九、三維嵌擠裝配混凝土預制塊在道路工程的應用

作者：郭高 、戰(zhàn)宏宇

長春市市政工程設計研究院有限責任公司 吉林長春 130033

（2019-03-30發(fā)表于《建筑砌塊與砌塊建筑》）

【摘要】 裝配式路面基層是將水泥混凝土預制基塊，按三維嵌擠組合方式的路基現(xiàn)場施工裝配，然后在基塊接縫內(nèi)填充灌漿料構成的道路基層結構。 該項目由長春市市政工程設計研究院獨立完成， 2010 年開始經(jīng)過對結構、工藝、材料的研究及試驗，已獲得發(fā)明專利7 項，并編制省級技術規(guī)程、工法和圖集。 2013 年以來，在長春、吉林、沈陽開展工程應用與技術展示，已鋪裝道路 46 條，總鋪裝面積達 28 萬平方米，單項工程最大鋪裝面積 4.4 萬平方米；并授權七家混凝土制品企業(yè)生產(chǎn)路基預制塊。 該技術的工程應用，不但可滿足城市道路建設對工期和壽命需要，也給混凝土制品、機械鋪裝、化工企業(yè)的技術升級帶來新的發(fā)展機遇。

【關鍵詞】預制混凝土塊；裝配式路基；三維嵌擠

1技術發(fā)展的背景

? ?我國城市的市政道路施工中， 傳統(tǒng)的二灰碎石、水泥穩(wěn)定碎石等基層的成型過程，是通過施工現(xiàn)場攤鋪、碾壓，并需要長時間養(yǎng)生的濕法作業(yè)過程；道路結構施工特點是：從土基、基層到面層逐層順序鋪筑，動態(tài)作業(yè)與靜態(tài)養(yǎng)生使用同一空間。 這種作業(yè)模式因基層結構強度增長過程緩慢，而遲滯工期。 在實際工程施工中， 往往因急于開放交通或養(yǎng)生期間溫度過低，導致道路基層的強度不足、板體性差，取芯成型率低、使用壽命短。

? ?為了縮短城鎮(zhèn)市政道路的建設工期（這點在施工季節(jié)僅半年的東北地區(qū)，尤其重要），我們曾提出了采用預制塊體材料來修筑道路基層的設想。 若按照原材料類型，可劃分為木塊、磚塊、石塊和預制混凝土塊四種，粘結劑使用過河沙及天然瀝青。 基于材料來源廣泛和制造方便的原因， 也曾使用混凝土砌塊鋪筑路面，該結構由面層砌塊、填縫料和整平層構成，但其缺點是平整度不高、舒適性欠佳，不適合車速較高的行車道使用。 如果將砌塊作為道路基層、并在其上鋪設瀝青混凝土面層，構成剛柔復合式路面結構，首先必須解決反射裂縫的預防問題。 雖然目前預防反射裂縫有各種方法，但工程實踐證明：反射裂縫難以預防，現(xiàn)有措施均不能徹底解決問題。

? ? 分析原因是：混凝土砌塊之間傳遞、分散垂直荷載的能力差， 導致塊與塊接縫的兩塊體彎沉差大，而產(chǎn)生反射裂縫。 因此要使混凝土砌塊之間的接縫具有可靠的傳荷能力，是剛柔復合式路面的技術關鍵。

2核心技術—— — 單層平面組裝式板體結構穩(wěn)定性分析與構建

? ? 預制混凝土塊體裝配式路面基層的核心技術，來源于我國知名古橋—— — 趙州橋所使用的“銀錠扣”。 在結構上，銀錠扣可以限制石料在平面內(nèi)的移動，因此可以使兩個相鄰的石塊產(chǎn)生嵌鎖所用，從而保證石橋整體結構的穩(wěn)固（見圖 1 ）。

經(jīng)過對古代“銀錠扣”結構特性的研究，開發(fā)出具有三維度嵌擠能力的新版“銀錠扣”（見圖 2 ）。

?

2.1 預制混凝土路基塊的單塊結構設計

這種預制混凝土路基塊，大致是邊長一米左右的六邊型板塊狀，上下面相對平整，四側并不垂直于上下面、也不互為平行面—— — 從而形成互鎖效應。 四側均有條狀凹凸槽，以便能更精準地相互定位和互鎖。 實際塊型（見圖 3 ）。

2.2 預制混凝土塊嵌擠式道路結構的組合設計

?

