水泥混凝土路面技术特点分析与发展建议

刘建伟， 申俊敏， 虞文景

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 黄土地区公路建设与养护技术山西省重点实验室， 山西 太原　030006)



水泥混凝土路面技术特点分析与发展建议

刘建伟， 申俊敏， 虞文景

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 黄土地区公路建设与养护技术山西省重点实验室， 山西 太原030006)

[摘要]结合国内外水泥路面研究现状，从我国水泥混凝土路面的耐久性、经济性、环保效益、社会效益等方面分析其优缺点，针对水泥混凝土路面缺点的6个方面，提出新的对策，建议发挥优势资源，改进设计理念，积极发展水泥混凝土路面，列举了5个工程案例，在解决我国水泥路面现有问题上提出了具有实际意义的理念和举措。

[关键词]道路工程； 水泥混凝土路面； 技术特点； 配筋混凝土路面； 建议

1概述

我国交通事业发展迅猛，2013年底高速公路通车里程达10.4万km，登上了世界第一的位置，但路面类型却几乎都为沥青路面，水泥路面在高速公路中的应用逐年减少。调研发现[1]，韩国高速公路建设从路面寿命周期成本、地方资源利用和环境保护角度考虑，63%的高速公路采用了水泥混凝土路面，而我国却大量进口韩国沥青铺筑沥青路面，这种对比差异值得反思。

从资源节约和环境保护角度考虑，无疑应大力发展水泥混凝土路面，但我国现实情况是水泥路面行车舒适性差，有重载车通行的水泥混凝土路面极易产生早期断板、破碎、错台等病害，加之维修困难，一般在路面类型方案研讨时就被否定[2-4]。

本文拟从建设单价、使用寿命周期成本的分析说明水泥路面的经济合理性；从施工温度、能耗、污染物排放等方面的实测数据，反映水泥路面对建设环境友好型社会的重要贡献；从水泥、钢材等长线产品及砂石等地方材料的大量应用说明水泥路面建设对发展地方经济重大意义。文内通过省内配筋混凝土路面的工程案例，介绍了相关的施工工艺及应用效果。最新颁布的《钢筋焊结网混凝土结构技术规程》(JGJ114-2014)中对桥面、路面的有关规定和编写说明[5]，可对配筋混凝土路面的应用和发展提供依据。

2水泥混凝土路面技术特点分析

要想今后在高等级公路中发展水泥混凝土路面，必需认真总结多年来我国水泥路面发展过程中的经验教训，对这种路面的性能作全面、客观的分析研究[6]。

2.1耐久性问题

路面对设计汽车荷载的适应性及有效使用年限，是选择路面类型的重要依据。配筋的水泥混凝土路面，特别是连续配筋混凝土路面被国外公认是能适应重载交通、耐久性好的长寿命路面结构，有不少经50～60 a使用且路面平整、接缝无错台的工程案例[7，10]。在我国水泥路面“短”寿命可能有以下几方面原因：

2.1.1面板结构

我国广泛采用的“普通混凝土路面”，面板内没有在适当层位配置能分布荷载、预防和控制面板开裂的钢筋焊接网片，在重载作用下混凝土面板不仅长度较短(5 m左右)、路面平整度较差，而且极易在荷载、温度疲劳应力作用下，产生断板、破碎病害。路面接缝结构也不能保证传力杆准确定位，从而易在临近接缝位置产生开裂。因此，在普通混凝土路面中，将素混凝土改为“配筋混凝土”并大量发展“连续配筋混凝土”面板结构，应是提高水泥路面耐久性的主要技术措施。

2.1.2工程质量控制

在路面结构设计合理前提下，施工质量决定了路面的耐久性。

工程质量应从地基处理，路基、基层施工；水泥混凝土路面组成材料的选择，材料配合比的正确设计；混凝土的拌制和运输、施工工法选择和各工序的质量控制；路面养生和接缝处理；工程机械的配套选择和使用等各个环节加以控制，相关管理技术只有在工程实践中才能完善提高。在缺少有实践经验的技术人员状况下，技术培训是十分重要的。

