公路瀝青混凝土路面車轍成因探析

李明明

寧夏路橋工程股份有限公司 寧夏 銀川 750004

1 瀝青混凝土路面車轍形成機(jī)理

瀝青混凝土路面各結(jié)構(gòu)層在渠化交通條件下受行車荷載的反復(fù)作用所產(chǎn)生的豎向塑性累計(jì)變形稱為車轍。按形成原因可分為以下4種形式：

1.1 結(jié)構(gòu)型車轍

結(jié)構(gòu)型車轍是因路面各層擴(kuò)散應(yīng)力的能力不足所造成，其特征為變形寬度較大，兩側(cè)無隆起現(xiàn)象，斷面呈凹形（或U形）淺盆狀。

1.2 失穩(wěn)性車轍

在交通荷載作用下，當(dāng)其對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力大于瀝青混合料剪切強(qiáng)度時(shí)，由于剪切流動(dòng)變形不斷累計(jì)而形成的車轍稱為失穩(wěn)性車轍，其特征為輪跡兩側(cè)局部隆起或大幅推移，通常為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足的體現(xiàn)。

1.3 壓密性車轍

此類車轍主要是由于施工壓實(shí)度不足所造成，使路面結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下因壓實(shí)擠密而形成凹陷，其特征為車輪碾壓集中區(qū)路面結(jié)構(gòu)層變薄，車轍兩側(cè)無隆起現(xiàn)象，僅僅表現(xiàn)為下凹。

1.4 磨耗型車轍

即在自然環(huán)境長期作用與車輛輪胎反復(fù)磨耗（尤其是冬季冰雪天氣下輪胎安裝防滑鏈）下，路面頂層材料因不斷損失而產(chǎn)生的車轍。此類車轍深度一般＜5mm，相對(duì)較為少見，并且無須處理，可視為正?，F(xiàn)象。

2 瀝青混凝土路面車轍形成原因

2.1 外部因素

外部因素主要以重載交通與高溫環(huán)境影響為主，此外還包括渠化交通、路面坡度與交通量等因素。

（1）高溫環(huán)境。從本質(zhì)上講，瀝青混合料的高溫蠕變?yōu)槁访孳囖H發(fā)展的主要過程，溫度越高，混合料勁度模量越低，抗車轍能力表現(xiàn)越差。特別是在連續(xù)高溫環(huán)境下，由于路面積聚熱量不能及時(shí)釋放，使瀝青混合料因溫度升高而粘聚力降低，從而導(dǎo)致抗剪能力下降，容易出現(xiàn)路面破壞。寧夏地區(qū)平均海拔大于1000m，夏季基本無酷暑天氣，故而環(huán)境溫度對(duì)路面車轍影響不大；但在部分北方與南方地區(qū)，每年7、8月份為高溫集中時(shí)節(jié)，瀝青混凝土路面極易產(chǎn)生車轍。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于雨水可有效降低路面溫度，抑制車轍出現(xiàn)，因此同樣為高溫氣候的廣東等地區(qū)，瀝青路面因降雨較多而很少出現(xiàn)車轍。

（2）重載交通。在同軸作用下通過瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的理論研究，表明在車輪水平與豎向荷載作用下，瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力的產(chǎn)生（引發(fā)剪切變形）為路面車轍形成的主要原因之一。隨著現(xiàn)代交通量的增加與重載比例的提升，在瀝青混凝土路面輪跡帶處因剪應(yīng)力過大而易發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而產(chǎn)生車轍。

在重軸載作用下，為層狀結(jié)構(gòu)的瀝青路面面層內(nèi)任一水平面上的最大徑向剪應(yīng)力通常出現(xiàn)在輪跡外側(cè)兩邊緣垂線上，當(dāng)該應(yīng)力超過瀝青混合料抗剪強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)造成路面車轍的出現(xiàn)。

2.2 內(nèi)部因素

瀝青混合料屬于分散體系，在高溫條件下混合料的黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角決定了其強(qiáng)度大小。目前，大多采用庫侖的內(nèi)摩擦理論對(duì)高溫狀態(tài)下瀝青混合料穩(wěn)定性與強(qiáng)度進(jìn)行分析，并且認(rèn)為瀝青混合料在荷載作用下某一面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ滿足下式2-1條件時(shí)，才不會(huì)發(fā)生流動(dòng)剪切變形。

式中：c為材料黏聚力；σ為瀝青混合料所受正應(yīng)力；θ為混合料內(nèi)摩擦角。

選取2016年12月～2017年12月我院干部保健中心高血脂患者120例作為研究對(duì)象，其中，男72例，女48例，年齡53～71歲，平均（62.00±7.36）歲。

