摘要:水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，以其强度高、稳定性和耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护费用少等优点而得到了广泛的应用。为了更好地解决水泥混凝土路面的施工设计与维护中常见的问题，文章介绍了水泥混凝土路面的结构与特点，以及在施工设计中应该注意的几个问题，同时结合工作经验介绍了部分维修技术。
关键词：水泥混凝土；路面；结构设计；维修
道路主要是由路基和路面组成。路基是在地表按照道路路线位置和一定技术要求开挖或堆填而成的岩土结构。路面是在路基顶面行车部分用各种坚硬材料铺设的层状结构物。有了路基路面，车辆才能沿着预定路线，通畅、快速、安全、舒适、经济地运行。路面是道路结构的重要组成部分，其功能是供汽车在其上以一定的速度安全、舒适、经济地行驶。路面的好坏直接影响到行车速度、运输成本、行车安全和舒适程度。水泥混凝土路面作为一种高级路面结构形式，因其强度高、稳定性好、耐久性好、耐高温、耐磨耗以及养护费用少等优点而得到了广泛的应用。城市道路中水泥混凝土路面所占的比例更高。可以预言，随着我国社会经济和交通事业的迅速发展，水泥混凝土路面将会得到更加广泛的应用。
(一)水泥混凝土路面的特点
一般而言，水泥混凝土路面的结构层次由上而下为：面层、基层、底基层。路面结构的主要功能是承受汽车荷载的作用。汽车荷载在路面结构中自上而下传递，由于扩散的作用，路面结构中的应力随着深度的增加而减小。因此，一般水泥混凝土路面各个结构层次的强度和刚度自上而下逐渐降低。水泥混凝土面层即路面板，是直接也是主要承受荷载的层次。路面板的厚度一般为18~26cm。为了避免混凝土收缩产生不规则的裂缝，路面板一般要切缝以释放应力。通常切缝后板块的长度为4～6m。水泥混凝土主要是由天然砂、石材料和水泥经过一系列物理和化学反应的产物，是以水泥浆为结合料，将矿质骨料胶结在一起而形成的具有一定力学性能的复合材料一般的基层材料有碎石、砂砾、石灰一粉煤灰稳定粒料、水泥稳定粒料、碾压混凝土或贫混凝土等，最常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料。
路基主要是由土、石材料在原地面上修筑而成，结果简单。由于地形的变化和填挖高度的不同，使得路基横断面各不相同，典型的路基横断面有路堤、路堑、半填半挖三种。它们由路基的边坡、路肩以及支挡和排水构造物等所组成。面层是直接同车轮和大气相接触的结构层。它承受车辆荷载的较大作用，又受到降水的侵蚀和气温变化的不利影响。因此，同其它层次相比，面层应具有较高的结构强度和稳定性，而且要耐磨、防滑，其表面还应有良好的平整度和粗糙度。路面的使用品质主要取决于面层。
水泥混凝土路面层可以按组成材料或施工方法的不同，分别采用普通混凝土、碾压混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、钢纤维混凝土、预应力混凝土或混凝土预制块等铺筑。
1．普通混凝土面层。普通混凝土路面层或称设接缝素混凝土面层，是指除接缝处和一些局部范围(如角隅、边缘或孔口周围)外，面层板内不配制钢筋的水泥混凝土面层。这是目前应用最为广泛的一种面层类型。道路路面的混凝土面层通常采用等厚断面，其厚度变动在180~300mm范围内，视轴载大小和作用次数以及混凝土强度而定。
2．碾压混凝土面层。普通混凝土面层通过在混凝土混合料内部进行振捣使之密实成型，而碾压混凝土面层则采用路碾在混凝土混合料表面进行压实成型。这类面层具有不需专用的混凝土铺面机械施工，完工后可以较早地开放交通，以及可以通过粉煤灰掺代水泥而降低造价等优点。然而其表面的平整度较差，混合料性质的均匀性也较差(也即变异性大)，接缝处难以设置拉杆或传力杆。因而，碾压混凝土面层目前只主要用于行车速度不太高的道路、停车场或停机坪的面层；或者用作下面层或基层。碾压混凝土混合料的集料公称最大粒径为19mm；用作下面层时，最大粒径可略大。水泥用量不低于280kg／m3(非冰冻区)或310kg／m3。(冰冻区)。面层厚度和接缝设置与内部振捣式普通混凝土面层相同。
