瀝青路面車轍病害分析與處治措施

李小松　湯琨

【摘 要】通過對國內(nèi)某公路瀝青路面車轍病害的調(diào)查，從車轍產(chǎn)生的機(jī)理角度對車轍產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，最后給出了處治該路段車轍病害的具體措施。

【關(guān)鍵詞】瀝青路面；車轍；成因分析；處治措施

【Abstract】By investigating the rutting of asphalt pavement inland， analyzed the causes of the rutting by combined with the mechanism of rutting， and finally gave the measures to deal with the rutting of the road.

【Key words】Asphalt Pavement； Rutting； Causation； Treatment measures

0 引言

在我國，公路實(shí)行渠化交通，各車輛按照車道行駛，尤其近年來超限超載車輛的持續(xù)增加，行車道輪跡處位置承受大量重車的反復(fù)作用。在夏季高溫時(shí)，輪跡帶在大量重車反復(fù)作用下會逐漸變形下凹，兩側(cè)逐級隆起而形成車轍，繼而持續(xù)發(fā)展就會形成轍槽。

車轍等瀝青路面的流動變形是國際上最為常見的瀝青路面損壞現(xiàn)象。根據(jù)國際上的統(tǒng)計(jì)，在瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)中，有約80%是因?yàn)檐囖H變形[1]。車轍達(dá)到一定深度時(shí)會影響行車舒適性并容易積水進(jìn)而對行車安全造成隱患。因此，車轍病害在很多國家都引起足夠的重視。

1 車轍病害調(diào)查

一些國家通過限制車轍的深度在一定范圍內(nèi)，當(dāng)超出范圍時(shí)就要采取處治措施。在不同國家，對于車轍的容許深度是不同的。有研究表明：當(dāng)車轍深度達(dá)到5mm時(shí)，就有很大可能造成高速行車不安全；當(dāng)車轍深度達(dá)到20mm時(shí)，則認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到損壞[2]。在英國，當(dāng)行車道的車轍深度達(dá)到10mm時(shí)，就認(rèn)為路面開始進(jìn)入臨界狀態(tài)，需加鋪面層；當(dāng)車轍深度達(dá)到20mm時(shí)，就認(rèn)為路面已經(jīng)進(jìn)入破壞狀態(tài)。美國瀝青協(xié)會的路面設(shè)計(jì)方法中規(guī)定的容許車轍深度（臨界狀態(tài)）為13mm。在日本，當(dāng)路面需要罩面補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，車轍深度一般為20mm。在美國AASHTO路面設(shè)計(jì)方法中，對主要干道的現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)規(guī)定為PSI>2.5。北美的大量路況調(diào)查表明，當(dāng)PSI=2.5時(shí)，路面的平均車轍深度達(dá)15 mm[3]。我國《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[4]規(guī)定的臨界值為15mm。

對國內(nèi)某公路瀝青路面進(jìn)行車轍病害調(diào)查，沿線選取產(chǎn)生車轍病害的路段采用三米直尺配合位置傳感器進(jìn)行車轍深度的測量檢測。每個(gè)檢測路段長20m，每5m測量一次車轍深度，取四次測量的平均值作為該路段的車轍深度，共選取20個(gè)檢測路段。調(diào)查結(jié)果顯示，該路段平均車轍深度最大值為37mm，其中平均值小于15mm的路段共有4個(gè)，平均值大于25mm的路段共有8個(gè)，介于15～25mm之間的共有8個(gè)。根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[4]的規(guī)定，高速公路瀝青路面車轍養(yǎng)護(hù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為車轍深度不大于15mm；車轍深度15～25mm為輕，車轍深度大于25mm為重。

2 車轍病害成因分析

2.1 車轍類型

根據(jù)車轍形成原因不同，瀝青路面的車轍類型主要有：失穩(wěn)型車轍、結(jié)構(gòu)型車轍、磨耗型車轍和壓密型車轍四種類型。由于我國現(xiàn)階段普遍采用半剛性基層，因此結(jié)構(gòu)型車轍較少發(fā)生；同時(shí)我國對履帶式車輛管控較嚴(yán)格，故磨耗型車轍也很少見。下面主要對失穩(wěn)型車轍和壓密型車轍進(jìn)行說明。

（1）失穩(wěn)型車轍。這類車轍主要是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層在車輛荷載作用下，內(nèi)部材料流動，產(chǎn)生橫向位移而發(fā)生，通常集中在輪跡處[5]。其斷面呈W形，車輪作用處下凹，同時(shí)兩側(cè)有隆起。根據(jù)調(diào)查情況顯示，這種類型的車轍主要發(fā)生在長大縱坡路段、彎坡橋匝道及收費(fèi)站出入口等處。

（2）壓密型車轍。該類車轍病害是由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán)或片面追求路面平整度而導(dǎo)致。瀝青面層本身壓實(shí)度不足，致使通車后的第一個(gè)高溫季節(jié)混合料繼續(xù)壓密，在交通荷載的反復(fù)碾壓作用下，空隙率不斷減小，達(dá)到極限殘余空隙率才趨于穩(wěn)定。這種車轍兩側(cè)沒有隆起，只有輪跡處下凹，斷面呈U形。該類型車轍在國外較少發(fā)生，但在我國卻很常見，它是非正常車轍。

