高速公路瀝青路面車轍產(chǎn)生機(jī)理分析

劉 麗

(河北銳馳交通工程咨詢有限公司)

1 前 言

車轍是渠道化交通的高等級公路瀝青路面的主要損壞類型之一,一般在溫度較高季節(jié),瀝青面層在車輛的反復(fù)碾壓下產(chǎn)生永久變形和塑性流動而逐漸形成。通常是在伴隨著瀝青面層壓縮沉陷的同時,出現(xiàn)側(cè)向隆起,二者組合起來構(gòu)成車轍。當(dāng)車轍達(dá)到一定深度時,由于轍槽內(nèi)積水極易發(fā)生汽車飄滑而導(dǎo)致交通事故。我國有相當(dāng)多的高速公路瀝青路面不得不因為車轍而進(jìn)行大面積銑刨修補。

通過對河北省境內(nèi)石黃(石家莊—黃驊)、京滬、京秦等幾條高速現(xiàn)場瀝青路面車轍的調(diào)查及路面鉆芯和切割取樣分析以及室內(nèi)試驗結(jié)果分析得出產(chǎn)生車轍的原因?？傮w來說車轍產(chǎn)生的因素可以分為外部影響因素和內(nèi)因兩個方面。

2 外部因素分析

2.1 高溫對車轍的影響

荷載和溫度是路面產(chǎn)生車轍的兩個重要的因素,路面車轍的發(fā)展過程實際上是瀝青混合料在高溫下的蠕變過程。

溫度越高,瀝青混合料的勁度模量越低,抗車轍能力越小,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)路表溫度從 35℃升高到 65℃時,表面層瀝青混合料的勁度模量從 700 MPa下降為不足 100MPa;中面層溫度從 28℃升高到 55℃,中面層勁度模量從 900MPa下降到不足 200MPa;下面層溫度從 25℃升高到 50℃時,下面層勁度模量從 1 000MPa降到不到 200 MPa,都是成 5～7倍下降,在相同車輛和在同等荷重作用下,同一種瀝青混合料高溫時模量低,更易產(chǎn)生較大的蠕變變形,形成車轍,因此,高溫對車轍的影響非常顯著。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)高速公路車轍的產(chǎn)生一般發(fā)生在每年的7、8月份中,尤其是在連續(xù)兩三天內(nèi)出現(xiàn)高溫天氣時,車轍很容易出現(xiàn)。一般連續(xù)的高溫使得路面積聚的熱量不能很快釋放出去,瀝青混合料在持續(xù)高溫環(huán)境下,粘聚力降低,抗剪強(qiáng)度降低導(dǎo)致了路面的破損,同樣是高溫的天氣,在廣東等地車轍卻出現(xiàn)很少,究其原因是因為南方的雨水較多,對路面起到了降溫的作用。對河北省的天氣溫度與路面溫度的關(guān)系進(jìn)行了測定。

面層內(nèi)部溫度大部分時間段低于路表溫度,但是隨著氣溫的降低,路表溫度隨之降低很快,而瀝青層內(nèi)部溫度下降趨勢較緩,并且距離路表越深的瀝青層,溫度越不易散發(fā),距離路表 15 cm處的瀝青層溫度趨于平緩,并未隨氣溫的下降而下降,所以說,高溫時間一旦持續(xù)且環(huán)境干燥無雨,就會快速在瀝青層內(nèi)積聚熱量,使得整個瀝青層都處在高溫環(huán)境中,很容易導(dǎo)致車轍病害的發(fā)生。

根據(jù)我國對氣溫與車轍關(guān)系的直接觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣溫低于 35℃時,路表溫度一般低于 55℃,這時車轍不會有太大發(fā)展,能夠限制在 8mm以內(nèi),當(dāng)路表溫度達(dá)到 60℃,氣溫這時一般已超過 38℃,車轍就會明顯發(fā)展,如果氣溫持續(xù)高達(dá) 38℃以上,就會發(fā)生嚴(yán)重的車轍病害。

根據(jù)河北省氣溫變化的不同,擬定了 54℃、57℃、60℃、63℃、66℃、69℃六種不同環(huán)境溫度進(jìn)行同種級配不同瀝青的動穩(wěn)定度試驗,試驗結(jié)果見表 1、2。

表 1 AH-70瀝青混合料不同溫度的動穩(wěn)定度值

表 2 SBS改性瀝青混合料不同溫度的動穩(wěn)定度值

如表 1、表 2所示,在相同荷載作用下,溫度升高,瀝青混合料的動穩(wěn)定下降,這也相當(dāng)于在高溫時采用了低動穩(wěn)定度的材料。采用SBS改性瀝青的動穩(wěn)定度明顯好于AH-70石油瀝青的動穩(wěn)定度,下降趨勢較緩。