3．钢筋混凝土面层。这是一种为防止混凝土面层板产生的裂缝缝隙张开，而在板内配置纵向和横向钢筋的混凝土面层。通常，它仅在下述情况下采用：(1)板的长度较大，如6～8m以上；(2)板下埋有沟、管、线等地下设施或者路基可能产生不均匀沉降而使板开裂；(3)板的平面形状不规则或板内开设孔口等。
4．连续配筋混凝土面层。这是一种除施工缝外在路段长度内不设横缝，而配置纵向连续钢筋和横向钢筋的混凝土面层。纵向钢筋的配筋率通常为0．6％～0．8％，横向钢筋的用量约为纵向钢筋的1／5～1／8。连续钢筋混凝土面层的厚度，可与普通混凝土面层的厚度相同，或为后者的0．8～0．9倍。由于不设横缝，面层会产生横向收缩裂缝，其平均间距约为1．0～4．5m。但由于纵向钢筋的作用，缝隙的宽度较小平均约为0．2～0．5mm。为了约束连续配筋混凝土面层端部的过量纵向位移，以减小对邻接构造物或其他路面的推力(或压力)，在其端部需设置钢筋混凝土矩形地梁或宽翼缘工字钢锚固措施。这类面层由于钢筋用量大，造价较高，一般适用于高速公路或交通繁重的道路。
(二)水泥混凝土路面设计中应该注意的几个问题
1．混凝土路面结构设计
主要是提供一种寿命周期费用最小的路面结构，使其在设计基准期内按规定的可靠度水平，承受预期交通荷载的作用，满足预定使用性能的要求。路面结构设计是在合理选择和组合路面结构的基础上，分析各设计变量同结构响应和使用性能指标问的关系，由此确定所需要的混凝土面层厚度及其它结构参数。2002年的《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40--2002)，总结吸收了近年来最新的研究成果，主要增加了路面结构可靠度设计和加铺沥青面层的设计方法，并针对重荷载，修正了应力计算公式，拓宽了应力分析使用范围，充实了连续配筋混凝土面层配筋方法，细化了路面结构组合和材料组成性质参数要求，修改了旧混凝土路面调查和评定方法，还补充了交通分析方法。
在进行混凝土路面设计时，如果能大概知道所拟定的路面结构究竟能承受多大车辆荷载的作用而不至于破坏，那么将对设计起到很大的帮助作用。因此，可以从路面结构极限承载力的概念出发，在给定各级车辆的轴载大小的情况下，可以通过反算而拟定出满足承载力要求的典型路面结构形式。见表l。
表1拟定的典型路面结构与材料性质
水泥混凝土路面结构设计的任务是以最低的寿命周期费用提供一种在设计使用期内满足预定使用性能要求的路面结构。路面的设计使用期是指新建或改建的路面从开始使用至使用性能退化到预定的最低标准时的时间段。路面使用性能包括结构性能和功能性能，在路面的使用期内随行车荷载和环境因素的不断作用而逐渐衰减，路面在使用末期内不一定损坏到无法使用，而是必须采取重大的措施(例如加铺面层等)以恢复其使用性能。路面使用初期的使用性能主要与施工技术水平和施工质量有关，在行车荷载和环境因素的综合作用下，其使用性能退化的速率主要与路面结构的物理性质有关。水泥混凝土路面是一种复合式结构，路面结构的物理性质主要包括4方面：复合结构的组合性质；各结构层的材料性质；面层接缝和配筋等构造的性质；路面表面的构造特性。
水泥混凝土路面结构的设计内容主要包含结构、材料和表面特性，主要分为以下七部分：
(1)行车道路路面结构的组合设计。根据当地的环境条件、交通要求和材料供应等情况，选择路面的结构层次、各结构层次的类型和厚度以组合成能提供均匀、稳定支承、减轻或防止卿泥和错台等病害、承受预期车辆荷载作用、满足路面设计使用性能和运营费用要求的路面结构。
(2)面层接缝构造和配筋设计。确定面层板块的平面尺寸，选择和布置路面接缝的类型和位置，设计接缝的构造(传荷装置和填封)，确定板内的配筋用量和钢筋布置。
(3)路面排水设计。选择路面内部排水系统的布设方案，确定各项排水设施的构造尺寸和材料规格要求。
(4)路肩铺面结构层组合设计。选择路肩的结构层次、各结构层的类型和厚度。
(5)面层厚度设计。确定为满足设计使用期内要求所需的混凝土面层厚度。
