第5章車轍形成機(jī)理及預(yù)防對策

1、第5章 車轍形成機(jī)理分析及預(yù)防對策 5.1 車轍概述 車轍是車輛在路面上重復(fù)行車荷載作用下不可恢復(fù)的應(yīng)變累計變形。它一般發(fā)生在高溫季節(jié)，通常出現(xiàn)在車輪經(jīng)常碾壓的輪跡上。路面車轍是路面周期性評價及路面養(yǎng)護(hù)中的一個重要指標(biāo)；路面車轍深度直接反映了車輛行駛的舒適度及路面的安全性和使用期限。 5.1.1 車轍的危害 車轍的出現(xiàn)使瀝青混凝土路面的使用性能大大降低，嚴(yán)重影響了瀝青混凝土路面的使用質(zhì)量和服務(wù)壽命。車轍的危害性比瀝青混凝土路面開裂、水損壞更大，直接威脅到交通安全，而且車轍損壞的維修最困難，因為車轍不僅在表面層發(fā)生，有時還會危及到中下面層。 車轍的危害表現(xiàn)為：車轍導(dǎo)致瀝青混凝土路面變形，影響瀝青

2、混凝土路面平整度，降低行車舒適性；輪跡處瀝青厚度減薄，降低了瀝青混凝土面層及路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，易引起其他路面病害；雨天時瀝青混凝土路表容易積水，影響行車的安全性；車轍較深路段，影響車輛的操縱穩(wěn)定性。 5.1.2車轍標(biāo)準(zhǔn) 各國的交通量、荷載、氣候等情況不同，所以各國檢測車轍標(biāo)準(zhǔn)也不同，如表5-1所示。表5-1 各國車轍標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)英國10mm臨界狀態(tài)20mm破壞狀態(tài)美國613mm輕級1325mm中級>25mm嚴(yán)重級中國25mm界限值>25mm重度車轍25mm輕度車轍5.2 車轍形成過程車轍的形成過程主要分為最初的壓密階段、混合料的壓密穩(wěn)定階段、剪切破壞階段等三個階段，其在車輛行車反

3、復(fù)荷載作用下的發(fā)展過程如圖5-1所示。 圖5-1 車轍形成過程5.2.1 最初的壓密階段在碾壓成型前，瀝青混合料是由石料、瀝青和空氣組成的松散混合物，在高溫條件下經(jīng)過碾壓后，處于半流動狀態(tài)的瀝青以及由瀝青與礦粉組成的膠漿被擠進(jìn)石料間隙中，同時集料被強(qiáng)力作用排列成具有一定骨架的結(jié)構(gòu)。當(dāng)瀝青路面鋪筑完成并投入使用后，在行車荷載作用下這種密實過程還會進(jìn)一步發(fā)展，如圖5-1中I所示。 5.2.2混合料的壓密穩(wěn)定階段 在高溫條件下，瀝青混合料處于以黏性為主的半固態(tài)狀態(tài)，在汽車荷載的作用下，瀝青及瀝青膠漿便產(chǎn)生流動，從而使混合料的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。這部分半固態(tài)物質(zhì)除部分填充混合料空隙外，還將隨瀝青混合料自

4、由流動，從而使路面受荷載作用處被壓縮而變形，如圖5-1中所示。 5.2.3剪切破壞階段 在高溫條件下，處于半固體狀態(tài)的瀝青混合料，由于瀝青及膠漿在荷載作用下首先流動，此時混合料的中粗、細(xì)集料組成的骨架成為了車輛荷載的主要承擔(dān)者，再加上瀝青的潤滑作用，硬度較大的礦料顆粒在荷載直接作用下會沿礦料之間的接觸面滑動，促使瀝青及膠漿流向混合料的自由面，特別是當(dāng)集料間瀝青及膠漿過多時，這一過程會更加明顯，如圖5-1中所示。 從宏觀變形特性看，在荷載作用下，瀝青層又可分為密實流動和流動松脹兩個區(qū)域，并以輪跡邊緣厚度方向構(gòu)成的圓柱面為界面，密實流動域內(nèi)的混合料經(jīng)界面流向松脹域，最終造成密實流動域下沉和流動松脹

