序

《预制装配式道路基层结构》探索与实践

    2011年春季，长春的司机们总算熬过了这个特别寒冷且多雪的严冬，本该摇下车窗让春风轻抚脸颊享受室外温暖阳光，但是他们并没有愉悦的心情。由于前一年秋季雨水多、冬季降雪频，又恰逢长春几十年不遇的寒冬，各种因素集中影响，导致市区道路大面积出现翻浆破损现象，路面颠簸不平粉尘飞扬。造成道路交通服务等级低下，严重的影响出行效率，给市民工作与生活带来困难。

按惯例，每年市政设施维护管理部门都要对道路进行维护，但是大面积破损道路维护工程的实施，又使本已拥堵不堪的交通雪上加霜，市民更加苦不堪言。一时间，各种调侃长春交通现状的桥段满天飞舞，流传甚远。

鉴于此，市政府多次组织召集交通、建委及道路维护部门研究解决办法，出台多种综合解决措施，例如：采取车辆单双号限号行驶、道路设置单行线、路口渠化；采取道路施工期间分批次、分区域、分时段的作业方式；采取少翻建多罩面的技术方案；采取使用冷热再生等工艺措施尽量通过减少翻建道路数量来减少施工对城市交通及环境的不良影响。但是高峰时段塞车现象依然痼疾难除。

    问题在哪？道路维护特别是在大修翻建工程中，目前普遍采用石灰、粉煤灰、碎石结构作为道路基层，俗称：二灰碎石。该结构早期强度低，达到设计强度需要28d的养生期，这才是问题的关键。

   缩短道路施工周期是建设、管理、交通、环境等部门的共识，也为广大市民所倍加关注。

   出路在哪？ 2005年初春，长春市人民广场环路因交通量连年增长，道路早已不堪重负，破损严重，必须翻建。然而这条环路处在城市核心区，承担的交通量极大，必须用最短的时间完成道路翻建工作。人们在重压下苦苦思索，终于提出采用大块石灌注砂浆来替代传统的石灰、粉煤灰、碎石基层的方案。起名《混合石灌浆基层结构》，在规范中没有这个材料或结构，全国范围内只在长春市有应用。应用该结构在5.1节日放假的7天时间内，快速的完成了环路翻建工作，经过十余年的特大交通量的考验，至今仍在使用。

   2011年，在南湖大路道路翻建工程设计中，建设方也是因为交通量大，要求采用缩短工期的结构。混合石灌浆基层结构再次用来修筑城市主干道。

既然混合石灌浆基层结构具有缩短建设工期的特点，是否可以推广使用呢，这个问题又一次萦绕在市政建设者的心头。设计是要用数据说话的。该结构的质量及工艺特性必须全面掌握才能在市政道路设计中广为应用。设计师开始对混合石灌浆结构施工的全过程进行跟踪，现场拍照、录像、采访、查看设计图纸、检索设计规范，一路跟踪过来，大量现场照片，揭示出该结构有许多难以克服的缺陷，最初的热情也渐渐冷却。首先从材料来源看，混合石是个模糊的词，在规范中找不到这种材料，也没有相对应的数据。比如：粒径大小、级配要求、强度等级、设计规程、施工规范、验收标准等一系列技术资料。能够比较接近的材料是水泥稳定碎石。

   在南湖大路道路翻建实际施工过程中，由于施工方自己采购的石料有很大的随意性，石料来源不稳定，现场各色石料都有，仅凭石料颜色就知道强度不会相同。观察石料尺寸及形状也差别较大，如类卵形、类锥形、类矩形等不一而同，而石料规格的增大，也放大了石料形状属性对结构受力影响。规范所描述的骨架密实型、骨架空隙型、悬浮密实型、均匀密实型，不但与石料粒径的级配有关，也取决于结构层厚度与石料最大粒径的倍数关系。构成石料表面的有效构造面数量差别大，各个构造面面积差别大。这样的石块堆放在一起，结构强度的均匀性差，嵌锁性能不稳定。原本设想混合石灌浆结构是利用石料间的嵌锁作用实现结构稳定的，而为保证砂浆充满度要求分上下两层铺设，单层厚度仅为15~500px，对混合石最大粒径而言，就是单层石料平铺在路槽内，如何实现嵌锁呢？  

