九、三维嵌挤装配混凝土预制块在道路工程的应用

作者：郭高 、战宏宇

长春市市政工程设计研究院有限责任公司 吉林长春 130033

（2019-03-30发表于《建筑砌块与砌块建筑》）

【摘要】 装配式路面基层是将水泥混凝土预制基块，按三维嵌挤组合方式的路基现场施工装配，然后在基块接缝内填充灌浆料构成的道路基层结构。 该项目由长春市市政工程设计研究院独立完成， 2010 年开始经过对结构、工艺、材料的研究及试验，已获得发明专利7 项，并编制省级技术规程、工法和图集。 2013 年以来，在长春、吉林、沈阳开展工程应用与技术展示，已铺装道路 46 条，总铺装面积达 28 万平方米，单项工程最大铺装面积 4.4 万平方米；并授权七家混凝土制品企业生产路基预制块。 该技术的工程应用，不但可满足城市道路建设对工期和寿命需要，也给混凝土制品、机械铺装、化工企业的技术升级带来新的发展机遇。

【关键词】预制混凝土块；装配式路基；三维嵌挤

1技术发展的背景

   我国城市的市政道路施工中， 传统的二灰碎石、水泥稳定碎石等基层的成型过程，是通过施工现场摊铺、碾压，并需要长时间养生的湿法作业过程；道路结构施工特点是：从土基、基层到面层逐层顺序铺筑，动态作业与静态养生使用同一空间。 这种作业模式因基层结构强度增长过程缓慢，而迟滞工期。 在实际工程施工中， 往往因急于开放交通或养生期间温度过低，导致道路基层的强度不足、板体性差，取芯成型率低、使用寿命短。

   为了缩短城镇市政道路的建设工期（这点在施工季节仅半年的东北地区，尤其重要），我们曾提出了采用预制块体材料来修筑道路基层的设想。 若按照原材料类型，可划分为木块、砖块、石块和预制混凝土块四种，粘结剂使用过河沙及天然沥青。 基于材料来源广泛和制造方便的原因， 也曾使用混凝土砌块铺筑路面，该结构由面层砌块、填缝料和整平层构成，但其缺点是平整度不高、舒适性欠佳，不适合车速较高的行车道使用。 如果将砌块作为道路基层、并在其上铺设沥青混凝土面层，构成刚柔复合式路面结构，首先必须解决反射裂缝的预防问题。 虽然目前预防反射裂缝有各种方法，但工程实践证明：反射裂缝难以预防，现有措施均不能彻底解决问题。

    分析原因是：混凝土砌块之间传递、分散垂直荷载的能力差， 导致块与块接缝的两块体弯沉差大，而产生反射裂缝。 因此要使混凝土砌块之间的接缝具有可靠的传荷能力，是刚柔复合式路面的技术关键。

2核心技术—— — 单层平面组装式板体结构稳定性分析与构建

    预制混凝土块体装配式路面基层的核心技术，来源于我国知名古桥—— — 赵州桥所使用的“银锭扣”。 在结构上，银锭扣可以限制石料在平面内的移动，因此可以使两个相邻的石块产生嵌锁所用，从而保证石桥整体结构的稳固（见图 1 ）。

经过对古代“银锭扣”结构特性的研究，开发出具有三维度嵌挤能力的新版“银锭扣”（见图 2 ）。

 

2.1 预制混凝土路基块的单块结构设计

这种预制混凝土路基块，大致是边长一米左右的六边型板块状，上下面相对平整，四侧并不垂直于上下面、也不互为平行面—— — 从而形成互锁效应。 四侧均有条状凹凸槽，以便能更精准地相互定位和互锁。 实际块型（见图 3 ）。

2.2 预制混凝土块嵌挤式道路结构的组合设计

 

图 4 系这种预制混凝土块嵌挤式基础的道路结构剖面实景照片。该结构的组合设计，从上至下：面层： AC-13/AC-16 ，厚 度 5cm ~6cm ； AC -20/AC-25 ，厚度 6cm~8cm 。

基层： 嵌挤组装预制混凝土砌块， 接缝内灌注大流动度、早强型灌浆料。垫层： 根据路面荷载设计值、以及材料的选择，可采用级配碎石、 水泥稳定碎石、二灰碎石等。

2.3 “新银锭扣”组合体受水平作用力的分析

2.3.1 块体的水平位移

    在该路基结构组合体（见图 5 ）中，任何单个混凝土块当受到沿 X 、 Y 轴方向的水平力作用、 出现产生移动趋势时， 此时该单块不但会受到同行或同列单块的阻挡，还会通过自身四棱锥体使两侧 45 度角方向范围内的其它块体参与受力，这样就形成一个三角形受力影响区。 该三角区内传递受力，每一级（行）受力单块数： s=2n-1(n≥2，且为整数）， 三角区内所有受力的单块总数为： S=n 2 -1(n≥2 ，且为整数）。这使得这种路基结构组合体具备很强抵抗水平移动的能力。 受力分析（见图 5 ）。