5、域拱起，如圖5-2 所示。圖5-2 車轍變形分區(qū)圖由以上分析可知：引起瀝青混凝土永久變形的主要原因是剪切變形。所以瀝青混合料的穩(wěn)定性主要是瀝青混合料在高溫下抗流動變形的能力。5.3 車轍影響因素分析 瀝青路面產(chǎn)生車轍的影響因素較多，歸納為內(nèi)部影響因素和外在影響因素兩個方面。 5.3.1 內(nèi)部因素 瀝青路面產(chǎn)生車轍的內(nèi)部因素主要與集料特性、混合料級配設(shè)計、瀝青膠結(jié)料性能、路面結(jié)構(gòu)及層厚、路面施工質(zhì)量等有關(guān)，其中瀝青混合料級配和性能影響最大，是最顯著的因素。 (1)集料性質(zhì) 瀝青混合料的高溫抗車轍能力有60是依靠礦料的嵌擠力，而礦料的嵌擠作用主要取決于礦料級配和表面特征。集料的形狀和表面粗糙度影響

6、了瀝青混合料的嵌擠作用強(qiáng)弱及內(nèi)摩阻角的大小。不同集料技術(shù)指標(biāo)如表5-2表5-5所示：表5-2 粗集料技術(shù)指標(biāo)試驗項目質(zhì)量技術(shù)要求試驗結(jié)果高速公路玄武巖(mm)石灰?guī)r(mm)表面層其他層次10l55101020510石料壓碎值()，不大于262810.212.1洛杉磯磨耗損失()，不大于28309.413.3表觀相對密度，不小于2.602.502.9822.9642.8642.853吸水率()，不大于2.03.O0.830.760.170.40與瀝青的黏附性，不小于4級4級4級4級堅固性()，不大于12120.20.30.20.3針片狀顆粒含量，不大于混合料15184.212.97.96.1其中

7、粒徑大于9.5mm12154.O2.27OO其中粒徑小于9.5mm18208.313.211.86.2<0.075mm顆粒含量()，不大于110.30.30.20.5軟石含量()，不大于350.10.40.20.3磨光值(BPN)，不小于4048表5-3 細(xì)集料規(guī)格規(guī)格公稱粒徑(mm)通過下列孔篩(方孔篩，mm)的質(zhì)量百分比()9.54.752.361.180.60.30.150.075S150510090l00609040752055740420010S16031001008010050802550103041508表5-4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)試驗項目質(zhì)量技術(shù)要求試驗結(jié)果高速公路機(jī)制砂表觀

8、相對密度，不小于2.502.806堅固性()，不大于121<0.075mm顆粒含量()，不大于3砂當(dāng)量()，不小于6086亞甲藍(lán)值(gkg)，不大于251.3棱角性(流動時間，s)，不小于3053.2表5-5 填料技術(shù)指標(biāo)試驗項目質(zhì)量技術(shù)要求試驗結(jié)果高速公路礦粉表觀密度(tm3)，不小于2.502.815含水量()，不大于10.1粒度范圍()<0.6mm100100<0.15mm90100100<0.075mm7510099.5外觀無團(tuán)粒結(jié)塊合格親水系數(shù)<10.94塑性指數(shù)()<43.7加熱安定性實測記錄加熱后顏色無明顯變化 由上表可以看出，堅硬、紋理粗糙、

9、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。填料的顆粒尺寸、形狀和聚散程度都影響了瀝青膠漿的性能，從而影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。 (2)混合料級配瀝青混合料級配是瀝青混合料最重要的設(shè)計指標(biāo)，影響著瀝青混合料的所有性能。瀝青混合料級配決定了礦料顆粒間嵌擠作用的大小以及混合料的密實程度，直接影響了混合料的高溫抗車轍能力。對不同類型瀝青混合料級配進(jìn)行車轍試驗，結(jié)果如表5-6、圖5-3所示。表5-6 車轍試驗結(jié)果 (次mm) 瀝青品種級配類型KLMHXLMMNLALAC-1314621125558489AC-2018901352783766AC-25122081454943