该结构的致命缺陷是：石料粒径与结构厚度相当、形状不一致、强度不一致，所组成的结构稳定性不确定。而这些都不能通过设计文件约束和控制，不能设计基本结构件的形状；不能设计结构指标；不能进行有限元结构计算分析；不能设计结构稳定类型，只能进行定性设计。

人类在每一个科学技术领域的认知进步，都要经历一个从无到有、从浅到深、从模糊到清晰的过程；这种规律反应在结构设计上，就是从定性设计到定量设计的变化。

在传统的定性设计时代，使用材料及设计单位的理论认识水平和计算能力都处于初级阶段。人们首先认定验收合格的材料是均质无缺陷的，继而根据经典工程理论和经验选出合理的方案；随后开始估算和选择结构部件的截面尺寸，再进一步对强度与刚度性能进行校核。如果强度、刚度不足，则加大截面尺寸增加梁高；如果剩余强度太大，便减少截面尺寸。
   这种设计方法在计算过程中做了许多假设与简化，而且只能适用于一些外形和受力都比较清晰的简单部件，计算结果也容易与试验结果出现较大偏差。计算成果的质量取决于设计人员的理论素养、经验水平和试验数量的积累与归纳的水准。因此在理论与计算资源匮乏的条件下，只能利用比例尺、诺莫图等模拟计算手段。

随着材料技术和计算手段的进步，人们逐渐认识到采用预制装配式结构才能保障单件强度、开展结构计算、控制设计参数、明确稳定性机理、提高质量保证率。因此使用人工石替代混合石等现场湿作业结构是必然趋势。

在第十一届国际绿色建筑与建筑节能大会上，住房城乡建设部副部长仇保兴在综合论坛上，以“普及绿色建筑的捷径——装配式住宅”为题发表演讲，指出我国工程建设管理存在建筑设计使用年限标准较低、建筑施工标准较低、工程造价标准较低等问题。随着城镇化的发展，建筑规模在不断扩大，而施工方式并未随之发生革命性的变革。还强调要综合考虑建筑全寿命周期内的经济、环境、社会效益、将节能、环保、绿色施工以及建筑宜居程度因素一并纳入，科学研究制定建筑设计、建造等标准规范体系、提高建筑设计使用年限、施工质量和工程造价标准。同步确定新的造价定额标准，既要考虑建筑寿命增加带来的造价变化，也应同步体现生态环保和转型升级的要求。

当前绝大部分的建筑施工依然沿用传统的现浇混凝土结构技术，手工操作多、现场制作多、湿作业多、施工时间长，难以确保工程质量，还造成施工扬尘及噪音扰民影响百姓生活和城市环境。建筑市场处于低价竞争状态，使得“模数化设计、工厂化生产、机械化安装、绿色化施工”的建筑产业现代化推进举步维艰。

要通过现代化的制造、运输、安装和科学管理的大规模生产方式，来代替传统建筑业中分散的、低水平的、低效率的手工业生产方式是建筑现代化的主要标志。要求在建筑行业加快推广应用预制装配式结构体系，引入生态文明理念下的建筑全生命周期概念，考虑施工过程中的环保要求，建筑垃圾处理等综合因素，使施工周期更短，工程质量更有保障。

我市在道路维护作业过程中，已经广泛采用冷、热再生等先进工艺、排水工程也正在全面落实预制化、工厂化作业模式。可以预见道路工程的预制化、工厂化必然有着光明的前景。

终上所述，必须针对混合石灌浆结构缺陷进行升级改造，走跨越式的发展之路。在用预制件替代混合石的大方案内提出两个研究方向：1、尽量模拟混合石；2、脱离混合石的创新结构。

大胆的设想、创新的思维，还需要有缜密的分析与科学的判断。我们清醒的认识到最初的设想还相当幼稚，仅相当于提出了目标——用预制块作为道路基层替代传统的二灰碎石。关键核心问题必须解决——例如该结构属于刚性还是柔性、车辆的振动荷载对预制块结构的影响、不均匀沉降如何克服、面层反射裂缝的预防、预制块之间的缝隙如何填充....，等等许多不可回避的难关挡在面前，必须有针对性的深入开展研究，找到关键性技术突破口。