     即“新银锭扣”组合体内任一个单块的水平位移，都会遇到受力影响区内全体单块的阻力。 这样就实现了组合体多数的稳定，来抵抗单块的位移，从而形成一个水平位移受限的稳定路面基础结构体。

     

2.4.2 块体的垂直位移

在竖直的 Z 轴方向—— — 垂直路面的路面荷载受力传递方向，当其中某个单块受到通过质心的垂直荷载作用时，由于每个单块四侧的“新银锭扣”结构，都有两对阳斜面与阴斜面， 因此任何单块在竖直方向的移动，都会受到相邻两个单块的限制，形成单块压着两侧两块， 同时也被前后两个单块压着的特殊结构—— — 称之为互锁的一种结构体。 这两个单块又把压力向分别与他们嵌挤的其他四个单块传递。 我们把压力通过斜面传递一次称为一级，设 N 为平面中单块受压时，压力沿某路径传递的级数 （单个方向途径的单块总数），按2n(n 为正整数）等比数列的规律扩散与传递，则共同承担受力的预制块总数为 S=n 2 （ n 为自然数）。即“新银锭扣”组合体内任一单块的垂直位移，都会遇到组合体内全体单块的阻力，以组合体全体的稳定抵抗单块的位移。

3 工程应用案例

    这种预制混凝土块互锁式路基的施工工艺流程：预制件进场码垛 → 基块铺装 → 砼琮铺装 → 封边 → 砌筑路边的立路缘石 → 砂浆灌注 → 养生。 其中：基块与

砼琮安装可以同时进行作业，灌浆料养生期 24 小时 ~48 小时；如垫层采用水泥稳定碎石，在完成水泥稳定碎石摊铺施工后不必等待养生，可顺序开展摊铺沥青

砂、基块进场及铺装作业。 对于面积较大、需要连续多天铺装作业的路基结构工程，应急时，可在路基块铺装完成的第二天就开始封边作业，并随后进行灌浆及

养生；当砂浆达到设计强度后，也就可以进行路面材料—— — 沥青混凝土铺设作业，形成渐进式梯度作业模式；为不影响交通，在砂浆强度达到设计要求后，路基

层顶面可考虑允许临时行车；罩面时，基层顶面不撒钉子石。 典型案例简介如下。

3.1 市政道路路口的抢修工程

    长春市市政道路的某路口，从既有路基开挖、 土基碾压、基块铺装、灌浆及养生，到基层顶面临时通车，施工仅用 3 天（见图 7 ）。

3.2 主要典型工程

自 2013 年以来， 这种预制混凝土路基块主要在长春、吉林、沈阳和哈尔滨市政道路工程应用， 已铺装道路四十多条，路基总面积累计超过二十八万平方米。 图 8 是部分工程应用案例的路基铺装现场。 施工方和城市市政主管部门认为 : 该项新技术最大的特点是：道路工程施工速度明显加快，当路面材料采用沥青混凝土时，最快一周时间就可完成从路基开挖到通车的整个施工周期。 这点对冬季时间长、城市道路需快速修复的城市，显得非常适宜，社会效益和经济效益非常突出—— — 时间成本低。

面积较大已经竣工的工程： 沈阳市陵园街 2.3 万块；长春市浦东路 4.2 万块、丙四路 1.2 万块、银沙路1.2 万块；吉林省磐石市振兴大道 5.3 万块。面积较大正在施工的工程有： 长春市育民路 16万块、大连路 3.6 万块。

 

4 三维嵌挤预制混凝土路基块的结构特点及生产工艺

4.1 三维嵌挤预制混凝土路基块的结构

三维嵌挤预制混凝土基块的总体外观上是近似立方体形状， 上下两面平行， 四个侧面分别由一对“阳”斜面和一对“阴”斜面组成；亚结构形态：侧面上又设有横槽、竖槽、插槽、定位肋等，顶面四边设有倒角，顶面又设计成粗糙面。 图 9 为实际产品的照片。经过结构计算，这种路基块的混凝土立方体试件设计抗压强度达到 C15 时， 就能满足交通荷载 BZZ-100 的要求。 但是，在生产与工程实践中，考虑到混凝土预制块长期使用中的耐久性问题，在东北冻融地区则建议要采用C30 混凝土来预制路基块。

4.2 预制路基块的生产成型工艺

1 ）湿法浇注振动模型成型

    最初采用了湿混凝土模注振动成型工艺。 模具由五片模板组合，为除底板外可以快拆的结构。 生产工艺为：混凝土拌合 → 定量浇筑 → 振动台式振捣 → 顶面粗糙面压型 → 养生 → 拆模与组合 → 码垛（见图 10) 。该成型工艺的优点是块型的均质性较好， 四侧面上的槽、肋等处的混凝土完好程度较好。 问题是：生产过程中从成型到脱模的周期长， 规模化生产时所需模具量和生产场地面积大；模具的快速拆模与组合，需较强和较多的劳动力；另外存在顶面需人工压型、模具接缝处存在漏浆现象、基块的厚度一致性相对较差。