2.2 車轍的形成機(jī)理

眾所周知，瀝青路面的車轍是由于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足并在車輪反復(fù)碾壓下而形成的。它起因于瀝青混合料的粘滯流動、土基與基層的變形，并包括一定程度的壓實(shí)作用和材料磨耗[6]。半剛性基層瀝青路面的車轍主要來源于瀝青混合料的粘滯流動和一定程度的壓實(shí)作用。

Hofstra提出的研究報(bào)告認(rèn)為產(chǎn)生車轍的主要原因是剪切應(yīng)力[7]，并推薦使用高強(qiáng)度的路面材料。Wael Bekheet等人把車轍的產(chǎn)生分為兩個(gè)階段：車轍是各結(jié)構(gòu)層（主要是土基）垂直變形的累積，因而壓實(shí)工藝更為重要；車轍與各層材料的穩(wěn)定性有關(guān)，主要是瀝青混凝土的剪切變形[8]。

美國國家瀝青技術(shù)研究中心通過對各州公路進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：瀝青路面的車轍主要發(fā)生在面層，而因?yàn)榛鶎尤毕輰?dǎo)致的車轍幾乎沒有。關(guān)于永久變形產(chǎn)生的機(jī)理，包括體積改變變形（壓密）和體積不變變形（剪切變形）。

在我國，一般將車轍的產(chǎn)生劃分為三個(gè)階段：初始階段的壓密過程；瀝青混合料的側(cè)向流動；礦質(zhì)集料的重新排列及礦質(zhì)骨架的破壞[9]。瀝青混合料是松散礦料顆粒在瀝青膠結(jié)作用及礦料間嵌擠作用下共同組成的混合料體系，其抗剪強(qiáng)度主要由兩部分組成：瀝青與礦料的黏結(jié)力和礦料與礦料之間的嵌擠力。在行車荷載作用下，混合料中黏結(jié)力和嵌擠力較弱的部分就會發(fā)生相對錯(cuò)動，隨著荷載重復(fù)作用次數(shù)的增加，這種相對錯(cuò)動就會逐漸累積最后形成較大的變形，車轍隨之產(chǎn)生。通過以上分析可知，車轍形成的最初原因是壓密及瀝青高溫下的流動，最后導(dǎo)致骨架的失穩(wěn)。

2.3 車轍成因分析

通過以上對車轍形成機(jī)理的分析可知，車轍的產(chǎn)生從本質(zhì)上講就是瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了變化。對于影響瀝青路面車轍的因素可總結(jié)歸納為內(nèi)因與外因兩個(gè)方面，內(nèi)因主要是指集料的特性、礦料級配、瀝青性質(zhì)與用量、層間連接情況等；外因主要有外界環(huán)境的溫度、交通荷載、施工質(zhì)量控制等。

（1）集料的特性。集料的表面粗糙程度及粒徑大小會影響集料之間的嵌擠力從而影響混合料的高溫穩(wěn)定性，一般情況下堅(jiān)硬、紋理粗糙、多棱角、顆粒接近正方體的集料，其相應(yīng)的瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)部分粗集料為針片狀顆粒時(shí)，必然會降低混合料的抗剪強(qiáng)度從而降低混合料的高溫穩(wěn)定性，也更易于車轍的產(chǎn)生。

（2）礦料級配。礦料級配決定了礦料顆粒間嵌擠力的大小及混合料的密實(shí)程度，直接影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。能形成骨架結(jié)構(gòu)的級配受溫度影響較小，有較好的高溫抗車轍能力，而懸浮型結(jié)構(gòu)抗車轍能力較差。

（3）瀝青性質(zhì)與用量。在其它條件都相同的情況下，瀝青粘度越大，混合料的粘滯阻力也越大，抗剪切變形能力越強(qiáng)，因此瀝青混合料抗車轍性能越好；而瀝青用量主要是通過影響結(jié)構(gòu)瀝青的多少來影響混合料的抗剪強(qiáng)度，其用量有一個(gè)最佳值，在該瀝青用量條件下會獲得最佳的路用性能。如果瀝青用量偏多，就會導(dǎo)致自由瀝青含量增加從而減低了混合料的抗剪強(qiáng)度，那么車轍也就容易產(chǎn)生。

（4）層間連接情況。有關(guān)力學(xué)分析結(jié)果表明，半剛性基層瀝青路面在層間光滑狀況下，面層內(nèi)剪應(yīng)力明顯增大[10]。如果在施工時(shí)不能很好地控制上面層與中面層間粘層油的灑布量，使其用量偏多，就會造成中、上面層間形成了一個(gè)滑動薄弱面，其結(jié)果必然會導(dǎo)致在該路段產(chǎn)生較大的車轍。