工程质量不良也是我国水泥路面耐久性差的重要原因之一。

2.1.3养护维修

正确设计、施工的水泥路面和沥青路面相比，早期病害少、维修周期长。但板块式普通混凝土路面的接缝预防性养护、路面日常和定期的观测和调查，了解病害状况(类型、段落、发展程度)，分析病害原因，制定维修计划，及时进行病害处理，也是保证和延长路面使用年限的重要一环。

2.2经济分析

2.2.1建设单价比较

为了比较沥青路面和水泥路面的建设单价，选用我省近年高速公路设计的重载交通典型路面结构，按同年材料单价和国家公路工程预算编制办法，计算不同路面的建设单价如下：

① 沥青路面(见图1)。

常用结构为：

图1　常用沥青路面结构Figure 1　Common asphalt pavement structure

按石油沥青单价5 500元/t，改性沥青单价6 350元/t，碎石100元/m3计，18 cm厚沥青面层平均单价为196.56元/m2。

② 普通素水泥混凝土面板。

设计厚度30 cm，按水泥单价415元/t，碎石100元/m3计，计算单价为161元/m2。

③ 配筋水泥混凝土路面。

a. 30 cm厚水泥路面板块中若增设Ф6mm钢筋焊网，按水泥单价415元/t，碎石100元/m3，钢筋单价4 390元/t计，计算单价为173.99元/m2；

b. 30 cm厚水泥混凝土板块中，若增设Ф8 mm钢筋网，单价为184.09元/m2。

c. 连续配筋混凝土路面，面板厚度25 cm，可较普通水泥混凝土板块厚度减薄5 cm，面层按0.7%的纵向配筋率，相应单价为173.70元/m2。

上述比较可知，重载条件下沥青面层造价最高(196.56元/m2)，素混凝土面板造价虽低(161元/m2)，却无法保证使用质量。在配筋混凝土路面中，连续配筋混凝土路面造价最低(173.70元/m2)。

2.2.2使用寿命周期成本比较

按前述路面结构，沥青路面采用大修寿命15 a，素混凝土面板实际大修寿命按5 a计，配筋水泥混凝土路面可按30 a计，相应使用寿命周期的建设成本如下：

沥青路面：13.10元/(年·m2)

素混凝土路面：32.20元/(年·m2)

配Ф6 mm钢筋焊网水泥路面：5.80元/(年·m2)

配Ф8 mm钢筋焊网水泥路面：6.14元/(年·m2)

连续配筋水泥混凝土路面：5.79元/(年·m2)

上述比较可知：从使用寿命周期建设成本分析，重载条件下，素混凝土面板成本最高(32.20元/(年·m2))，连续配筋混凝土路面最低(5.79元/(年·m2))。

除面层外，配筋水泥混凝土路面基层、底基层厚度可较沥青路面减薄，养护费用也可大幅降低，国外有资料表明，若包含养护成本，水泥路面的寿命周期成本仅为沥青路面的1/3。由此可见，发展配筋水泥混凝土路面有巨大的工程经济效益。

2.3环境效益

2.3.1施工能耗分析

沥青路面必须在高温(160～180 ℃)条件下拌和，摊铺，加热沥青混合料平均耗费柴油6.8 kg/t，每km四车道沥青路面，仅混合料加热即需柴油65.79 t，而水泥混凝土路面为常温条件下冷态施工，能耗明显小于沥青路面。

2.3.2环境影响分析

沥青路面施工有一定的环境污染，国家环境测试中心检测，沥青路面现场有害物浓度见表1。有关单位对隧道内热拌沥青混合料排放检测值见表2。

表1 沥青路面施工现场有害物浓度Table1 Harmfulconcentrationofasphaltpavementcon-struction有害物检测值/(mg·m-3)沥青烟21.1苯可溶物19.5苯并芘0.094

