黑龍江省大齊高速車轍調(diào)查及形成原因分析

王慧文，魏建軍，姜蔚鷹，李志軍，于紀(jì)淼

(1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050;2.黑龍江省高速公路管理局，黑龍江 哈爾濱 150030)

高速公路瀝青路面車轍是指在高溫季節(jié)，瀝青路面在重載車輛作用下產(chǎn)生的塑性累積變形[1-2]。 近些年，隨著黑龍江省高速公路建設(shè)里程的增加，省內(nèi)多條高速公路上出現(xiàn)了車轍病害對(duì)高速公路的影響主要表現(xiàn)在：路表過量的變形影響路面的平整度，使車輛在超車或變換車道方向時(shí)容易失控，影響車輛的操縱穩(wěn)定性；雨天車轍內(nèi)積水容易導(dǎo)致車輛漂滑；冬季車轍槽內(nèi)聚冰降低路面的抗滑性能等。因此，本次研究結(jié)合大齊高速公路某路段車轍病害調(diào)查結(jié)果，對(duì)車轍嚴(yán)重路段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣。通過對(duì)芯樣的厚度、密度、瀝青含量和集料級(jí)配等指標(biāo)的分析確定大齊高速公路車轍病害形成原因。

1　大齊高速公路工程概況

大齊高速公路是綏滿高速公路G10的重要組成部分。該路段2008年6月開工建設(shè)，2010年9月29日全線正式交工通車，路段全長(zhǎng)147.37公里。主線路面結(jié)構(gòu)采用瀝青混凝土路面，上面層采用中粒式改性瀝青混凝土5 cm，中面層采用中粒式瀝青混凝土6 cm，下面層采用粗粒式瀝青混凝土6 cm；基層采用6%水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石20 cm，下基層采用5%水泥穩(wěn)定砂礫+碎石(40%)30 cm。

2　大齊高速公路車轍現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

本次調(diào)查選擇車轍較為嚴(yán)重的K667+850～ K667+900段和K737+750～ K737+800段。在兩個(gè)路段上選取了6個(gè)路面橫斷面進(jìn)行鉆芯取樣。鉆芯部位為：橫斷面上形成車轍的凹陷部位、離凹陷部位不遠(yuǎn)處凸起部位、路肩上沒有受到交通荷載影響的部位(見圖1和圖2)。經(jīng)過取芯后，對(duì)鉆取芯樣的厚度、密度、芯樣混合料的級(jí)配和瀝青含量等指標(biāo)進(jìn)行分析以確定車轍產(chǎn)生的原因。

圖1　橫斷面不同部位取芯芯樣

3　現(xiàn)場(chǎng)鉆芯試樣性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　鉆芯試樣厚度

現(xiàn)場(chǎng)取芯的60個(gè)芯樣經(jīng)切割后路面不同層位的厚度值，如表1所示。根據(jù)K667段的厚度數(shù)據(jù)：在芯樣總厚度上，路肩部位和凸起部位比較接近。凹陷部位的總厚度較凸起部位和路肩部位平均減小1～2 mm。在上面層厚度上，凹陷部位較凸起部位和路肩部位平均減小2 mm左右。而在中面層和下面層的厚度上，凹陷部位、凸起部位、路肩部位相差不大。

圖2　按層厚切割后芯樣

根據(jù)K737段中數(shù)據(jù)：在總厚度上，凹陷部位、凸起部位，比較路肩部位均有減小。凹陷部位較凸起部位減小2 mm左右，較路肩部位減小3 mm左右。在上面層和中面層厚度上，凹陷部位、凸起部位均較路肩部位有明顯減小。在下面層厚度上，3個(gè)部位的厚度變化不大。這說明，K667處的車轍主要由上面層的厚度減小產(chǎn)生，而K737段車轍由上面層和中面層的厚度減小產(chǎn)生。其中，上面層厚度減小對(duì)車轍總量影響較大。

3.2　鉆芯試樣密度

鉆芯芯樣試件的表觀密度值如表2所示。由于路肩部位在道路使用過程中受到車輛荷載的影響小，所以可以近似認(rèn)為此處芯樣的密度代表了路面結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后的密度。

表1　6個(gè)斷面鉆芯的厚度　mm

表2　6個(gè)斷面不同層位鉆芯試件的表觀密度　 g/cm3

根據(jù)K667段的密度數(shù)據(jù)，上面層凹陷部位芯樣的表觀密度普遍大于路肩處上面層芯樣的，這說明凹陷部位的瀝青混凝土經(jīng)過車輛荷載的碾壓其密度有所增加。對(duì)于中面層和下面層，凹陷和凸起部位的取芯試件的表觀密度相比較路肩的有時(shí)增加有時(shí)減小，變化幅度不是非常明顯。根據(jù)K735段的密度數(shù)據(jù)：上面層凹陷部位芯樣的表觀密度仍是普遍大于路肩處上面層芯樣的。對(duì)于中面層的，也呈現(xiàn)出凹陷部位芯樣的密度較路肩的大的情況。下面層時(shí)，凹陷和凸起部位試件的表觀密度較路肩的變化幅度不明顯。