2.2 超載和車流量對車轍的影響

(1)不同軸載作用下瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力理論研究。

車轍產(chǎn)生的主要原因之一是在車輪豎向和水平荷載作用下,瀝青層內(nèi)產(chǎn)生剪應(yīng)力,致使瀝青混合料產(chǎn)生剪切變形,不可恢復(fù)變形的不斷累積形成車轍。以半剛性基層瀝青混凝土路面作為典型結(jié)構(gòu),采用有限元力學(xué)計算分析方法分析了不同軸載對瀝青路面車轍的影響。

對計算結(jié)果的分析,無論在平坡還是在上坡路段車輛軸重越大,剪應(yīng)力越大。車輛在平坡路段行駛時,如圖 1所示,當(dāng)車輛軸重從100 kN增加到 150 kN、200 kN時,最大剪應(yīng)力由 0.157MPa增加為 0.232 MPa、0.308 MPa,分別增加了48%和 96%,在深度 4～6 cm范圍內(nèi)剪應(yīng)力較大。當(dāng)車輛在上坡路段行駛時,以 4%坡度為例,剪應(yīng)力曲線的形態(tài)與平坡路段時基本相同,當(dāng)車輛軸重從 100 kN增加到 150 kN和200 kN時,最大剪應(yīng)力由 0.274 MPa增加為 0.400 MPa和0.527MPa,分別增加了 46%和 92%,當(dāng)坡度為 6%時最大剪應(yīng)力分別增加了 48%和 96%。

圖 1 不同軸重在平坡路段的剪應(yīng)力分布圖

通過上述分析發(fā)現(xiàn),隨著軸重增加,剪應(yīng)力幾乎按照相同的比例增大,即剪應(yīng)力與車輛軸重近似地表現(xiàn)為 45°線性遞增的比例關(guān)系。

(2)不同軸載作用下瀝青混合料動穩(wěn)定度室內(nèi)試驗分析。

在室內(nèi)對不同荷載作用下動穩(wěn)定度次數(shù)進(jìn)行了試驗。

為研究荷載對動穩(wěn)定度的量化性影響,選取三種瀝青混合料,分別進(jìn)行 0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa三種壓力下的車轍試驗,發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)溫度 60℃下動穩(wěn)定度與輪壓成指數(shù)關(guān)系,試驗結(jié)果如表 3。

表 3 不同壓力下動穩(wěn)定度次數(shù)

可以看出,荷載對動穩(wěn)定度的影響是非常大的。當(dāng)荷載由 0.7MPa增加到 1.1MPa時,動穩(wěn)定度幾乎要降低一倍,路面在重載車作用下,瀝青混合料抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值,造成路面流動性車轍。

通過進(jìn)行室內(nèi)實驗比較不同荷載情況下瀝青混合料的動穩(wěn)定度變化情況,最佳用油量的確定分別采用 GTM法和馬歇爾試驗方法,GTM采用三種不同的設(shè)計壓強(qiáng) 0.7MPa、0.9 MPa、1.1 MPa,車轍試驗采用三種輪壓 0.7 MPa、0.9MPa、1.1MPa分別進(jìn)行,試驗結(jié)果如表 4。

表 4 不同荷載作用下車轍試驗對比結(jié)果

從上述試驗結(jié)果可以看出,隨著荷載的增加瀝青混合料的抗車轍能力降低,每增加 0.2MPa的壓強(qiáng),抗車轍能力降低約 20%;增加設(shè)計壓強(qiáng)可以有效的提高抗車轍能力,對于AC-13I瀝青混凝土來說采用馬歇爾重載指標(biāo)設(shè)計的瀝青混合料 DS為 1 087,而 GTM 0.7的 DS為 1 248,GTM 0.9的DS為 2 242,GTM 1.1的 DS為 3 217,分別是馬歇爾重載設(shè)計的 1.15、2.06、2.96倍。

從上面的分析不難發(fā)現(xiàn)隨著車轍試驗的輪壓增大時,車轍次數(shù)降低,但是輪壓與車轍次數(shù)并不是簡單的線形關(guān)系,只是隨著輪壓的增加,車轍次數(shù)下降速度加快,當(dāng)輪壓小于設(shè)計壓強(qiáng)時,車轍次數(shù)大幅提升。

2.3 上坡路段易出現(xiàn)車轍

山區(qū)高速公路連續(xù)大上坡路段易出現(xiàn)車轍,因為車速慢,荷載作用時間長,由于車速降低與溫度升高的等同性,所以上坡路段較平坡更易產(chǎn)生車轍。

