高等級水泥混凝土路面基本特性及施工質量的優化

郝新寶

（山西朔州路橋建設有限責任公司，山西 朔州 036000）

在國內外已建成通車的高等級道路中，路面結構的主要形式為瀝青和水泥混凝土路面。目前，水泥混凝土路面在整個高等級道路中所占比重較低，這是基于水泥路面現存的某些技術問題所致。

1 問題的提出

雖然在國內外高等級道路中水泥路面的應用較少，但道路工程學術界普遍認為，水泥路面的下述性能和技術優勢是十分突出的：

a）水泥路面是一種剛性路面，其受力形式為板式整體承壓結構。與分散受力的瀝青混凝土路面（柔性路面）相較，水泥路面對上部的動、靜荷載，特別是車輛的沖擊荷載的受力均勻且具有更好的承壓能力。有鑒于此，水泥路面更加適宜于在路基承壓能力較低的松散砂土基礎和水網沼澤地帶建設和使用。同時，我國廣大農村鄉鎮和偏遠地帶的較低等級道路，由于路基建設等級較低使得基層承壓較為薄弱，故選擇水泥路面結構更為適宜。

b）水泥混凝土路面材料主要是多種無機物質的混合物，這些原材料按照設定級配和制備工藝混合而成。路面形成強度后，對水（落雨和地表水）的侵蝕具有更強的抵御能力。因此，在落雨較多、地下水位較高和水網地帶的應用具有明顯的優勢。

c）在長期的運行中，因車輛故障（包括交通事故等）或使用不當難免會有一些油品（以車輛使用的汽、柴燃油和潤滑冷卻系統的各種機油為代表）遺落在路面上。與路用瀝青相較，這些油品屬于輕質稀油，與瀝青的接觸和混合必然使得已形成強度的瀝青路面出現嚴重的乳化現象，使路面形成腐蝕和松散破壞。而水泥路面由于材料的組成基本是無機物質，其化學組成的相對穩定性對這些油品的侵蝕具有較強的抵抗能力。

d）水泥路面的材料混合（制備）過程在常溫下（但施工時的環境溫度必須高于冰點。為了保證道路的施工質量，水泥路面的施工期、包括必要的養生期，應在當年春暖后開始，而在冬季來臨前完成）進行，故路面混凝土材料在制備、轉運、攤鋪和壓實等所有施工工序無需進行加熱作業，施工成本相對較低，工藝也相對簡單，且在整個施工（包括材料制備）期間基本不會產生有害排放。

e）在正常情況下，水泥路面的使用壽命明顯高于瀝青路面。如山西省第一條現代意義上的高等級道路是建成于20世紀30年代后期的太原市城南公路（市中心至南郊黃陵，約25 km），整條道路為寬7.5 m的水泥混凝土路面（路面厚度300～350 mm）。該道路建筑質量甚佳，一直到20世紀后期仍在正常使用，直至21世紀初才被瀝青混凝土路面所取代。

雖然水泥路面具有一定的技術優勢，但其建設和使用中的一些弱勢也是十分明顯和突出的。有鑒于此，如果對水泥路面的路用特性及施工工藝進行充分研究，有的放矢地解決某些存在的技術問題，必將有力地促進水泥路面的快速發展和規模應用。

2 水泥路面存在的主要問題和解決方案

2.1 剛性受力使得行車振動較大 舒適性較差

水泥路面的材料主要是各種粒徑級配的礦料與作為黏結劑的水泥和水混合而成，經攤鋪和養生后形成剛性板塊承壓結構的道路面層，對上部車輛的沖擊和振動荷載基本沒有吸收作用，因此這些振動又被反射回行駛車輛自身來承受，因此行車振動較大，舒適性較差。

水泥路面的剛性受力結構是造成行車振動較大的主要原因。行車對路面造成的沖擊荷載與車輛自身的質量和沖擊速度的平方成正比，由此可建立相應的數學模型進行量化：

式中：F為車輛對路面形成的沖擊荷載；k為綜合系數；m為車輛自身（包括自重和承載質量）的總質量；v為車輛行進時對路面形成的相對速度。

顯然，在行車自身的總質量決定之后，車輛對路面形成的沖擊荷載的大小取決于車輛行進時對路面形成的相對速度。而這個相對速度由兩部分組成，一是車輛行進的速度由人為和車輛自身性能決定，是難以改變的；二是由于路面的不平整使得車輛行進時對路面產生的瞬時沖擊。顯然，后者是能夠通過提高道路施工時的質量，特別是提高路面的平整度來弱化，從而盡可能減少車輛對路面形成的沖擊荷載。