模拟混合石方案研究需要开展的工作有：模拟混合石尺寸、形状、级配开展研究，这就要收集各个产地混合石的尺寸数据：粒径、长轴、短轴、有效表面数、最大表面面积、最小表面积、典型嵌锁模式分析与归纳。预制块要有多个表面，多种尺寸规格，涉及预制块结构外形设计、模具设计、预制块级配设计等一些列研究。

创新结构研究，设想是使用最少的级配，比如只有一个尺寸规格，最少的外表面，比如是近似矩形或六角形来制造预制块。这就涉及如何建立板体稳定性的问题。需要开展的研究有：预制块外形结构设计、预制块之间的连接、预制块材料、预制块成型、加铺层反射裂缝的预防、不均匀沉降的预防、抗震动、抗冻融、与上面层的联系、与底基层的联系.....

经过两个研究方向的对比分析，认为既然是预制块，在道路基层使用，必然是生产规模大，现场拼装作业量大，单件重量超出人力所能、必须使用机械操作。据此可以得出设计原则是预制块规格与级配应尽量少，才能有利于组织生产和管理，有利于降低成本、有利于提高现场拼装效率。因此确定研究方向是：尺寸单一、外形简单、机械拼装。原始方案是一个规格，平面为矩形，厚度为40~1500px，空心或利用建筑废料填充内部空间，使用钢筋连接相邻预制块。至于预制块因厚度大耗材多，而导致造价高的问题，可以通过设置空心结构或填充低密度材料，例如填充泡沫球解决。

预制块使用何种材料，是结构、材料、工艺这三个最受关注的问题之一。

最初考虑使用泡沫混凝土，经过检索发现建筑砌体所用的泡沫混凝土强度等级低，抗冻融差，道路设计轴载200KN，泡沫混凝土抗压强度不能满足道路基层结构设计要求，一般用来填筑路基或边坡。预制块材料使用泡沫混凝土的方案因强度不足被淘汰。

采用最传统的钢筋混凝土材料方案，可以保证结构强度、工艺及材料都是常规成熟技术。但是配置钢筋即增加造价又使工艺复杂化，生产效率低，因此该方案淘汰。

还有以二灰碎石为基础通过添加剂提高早期强度，再经过压力成型制成预制块的方案。二灰碎石的成型工艺是逐层碾压成型，仅依靠压力很难满足大尺寸制件的强度要求。预制块强度还要满足在工厂制造过程中发生的运输及吊装的工艺需要。该方案研究涉及材料及压力机械、模具制造的研究工作，设计方案至今仍在深化研究与试验阶段。

采用水泥稳定无机混合料浇筑振捣成型的预制件成为当前选用的材料及工艺。该方案能利用碎石、粉煤灰，将来还能利用建筑垃圾，有巨大的产业发展潜力和环境优势。

预制块之间的缝隙连接是研究的另一个重点。

预制块之间的连接还可以采用在预制块顶面四边设置用于吊装的钢筋，并将相邻预制块吊装钢筋焊接在一起形成整体结构，满足基层结构板体稳定性要求。该方案看似可行，但是经过具体工艺分析后发现，相邻预制块之间的固定不论是钢筋焊接还是钢筋绑扎，不仅工艺十分复杂还耗费较多人力与宝贵的作业时间。钢筋焊接方案因工艺可行性差被淘汰。

对预制块缝隙填充材料的选用，研究过程中陆续提出许多方案。其中有高铁专用的无砟轨道——CA树脂砂浆方案。这是一种水泥、沥青乳液、砂、外加剂等多种材料组成的有机无机复合材料。CA砂浆的硬化机体是由沥青形成的连续相包裹水泥水化产物和细骨料形成的一种复杂的三维网络结构。具有稳定的力学性能、适宜的弹性、体积稳定性和变形的可控性、高流动性、均质性、优良的自填充与自密实性。但是该方案并没有继续研究，阻挡设计者前进脚步的是组成材料对气候敏感的警告及（6000元/吨）高昂的价格。综合分析认为：道路基层使用如此高性能、高价格、高技术的方案，工艺控制过于复杂，效费比也太低，不可取。类似的还有填充高粘沥青、填充玻璃胶、填充建筑胶等方案，由于在工艺和造价方面有共同的缺陷，纷纷淘汰。