根據(jù)車速與坡度和坡長變化關(guān)系的分析,車輛的行駛速度將隨著坡度和坡長的增加而不斷降低,車速降低將會使輪胎對路面的荷載作用時間延長。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)車在不同坡度時的平均車速,計算了荷載作用時間和等效的荷載作用次數(shù),如表 5所示。通過平路和上坡路段荷載作用次數(shù)的比較,可見對于上坡路段,車輛的行駛速度越低荷載的等效作用次數(shù)越大。

表 5 不同坡度時車輛的荷載作用次數(shù)

車速降低除了對荷載作用次數(shù)的影響外,還會降低瀝青混合料的勁度模量。車速降低對剪應(yīng)力的影響表現(xiàn)為荷載等效作用次數(shù)的增加和瀝青混合料勁度模量的降低,車速越低對剪應(yīng)力的影響越顯著。

2.4 渠化交通的影響

高速公路渠化交通是產(chǎn)生車轍并進(jìn)一步加劇車轍的一個重要因素。

車轍形成因素的幾個外因中,按照分析及實際觀測,溫度與荷載影響最大,車速與交通渠化對車轍的影響位于其次。當(dāng)然形成車轍的外部影響因素并不能完全解釋車轍形成原因,還必須通過內(nèi)部因素分析。

3 內(nèi)部影響因素

3.1 結(jié)構(gòu)方面

(1)路面厚度。

根據(jù)國內(nèi)高速公路瀝青面層厚度開展廣泛調(diào)查。通過有限元計算方法分析時,選取了四種面層厚度,分別為8 cm,12 cm,15 cm和 18 cm,得到不同面層厚度時瀝青面層的剪應(yīng)力計算結(jié)果,如圖 2所示。

通過圖 2可見:面層厚度變化對瀝青面層剪應(yīng)力的影響很小。最大剪應(yīng)力值位于 2～9 cm范圍,即中面層是承受剪應(yīng)力主要層次,從現(xiàn)場切割的斷面也可以驗證這一點。當(dāng)瀝青層厚度超過 18 cm時,瀝青面層與基層間所受的剪應(yīng)力趨于 0。瀝青面層厚度越小,瀝青面層與基層的層間剪應(yīng)力越大。

圖 2 不同面層厚度時車輪荷載作用下瀝青面層剪應(yīng)力分布

研究表明,瀝青層的適宜厚度應(yīng)在 18～20 cm,可以兼顧造價和路面的使用性能;同時在確定瀝青路面結(jié)構(gòu)時應(yīng)進(jìn)行抗剪試驗,將抗剪強(qiáng)度作為路面設(shè)計的主要指標(biāo)之一。

(2)瀝青路面面層模量對車轍的影響。

溫度越高,瀝青混合料的勁度模量越低,材料就容易產(chǎn)生嚴(yán)重的流動變形。利用有限元方法就面層勁度模量對剪應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究分析。為分析瀝青面層勁度模量對剪應(yīng)力的影響,對表面層、中面層和下面層瀝青混合料的模量假定了六種組合,如表 6所示。

表 6 瀝青混合料結(jié)構(gòu)層的勁度模量組合

計算這六種面層模量組合采用的荷載為后軸軸重100 kN的標(biāo)準(zhǔn)車,在 4%坡度的上坡路段行駛時對路面的平行和垂直荷載,利用有限元計算方法得到的剪應(yīng)力在最大值所在橫斷面上隨深度的分布如圖 3所示。

圖 3 不同組合時面層剪應(yīng)力分布

從圖 3可見,隨著勁度模量降低,剪應(yīng)力將會隨之減小,圖中不同勁度模量的剪應(yīng)力曲線形態(tài)都非常相似,最大值一般均發(fā)生在路表下 40～50mm范圍內(nèi)。高溫會造成瀝青混合料勁度模量的下降,降低路面抗剪強(qiáng)度,是造成路面車轍病害的主要因素,因此為了提高路面抗剪強(qiáng)度應(yīng)該采用高模量的瀝青混凝土。

3.2 原材料性質(zhì)及材料設(shè)計方面的影響

(1)瀝青材料性質(zhì)的影響。

優(yōu)質(zhì)瀝青的使用極大提高了路面的使用性能。課題組對 70#瀝青、SBS改性瀝青和 TLA改性瀝青(30∶70)混合料進(jìn)行了車轍的室內(nèi)試驗對比,采用級配類型為AC-20,設(shè)計方法采用 GTM設(shè)計,試驗結(jié)果如表 7。

