山區(qū)高速公路瀝青路面車轍成因與防治措施

1、山區(qū)高速公路瀝青路面車轍成因與防治措施作者：申愛琴 莊傳儀摘要：本文針對(duì)山區(qū)路面的一些特點(diǎn),從材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、路線縱坡設(shè)計(jì)、施工過(guò)程質(zhì)量控制及交通與環(huán)境控制等方面提出了防治車轍病害的技術(shù)措施，以提高瀝青混合料的抗車轍性能。引言 車轍是高速公路瀝青路面除了裂縫和水損害之外的一種危害性較大的病害類型，在現(xiàn)代交通狀況下，車轍出現(xiàn)的速度和普遍性大大超過(guò)了預(yù)期。隨著高速公路建設(shè)的重心向山嶺重丘區(qū)轉(zhuǎn)移，山區(qū)高速公路車轍病害也愈加突出。 一般山區(qū)高速公路沿線地形復(fù)雜，路線縱坡大，長(zhǎng)陡坡路段多，受重載、超載及低速行車等諸多不利因素影響，車轍病害大量出現(xiàn)，特別在縱坡較大的上坡路段，當(dāng)持續(xù)高溫

2、時(shí)，車轍形成和發(fā)展快，已嚴(yán)重影響行車安全。鑒于未來(lái)高速公路規(guī)劃建設(shè)中面臨更多的山區(qū)高速公路，深人開展山區(qū)高速公路車轍成因分析，研究長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面車轍預(yù)防處治措施具有重要的意義。 1、瀝青路面車轍破壞類型 車轍是指路面的結(jié)構(gòu)層及土基在行車荷載作用下的補(bǔ)充壓實(shí)，以及結(jié)構(gòu)層財(cái)料的側(cè)向位移產(chǎn)生的累積永久變形。車轍按成因不同分3類：由瀝青路面以下各結(jié)構(gòu)層的永久性變形引起的結(jié)構(gòu)性車轍；由混合料的側(cè)向流動(dòng)變形引起的失穩(wěn)性車轍；壓密性車轍和磨損性車轍。 1.1結(jié)構(gòu)性車轍 結(jié)構(gòu)性車轍是指路面結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下產(chǎn)生整體永久變形而形成的車轍，這種變形主要由路基變形而產(chǎn)生。此類車轍的寬度較大，兩側(cè)沒有隆起現(xiàn)象

3、，橫斷面成淺盆狀的U字型(凹型)，見圖1、圖2。 1.2失穩(wěn)性車轍 失穩(wěn)性車轍是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下，其內(nèi)部材科的流動(dòng)產(chǎn)生橫向位移而形成。通常發(fā)生在輪跡處，當(dāng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足時(shí)，在外力作用下就會(huì)產(chǎn)生這類車轍。這種車轍一般都有剪切變形產(chǎn)生的兩側(cè)隆起現(xiàn)象，車轍斷面成W型(圖3、圖4)，易發(fā)生在車速較慢、橫向應(yīng)力大的上坡路段。失穩(wěn)性車轍危害最為嚴(yán)重，它是山區(qū)高速公路車轍病害的主要類型，影響因素多而復(fù)雜。 13壓密性和磨損性車轍 壓密性車轍是由于瀝青面層本身的壓密而引起；磨耗型車轍是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)表層材料在車輪磨損和自然環(huán)境作用下，持續(xù)不斷損失形成的。這2類變形對(duì)車轍的貢獻(xiàn)很

4、小。 2山區(qū)高速公路瀝青路面車轍成因分析 針對(duì)山區(qū)高速公路路線縱坡大且路段長(zhǎng)，重車、超載車多且車速慢，夏季高溫等特點(diǎn)，通過(guò)綜合分析認(rèn)為，除影響一般路段瀝青路面車轍因素外，長(zhǎng)縱坡路段出現(xiàn)嚴(yán)重車轍的原因可歸納為以下幾個(gè)方面。 2.1重載、超載交通的影響 211超載作用下的車轍分析 中國(guó)“八五”科技攻關(guān)課題“道路瀝青及瀝青混合料使用性能的研究”對(duì)此進(jìn)行了眾多的試驗(yàn)，其中HXL瀝青AC-16 I型瀝青混合料在60時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度和荷載關(guān)系式為 IqDS=3459 30574 6p 式中：P接地壓強(qiáng)，MPa。 計(jì)算不同荷載下動(dòng)穩(wěn)定度見表1與圖5所示。 對(duì)于汽車荷載，如果輪壓小于標(biāo)準(zhǔn)輪壓(07 MPa)，動(dòng)穩(wěn)