表2 隧道内热沥拌沥青混合料排放检测值Table2 Emissionvaluesofmixasphaltmixtureinthetunnel排放物检测值排放物检测值CO85×10-6NO20.04×10-6NO1.0×10-6苯并(α)芘0.93mg/m3SO25.32mg/m3

由于水泥路面使用的均为无机材料，且为冷态施工，施工过程对环境基本不存在大气污染问题。

2.3.3热岛效应

在阳光照射条件下，沥青路面因黑色面层吸热能力强，路面平均温度可较浅色的水泥路面高10 ℃，这对消除城市中的“热岛”效应、降低能耗有现实意义。

2.4社会效益

我国高速公路所用A级沥青全部依赖进口或以优质进口原油生产。分析2002～2014年间公路工程材料单价变化可知：13 a间石油沥青单价由2 000元/t上升为5 200元/t，单价上涨1.6倍。地材中32.5水泥单价由250元/t上升为300元/t，单价仅上涨0.2倍；钢材单价由2 400元/t上升为3 500元/t，单价上涨0.46倍(见表3、图2)，因此沥青路面单价增幅较大。更主要的是，我国是世界上水泥、钢材生产大国，2013年全国和山西的水泥、钢材产量如表4所列，两种材料现均为国内长线产品，国家要求各地大幅核减产量。因此，大力发展配筋混凝土路面可确保材料稳定供应和降低工程造价，不仅有利于交通事业的发展，而且有利于地方材料的充分利用和国民经济的整体发展。

表3 山西省2002～2014年公路工程材料价格汇总表Table3 HighwayengineeringmaterialpriceinShanxiProvincefrom2002to2014年份A级石油沥青/(元·t-1)改性沥青/(元·t-1)柴油/(元·kg-1)带肋钢筋/(元·t-1)32.5水泥/(元·t-1)2002200028002.724002502003220030003.230002552004250033003.735002652005235031503.933002622006440052005.231002502007380046005.435002552008490057007.1575029520094000480063950300201050005600741353402011570063008.3251003402012586064008.334300320201356506250836003102014520059008.143500300 注:表列数据源自本省交通建设定额站

图2　山西省2002～2014年公路工程材料价格变化图Figure 2　Price variation of highway engineering material 　　　in Shanxi Province from 2002 to 2014

表4 2013年全国、山西水泥、钢材产量表Table4 Cementandsteelproductionofthenationalandshanxiin2013地区水泥/万t钢材/万t全国241440106762山西4035.64464

2.5对水泥混凝土路面缺点的分析

2.5.1对路基稳定性要求高

水泥混凝土板作为刚性路面，对不均匀沉降变形适应性差，因此在软弱地基、路基填挖交界、台(墙)背填方、构造物顶部回填等路段，应对可能的不均匀沉降采取有效技术措施处理，否则不宜铺筑水泥混凝土路面。未作有效处理时，这些段落也可先铺沥青表处类简易路面，待沉降稳定后再铺水泥路面。

对隧道、挖方路段、经有效技术处理后的填方段，以及在旧路改造中的老路基，均宜直接采用配筋水泥混凝土路面。

2.5.2水泥混凝土路面养生期长

水泥混凝土路面要求有成型养生期，开放交通时间因水泥品种而异，其中早强硅酸盐水泥不少于1周；硅酸盐水泥不少于2周；矿渣硅酸盐水泥不少于3周。这和沥青路面摊铺后路面温度≤50 ℃即可开放交通相比，存在明显的差异。

在新建工程中，工期较长，不同工程有相应的工期安排；在多车道路面施工中，不同车道的有序施工，不应存在路面养生期长短影响工程的问题。

在水泥路面破损维修中，路面养生对行车有一定影响，一般可通过选用早强材料、采用预制混凝土板等技术措施尽量减少影响。

2.5.3行车舒适性差

以往水泥混凝土路面行车舒适性差，主要原因是路面多为板块式“普通水泥混凝土”，路面板长短(4～6 m)、接缝多、接缝位置平整度受施工影响大、平整度差；在养护过程中易产生接缝材料老化脱落、渗水汲浆、接缝错台、板底脱空等病害；加之重载车行驶作用下，素混凝土面板抗疲劳性差，易产生面板断裂、破碎等病害，因此水泥混凝土路面和沥青路面相比，成为不受使用者欢迎的路面结构。