(6)各结构层材料组成设计。选择合适的组成材料，进行配合比设计以提供满足各结构层性能要求的混合料。
(7)路面表面特性设计。进行路面结构的路面抗滑和降噪设计，提供满足抗滑、低噪声要求的路面表面的技术措施。
2．结构厚度设计方法步骤：
考虑混凝土路面的极限承载能力时，路面结构的设计流程和方法与普通水泥混凝土有所不同，基本可遵循下述步骤进行：
(1)收集并分析交通参数。采集初始年日平均交通量和交通组成、轴载谱、历年交通量及交通组成，确定方向分配系数和车道分配系数。在此基础上计算轴载换算系数和设计车道标准轴载日作用次数，选定设计使用期和交通量平均增长率，计算设计使用期内标准轴载的累计作用次数。根据重载车辆的轴载分布特征，通过概率统计的方法，推算设计期内对应不同出现概率的最大轴载值。
(2)确定最不利车辆轴载值和温度梯度值。根据公路所在自然区划，按规范给定的最大温度梯度值，绘制该区的日温度梯度频率分布曲线。综合考虑车辆轴载与温度梯度，得出一定总体保证率下对应的最不利车辆轴载值和温度梯度值。
(3)初拟路面结构。按交通状况、环境(气温和降水)、土基(土质、地下水位)和材料供应等条件，选择路面结构层次组合及各层的类型和材料组成，拟定各结构层的厚度、面层板的平面尺寸及接缝类型和构造。
(4)混合料组成设计及设计参数确定。设计面层和基层混合料的配合比，试验确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量以及基层、垫层和土基的回弹模量。
(三)水泥混凝土路面维修技术
随着公路达到使用年限逐渐产生破坏，最终需要作某些处理。为了提高该路段的养护技术和服务水平，最大限度地发挥起功能，使有限的资源获得最大的价值，为公路使用者提供安全、舒适和经济的服务，对该路段的大中修或改善养护规划就显得至关重要。处理的方法根据实际情况，可以从简单的维修，直至彻底重建，对于承受中等和繁重的交通的路面，最普遍的处理方法实在就路面上铺设加铺层。水泥混凝土路面根据使用质量评定，需进行大修时，应根据面积、基础、面层情况、交通量等，分别选用水泥混凝土路面或沥青路面结构。在进行旧混凝土路面加铺层之前，应调查下列内容：
(1)公路修建和养护技术资料。路面结构和材料组成、接缝构造及养护历史等；
(2)路面损坏状况。损坏类型、轻重程度、范围及修补措施等；
(3)路面结构强度。路表弯沉、接缝传荷能力、板底脱空状况、面层厚度和混凝土强度等；
(4)已承受的交通荷载及预计交通需求，交通量、轴载组成及增长率等；
(5)环境条件。沿线气候条件、地下水以及路基和路面的排水状况等。
另外，接缝是水泥混凝土板块的薄弱部位，一旦填缝料老化损坏，要立即更换填缝料，否则冬季水泥混凝土板块收缩，填缝料与板块之间被拉开形成孔隙，雨雪水渗入路基，造成板块卿泥。此外，坚硬的石子落入缝内，夏天板块受热膨胀，石子易将板边挤碎。填缝料的修复办法较为简单，主要是将旧填缝料和接缝清干净，重新灌入新填缝料，其关键是保证填缝料的更换，应做到饱满、密实、粘接牢固，保持接缝完好，表面平顺，清缝、灌缝宜采用专用机具。同时，填缝料更换宜选在春秋两季，或在当地年气温居中且干燥的季节进行。孔洞、坑槽主要是由于混凝土材料中夹带块木、纸张和泥块等杂物所致，影响行车的舒适性。其修补应根据不同情况采取相应的措施，对个别的坑洞，应清除洞内杂物，用水泥砂浆等材料填充，达到平整密实：对较多坑洞且连成一片的，应采取薄层修补方法进行修补；低等级公路对面积较大，深度在3cm以内，成片的坑洞，可用沥青混凝土进行修补。
(四)结束语
我国目前正处于经济大发展阶段，已有的路面无法满足日益增长的车辆运行，刚度大，荷载扩散能力强、稳定性好的水泥混凝土路面在我国目前的基础建设中仍将有相当的发展前景；另一方面随着石油价格一路攀升，导致沥青价格逐年上涨，直接引起高速公路沥青混凝土路面造价的提高。随着材料科学的深入研究，各种化工废料、矿渣都已经变废为宝，制成了各种性能和用途的水泥。水泥作为一种筑路材料，以其取用材料广泛，造价低，在我国具有广阔的发展空间。
参考文献:
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