5、定度將急劇增大，對(duì)產(chǎn)生車轍的影響就小得多。而現(xiàn)實(shí)情況是超限超載車輛的比例很大，隨著荷載的增加，動(dòng)穩(wěn)定度將按對(duì)數(shù)的比例下降。以HXL瀝青混合料為例，輪壓從07 MPa增大至12 MPa，動(dòng)穩(wěn)定度從1 140次mm降低到589次mm，動(dòng)穩(wěn)定度將下降到原13。同時(shí)研究表明，路面沉降的增量幾乎與超載同步增長(zhǎng)。保持基層彈性模量不變，將輪載從070MPa增加50至105 MPa，產(chǎn)生的路表車轍則為標(biāo)準(zhǔn)軸載下產(chǎn)生車轍的1 859(圖6)。如任意一輪載作用下均有上述規(guī)律，則達(dá)到路面塑性變形的極限狀態(tài)時(shí)，超載下道路的累計(jì)軸次僅為標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下累計(jì)軸次的54左右。 長(zhǎng)安大學(xué)對(duì)比了在滿載、超載30、超載60、超載1

6、00情況下的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次與路面結(jié)構(gòu)的使用壽命的關(guān)系(表2、圖7)。 可以看出，隨著超載率的增加，車輛換算系數(shù)明顯增加；使用初期計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸次與設(shè)計(jì)壽命年限內(nèi)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次均明顯增加；使用壽命明顯降低，超載60時(shí)，使用壽命為340年，超載100時(shí)，使用壽命僅為140年，可見超載對(duì)路面使用壽命的影響極大。 212超載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)所承受的車輛軸載增加時(shí)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布必然發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均隨之增加。 根據(jù)陜西省銅黃高速公路半剛性基層瀝青路面不同軸載應(yīng)力分析(圖8)，壓應(yīng)力隨深度的增加逐漸減小，面層上部05 cm范圍內(nèi)的壓應(yīng)力最大，5 cm以下壓應(yīng)力

7、減小得較快；軸載從10 t增加到18 t，壓應(yīng)力在面層中的分布曲線基本平行，面層中不同深度的壓應(yīng)力增加值幾乎相等。因此，表面層承受的壓應(yīng)力最大，最容易產(chǎn)生壓密形變，超載車輛(特別是嚴(yán)重超載的車輛)將顯著加快壓密形變的產(chǎn)生，而且使產(chǎn)生較大壓密形變的深度增加。 隨著深度的增加，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力迅速增加(圖9)，到某一深度處達(dá)到峰值，然后剪應(yīng)力值開始逐漸減小。峰值的深度位置隨軸載增大而加深，在10 t軸載作用下剪應(yīng)力在深4 cm處達(dá)到峰值0233 MPa，在18 l軸載下峰值028 MPa的位置為深5 cm處。說(shuō)明隨著軸載的增大和輪胎接觸壓力的增加，剪應(yīng)力隨之增大，且剪應(yīng)力峰值會(huì)向下擴(kuò)

8、展。在面層表面下4 cm深度范圍內(nèi)的剪應(yīng)力值較?。涸诒砻嫦?10 cm范圍內(nèi)的剪應(yīng)力值最大，也是最易產(chǎn)生轍槽的區(qū)域，在重載作用下影響更加明顯，10 t軸載作用下的平均剪應(yīng)力約為021 MPa，18 t軸載作用下的平均剪應(yīng)力值為025 MPa；面層表面10cm以下剪應(yīng)力值較小，在10 t軸載作用下的平均剪應(yīng)力值約為016 MPa，在18t軸載作用下的平均剪應(yīng)力約為022MPa。因此，隨著軸載增加，瀝青層產(chǎn)主失穩(wěn)性車轍的可能性就會(huì)增加，在中面層更容易產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍，且軸重愈大，同一層位內(nèi)的剪應(yīng)力也愈大，因而亥層位瀝青混凝土的高溫強(qiáng)度或抗轍槽囊力也應(yīng)提高。 2.2縱坡的影響 在山區(qū)高速公路陡坡路段或

9、連續(xù)上發(fā)路段，載重汽車受縱坡的影響很大，重載、超載車已不能正常爬坡，行駛速主很低，車輪荷載的作用時(shí)間成倍延長(zhǎng)；車輛行駛表現(xiàn)為車輪間歇的跳躍式前進(jìn)，對(duì)路面產(chǎn)生一附加的水平?jīng)_擊力，加速了瀝青路面的車轍破壞。 2 .21行車速度 根據(jù)汽車行駛理論，載重汽車在長(zhǎng)陡坡路段爬坡行駛時(shí)一般先做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)，后做勻速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。因此，車輛載重越大，坡道越陡，汽車行駛速度減小的越快，穩(wěn)定時(shí)速度越小。上坡路段載重汽車行車緩慢，行駛速度的降低延長(zhǎng)了軸載對(duì)路面的作用時(shí)間，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變等產(chǎn)主影響。瀝青混合料作為一種粘彈性材料，遵從流變學(xué)的一般規(guī)律，按照流變學(xué)的波茲曼(Boltzmann)疊加原理，