平整度較低一直是水泥路面建設質量的瓶頸之一，筆者認為做好下述工作對提高水泥路面的平整度是非常重要的：

a）適當減少水泥混凝土制備時材料的含水量。水是水泥和級配礦料良好結合的必備，但水量過大會大大提高混凝土路面形成強度過程中的彎沉值，從而造成路面平整度的下降[1]。因此混凝土材料中的含水量應在設計范圍內取低值，同時應根據施工季節、環境溫度、空氣的相對濕度和材料制備基地與路面攤鋪地點的相對運距等指標的不同隨時進行必要的調整和優化。

b）減少材料在運輸和攤鋪過程中的離析。水泥混凝土在運輸和攤鋪過程中的材料離析較瀝青混凝土更為嚴重[2]，為了盡量規避此類問題，應特別注意盡可能縮短材料的運輸距離，并在運輸過程中采取慢速攪拌等防離析措施。

c）攤鋪過程。在水泥混凝土路面攤鋪過程中，攤鋪機必須保證勻速連續作業，并采用變螺距攤鋪（輸送）器以減少混凝土材料在輸送（特別是8 m以上的大寬度攤鋪）過程中的材料離析。

2.2 水泥混凝土路面抗滑構造壽命較低

有別于瀝青混凝土路面，水泥路面自身難以形成較好的抗滑構造，所以必須在攤鋪工藝中加設抗滑構造制作工序（橫向刻紋）。但這種抗滑構造在長期的車輛磨耗下通常只能維持2年左右。當水泥混凝土路面形成強度后，重新制作抗滑構造十分困難，作業效率低且工程成本很高。目前抗滑構造的后期制作工藝和相關設備在國際范圍內尚未成熟。我國交通運輸部科研院和山西省交通科學研究院曾立項研發水泥路面抗滑構造專用施工設備并已完成相應的成果，但終因作業效率和施工成本等問題而難以規模推廣。筆者認為，在目前階段可以考慮采用下述方案盡量提高路面抗滑構造的使用壽命。

a）適當加深抗滑構造的深度。在相同荷載及車流數量前提下，抗滑構造的有效厚度（即刻紋深度）與使用壽命成正比。圖1是在此前提下抗滑構造厚度與使用壽命的數據曲線。

圖1 抗滑構造厚度與使用壽命的關系

但抗滑構造的深度不宜過大（其具體數據并非常數，而與其橫向間距和混凝土材料的組成有關），否則不僅會增加工程費用和作業難度，而且會影響路面的整體強度。

b）道路表面以高硬石料鋪筑。水泥混凝土路面材料組成中的級配礦料可根據設計選配不同的石質和礦渣材料，如筆者所在的山西晉中地區主要有石灰巖、青石、玄武巖和閃長巖等。這些礦料的硬度不同，其耐磨性能指標也存在較大的差異，但采用玄武巖和閃長巖等高硬石料的道路表面抗滑結構的使用壽命可較其他石料高出3～5倍。因此，以高硬石料鋪筑的水泥混凝土路面能夠明顯提高抗滑構造的使用壽命。

c）水泥路面材料再生難度較大。新世紀以來，材料的再生利用和節能減排已成為我國各行業的共識和基本國策，但基于水泥路面的特殊性，其材料的再生利用尚處在較為初級的階段，很難作為路面材料再生利用，只能以冷再生方式將其作為道路基層的填料，再生利用價值有限。但作為一種有別于松散泥土的物質，路面舊材料能夠在粉碎至一定粒度后作為工民建筑的預制水泥構件的原材料進行再生利用。山西省公路工程建設和養護單位也將其作為路緣石和城鎮道路邊側人行道的預制鋪筑件制作的原材料進行再利用，取得了良好的成果。相信通過和借鑒相關領域的技術進步，水泥路面材料的再生利用會取得更大的成就。

3 結語

作為一種高等級道路的主要路面結構形式，水泥路面的建設質量也反映了一個國家或地區道路交通事業的整體水平，相信隨著我國科學技術的不斷進步，水泥路面的總體技術水平會隨著某些技術瓶頸的逐步克服而迅速提高。