10、5圖5-3 不同級配車轍試驗結(jié)果 從圖5-3中可以看出：AC-25型瀝青混合料的動穩(wěn)定度比AC-13型和AC-20型都小，說明中粒型混合料的抗車轍性能比粗粒型的好，因為太粗的集料在混合料中處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在汽車荷載的揉搓作用下反而容易變形和粵動。因此，選擇合理的瀝青混合料級配至關(guān)重要，如果級配設(shè)計不合理，瀝青混凝土路面就會因不適交通條件產(chǎn)生損害，成為早期損害的先天因素。 瀝青用量的確定在瀝青混合料級配設(shè)計中占有重要的地位，其對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有顯著影響。瀝青用量過低，混合料不易壓實，使其抗車轍能力差；瀝青用量過高，其潤滑作用強(qiáng)，使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性差。表5-7、圖5-4為不同油石比

11、的瀝青混合料的馬歇爾試驗結(jié)果。表5-7 馬歇爾試驗結(jié)果油石比4.44.54.64.74.8規(guī)范值馬歇爾穩(wěn)定度MS(kN)11.3715.7419.3014.9411.298流值FL(mm)2.272.742.433.232.621.54.5圖5-4 不同油石比的試驗結(jié)果 由圖5-4可見：隨著瀝青混合料油石比的增大，瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度先由小增大，當(dāng)油石比為4.6時達(dá)到最大，然后又逐漸減??；然而瀝青混合料的流值變化不大，并且都在規(guī)范值的范圍之內(nèi)。因此在瀝青混合料的級配設(shè)計中，要合理確定最佳油石比。 (3)瀝青膠結(jié)料 瀝青膠結(jié)料的黏度是影響混合料抗車轍性能的主要因素。瀝青膠結(jié)料所提供的粘結(jié)力大

12、小與瀝青混合料本身的性質(zhì)、瀝青用量及瀝青與礦料之間相互作用密切相關(guān)，瀝青混合料在高溫條件下的粘結(jié)力與瀝青本身在高溫條件下的粘結(jié)力有關(guān)。為此，在混合料級配相同的情況下，對比SBS改性瀝青混合料和AH-70瀝青混合料的馬歇爾試驗和車轍試驗結(jié)果，如表5-8、圖5-5、圖5-6所示。表5-8 試驗結(jié)果瀝青類型 馬歇爾穩(wěn)定度MS(kN)流值FL(mm)動穩(wěn)定度(次,mm)SBS19O73.585833AH-7014.843.331304規(guī)范值SBS81.54.52400AH-7081.54.5800圖5-5 馬歇爾試驗結(jié)果圖5-6 車轍試驗結(jié)果 從圖5-5及圖5-6可以看出：SBS改性瀝青混合料和AH-

13、70瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均達(dá)到公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F402004) 的要求，但SBS改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均比AH-70瀝青混合料的大，其動穩(wěn)定度是AH-70的4.5倍，高達(dá)5800次mm，抗車轍能力明顯高于AH-70瀝青混合料，因此瀝青的性質(zhì)對瀝青混合料抗車轍性能有重要影響。 (4)路面結(jié)構(gòu)及層厚 高速公路半剛性基層瀝青路面具有以下優(yōu)點：板體性強(qiáng)，承載能力和抗變形能力高；抗凍性好，能有效治理季節(jié)性冰凍地區(qū)的翻漿；可以充分利用地方性材料，造價低。我國普遍采用半剛性基層瀝青路面，其車轍主要產(chǎn)生在瀝青面層。通過瀝青面層厚度對于車轍深度的影響試驗，結(jié)果如表

14、5-9所示，車轍深度與瀝青面層厚度關(guān)系曲線如圖5-7所示。表5-9 瀝青面層厚度對車轍深度影響的試驗結(jié)果面層厚度(cm)101316192124車轍深度(mm)9.511.413.014.314.915.7圖5-7 車轍深度與面層厚度的關(guān)系曲線圖 又上圖可見：當(dāng)瀝青層厚度小于180mm時，增加瀝青層厚度會使車轍快速增大；大于180mm時增加瀝青厚度對車轍增大速率就小了?？梢姙r青層厚度是影響混合料抗車轍性能的重要因素。 (5)路面施工質(zhì)量 瀝青路面施工是路面鋪筑的重要環(huán)節(jié)，不同的碾壓順序，碾壓次數(shù)和方向等都對路面壓實度、離析程度及層間粘結(jié)狀況等瀝青路面施工質(zhì)量有較大的影響。尤其是壓實施工，它是影