10、每次汽車荷載通過(guò)的作用可以按荷載作用時(shí)間疊加，每一輛車的荷載不同也是司樣疊加的。如果汽車荷載相同，通過(guò)一輛20 kmh的慢速車，與通過(guò)5輛100kmh的快速車的作用時(shí)間是相同的。因此，軸載越大的載重車，在爬坡時(shí)的速度越慢，車速越低，換算的重載車輛數(shù)也越多，軸載和車速的疊加影響就更大。從表1可看出，如軸載從07 MPa增加到12 MPa，HXL瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度從1 140次mm降低到589次mm，同樣產(chǎn)生1 mm的車轍，荷載次數(shù)將降低一半。如果速度再?gòu)?00 kmh降低到20kmh，荷載作用次數(shù)增大5倍，產(chǎn)生同樣大小的車轍的車輛數(shù)減少了10倍。因此，車速降低對(duì)車轍的影響比荷載的影響大得多。 2

11、22路面溫度 行車速度的降低增加了車輪荷載與瀝青路面的作用時(shí)間，鑒于瀝青這種粘彈塑性材料的“時(shí)溫等效”特性，相當(dāng)于提高了路面的瞬時(shí)溫度；同時(shí)輪胎與路面之間的摩擦熱亦將增大，導(dǎo)致瀝青混合料的勁度模量降低，加速了車轍的產(chǎn)生。 223附加水平力的影響 由力學(xué)分析可知，車輛荷載分為行車水平力和垂直力。在縱坡路段，水平力由車輛荷載水平分力、車輛慣性力、變速力等通過(guò)車輪傳遞給路面。在陡坡路段，車輛荷載水平分力較正常情況大得多，加上綜合超載車在爬坡時(shí)跳躍式前進(jìn)的水平；中擊力的影響，面層將承受更大的剪應(yīng)力。表3為標(biāo)準(zhǔn)軸載下縱坡與汽車自重引起的剪應(yīng)力分量的關(guān)系。3山區(qū)高速公路瀝青路面車轍防治措施 通過(guò)縱坡路段車

12、轍成因分析，根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，針對(duì)不利的交通和氣候等條件，應(yīng)從原材料選擇、瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)、路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)以及施工質(zhì)量控制等方面人手，提高瀝青混合料抗車轍能力，減輕高溫、超載和長(zhǎng)大縱坡等因素的影響，防治和 減輕山區(qū)高速公路瀝青混凝土路面車轍病害的破壞。 31材料選擇 311集料 采用堅(jiān)硬、粗糙、形狀接近立方體、棱角性好、與瀝青粘附性強(qiáng)的潔凈粗、細(xì)集料；控制天然砂用量不超過(guò)10，如需使用部分天然砂改善施工碾壓性能，需加強(qiáng)碾壓密實(shí)度；改善集料加工工藝，減少針片狀顆粒含量，控制破碎礫石破碎面比例。 312瀝青 (1)選用粘度較高、針人度較小、軟化點(diǎn)較高和含蠟量較低的瀝青，在中、下面層

13、采用針入度更小的瀝青，或在瀝青中添加天然湖瀝青、巖瀝青，以提高瀝青的粘度。 (2)采用外摻劑進(jìn)行改性，重載交通路段上面層、中面層宜采用改性瀝青，爬坡路段瀝青路面下面層也可考慮采用改性瀝青。經(jīng)過(guò)改性的瀝青其相對(duì)抵抗永久變形的能力明顯優(yōu)于普通的瀝青。 (3)按照縱坡坡度和坡長(zhǎng)，提高瀝青的PG等級(jí)1-2級(jí)，以提高勁度模量，抵抗車轍。 313添加抗車轍劑 當(dāng)粘附性能不足時(shí)，摻加消石灰或抗剝落劑，增強(qiáng)瀝青與集料的粘附性，提高混合料的抗車轍性能。也可以添加抗車轍劑，例如，法國(guó)的PR PLASTS就是一種專門用于改善熱拌瀝青混合料特性，尤其是其抗車轍能力的聚合物。在采用普通重交瀝青的AC-16 I和AC-2