瀝青混合料的內(nèi)摩擦力主要是通過內(nèi)部嵌擠作用形成，其影響因素主要有瀝青性質(zhì)及用量、集料級(jí)配及顆粒形狀、破碎顆粒含量、天然砂含量以及表面紋理深度等。一般認(rèn)為，在高溫條件下，瀝青混合料的抗車轍能力40%來源于瀝青結(jié)合料，剩余60%則依靠于集料的嵌擠能力。在高溫環(huán)境下，即使摻加了改性劑，瀝青結(jié)合料勁度模量也會(huì)必然下降，特別是當(dāng)中面層抗剪強(qiáng)度不足時(shí)，行車荷載（尤其是重載交通）的作用極易使上面層瀝青混合料因側(cè)向移動(dòng)而形成車轍。

此外，瀝青路面空隙率為影響車轍形成的另一重要內(nèi)因。瀝青混合料的黏性流動(dòng)為一般車轍形成的主要來源，混合料空隙率如若過小，便無法完全吸收其內(nèi)部流動(dòng)部分，從而使顆粒間接觸壓力減小，必然導(dǎo)致瀝青路面抗車轍能力因混合料整體流動(dòng)而降低；混合料空隙率如若過大，其內(nèi)部瀝青結(jié)合料被完全吸收后，還會(huì)剩余部分空隙，使顆粒間接觸壓力降低，在行車荷載的反復(fù)作用下，瀝青混合料會(huì)因進(jìn)一步密實(shí)變形而產(chǎn)生車轍。由此可見，要想提升瀝青路面抗車轍能力，則須將混合料空隙率控制在合理范圍內(nèi)。

3 瀝青混凝土路面車轍因素試驗(yàn)分析

以國道338線鹽池至紅寺堡段公路工程第2合同段為調(diào)查對(duì)象，評(píng)價(jià)指標(biāo)按每20m行車道平均車轍深度控制，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)量，車轍平均深度＞15mm的共計(jì)263段。從調(diào)查路段選擇4個(gè)具有代表性的路面，于行車道車轍與隆起部位以及停車道分別鉆取一個(gè)芯樣，并對(duì)其進(jìn)行厚度測(cè)量、瀝青抽屜及篩分等試驗(yàn)。從芯樣厚度測(cè)量結(jié)果來看，瀝青路面上、中、下各層均有不同程度的車轍，其中以下面層最大，最大車轍為17mm；中面層次之，最大車轍為13mm；上面層最小，最大車轍為10mm。因此，中、下面層厚度變化為引起瀝青路面車轍變形的主要因素。

采用離心分離法對(duì)取芯試樣進(jìn)行瀝青抽屜試驗(yàn)，試驗(yàn)過程按規(guī)范（JTJ 052-2000[2]）操作，以此得出油石比。通過芯樣試驗(yàn)，各面層油石比變化情況為：

3.1 上面層

車轍與隆起處油石比均比停車道處大，其主要是由自由瀝青與瀝青膠漿（以下總稱瀝青漿液）在行車荷載作用下上浮所引起。高溫環(huán)境下的瀝青結(jié)合料呈現(xiàn)為半固體狀態(tài)，其流動(dòng)性表現(xiàn)較大，受行車荷載作用容易出現(xiàn)“振漿”現(xiàn)象，使中、下面層小密度、易流動(dòng)的瀝青漿液上浮至表面層，從而導(dǎo)致上面層（特別是表面）油石比因?yàn)r青含量增加而變大。在上浮瀝青漿液中，雖然會(huì)有一部分流向兩側(cè)隆起處，但數(shù)量上小于上浮瀝青總量，并在上浮較多路段會(huì)產(chǎn)生一定的泛油現(xiàn)象，這在車轍試驗(yàn)過程中也曾出現(xiàn)過黏輪現(xiàn)象。

對(duì)于隆起處，瀝青混合料不均勻流動(dòng)為造成油石比增加的主要原因。受行車荷載的作用，路面輪跡處瀝青漿液會(huì)首先流動(dòng)至隆起處，其次是結(jié)構(gòu)瀝青與較大粒徑集料的流動(dòng)，最終使隆起處自由瀝青含量增加，油石比變大。

3.2 中面層

車轍處油石比小于停車到處，而隆起處油石比大于停車到處，其中隆起處油石比增加原因與上面層同理。車轍處油石比之所以會(huì)減小，是因?yàn)槭苄熊嚭奢d的作用，一部分瀝青漿液上浮至上面層，另一部分則流向至兩側(cè)隆起處，從而使車轍處瀝青含量降低。

