我国高速公路水泥混凝土路面建造技术创新与进步.docx

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我国高速公路水泥混凝土路面建造技术创新与进步

我国高速公路水泥混凝土路面建造技术创新与进步

一、高速公路水泥路面面临千载难逢的快速发展机遇

　　过去的一年是国际市场上原油和沥青价格有史以来最高的一年，从2004年中飚升到每桶50美元以上，最高超过每桶70美元，目前维持在60余美元高价位，按正常年份每桶25美元计算，原油上涨3倍左右；沥青涨价幅度与原油保持同步。

原油价格飙升对我国主要依托沥青建造的高速公路带来巨大的冲击和影响，同时，也为全部依托我国自产水泥、砂石料等资源建造高速公路水泥混凝土路面带来了千载难逢的快速发展机遇。

　　目前我国高速公路沥青面层建造单价比水泥路面高50%，建设投资剧增；同时，购买沥青要现金，且不能按期供货，工期没有保证。

我国水泥因燃煤涨价，略有上涨，42.5级水泥全国平均在每吨350元左右，仅有沥青的1/13-1/15。

作者研究得出的等投资平衡点是水泥与沥青1/6。

要回避国际市场高油价带来的沥青价格飚升的高风险和高投入，用有限资金建造更多的高速公路，增强我国高速公路建设安全性和经济性，符合国家提倡的节约型经济和环保要求，就必须加强滑模摊铺水泥混凝土路面技术的研究与应用，大力推进其技术创新和进步，我国高速公路路面建设不应再仅仅依赖沥青路面一项技术，在解决水泥路面建造新技术的前提下，回避高油价风险，多建造高速公路水泥路面。

　　高速公路水泥路面设计施工成套技术是我国以往提倡的“因地制宜，黑白并举”路面建设方针的第二条出路，2004年水泥混凝土路面设计规范获得中国公路学会二等奖；2005年《公路水泥混凝土路面施工技术规范》JTGF30-2003（以下简称施工规范）获得中国公路学会二等奖。

高速公路水泥混凝土路面建造技术已经被公路行业公认为达到了国际先进水平。

本文主要介绍近十六年来，我国高速公路水泥混凝土路面建造技术所取得的研究进展和技术创新，期待通过此文的介绍，使国内各省、区交通厅、公路局的决策者们对于建造高质量、舒适、经久耐用的高速公路水泥混凝土路面建立起足够的技术信心。

　　二、高速公路水泥路面环保与长寿命优势

　　1、水泥混凝土路面比沥青路面更加环保

水泥混凝土路面所用的所有材料：

水泥、砂石料与粉煤灰、矿渣掺合料等都是环境友好型的。

水泥水化后形成的水化硅酸钙和水化铝酸钙是自然界原有的托贝莫来石，不会对土壤与地下水产生任何污染，即使是路面磨损下来的碎屑，也仅为尘土，而不是任何有害物质。

　　高性能混凝土中除了使用水泥外，要求掺加粉煤灰、矿渣等活性掺合料，一方面，使这些工业废渣变成混凝土的重要原材料，使废渣变成了资源，同时，这些工业废渣通过生成水化硅酸钙和水化铝酸钙被混凝土固定起来，变成了结构混凝土的一部分，既消化废渣，实现了环保要求，又变废为宝，节约了水泥，符合节约型经济建设要求。

　　2、水泥混凝土路面全寿命成本更具优势

水泥混凝土路面的设计基准期为30年，沥青路面的设计基准期15年，相差一倍，实际上当水泥路面的路基足够稳定时，面板的使用寿命比30年更长，以北京为例，小型机具施工的二环路水泥混凝土路面，1964年建成，2002年沥青罩面，使用了38年，现在老水泥路面依然是沥青面层下的承重结构层；北京林业大学门前的清华东路水泥路面58年建成，至今已48年，依旧在正常使用。

最具有代表性的长寿命水泥混凝土路面是首都机场的老路，1956年建成，至今没有用沥青加铺与罩面，依然在正常使用当中，迄今为止，已经使用了整整50年。

现有交通量巨大，想等车辆间歇，上路拍照都很困难。

全国其他地方也有一些使用寿命超过30年的老水泥路面，依然在超期服役中，在此不赘述。

　　在《中国交通报》2006年2月27日的公路周刊上，作者发表了“水泥路面的成本优势在哪里”的谈话，仅涉及建造成本，运营经济性，如果我们的水泥路面能够使用40-50年，那么其全寿命成本即每年每平方米建造与养护总费用会更低。