14、5 I瀝青混凝土中添加PR PLASTS后，其動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)到8 000次mm左右。 32瀝青混合料配合比設(shè)計(jì) 321優(yōu)化礦料級(jí)配 在瀝青及礦料質(zhì)量一定時(shí)，級(jí)配是影響瀝青混合料路用性能的主要因素。當(dāng)瀝青選定之后，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂顥l件及交通狀況，設(shè)計(jì)或選擇能解決當(dāng)?shù)赝怀雒艿牡V料級(jí)配，確?；旌狭系穆酚?性能。 為充分發(fā)揮粗集料的嵌擠作用，長(zhǎng)大上坡路段上面層、中面層均建議采用SMA間斷級(jí)配。SMA的高溫穩(wěn)定性較好，抗塑性變形能力較強(qiáng)，混合料的孔隙率均在4左右，并具有良好的低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性，已在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，取得較好的效果。 322嚴(yán)格控制瀝青用量 瀝青用量過(guò)多常常是產(chǎn)生車轍的主要

15、原因，必須嚴(yán)格控制。按馬歇爾法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，相對(duì)于低速行駛、重載交通的壓實(shí)功偏小，故瀝青用量偏多。這可以與按旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)方法所確定的混合料的密度與瀝青用量相比較得到證明，所以可將馬歇爾法所確定的瀝青用量減去0305，同時(shí)適當(dāng)增加礦粉用量，以增大粉膠比，提高混合料的物理化學(xué)吸附作用，增加其相互作用的粘聚力，提高路面的抗車轍性能。 SMA瀝青混合料當(dāng)油石比大于60時(shí)，車轍深度隨瀝青用量增加而急劇加大，因此對(duì)于南方氣候炎熱地區(qū)，SMA油石比宜小于60。例如，京珠高速公路粵境北段長(zhǎng)陡坡路段多、超載嚴(yán)重，SMA混合料油石比控制范圍為58-60。 323配合比設(shè)計(jì) 建議采用GTM方法、SUPERPAVE

16、方法設(shè)計(jì)混合料，加大其成型壓力，增加馬歇爾擊實(shí)次數(shù)，并按公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范 (JTG F40-2004)進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)及各項(xiàng)配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，須在規(guī)定的條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試 驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等，以檢驗(yàn)瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。 3.3瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了克服半剛性基層瀝青路面存在的一些弊端，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)引入長(zhǎng)壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)理念，按照各結(jié)構(gòu)層的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。 (1)上面層要求具有良好的抗車轍能力、抗老化性能、低溫性能和抗磨耗能力。 (2)中間層設(shè)計(jì)主要考慮抗車轍能力，要求具有較高的模量。 (3)下面層要求具有抗疲勞和抗水損壞能力。 (4)基層主要

17、控制層底壓應(yīng)變，要求具有高柔性、良好的水穩(wěn)定性和抗疲勞性能。 世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)等都對(duì)長(zhǎng)壽命路面進(jìn)行了廣泛的研究。近年來(lái)，中國(guó)已開始借鑒先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，研究適合國(guó)情的長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)。但到目前為止，長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，仍處在發(fā)展完善階段。 在夏季高溫地區(qū)，重載交通較大的山區(qū)高速公路，鑒于超重載及慢速行車對(duì)瀝青路面的嚴(yán)重車轍破壞，在考慮設(shè)計(jì)行車速度和保證瀝青路面使用壽命的前提下，應(yīng)當(dāng)限制縱坡的最大坡度和坡長(zhǎng)，盡量減少長(zhǎng)大縱坡路段。建議在重載交通量較大的長(zhǎng)大縱坡路段，盡量減小公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的縱坡坡度和坡長(zhǎng)值。 連續(xù)長(zhǎng)上坡路段如設(shè)置爬坡車道，爬坡路段可采用水泥混凝土路面，供慢速上坡車輛行駛，以避免在高溫狀態(tài)下低速行車對(duì)瀝青混凝土路面帶來(lái)的不利影響，防止瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生車轍破壞。 3.5旋工過(guò)程質(zhì)量控制 在施工過(guò)程中，采用合理的碾壓藝提高壓實(shí)度，控制殘余空隙率不小于3，不大于7-8。通過(guò)科學(xué)地堆料、運(yùn)料、攤鋪以及碾壓，減少混合料離析，縮小瀝青用量允許誤差的范圍，將規(guī)范規(guī)定的允許誤差O3縮小至02，并在施工過(guò)程中做全程監(jiān)控。調(diào)整施工工序，盡量使瀝青混凝土面層連續(xù)攤鋪，減少面層間的污染，層問灑布乳化瀝青粘層，做好下封層，減小施工變異性。 3.6交通與環(huán)境控制 在夏季高溫時(shí)段封閉重