3.3 下面層

車轍處與隆起處油石比均小于停車道處，其中車轍處油石比減小原因同理于中面層。對(duì)于隆起處，在行車荷載作用下，輪跡處大部分瀝青漿液上浮至中、上面層，下面層車轍處剩余瀝青很少，并在剪應(yīng)力的作用下，基本為結(jié)構(gòu)瀝青與集料流動(dòng)至兩側(cè)隆起處，在與該處混合料混合后使整體油石比降低[3]。

芯樣抽屜試驗(yàn)結(jié)果表明：

瀝青路面混合料中小密度、易流動(dòng)的瀝青漿液在行車荷載作用下存在上浮現(xiàn)象，使上面層（特別是表面）瀝青含量增加，中、下面層瀝青含量減小，并在上浮較多路段會(huì)造成泛油現(xiàn)象；

在軟化點(diǎn)±3℃區(qū)間內(nèi)，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性對(duì)溫度變化最為敏感，且在此區(qū)間混合料變形量與動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)發(fā)生突變，這也解釋了瀝青路面在持續(xù)高溫天氣下短時(shí)間內(nèi)為什么容易產(chǎn)生大量車轍。

壓實(shí)度是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性重要影響因素之一，實(shí)踐表明：混合料壓實(shí)度越低，變形量越大，動(dòng)穩(wěn)定度表現(xiàn)越差。在實(shí)際施工中，瀝青混合料壓實(shí)度不足會(huì)使其高溫抗車轍能力大幅降低，致使在道路建成后開放交通初期，便會(huì)產(chǎn)生大量的車轍病害。

4 結(jié)論（防治措施）

4.1 材料控制

（1）選用含蠟量低、針入度小、黏度與軟化點(diǎn)較高的瀝青，若有必要，也可摻加一定計(jì)量的改性劑來提升混合料抵抗永久變形的能力；

（2）在《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD50-2006[1]允許范圍內(nèi)，盡量將瀝青用量控制在馬歇爾用油量范圍的最小值與中值之間；

（3）選用碎石量高、顆粒較大（不宜過大）的礦料，同時(shí)對(duì)針片狀與片狀顆粒含量嚴(yán)格控制；

（4）優(yōu)化礦料與瀝青用量比例，使混合料中游離瀝青（具有潤滑作用，不利于車轍控制）可被礦料完全吸收，以此減小瀝青結(jié)合膜的厚度；

4.2 結(jié)構(gòu)組合控制

（1）優(yōu)化混合料配合比，使其具有良好的空隙率，以4%為宜；

（2）確保各結(jié)構(gòu)層回彈模量比例關(guān)系恰當(dāng)；

（3）由于“強(qiáng)基薄面”可有效控制和降低瀝青路面車轍病害，因此在保證瀝青面層不產(chǎn)生早期破壞與半剛性基層不先產(chǎn)生收縮裂縫的前提下，盡量減小瀝青面層厚度。同時(shí)對(duì)路面上面層與中面層最好選用中粒式和粗粒式瀝青混凝土，并以瀝青碎石作為聯(lián)結(jié)層。

4.3 礦料級(jí)配、顆粒形狀及表面特性控制

瀝青用量、礦料級(jí)配、顆粒形狀及表面特性為影響瀝青混合料內(nèi)摩阻力與嵌擠力的主要因素?；诨旌狭蟽?nèi)摩阻力的提升，除控制瀝青用量外，還應(yīng)選用表面干凈粗糙、壓碎值小、顆粒形狀良好以及與瀝青黏結(jié)性良好的礦料。

對(duì)于瀝青混合料的強(qiáng)度構(gòu)成，一定程度上取決于礦料級(jí)配組成及其最大粒徑。對(duì)于瀝青碎石等嵌擠型混合料，其強(qiáng)度構(gòu)成主要表現(xiàn)為礦料顆粒的內(nèi)摩阻力與嵌擠力，而瀝青黏結(jié)力起輔助作用，因此溫度變化對(duì)混合料強(qiáng)度影響較小，但耐久性與透水性表現(xiàn)較差；對(duì)于瀝青混凝土等密實(shí)級(jí)配型混合料，瀝青黏結(jié)力為混合料強(qiáng)度的主要構(gòu)成，而礦料顆粒作用力起輔助作用，因此混合料強(qiáng)度對(duì)溫度變化較為敏感，但耐久性與透水性表現(xiàn)良好。