还研究了填充河沙的方案。河沙是散状物，能够自由填满缝隙，并可随着缝隙宽度的变化实时补充。但是与预制块之间的力学作用不稳定，性能相差大；对水损害不设防；容易流失、体积变化大；综合分析，河沙不能约束预制块之间的不均匀沉降，该方案淘汰。

预制块之间的缝隙问题，也可以模仿混合石灌浆工艺路线，采用砂浆灌注缝隙的方案。然而预制块之间缝隙窄小，要满足充满度要求，应具有较大的流动度。缝隙中的砂浆主要受剪切力作用，还应使砂浆具有足够的韧性，需要掺入胶质材料。

信念坚定不移，探索永无止境。对一个具体的项目而言，假设真的有一个确实可能的方案，那么淘汰的方案越多，就越是接近获得成功。关键是方向，方向比努力重要。尽管困难重重，继续。

2012年5月，又是一个春天。设计院召开新结构研讨会，再次强调要深入研究，尽快取得关键技术的突破。研究人员北上哈尔滨工业大学请教专业老师、南下天津市政部门共同研讨、走访市政维护老工人、蹲图书馆查资料......，功夫不负有心人，终于在浩瀚的资料中闪现出《银锭扣》这个名词使研究者眼前一亮，立刻前往北京琉璃河桥考察。

来到这座石拱桥上，远远望去桥面石料上那深深的车辙向我们述说着700余年历史的沧桑，当年石匠们使用古老的工具开山采石，用骆驼背运石灰、熬制糯米石灰浆灌注在石料缝隙中，使用石匠3千，耗费十年时间建造的桥梁至今依然矗立在琉璃河畔。走进前来仔细观察,桥面石料及栏杆石料的接缝处都设有一个铁质的构建，这就是传说中的《银锭扣》。该构建呈两端大，中间小的楔形，因酷似古代货币银锭而得名《银锭扣》。

经过分析认为《银锭扣》可以提供平面内X、Y轴两个方向的嵌锁能力。对于垂直方向没有约束，而作为道路基层结构最首要的是提供垂直约束保障。研究还要继续。各种方案经历提出——淘汰，再提出——又淘汰，无数方案在脑海中积累、碰撞、转化，终于想到将《银锭扣》的一半转动90度再压缩到一起的方案。这是在《银锭扣》基础上的蝶变与升华，该方案从借鉴混合石灌浆结构开始，但是确跨越了对混合石灌浆结构本身的研究，而是直接面向传统结构二灰碎石和水泥混凝土路面提出超越的挑战，如果成功则可在技术上实现颠覆性的跨越。

专利申请、模型制作、技术论证同时展开，加铺层反射裂缝如何防止、底部基底拉应力如何抵抗、吊装搬运如何操作。一道关一道关的闯过。在技术上每过一关，就破解一个难题，申请一个专利，上升一个台阶；就这样一路走过，洒下一路闪耀着智慧结晶的专利技术。目前已经有4项实用新型获得国家专利授权；另有3项实用新型在公示期内，将在2014年底得到授权；还有三项发明专利在公示期....，探索的脚步并未有片刻的停息，研究还在继续。

任何新结构必须经过实践的检验，设计师制作预制件木模型，检验新结构的受力特征。

试验1:：在仅有侧面支撑的条件下，检验结构的稳定性。这是模拟路基局部塌陷的情况，是最差的工况。苛刻的条件，才能展示独特的性能。实验结果：该结构具有稳定性。

试验2：在仅有底部连接的条件下，检验结构的稳定性。这是模拟预制件之间连接失效，只依靠底部连接的情况。具体方案是使用编织袋涂抹胶水粘在木模型底部，木模型侧面不做任何处理，5个木模型仅底部粘连在一起，排成一列，将其两端支撑，中间悬空呈简支梁状。试验结果：该结构既有结构稳定性。

