備吊起吊運(yùn)至目的地。

(8)使用安裝：在施工現(xiàn)場(chǎng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行道路板裝配，應(yīng)保證基層的平整性以及接縫的傳荷性能。

3.4.2 國(guó)外施工技術(shù)研究

國(guó)外裝配式路面施工技術(shù)整體流程與國(guó)內(nèi)大致相似，現(xiàn)將國(guó)外常用裝配式路面系統(tǒng)及施工技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)如表5[39-55]所示。

表5 國(guó)外裝配式路面系統(tǒng)[39-55]Table 5 Foreign precast pavement system[39-55]

4 預(yù)應(yīng)力裝配式水泥混凝土路面

水泥混凝土抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度是在進(jìn)行板塊設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要因素，對(duì)于提高板塊的抗彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)至關(guān)重要。預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土路面是通過(guò)后張法張拉鋼筋建造的一種尺寸更大的裝配式路面，這種方法可以增強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)特性并提高混凝土的抗彎拉強(qiáng)度，抵消荷載和溫度相關(guān)的應(yīng)力，并使板內(nèi)的接縫緊密閉合[38]，同時(shí)也可減小路面板厚度和橫向接縫數(shù)量。其關(guān)鍵設(shè)計(jì)和構(gòu)造功能主要包括：混凝土要求、接縫處理、環(huán)境條件、荷載傳遞、板塊加固及預(yù)應(yīng)力、板塊生產(chǎn)和安裝效率。該路面已廣泛應(yīng)用于高速公路和機(jī)場(chǎng)的建設(shè)中，尤其在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。

圖8 鋪沙找平[37]Fig.8 Leveling with sand[37]

圖9 用玻璃纖維和高密度聚合物填充切縫[39]Fig.9 Fill the kerf with glass fiber and high-density polymer[39]

圖10 板塊懸空灌漿法[40]Fig.10 Grouting method of slab suspension [40]

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在中外對(duì)于預(yù)應(yīng)力裝配式路面主要采用有限元法來(lái)分析來(lái)研究路面性能，主要需要設(shè)計(jì)參數(shù)包括尺寸、厚度、接縫、預(yù)應(yīng)力等[56]。

4.1.1 尺寸設(shè)計(jì)

外國(guó)學(xué)者根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行相關(guān)建議如表6所示。

表6 預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土路面建議尺寸范圍[38,55,57]Table 6 Recommended size range of prestressed fabricated concrete pavement[38,55,57]

4.1.2 厚度設(shè)計(jì)

在對(duì)厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮預(yù)應(yīng)力的影響，板塊的厚度可以隨著預(yù)應(yīng)力的增大而減小如圖11所示，但其最低不應(yīng)小于150 mm。接縫設(shè)計(jì)：為了減少對(duì)傳力桿槽的數(shù)量從而節(jié)約施工時(shí)間，有研究者設(shè)計(jì)出了只采用一根傳力桿件一種垛式接縫如圖12所示，其接縫傳荷系數(shù)可以達(dá)到97%[58]；提高接縫傳荷能力的另一種有效方式就是增加預(yù)應(yīng)力水平[33]。

圖11 預(yù)應(yīng)力與板塊厚度的關(guān)系[58]Fig.11 The relationship between prestress and plate thickness[58]

圖12 垛式接縫[58]Fig.12 Stacked joint[58]

4.1.3 吊裝設(shè)計(jì)

建議吊點(diǎn)放置在板長(zhǎng)的1/4處，并且在吊點(diǎn)處只需要頂部鋼筋而不需要底部鋼筋[58]。還有學(xué)者提出將預(yù)制板塊中間部分設(shè)為空心，并在板塊受拉下側(cè)貼一層玻璃纖維布，在增加強(qiáng)度的同時(shí)減少鋼筋用量，降低工程造價(jià)[59]。

4.1.4 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

預(yù)制板塊的最大應(yīng)力強(qiáng)度比隨混凝土模量、預(yù)應(yīng)力、基層剛度的增加而減小，而較低的計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度比表明路面具有較高的承載能力以及更好的預(yù)期性能[60]，這意味著在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力預(yù)制板塊路面設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮到混凝土和基層性能對(duì)路面體系的影響。目前預(yù)應(yīng)力筋的張拉有三處位置可供選擇：面板中心、面板表面以及接縫處[55]，且建議使用與預(yù)張拉絞線橫向且同向的單層普通鋼筋[37]。

4.2 施工工藝

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土路面在施工工藝上與連續(xù)裝配式路面大致相同，如基層處理，吊裝運(yùn)輸，接縫處理等都較為相似，區(qū)別最大之處在于預(yù)應(yīng)力路面在進(jìn)行板塊預(yù)制時(shí)需要對(duì)鋼筋進(jìn)行張拉處理。

在應(yīng)用預(yù)制預(yù)應(yīng)力技術(shù)修復(fù)混凝土路面時(shí)，也可以利用修復(fù)板塊錨固預(yù)應(yīng)力鋼筋的方式保持與原有板塊之間的鋼筋連續(xù)性，用快凝現(xiàn)澆材料來(lái)澆筑空隙[17]。鋼筋張拉分為初始張拉和最終張拉兩個(gè)階段進(jìn)行，張拉應(yīng)力分別為設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力值的70%和105%[33]，這種張拉方式可有效減少接縫寬度，使板塊結(jié)合更加緊密成為整體。也可采用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力施工方法進(jìn)行張拉，將無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與普通鋼筋進(jìn)行綁扎，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%時(shí)進(jìn)行張拉，張拉后用錨具進(jìn)行錨固[43]。施加預(yù)應(yīng)力后的板間傳荷方式也變?yōu)轭A(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土材料的摩擦與接縫傳荷二者綜合作用。

5 結(jié)論與展望

通過(guò)中外對(duì)預(yù)制式水泥混凝土路面的研究和應(yīng)用中總結(jié)發(fā)現(xiàn)，這一研究技術(shù)雖然起步較晚，但其在設(shè)計(jì)和施工中都有了較為豐富的研究經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)。目前該技術(shù)在應(yīng)用前景方面使用還不夠廣泛，主要原因有：①目前該技術(shù)沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，大部分結(jié)論都是根據(jù)模擬計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成，缺乏較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；②在部分設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，還存在一些問(wèn)題不能滿(mǎn)足實(shí)際工程需求，亟待進(jìn)一步解決；③該技術(shù)的初期經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)于普通混凝土路面較高，很多投資者還沒(méi)有看到其長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值。

未來(lái)的研究方向主要應(yīng)聚焦到適用于預(yù)制式水泥混凝土路面板塊的高性能材料和結(jié)構(gòu)性能的完善。在材料上可以向著具有非常高的抗壓或抗彎強(qiáng)度、更小的密度、更好的施工和易性、更易于工廠預(yù)制性等方向發(fā)展，還可以向著吸收噪音、吸收汽車(chē)廢氣等環(huán)保方向發(fā)展；在結(jié)構(gòu)上可以綜合考慮利用工廠預(yù)制的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)出不同的板塊尺寸、特殊的接縫形式，優(yōu)化選擇出更加適合預(yù)制式路面的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，并著重于吊裝和基層兩個(gè)角度對(duì)施工工藝進(jìn)行完善。