圖 4 系這種預制混凝土塊嵌擠式基礎的道路結構剖面實景照片。該結構的組合設計，從上至下：面層： AC-13/AC-16 ，厚 度 5cm ~6cm ； AC -20/AC-25 ，厚度 6cm~8cm 。

基層： 嵌擠組裝預制混凝土砌塊， 接縫內(nèi)灌注大流動度、早強型灌漿料。墊層： 根據(jù)路面荷載設計值、以及材料的選擇，可采用級配碎石、 水泥穩(wěn)定碎石、二灰碎石等。

2.3 “新銀錠扣”組合體受水平作用力的分析

2.3.1 塊體的水平位移

? ? 在該路基結構組合體（見圖 5 ）中，任何單個混凝土塊當受到沿 X 、 Y 軸方向的水平力作用、 出現(xiàn)產(chǎn)生移動趨勢時， 此時該單塊不但會受到同行或同列單塊的阻擋，還會通過自身四棱錐體使兩側 45 度角方向范圍內(nèi)的其它塊體參與受力，這樣就形成一個三角形受力影響區(qū)。 該三角區(qū)內(nèi)傳遞受力，每一級（行）受力單塊數(shù)： s=2n-1(n≥2，且為整數(shù)）， 三角區(qū)內(nèi)所有受力的單塊總數(shù)為： S=n 2 -1(n≥2 ，且為整數(shù)）。這使得這種路基結構組合體具備很強抵抗水平移動的能力。 受力分析（見圖 5 ）。

? ? ?即“新銀錠扣”組合體內(nèi)任一個單塊的水平位移，都會遇到受力影響區(qū)內(nèi)全體單塊的阻力。 這樣就實現(xiàn)了組合體多數(shù)的穩(wěn)定，來抵抗單塊的位移，從而形成一個水平位移受限的穩(wěn)定路面基礎結構體。

?? ??

2.4.2 塊體的垂直位移

在豎直的 Z 軸方向—— — 垂直路面的路面荷載受力傳遞方向，當其中某個單塊受到通過質(zhì)心的垂直荷載作用時，由于每個單塊四側的“新銀錠扣”結構，都有兩對陽斜面與陰斜面， 因此任何單塊在豎直方向的移動，都會受到相鄰兩個單塊的限制，形成單塊壓著兩側兩塊， 同時也被前后兩個單塊壓著的特殊結構—— — 稱之為互鎖的一種結構體。 這兩個單塊又把壓力向分別與他們嵌擠的其他四個單塊傳遞。 我們把壓力通過斜面?zhèn)鬟f一次稱為一級，設 N 為平面中單塊受壓時，壓力沿某路徑傳遞的級數(shù) （單個方向途徑的單塊總數(shù)），按2n(n 為正整數(shù)）等比數(shù)列的規(guī)律擴散與傳遞，則共同承擔受力的預制塊總數(shù)為 S=n 2 （ n 為自然數(shù)）。即“新銀錠扣”組合體內(nèi)任一單塊的垂直位移，都會遇到組合體內(nèi)全體單塊的阻力，以組合體全體的穩(wěn)定抵抗單塊的位移。

3 工程應用案例

??? 這種預制混凝土塊互鎖式路基的施工工藝流程：預制件進場碼垛 → 基塊鋪裝 → 砼琮鋪裝 → 封邊 → 砌筑路邊的立路緣石 → 砂漿灌注 → 養(yǎng)生。 其中：基塊與

砼琮安裝可以同時進行作業(yè)，灌漿料養(yǎng)生期 24 小時 ~48 小時；如墊層采用水泥穩(wěn)定碎石，在完成水泥穩(wěn)定碎石攤鋪施工后不必等待養(yǎng)生，可順序開展攤鋪瀝青

砂、基塊進場及鋪裝作業(yè)。 對于面積較大、需要連續(xù)多天鋪裝作業(yè)的路基結構工程，應急時，可在路基塊鋪裝完成的第二天就開始封邊作業(yè)，并隨后進行灌漿及

養(yǎng)生；當砂漿達到設計強度后，也就可以進行路面材料—— — 瀝青混凝土鋪設作業(yè)，形成漸進式梯度作業(yè)模式；為不影響交通，在砂漿強度達到設計要求后，路基