水泥路面比沥青路面在全寿命成本比较上更具优势。

　　我们谈了这些许多水泥路面的好处，沥青的价格又这样高，而我国各省、区为何还以沥青路面为主来建造高速公路路面呢？

水泥混凝土这种高级路面为何在我国使用在高速公路上有这样大的阻力呢？

　　三、高速公路路面决策者遇到的水泥路面三大难题

　　在我国高速公路路面决策中，不采用水泥路面而更多地使用沥青路面，主要是水泥路面本身存在三大难题：

　　1、各省、区十年前使用小型机具工艺建成的某些高速公路水泥路面的破损速度过快、破损率过大。

华东各省吃尽了初级工艺建造水泥路面破损快而多的苦头，一边倒向了沥青路面。

　　2、水泥路面的行车舒适性不及沥青路面；

　　3、水泥路面破损快，难修复，养生时间长，阻交通时间长。

这三大难题不解决，尤其是决策者在本省、区内没有见到一条经久耐用的高质量水泥路面，水泥路面是这些省、区是难于推开的。

下面我们来结合近年来水泥路面的技术创新、进步与发展来回答并解决这三大决策难题。

（一）、如何解决水泥路面早期破损多而快的问题

　　通过高速公路与国、省道一、二级公路水泥路面通车前3-5年早期破损的大量调研和统计分析，可以发现：

在我国大量低路堤或老国、省道一、二级公路上，水泥路面的早期破损率少得多，损坏速度也慢得多。

因此，才有首都机场老水泥路面使用了50年的记录。

高速公路水泥路面尤其在前3-5年，断板率、塌陷碎板率是比较高的，究其原因，最主要问题是新建高速公路的路堤较高，一般在4m以上，新建高速公路高路堤欠稳定，不仅总沉降量较大，导致面板产生碎板破坏的差异沉降量也较大。

在黄土地区某高速公路水泥路面下部，我们用测地雷达可以探出：

面板和两层半刚性基层底部共三层脱空。

板底脱空量很大，最大的可以达到100mm，拳头可以放进去。

不仅如此，两层半刚性基层也是脱空的，此时的混凝土路面板必碎无疑。

　　目前国内有个趋势，面板厚度越来越厚，厚水泥路面板在超重载、特重交通条件下是需要的，但不应是所有水泥路面都做得很厚，无论多厚的面板，在路基不稳定路段最多只能推迟半年到一年碎板破坏。

过多地加厚面板已经不是根本解决问题的办法，必须找到解决路基过大差异沉降的新方法。

做好高速公路水泥路面不仅仅是通过滑模摊铺技术提高面板本身的弯拉强度及匀质性，而且应该研究刚性路面的总体结构层及其合理组合，更重要的是下大力气强化和稳固路基。

应将面板、各结构层和路基作为一个整体来系统地进行研究和改进。

　　高速公路高路基视各地的土质情况，达到基本稳定的时间是不同的，一般而言，南方塑性指数较大的细粒黏土，路基稳定时间较长，一般需要4-5年，而北方粉土、壤土稳定时间较短，一般为2-3年。

在我国上百公里高速公路不足2年工期就要求完工的条件下，工后差异沉降必须进行控制和解决。

　　西北黄土具有湿陷性质，它的路基稳定还取决于黄土地基和路基的含水状态，它在使用寿命期内的任何时间，都可以由于含水量增大而造成湿陷失稳破坏，稳固黄土地基路基必须采取可靠的地基与路基的防、排水技术措施。

　　在九五期间，作者进行水泥路面滑模施工技术推广时，就高度重视并开始着手研究解决高速公路的高路基稳固问题。

首先，我们对高速公路局部或全线路基进行施工期间及工后的沉降进行了连续观测，一是了解路基的沉降速率，解决何时适宜进行路面结构层特别是面板摊铺施工，要求路基沉降曲线过拐点，路基基本稳定后，方可进行路面结构层的施工；二是对可能的工后沉降量及其差异数值依据土力学原理进行预估，以便采取局部加强路面或缓冲差异沉降的综合技术措施。

　　其次，对高速公路水泥路面的路基提高一级压实标准，对于粉土、砂土、粒料土、石方路基，现有的振动碾压机械达不到高一级压实度要求的，分层振动压实后，广泛采用了1.0-1.5m层厚冲击压实技术和机械强夯技术。

冲击压实是连续击实，施工效率高而速度快，具有更大的技术优势。

　　2002年笔者考察南非公路建设经验后，曾经在《中国交通报》上发表了修正“强基薄面”技术内涵的文章，指出“强基”不应指强化基层，而应该强化地基与路基，整个路面结构层与高速公路的高路基相比，都只能看作是“薄面”，只有地基与路基稳固了，道路工程中占造价比例最多的路面整体结构层方可做到即减薄厚度、节省造价，又经久耐用之目的。