表7 不同瀝青種類對車轍影響分析

從試驗結(jié)果可以看出,改性瀝青的粘度大于普通瀝青粘度,并且改性瀝青混合料的抗車轍能力明顯高于普通瀝青混合料。

(2)瀝青混合料級配的影響。

級配是瀝青混合料中礦料的最重要特性,幾乎影響到瀝青混合料的所有重要特性。對從現(xiàn)場取回的芯樣進(jìn)行了室內(nèi)的抽提篩分試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),車轍較輕的宣大高速公路4.75mm篩孔以上較設(shè)計級配普遍偏細(xì),2.36mm篩孔以下較設(shè)計級配普遍偏粗,符合優(yōu)化級配的走向原則,優(yōu)化級配為 S型的緊密嵌擠型礦料級配,S型級配由于減少了最粗部分和最細(xì)部分的集料,中間檔次的粗集料 4.75 mm、9.5mm以上部分用量增加,使級配的嵌擠能力大大提高,明顯改善了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。而車轍較嚴(yán)重的保津高速公路較設(shè)計級配 4.75mm篩孔以上偏細(xì),級配已形不成嵌擠結(jié)構(gòu),形成車轍很必然的。從試驗可以得出,為了提高瀝青混合料的高溫性能,應(yīng)該采用粗型級配,并應(yīng)使礦料級配接近骨架密實結(jié)構(gòu)。

(3)集料性質(zhì)的影響。

集料的粘附性、針片狀等指標(biāo)對混合料的抗車轍性能都有較大影響。

集料與瀝青的粘附性等級低也是造成路面車轍病害的原因之一。在施工過程中應(yīng)添加一部分水泥、石灰或者抗剝落劑提高粘附性,可以有效提高瀝青混合料的高溫性能。在室內(nèi)進(jìn)行了GTM配比設(shè)計和車轍試驗,試驗結(jié)果如表 8。

表 8 AC-25瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

粗集料的扁平細(xì)長顆粒的含量影響施工和使用過程中集料的破碎率,對混合料的體積指標(biāo)及抗車轍能力、疲勞性能可能產(chǎn)生影響。就針片狀對于高溫性能的影響進(jìn)行了研究。針片狀含量對高溫穩(wěn)定性的影響采用車轍試驗評價,在評價針片狀含量對高溫穩(wěn)定性的影響時采用了兩種級配,都采用石灰?guī)r石料,瀝青采用普通重交道路瀝青。試驗結(jié)果見表9。

表 9 針片狀含量對高溫穩(wěn)定性的影響

從進(jìn)行的車轍試驗分析:針片狀含量增加到 30%時,對連續(xù)級配瀝青混合料的高溫抗車轍能力影響不大,車轍基本上在同一水平,但是對骨架結(jié)構(gòu)級配的高溫穩(wěn)定性影響比較大,當(dāng)針片狀含量大于 10%時,動穩(wěn)定度次數(shù)急劇下降。

3.3 施工質(zhì)量控制及路面均勻性的原因

(1)混合料離析比較嚴(yán)重,造成級配偏差,產(chǎn)生軟弱的混合料;(2)注重平整度,降低了對壓實度的要求;(3)現(xiàn)場施工組織差,碾壓不及時,漏壓;(4)油石比控制不準(zhǔn)確等因素;(5)施工過程中層間結(jié)合差,造成瀝青路面層間滑動。

4 結(jié) 論

(1)通過實際調(diào)查、室內(nèi)外試驗和理論分析,影響高速公路車轍病害的主要因素中外部因素是重載、高溫、路線縱坡,內(nèi)部因素是瀝青混合料的質(zhì)量及原材料質(zhì)量。在各種外部因素中,高溫、重載的影響居于首要位置,是造成路面車轍的重要因素。對于導(dǎo)致車轍病害的內(nèi)部因素而言,瀝青混凝土的配合比設(shè)計是最主要的因素。對于瀝青路面的抗車轍結(jié)構(gòu)層應(yīng)選擇骨架密實型的礦料級配,使用改性瀝青可以有效提高路面的抗車轍性能。

(2)根據(jù)車轍實際調(diào)查和使用效果以及瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗和瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力理論分析,推薦中、上面層的動穩(wěn)定度不應(yīng)小于 3 600次 /mm。

(3)在典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)情況下,瀝青面層的抗剪強(qiáng)度應(yīng)該作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要指標(biāo)。通過抗剪計算分析和試驗研究,瀝青面層厚度在 18～20 cm為宜,其中 2～9 cm為剪應(yīng)力最大區(qū)間;根據(jù)課題研究,建議將瀝青混凝土 55℃的抗剪強(qiáng)度作為面層結(jié)構(gòu)設(shè)計主要設(shè)計參數(shù)。

(4)縱坡較大的路段應(yīng)專門進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層的抗剪設(shè)計。平原區(qū)最大縱坡在 4%時,設(shè)計抗剪指標(biāo)應(yīng)該增加 76%。山嶺重丘最大縱坡在6%時,設(shè)計抗剪指標(biāo)應(yīng)該增加 127%。

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