随着配筋混凝土路面的采用，普通混凝土路面板长可增长1倍，还可避免大量早期病害。特别是连续配筋混凝土路面的应用，在桥梁等构造物间水泥路面全程无接缝，因此路面平整度可大幅提高，各种病害可基本消除，水泥路面行车舒适性也可从根本上得到改善。

复合式路面结构的发展，使得希望行车舒适性好、路面强度高、耐久性好的永久性长寿命路面的愿望得以实现，这也应是今后水泥路面发展的一个重要方向。

2.5.4造价高、维修养护困难

由于承受汽车荷载的水泥路面板体最小厚度要求(不应小于18 cm)，因此在小交通量的低等级公路中，和厚度≤3 cm的沥青表面处治相比，水泥路面造价一般较高。但如前所述，高速公路和其他重载、大交通量条件下，就我国现有路面结构设计和材料单价计算，水泥路面建设单价一般低于沥青路面。

路面使用寿命周期成本取决于路面维修养护周期，我国以往的状况是水泥路面早期损坏严重，因此路面寿命周期成本高、维修养护较沥青路面困难，成为影响水泥路面发展的主要原因，也是在我国重新认识和发展水泥混凝土路面需首先解决的问题。

2.5.5噪音大、抗滑性差

车辆在水泥路面上行驶，驾乘人员有震动较大的感觉，但实测资料表明，行车在车外的环境噪音和抗滑能力并不较沥青路面差。若在水泥路面结构中采用集料露出工艺和纵向刻槽技术(包括磨光路面的刻槽维修)，对提高水泥路面的降噪、抗滑性能均为有效技术措施。

2.5.6配套机械设备不足

和当前沥青路面新建、维修工程成熟、完善的配套机械设备相比，由于水泥路面应用少，国内配套机械设备研发、生产得也少，因此也对水泥路面的发展有影响。

现在水泥路面原材料供应、混凝土的生产和运输等均已社会化。滑模摊铺机数量虽多，但缺少有效的混凝土材料输送布料配套机械。采用模板法施工时，虽已大量应用排式震捣器和三辊轴摊铺机施工，但多功能的综合施工机械仍待开发。在发展配筋混凝土路面方面，国内工厂化生产的钢筋焊网可大量供应，为配筋混凝土结构应用和质量控制提供了有利条件。

随着水泥路面的发展应用，各种机械设备必然会得到配套发展。

3山西省配筋混凝土路面工程案例

3.1夏汾高速公路水泥路面改造

夏汾高速公路改造范围主线53.925 km，路基宽26 m，路面宽2×11.25 m，面板厚26 cm，为运煤重载路线，因素混凝土路面破损严重，2009年按复合式路面改建，其中破碎板60 268 m2分别按配钢筋焊网普通混凝土和连续配筋混凝土更换面板，桥面修复全部采用钢筋焊网。

作为运煤重载高速公路，通行车辆中近80%为大型运输车辆，该段水泥路面经改造后5 a，使用性能完全满足要求，效果良好。

3.2太古高速公路

太古高速公路是我省近几年修建的唯一一条全线水泥混凝土路面，路基挖方段2 km采用连续配筋混凝土路面，西山特长隧道(13.65 km)除CRCP试验段外，采用钢筋、钢纤维混凝土路面，路基填方段采用双层配筋混凝土路面。

通车运营3 a来，在重轴载大交通的情况下，整体上保持了较好的使用性能，尤其连续配筋混凝土路面，整体性好，行车舒适。

3.3平榆高速公路特长隧道路面

榆平高速公路宝塔山特长隧道特重交通方向全长10.48 km，路面宽7.75 m，面板厚28 cm，为运煤重载路线，全部采用钢筋焊网连续配筋混凝土路面，钢筋焊网纵筋Ф16 mm，间距125 mm；横筋Ф12 mm，间距500 mm。