　　对于塑性指数较大的细粒黏土，当含水率较大时，冲击和夯实都无效的情况下，我们采用了路床以下80cm—100cm厚的石灰改善土，石灰剂量为石灰土基层的一半。

有效增强了路床1.0-1.5m左右的路基上部主承力层的承载能力，同时大大降低了路基总沉降量和差异沉降数值。

　　即便如此，路基的差异沉降量依然难于满足水泥路面及基层下部不脱空，将最终差异沉降量控制在2-3mm以内的刚性路面苛刻技术要求。

2005年，我们在梅河高速公路水泥路面设计中寻求具有缓冲差异沉降能力的“活”结构层：

粒料垫层，突破了设计规范仅在潮湿、石方和冻土超过冰冻深度的路段设置粒料垫层的要求，而是全线设置15cm的碎石垫层，同时在填挖交界、高填方、软基路段根据沉降观测及预估数值，加厚了碎石垫层，最厚已经使用了40-50cm的碎石垫层。

期望通过粒料垫层这个“活”结构层，不仅解决强化后的路基也无法消除的5%—10%的残余差异沉降量；而且，隔离重车振动导致的行车道路基的加速沉降破坏，同时具有优良的渗透排水、隔热、防冻功能。

　　通过上述的研究，作者在2005年4月交通部专家委员南昌会议上首次提出将粒料垫层作为各级公路水泥路面的必备结构层的要求。

不仅高等级公路必须使用粒料垫层，即使在中、轻交通的县乡公路和农村公路水泥路面板下部，允许不使用半刚性基层，但粒料垫层必须设置。

很显然，任何等级的新建公路，路基不稳定是绝对的，而稳定是相对的，既然如此，应采用“以活结构层对付活路基”的水泥路面总体结构层设计新观念。

用这层粒料“活”结构层，解决“活”路基造成的一系列水泥路面快速破损。

要保证水泥路面的正常使用，并减少碎板破损，在路基已经采用了各种办法进行了强化稳固处理的基础上，再加上路面结构层底部的粒料垫层这个缓冲残余差异沉降的“活”结构层，通过采取一系列综合技术措施，最终是确保半刚性基层、刚性基层、水泥路面底部不脱空，极大地减少水泥路面的早期破损。

　　综上所述，在我国高速公路建设工期两年以内的情况下，水泥路面的早期破损是能够有效防止的，即使再出现少量脱空，也可以通过及时探查，尽早灌浆来防止断板、碎板破损的。

如其不然，建造在高速公路高路堤上的水泥路面破损过快、过多，将完全丧失水泥路面长寿命及全寿命成本低的优势。

（二）、水泥路面行车舒适性已经基本解决

　　水泥路面行车舒适性不及沥青路面是不争的事实，作者曾经两次在《公路》上发表过“水泥混凝土路面舒适性研究”（2000年第1期）和“如何改善水泥混凝土路面舒适性”（2004年第7期）的两篇文章，概括而言，影响水泥路面舒适性主要有平整度、错台及噪音三项，下面分别进行阐述：

（1）、平整度对舒适性的影响研究

在高速公路上，尽管我们使用现代滑模摊铺施工技术，能够将静、动态平整度做得与沥青路面相同，但是由于沥青路面是柔性路面，车辆在高速行驶过程中有路面和车辆两级减振；水泥混凝土刚性路面本身不仅不能减震，而且由于其弹性模量与刚度过大，有一点颠簸反而会放大振动，较大的颠簸造成了更多的不舒适感。

因此，相同平整度情况下，水泥路面的颠簸感觉比柔性路面大，舒适性不及沥青路面。

　　这就要求我们将水泥路面的平整度做得比沥青路面更好，我国施工规范已经将高速、一级公路水泥路面的平整度验收指标提高到δ≤1.2，与沥青路面相同，一般施工技术水平下，我国用滑模摊铺机可轻易地将水泥路面平整度做到δ≈1.0左右。

实测表明：

最好的一个路面标段可达到δ≈0.70；最好单幅路段数公里可以做到δ≈0.40。

证明我国不仅达到了与发达国家相同的高速公路水泥路面高平整度水准，而且表明在滑模摊铺技术推广和普及的基础上，我国水泥路面实现更高的高速公路平整度还有较大的提升空间和可能性。

　　可以确信：

高速公路水泥路面的交工平整度可