近年来，随着交通量和行车荷载的增加，我国早期修建的水泥砼路面破损严重，已不能适应经济快速发展的需要和社会公众对高速公路通行能力和舒适性的迫切要求，在旧水泥砼路面上加铺沥青混凝土面层是改善路面使用性能和延长路面使用寿命的常用措施。目前，虽然国内已对旧水泥砼路面上加铺沥青混凝土面层形成的复合式路面进行了一定研究，然而对这一复合路面的综合技术仍缺乏深入系统的研究。旧路病害处治不彻底、防治反射裂缝措施不合理、加铺层设计不完善等原因导致许多水泥混凝土路面沥青加铺工程使用效果不理想。本文从水泥混凝土路面沥青加铺层的材料组成与性能优化设计、复合式路面结构力学行为特性等角度出发，旨在通过大量室内外试验与检测以及理论分析，对水泥混凝土路面沥青加铺层的材料与结构设计进行系统深入的研究，以提高复合路面结构的综合使用性能，进而推动水泥混凝土路面沥青加铺层技术在我国的进一步发展和应用。采用压浆技术对水泥混凝土面板板底脱空进行有效处治是确保水泥混凝土路面沥青加铺层使用性能的重要前提。本文针对目前压浆技术存在的问题，对压浆浆液的配合比组成进行了试验研究，分析了浆液中的不同材料组分以及不同类型外加剂对浆液强度、流动性、粘度、膨胀率、泌水性等力学及使用性能的影响，在此基础上，总结了压浆浆液配合比设计的控制指标及技术标准，提出了压浆质量评价指标，为水泥混凝土路面板底压浆的设计及施工质量控制提供了指导。采用有限元软件研究了水泥混凝土路面沥青加铺结构的力学响应特性。分析了轴载、沥青加铺层厚度、应力吸收层模量等对水泥路面沥青加铺结构荷载应力和温度应力的影响。针对含有新型防反射裂缝结构的复合路面进行力学特性分析，结果表明：新型防反射裂缝结构可在一定程度上降低复合路面结构的荷载应力，显著减小复合路面结构的温度应力，从而有效预防复合路面温度型反射裂缝病害的发生。汕梅高速公路大修工程中的监测数据，验证了复合路面结构的实际力学性能变化规律，为高等级公路水泥砼路面沥青加铺层结构的优化设计提供了理论依据。依托梅河高速公路水泥混凝土路面沥青加铺工程，验证分析了层间处治措施对“黑白”界面粘结强度的影响。针对常规防水粘结层材料抗剪切强度不足的问题，研发了新型防水粘结层材料—PCMA，阐述了PCMA的作用机理，提出了相应的施工工艺及技术指标。工程应用及性能检测表明，该材料具有抗剪强度高、施工方便和不需要撒布碎石等优点。通过疲劳试验对比研究了三种沥青混合料类型以及玻璃纤维格栅、土工织物、SAMI层、聚酯纤维等四种防裂措施对水泥混凝土路面沥青加铺结构抗疲劳性能的影响，结合实体工程对不同防裂措施的效果进行了分析验证，结果表明：设置SAMI应力吸收层对提高沥青路面抗反射裂缝能力比较有效，掺加聚酯纤维的沥青混合料能有效提高抗反射裂缝能力。结合大量室内外试验，对比研究了具有不同PG等级沥青及不同矿料级配组成的沥青加铺层混合料路用性能。结果表明：PG82-10改性沥青混合料动稳定度比PG70-10改性沥青混合料提高一倍左右，疲劳寿命是PG70-10改性沥青混合料的两倍多。汕梅高速公路水泥混凝土路面沥青加铺工程通过使用PG82-10改性沥青、新型粘结层材料、新型防反射裂缝措施以及优化配比等创新措施，有效提高了薄层沥青罩面的路用性能，工程应用前景良好。