本工程按钢筋网片布置位置分两层进行铺筑，施工工艺可细分为：支模板、下2/3厚度混凝土卸料、摊铺、震捣、铺设钢筋网、上1/3厚度混凝土卸料、摊铺、震捣、粗平、精平、拉毛、养生、纵向刻槽。通车3 a来使用情况良好，施工现场照片见图3。

3.4长平高速公路特长隧道路面

长平高速公路虹梯关特长隧道全长13.1 km，路面宽7.75 m，为运煤重载路线，采用钢筋焊网连续配筋混凝土路面。连续配筋纵筋Ф16 mm，间距150 mm；横筋Ф12 mm，间距500 mm。图4为两特长隧道连续配筋混凝土路面运营情况，可见路面结构整体性强、平整性好。

3.5阳左高速公路隧道路面

阳左高速公路7条隧道共计12.5 km应用了连续配筋混凝土路面，路面宽7.75 m，分特重交通车道和重交通车道，蒙山特长隧道(5.6 km)内路面结构：特长隧道进出口端300 m采用下24 cm连续配筋水泥混凝土的复合式路面，其余段落采用28 cm(26 cm重交通车道)连续配筋水泥混凝土路面。其余6条长、中、短隧道采用复合式路面，路面结构为连续配筋混凝土复合式路面。

特长隧道连续配筋混凝土路面纵筋Ф16 mm，特重交通车道间距114 mm(重交通车道121 mm)；横筋Ф12 mm，间距500 mm。复合式路面纵筋Ф16 mm，间距200 mm；横筋Ф12 mm，间距500 mm。

该条高速公路已于2014年7月28日通车运营。

预制钢筋焊接网片自卸车运料、挖掘机初平

排式振捣器振捣下2/3混凝土打入纵缝拉杆

钢筋网片布置人工辅助浇筑上1/3混凝土

上1/3厚度混凝土布料上、下层流水作业

路面覆盖洒水养生路面纵向刻槽

Figure 3Welded steel fabric continuously reinforced concrete pavement construction

虹梯关特长隧道宝塔山特长隧道

Figure 4Continuously reinforced concrete pavement in super long tunnel

4结语

水泥混凝土路面的发展应用国内外存在巨大差距，本文通过水泥混凝土路面技术特点分析和山西省近几年工程实践总结，提出水泥混凝土路面从素混凝土板向配筋混凝土板或连续配筋混凝土路面的发展建议，希望能为我国重新认识和发展水泥混凝土路面提供一些参考。

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Characteristic Analysis and Suggestions of Cement Concrete Pavement

LIU Jianwei， SHEN Junmin， YU Wenjing

(a.Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region，Ministry of Transport， b.Shanxi Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region，Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan， Shanxi 030006， China)

[Abstract]In combination with the status of cement pavement at home and abroad，the advantages and disadvantages cement concrete pavement in our country are analyzed from the durability，economic and environmental benefits，social benefits and other aspects.The new countermeasures are proposed aimed at the shortcoming of cement concrete pavement，suggest utilizing the advantage resources，improve the design concept，actively develop the cement concrete pavement，lists 5 project cases，meaningful ideas and measures are put forward to deal with the existing problem of cement pavement in our country.

[Key words]road engineering； cement concrete pavement； technical characteristics； reinforced concrete pavement； suggestions

[中图分类号]U 416.216

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0047—06

[作者简介]刘建伟(1982—)，男，山西原平人，硕士，工程师，研究方向为路基路面工程。

[基金项目]国家自然基金青年项目(51308329)；山西省自然科学基金项目(2013011027-1)；山西省青年科技研究基金项目(2013021028-2)；山西省交通运输厅科技项目(2013-1-11，2014-1-1)

[收稿日期]2015—01—16