層頂面可考慮允許臨時行車；罩面時，基層頂面不撒釘子石。 典型案例簡介如下。

3.1 市政道路路口的搶修工程

??? 長春市市政道路的某路口，從既有路基開挖、 土基碾壓、基塊鋪裝、灌漿及養(yǎng)生，到基層頂面臨時通車，施工僅用 3 天（見圖 7 ）。

3.2 主要典型工程

自 2013 年以來， 這種預制混凝土路基塊主要在長春、吉林、沈陽和哈爾濱市政道路工程應用， 已鋪裝道路四十多條，路基總面積累計超過二十八萬平方米。 圖 8 是部分工程應用案例的路基鋪裝現(xiàn)場。 施工方和城市市政主管部門認為 : 該項新技術最大的特點是：道路工程施工速度明顯加快，當路面材料采用瀝青混凝土時，最快一周時間就可完成從路基開挖到通車的整個施工周期。 這點對冬季時間長、城市道路需快速修復的城市，顯得非常適宜，社會效益和經(jīng)濟效益非常突出—— — 時間成本低。

面積較大已經(jīng)竣工的工程： 沈陽市陵園街 2.3 萬塊；長春市浦東路 4.2 萬塊、丙四路 1.2 萬塊、銀沙路1.2 萬塊；吉林省磐石市振興大道 5.3 萬塊。面積較大正在施工的工程有： 長春市育民路 16萬塊、大連路 3.6 萬塊。

?

4 三維嵌擠預制混凝土路基塊的結構特點及生產(chǎn)工藝

4.1 三維嵌擠預制混凝土路基塊的結構

三維嵌擠預制混凝土基塊的總體外觀上是近似立方體形狀， 上下兩面平行， 四個側面分別由一對“陽”斜面和一對“陰”斜面組成；亞結構形態(tài)：側面上又設有橫槽、豎槽、插槽、定位肋等，頂面四邊設有倒角，頂面又設計成粗糙面。 圖 9 為實際產(chǎn)品的照片。經(jīng)過結構計算，這種路基塊的混凝土立方體試件設計抗壓強度達到 C15 時， 就能滿足交通荷載 BZZ-100 的要求。 但是，在生產(chǎn)與工程實踐中，考慮到混凝土預制塊長期使用中的耐久性問題，在東北凍融地區(qū)則建議要采用C30 混凝土來預制路基塊。

4.2 預制路基塊的生產(chǎn)成型工藝

1 ）濕法澆注振動模型成型

? ? 最初采用了濕混凝土模注振動成型工藝。 模具由五片模板組合，為除底板外可以快拆的結構。 生產(chǎn)工藝為：混凝土拌合 → 定量澆筑 → 振動臺式振搗 → 頂面粗糙面壓型 → 養(yǎng)生 → 拆模與組合 → 碼垛（見圖 10) 。該成型工藝的優(yōu)點是塊型的均質(zhì)性較好， 四側面上的槽、肋等處的混凝土完好程度較好。 問題是：生產(chǎn)過程中從成型到脫模的周期長， 規(guī)模化生產(chǎn)時所需模具量和生產(chǎn)場地面積大；模具的快速拆模與組合，需較強和較多的勞動力；另外存在頂面需人工壓型、模具接縫處存在漏漿現(xiàn)象、基塊的厚度一致性相對較差。

2 ）混凝土砌塊成型機干法成型

? ? ?混凝土砌塊成型機是采用“干”混凝土振動加壓成型、即時脫模。 若能在砌塊成型機上實現(xiàn)三維嵌擠混凝土基塊的成型生產(chǎn)，是最為理想。 顯然，這種塊型的四個傾斜側面及凹凸的亞結構， 是采用干法成型最大的技術難題。 在相關砌塊機、模具制造商的通力合作下，基本實現(xiàn)在砌塊成型機上的基塊干法成型 （見圖 11 ）。干法成型工藝流程與普通混凝土砌塊（磚）基本類似，只增加了四側?？虻拈_合，大致如下：混凝土拌合 → 模具邊框的液壓閉合 → 定量布料 → 振動 → 頂面加壓 → 模具邊框分開（脫模） → 養(yǎng)生 → 碼垛。

? ? ?該成型工藝的優(yōu)點是：成型速度快、既時脫模，可充分利用現(xiàn)有混凝土砌塊（磚）生產(chǎn)線的絕大多數(shù)設備。 缺點是：粘模具，基塊底部的銳角處壓實度差、側面的橫槽易開裂、定位肋易脫落。 另外，在生產(chǎn)場內(nèi)的碼垛和運輸，需特殊設計夾具。已經(jīng)在長春瑪莎、沈陽瑪莎公司，通過簡單的改造和定制模具，先后實現(xiàn)了在國產(chǎn)砌塊成型機和進口成型機上，工業(yè)化批量干法成型這種混凝土基塊。 塊體成型高度 300mm 、每塊約 0.27 立方米 ~0.3 立方米，生產(chǎn)時將兩塊鋼棧板并成“一塊”棧板用。