3.3　鉆芯試樣瀝青含量

在兩個(gè)路段中分別選取了兩個(gè)斷面的鉆芯芯樣進(jìn)行抽提試驗(yàn)，得到各個(gè)路段不同層位瀝青混合料的油石比(見表3)。仍然近似認(rèn)為路肩處芯樣的油石比代表了路面施工結(jié)束后的油石比。從兩個(gè)路段路面不同層位的凹陷部位、凸起部位芯樣油石比相比路肩的變化情況可以看出，上面層凹陷部位試件的油石比普遍要比路肩的大。中面層和下面層凹陷部位的油石比與路肩的相比變化不大。按瀝青在面層結(jié)構(gòu)中的遷移理論[3]，瀝青路面在使用一定時(shí)間后，瀝青有相路面表面遷移的趨勢(shì)。

表3　兩個(gè)路段不同層位鉆芯試件的油石比　%

4　室內(nèi)車轍試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1　車轍試驗(yàn)

采用現(xiàn)場(chǎng)鉆芯試件經(jīng)抽提實(shí)驗(yàn)得到的礦料級(jí)配進(jìn)行室內(nèi)瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，確定最佳瀝青用量。試驗(yàn)選用的瀝青為I-C型改姓瀝青，軟化點(diǎn)溫度為76.5 ℃。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同的混合料密度2.368 kg/m3、2.456 kg/m3，兩個(gè)車轍試驗(yàn)溫度：80℃和60℃。通過車轍試驗(yàn)得到兩個(gè)不同密度車轍試件在兩個(gè)不同試驗(yàn)溫度下的車轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4　車轍試驗(yàn)結(jié)果

4.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1車轍深度變化

試驗(yàn)溫度80 ℃時(shí)，兩種密度車轍試件的轍深均較大，而且在深度上差別不明顯，均在15 mm以上。試件轍深的兩側(cè)有明顯的隆起，如圖3所示。說明高溫條件下轍深兩側(cè)的瀝青混凝土發(fā)生了剪切推移，產(chǎn)生的是剪切車轍。試驗(yàn)溫度60 ℃時(shí)，試件上轍深兩側(cè)瀝青混凝土沒有發(fā)生隆起(見圖4)?？梢耘袛?，試驗(yàn)溫度60 ℃的車轍試驗(yàn)，轍痕發(fā)生處的瀝青混合料在車轍輪載作用下被壓密，形成壓密車轍。

圖3　試驗(yàn)溫度80 ℃的車轍

圖4　試驗(yàn)溫度60 ℃的車轍

4.2.2 動(dòng)穩(wěn)定度的變化

試驗(yàn)溫度80 ℃時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間45 min和60 min時(shí)的變形(轍深)差較大。較高的試驗(yàn)溫度使瀝青混合料的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，造成動(dòng)穩(wěn)定度較小。試驗(yàn)溫度60 ℃時(shí)，并沒有造成瀝青膠結(jié)料的軟化，瀝青混合料結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。此時(shí)車轍試件產(chǎn)生的轍深主要是試件沒有碾壓密實(shí)所致。

5　大齊高速車轍產(chǎn)生原因分析

5.1　車轍形成機(jī)理分析

瀝青路面的車轍形成一般分為兩個(gè)階段：壓密階段和剪切流動(dòng)階段。壓密階段主要是由于施工階段路面壓實(shí)度不足，剩余孔隙較大等。在高溫條件下，車輛荷載較大時(shí)會(huì)對(duì)路面形成再壓實(shí)，形成壓密車轍。壓密階段一般會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。剪切流動(dòng)階段是由于高溫時(shí)荷載形成的剪切應(yīng)力超過材料的剪切強(qiáng)度而形成的剪切流動(dòng)[4-5]。通常，控制瀝青路面車轍的關(guān)鍵是瀝青路面在車輛荷載作用的剪切流動(dòng)。

5.2　大齊高速車轍形成原因

根據(jù)大慶至齊齊哈爾段2015年的公路技術(shù)狀況評(píng)定報(bào)告中現(xiàn)場(chǎng)車轍檢測(cè)的數(shù)據(jù)，大齊高速公路檢測(cè)的車轍深度大部分在5～15 mm范圍內(nèi)，各別路段車轍深度可達(dá)到15 mm以上。路面車轍深度指數(shù)RDI平均值為83.6，評(píng)定等級(jí)為良。這說明車轍病害已經(jīng)在大齊高速公路上形成發(fā)展的趨勢(shì)。從檢測(cè)報(bào)告中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，大齊高速公路路面車轍并非在全路段發(fā)生，而且在交通及外界環(huán)境相似的路段上車轍深度發(fā)生也不均勻，車轍的嚴(yán)重程度相差較大。因此，可以判斷現(xiàn)階段大齊高速公路車轍產(chǎn)生原因與路面施工的變異性有很大關(guān)系。部分路段的低溫壓實(shí)或者由于其它原因而導(dǎo)致的壓實(shí)度不足是引發(fā)路面車轍的主要原因。

6　結(jié)　論

車轍是目前我國(guó)高等級(jí)瀝青路面的主要病害。影響瀝青路面產(chǎn)生車轍的因素有：氣候環(huán)境、交通條件、路面材料的結(jié)構(gòu)、施工因素等。本文通過對(duì)黑龍江省大齊高速公路某路段車轍病害的調(diào)查，利用現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，對(duì)芯樣的厚度、密度、瀝青含量等指標(biāo)的分析，得出大齊高速公路產(chǎn)生車轍的主要原因是：部分路段的低溫壓實(shí)或者路面施工的變異性導(dǎo)致的瀝青路面面層的壓實(shí)度不足而產(chǎn)生壓密車轍。

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