在技术上所谓隔行不隔理，各种结构都有可借鉴、可参考、可类比的结构类型。南京长江大桥，是钢桁架桥结构，翻阅桁架桥结构设计原理可知，是利用三角形的稳定性：底部拉住不断开、顶部撑住不失稳，侧柱不垮塌是结构特点。在试验2中，就可以体会到桁架桥的稳定特性。

试验3，将25只木模型放置在仅有边框的环境中，（类似没有底的抽屉）试验结果：结构稳定。

材料试验也并非一帆风顺，起初提出使用干硬性混凝土预制件，研究中发现现有的振压设备最大加工厚度在300mm,如此厚度的预制件是否能满足抗压、抗冻融等设计指标，没有先例。实验还在继续，我们企盼得到预期的结果。

常规的现浇混凝土成型工艺技术工艺都是成熟的无需多虑。关键是砂浆的配置，大流动度、早强、抗低温的砂浆配合比研究，确实让设计师们费了一番脑筋。还是在哈尔滨工程大学技术顾问的指导下才陆续破解。

2013年4月25日建委工程技术处批准设计院上报的《嵌挤组装式道路基层结构》研究的立项申请，从此研究工作驶入快车道。

既然是预制件，就应进行结构计算。花费20万元购入迈达斯软件、5万元购置专用计算机、聘请大学老师当顾问，很快初步拟定结构尺寸、建立不同嵌挤度、不同厚度、不同材料的模型、上机运行....，多彩的计算云图在设计师眼前展现。方案在逐渐优化，云图从色彩斑斓的到均匀平缓，结构计算逐渐向更成熟、更合理、更优化趋近。

尽管初步拟定预制件结构尺寸和材料配合比，但是要掌握新结构的可靠性能，必须进行真实条件下的试验。

2013年9月23日召开试验路段初步设计审查会，与会专家通过试验方案；随后，建管中心批准在飞跃中路进行预制基层的科研试验计划；10月9日完成预制件生产、运输、拼装，10月13日完成砂浆灌注，10月17日进行道路弯沉检查。数据显示，新结构弯沉值符合设计要求。对比段弯沉值处在已经发生损坏即将需要维护的边缘。

2014年1月16日，召开试验路段阶段性成果鉴定会，专家一致认为该项目选题新颖、设计合理、突破了传统刚性基层受拉应力状态，使预制块转化为受压应力状态、充分发挥水泥混凝土预制块的力学特性、预制块结构相对合理、工艺可行、能够确保施工质量，该项目节能环保、符合国家相关产业政策，具有良好的应用前景。建议进一步优化预制块尺寸，降低成本，提高经济可行性。

工艺方面的研究也在这个时点深入展开。专用装卸装配一体组合机《自行式桁吊》方案出台，正在进行技术、效率、经济对比分析，遴选最优方案；预制件振压成型模具设计方案已经初步完成，正在进行单件试验。

预制块结构优化的工作取得进展，确定1000px厚度的重型预制块及750px厚度的轻型预制块两个型号；砂浆配合比试验提出采用普通42.5水泥、添加胶质材料提高耐久性、使用常用外加剂降低造价的方案。

2014年1月27日建委批准《预制装配式道路基层结构》的科研计划：在世纪大街试验三种嵌挤度重型预制块，用于获取遴选最优嵌挤度的试验数据；在百汇街等3条路进行轻型预制块试验，检验3种不同配合比砂浆的性能，以便优化结构，为固化设计参数提供依据。

2014年3月26日到吉林省科技局提交《预制装配式道路基层结构》施工及验收规程的编制申请。

2014年3月31日完成试验路段施工图设计及预算；

2014年4月1日在长春市财政局财审中心召开多部门联席会议，研究造价问题，会议结论：1、该项目技术可行，可以应用于道路抢修工程建设；2、针对上报预算价格较高的情况，提议将预制块制造模具及特制装卸设备单独划拨资金由科研经费列支；3、进一步降低造价。

2014年4月计划到科研局申报科研项目，以便更快更好的完成科研实验并获得预期成果。

开拓则留下痕迹、努力则产生影响。一个新的道路结构，将在我们手中梦想成真，努力吧！