5 發(fā)展現(xiàn)狀與小結

1 ）經(jīng)過生產(chǎn)、工程應用實現(xiàn)經(jīng)驗的積累，并不斷地優(yōu)化細節(jié)， 現(xiàn)在只要采用 1 種規(guī)格尺寸的基塊，配套 1 種檢查井適配組件（砼琮），即可滿足不同道路寬度、不同路面荷載等級、不同橫斷形式結構的路基設計及鋪設需要。 這樣就使工程設計、基塊制造、運輸、鋪設及管理過程得到簡化， 有利于技術的推廣應用。目前圍繞三維嵌擠混凝土基塊的塊型、生產(chǎn)、鋪裝等，已經(jīng)申請獲得專利授權 27 項， 所研制的專用成型模具、夾具、檢測工具、灌漿設備，覆蓋了工程系統(tǒng)全過程；已編制吉林省地方性標準《裝配式路面基層工程技術標準》 DB 22/T5006-2018 ，為設計、施工與驗收，提供了系統(tǒng)規(guī)范的技術文件。

2 ）長春市是該項技術的發(fā)源地。 從 2013 年最早開始探索基塊的產(chǎn)業(yè)化建設， 目前已有昌固建材、長春瑪莎、建華建材（吉林）、吉林省天祥建材、吉林恒基、沈陽瑪莎、哈爾濱龍德、鞍山盛維模板等多家企業(yè)，參與這種裝配式基塊的生產(chǎn)。 各個廠家基本上實現(xiàn)日產(chǎn) 1000 塊的能力， 以基塊制造廠為產(chǎn)業(yè)化牽引龍頭，構建從基塊制造、運輸、裝配到灌漿料生產(chǎn)與作業(yè)的一站式服務的發(fā)展模式。

3 ） 近幾年來， 三維嵌擠式混凝土基塊的推廣應用，還帶來以下益處：

? ? ?裝配式路基層技術的推廣應用，能起到激活產(chǎn)業(yè)鏈上下游的作用。從混凝土砌塊成型機升級換代、 到生產(chǎn)線技術改造，直至鋪設工藝及設備改造、預拌砂漿、模具制造、建筑垃圾分選、機器人等，可在多個行業(yè)產(chǎn)生創(chuàng)新聯(lián)動效應。

? ? ?促進建筑固體廢棄物在預制混凝土制品行業(yè)的再生利用。預制基塊成型生產(chǎn)中，多數(shù)企業(yè)會考慮摻加建筑垃圾再骨料、粉煤灰、礦渣等，以減少對一次性資源的消耗。 現(xiàn)有路基材料本身就拆除后就可再生循環(huán)利用于基塊的生產(chǎn)；基塊以后也仍可再生利用，完全符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式。

? ? ?裝配式路基的工程應用，可大大縮短道路建設工期。 對城市交通而言，道路維護的目的是改善交通環(huán)境，但其作業(yè)過程卻會對交通干擾嚴重。 盡管市政建設及交通管理部門會大修道路時采取一系列舉措，卻仍不能使因道路施工給交通造成的不利影響得到有效緩解。 故常常出現(xiàn)降低維護標準，強制縮短建設工期的現(xiàn)象，如同飲酒止渴，導致道路使用壽命嚴重縮短，道路大修間隔縮短，反過來使修路頻率增加，使交通擁堵更是雪上加霜?；炷敛馁|(zhì)需 28 天養(yǎng)生期，是基本常識。 當采用裝配式基層后， 將混凝土材料養(yǎng)生期轉移到了預制廠，現(xiàn)場灌縫漿料又具備早強特性，使基層養(yǎng)生期縮短至 1 天 ~2 天。 這就可以實現(xiàn)快修道路施工，滿足七天工期建設需要；而且可實現(xiàn)漸進式竣工方式，能盡快開放交通，減少施工占道時間。

裝配式基層可降低市政道路維護成本。 三維嵌擠式混凝土基塊層的設計使用壽命 20 年 ~30 年，在縮短建設工期、 保證工程質(zhì)量和延長使用壽命的同時，實際上也降低了道路全壽命年維護費用—— — 目前在東北地區(qū)尤為明顯。 預制基塊的質(zhì)量保證率高，還減少天然石料消耗 50% 左右。

?

?

?

?

?