（5）交通荷載。路面是為車輛服務(wù)的，長時(shí)間重復(fù)性的行車荷載作用會對路面產(chǎn)生損害，尤其是重載超載的車輛更會加速路面的破損。當(dāng)重載車輛低速行駛時(shí)會長時(shí)間作用于路面，使路面結(jié)構(gòu)處于高應(yīng)力狀態(tài)下，這會加速路面的損壞。

（6）施工質(zhì)量。保證瀝青路面能有良好的路用性能的一個(gè)重要前提就是要將面層充分壓實(shí)，達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，這樣一方面會使混合料達(dá)到較高的強(qiáng)度，另一方面也會使空隙率達(dá)到設(shè)計(jì)空隙率，以上兩方面對保證瀝青路面的路用性能非常關(guān)鍵。

3 車轍處治措施

目前，對于車轍的處治技術(shù)主要包括以下方法：微表處填補(bǔ)、傳統(tǒng)的銑刨重鋪、銑刨拉毛、銑刨再生加鋪及特殊路段采用半柔性路面技術(shù)等。在實(shí)際操作過程中，應(yīng)針對車轍嚴(yán)重程度的不同采用不同的處治措施。

3.1 微表處填補(bǔ)

微表處是聚合物改性乳化瀝青稀漿封層的一種形式，目前已廣泛應(yīng)用于道路養(yǎng)護(hù)工程中，一方面可以應(yīng)用于路面的超薄抗滑表層，另外還可以用于車轍的填補(bǔ)修復(fù)。對于車轍深度不太大（一般深度小于20mm以下），且下面各結(jié)構(gòu)層比較穩(wěn)定的情況，可以采用微表處的方式進(jìn)行處理。由于微表處是一厚度僅有10mm的薄層結(jié)構(gòu)，因此它要求原路面具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，若原路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理后再采用該技術(shù)。

3.2 銑刨重鋪

對于車轍深度較大（一般是20mm以上）的失穩(wěn)型車轍，一般采用銑刨重鋪的方法進(jìn)行車轍的處治。處治時(shí)，先銑刨掉其產(chǎn)生車轍的各面層，銑刨的寬度視車轍范圍而定；銑刨的厚度要根據(jù)各層變形的具體情況，一般變形發(fā)生到哪一層，就銑刨到哪一層，然后通過重新鋪筑瀝青混合料的方式修復(fù)處理。

3.3 銑刨拉毛

銑刨拉毛技術(shù)是對瀝青路面車轍隆起部位進(jìn)行局部銑刨，恢復(fù)路面使用性能、提高行車安全性，該方法是車轍處治的階段性措施。它適用于車轍深度在25mm以上并且基本穩(wěn)定的失穩(wěn)型車轍。由于它是階段性措施，因此采用該技術(shù)并不能根治車轍，但可以大大降低車轍深度、恢復(fù)道路使用性能。

3.4 銑刨再生加鋪

銑刨再生加鋪技術(shù)的適用范圍與銑刨重鋪方法基本相同，它們兩者的區(qū)別在于是否利用原路面的瀝青混合料。根據(jù)車轍產(chǎn)生的不同結(jié)構(gòu)層次，進(jìn)行銑刨再生利用及加鋪方法全面處治車轍。此技術(shù)具有節(jié)約資源、降低維修成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和路面達(dá)到壽命期還可以繼續(xù)再生利用的特點(diǎn)。

3.5 半柔性路面

半柔性路面是指將特殊級配的水泥膠漿灌入多孔基體瀝青混合料空隙中，兼有水泥混凝土剛性和瀝青混凝土柔性的一種路面，是目前車轍處治的一項(xiàng)新技術(shù)[11]。國外對于這方面進(jìn)行了較多研究，證實(shí)了這種路面材料可提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性，延長了路面的使用壽命。

4 結(jié)語

瀝青路面車轍病害是在多種因素綜合作用下產(chǎn)生的，應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、交通管制和及時(shí)的養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行綜合控制，針對不同程度的車轍病害采用不同的處治措施，從而盡可能降低車轍病害對路面使用性能的影響，延長路面的使用壽命。

【參考文獻(xiàn)】

[1]沈金安.瀝青與瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]彭亞榮，張虎.石安高速公路瀝青混凝土路面車轍病害分析[J].公路，2004（7）：120-124.

[4]公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范（JTJ 073.2-2001）[S].北京：人民交通出版社，2001.

[5]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[6]李一鳴，俞建榮.瀝青路面車轍形成機(jī)理力學(xué)分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，24（1）：90-95.

[7]Hofstra A Klomp A J G.Permanent Deformation of Flexible Pavements Under Simulated Road Traffic Conditions[C]. Proceedings. Third International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements. VO1.1，London 1972：613-621.

[8]Wael Bekheet.Investigation of in-situ shear properties ofasphalt pavement. PhD thesis， Carleton University. Canada. 2002.

[9]張登良.瀝青路面[M].北京：人民交通出版社，1997.

[10]紀(jì)小平.層間接觸條件對瀝青路面高溫性能的影響研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，31（2）：31-34.

[11]郝培文，程磊，林立.半柔性路面混合料路用性能[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，23（2）：1-6.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]