2 ）混凝土砌块成型机干法成型

     混凝土砌块成型机是采用“干”混凝土振动加压成型、即时脱模。 若能在砌块成型机上实现三维嵌挤混凝土基块的成型生产，是最为理想。 显然，这种块型的四个倾斜侧面及凹凸的亚结构， 是采用干法成型最大的技术难题。 在相关砌块机、模具制造商的通力合作下，基本实现在砌块成型机上的基块干法成型 （见图 11 ）。干法成型工艺流程与普通混凝土砌块（砖）基本类似，只增加了四侧模框的开合，大致如下：混凝土拌合 → 模具边框的液压闭合 → 定量布料 → 振动 → 顶面加压 → 模具边框分开（脱模） → 养生 → 码垛。

     该成型工艺的优点是：成型速度快、既时脱模，可充分利用现有混凝土砌块（砖）生产线的绝大多数设备。 缺点是：粘模具，基块底部的锐角处压实度差、侧面的横槽易开裂、定位肋易脱落。 另外，在生产场内的码垛和运输，需特殊设计夹具。已经在长春玛莎、沈阳玛莎公司，通过简单的改造和定制模具，先后实现了在国产砌块成型机和进口成型机上，工业化批量干法成型这种混凝土基块。 块体成型高度 300mm 、每块约 0.27 立方米 ~0.3 立方米，生产时将两块钢栈板并成“一块”栈板用。

5 发展现状与小结

1 ）经过生产、工程应用实现经验的积累，并不断地优化细节， 现在只要采用 1 种规格尺寸的基块，配套 1 种检查井适配组件（砼琮），即可满足不同道路宽度、不同路面荷载等级、不同横断形式结构的路基设计及铺设需要。 这样就使工程设计、基块制造、运输、铺设及管理过程得到简化， 有利于技术的推广应用。目前围绕三维嵌挤混凝土基块的块型、生产、铺装等，已经申请获得专利授权 27 项， 所研制的专用成型模具、夹具、检测工具、灌浆设备，覆盖了工程系统全过程；已编制吉林省地方性标准《装配式路面基层工程技术标准》 DB 22/T5006-2018 ，为设计、施工与验收，提供了系统规范的技术文件。

2 ）长春市是该项技术的发源地。 从 2013 年最早开始探索基块的产业化建设， 目前已有昌固建材、长春玛莎、建华建材（吉林）、吉林省天祥建材、吉林恒基、沈阳玛莎、哈尔滨龙德、鞍山盛维模板等多家企业，参与这种装配式基块的生产。 各个厂家基本上实现日产 1000 块的能力， 以基块制造厂为产业化牵引龙头，构建从基块制造、运输、装配到灌浆料生产与作业的一站式服务的发展模式。

3 ） 近几年来， 三维嵌挤式混凝土基块的推广应用，还带来以下益处：

     装配式路基层技术的推广应用，能起到激活产业链上下游的作用。从混凝土砌块成型机升级换代、 到生产线技术改造，直至铺设工艺及设备改造、预拌砂浆、模具制造、建筑垃圾分选、机器人等，可在多个行业产生创新联动效应。

     促进建筑固体废弃物在预制混凝土制品行业的再生利用。预制基块成型生产中，多数企业会考虑掺加建筑垃圾再骨料、粉煤灰、矿渣等，以减少对一次性资源的消耗。 现有路基材料本身就拆除后就可再生循环利用于基块的生产；基块以后也仍可再生利用，完全符合循环经济发展模式。

     装配式路基的工程应用，可大大缩短道路建设工期。 对城市交通而言，道路维护的目的是改善交通环境，但其作业过程却会对交通干扰严重。 尽管市政建设及交通管理部门会大修道路时采取一系列举措，却仍不能使因道路施工给交通造成的不利影响得到有效缓解。 故常常出现降低维护标准，强制缩短建设工期的现象，如同饮酒止渴，导致道路使用寿命严重缩短，道路大修间隔缩短，反过来使修路频率增加，使交通拥堵更是雪上加霜。混凝土材质需 28 天养生期，是基本常识。 当采用装配式基层后， 将混凝土材料养生期转移到了预制厂，现场灌缝浆料又具备早强特性，使基层养生期缩短至 1 天 ~2 天。 这就可以实现快修道路施工，满足七天工期建设需要；而且可实现渐进式竣工方式，能尽快开放交通，减少施工占道时间。

装配式基层可降低市政道路维护成本。 三维嵌挤式混凝土基块层的设计使用寿命 20 年 ~30 年，在缩短建设工期、 保证工程质量和延长使用寿命的同时，实际上也降低了道路全寿命年维护费用—— — 目前在东北地区尤为明显。 预制基块的质量保证率高，还减少天然石料消耗 50% 左右。