15、響瀝青路面的使用質(zhì)量及壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 5.3.2外在因素 瀝青混凝土路面產(chǎn)生車轍的外在因素主要包括溫度、濕度、重荷載、渠化交通、交通量等方面。 (1)溫度 高溫是造成車轍的直接原因，溫度越高，瀝青混合料的勁度模量越小，抗車轍能力越小。當(dāng)環(huán)境氣溫低于30時，通常不會產(chǎn)生大的車轍；環(huán)境氣溫高于30時，車轍就會快速增長。因為瀝青路面的溫度比環(huán)境氣溫要高1530，車輛在這樣的高溫條件下行駛，瀝青混凝土路面很容易形成車轍。以AC-20型瀝青混合料為例進(jìn)行的車轍試驗，得到了溫度與動穩(wěn)定度之間的關(guān)系如表5-10、圖5-8所示。表5-10 溫度對動穩(wěn)定度的影響溫度()2030405060動穩(wěn)定度DS(次mm

16、)10500393833162032763lgDS4.023.63.523.3l2.88圖5-8 溫度與動穩(wěn)足度的關(guān)系圖 由圖5-8可得溫度與動穩(wěn)定度成反比關(guān)系，其關(guān)系式為： lgDS=4.494-0.0257T (5-1) 通過實際調(diào)查河北廊坊的氣象資料，經(jīng)統(tǒng)計分析得到氣象日分為晴天、陰天和雨天的最高和最低溫度月分布，以及夏季不同時段的路表溫度，如圖5-9圖5-11所示。圖5-9 最高氣溫分析圖圖5-10 最低氣溫分析圖圖5-11 路表溫度變化曲線 由圖5-9和5-10可見夏季68月，當(dāng)?shù)刈罡邭鉁囟汲^了30，即使最低氣溫也在20左右。 圖5-11可見某高速公路夏天的路表溫度，在中午12點l

17、3點時溫度最高達(dá)60，全白天地表溫度都在42以上。 由圖5-9圖5-11可看出：廊坊市夏季的平均最高氣溫是33左右，此時路表溫度將達(dá)到61；即使平均最低氣溫也達(dá)23左右，路表溫度依然達(dá)到40左右；另外當(dāng)12：0013：00時路表溫度達(dá)到最高61時，高溫已超過重交瀝青的軟化點溫度，即使改性瀝青，其軟化點溫度必須足夠高才能保證瀝青混合料不處于黏流狀態(tài)，所以高溫影響著瀝青混合料性能，將導(dǎo)致瀝青混合料在車輛荷載反復(fù)作用下出現(xiàn)變形破環(huán)。 (2)濕度 瀝青混凝土路面在潮濕的狀態(tài)下，混合料的水敏感性增大，降低了混合料的高溫穩(wěn)定性。雖然下雨可使路面溫度下降5左右，但是當(dāng)路面積水增加時，瀝青和礦料之間的粘結(jié)力在

18、行車荷載和水分的聯(lián)合作用下會明顯降低，從而導(dǎo)致瀝青混凝土路面產(chǎn)生較大的車轍病害。所以潮濕瀝青路面比干燥路面更易產(chǎn)生車轍。表5-11為瀝青混合料在不同荷載條件下浸水和非浸水兩種車轍試驗結(jié)果，據(jù)表5-11繪制其關(guān)系圖如圖512所示。表5-11 浸水和非浸水車轍試驗結(jié)果(次mm)試驗0.7(MPa)0.8(MPa)0.9(MPa)1(MPa)非浸水車轍試驗19861220963806浸水車轍試驗1513862496362圖5-12 車轍試驗結(jié)果折線圖 由圖5-12可看出：在其他條件相同的情況下，非浸水條件下瀝青混合料的動穩(wěn)定度比浸水條件下的高出約30，可見路面在潮濕情況下，抗車轍能力降低。 (3)重

19、荷載 行車荷載是影響瀝青混凝土路面高溫車轍的重要因素，重載車、超載車輛加快了瀝青混凝土路面車轍的產(chǎn)生。荷載越大則輪胎氣壓越高，車輛超載必然引起輪胎接地比壓增加，使得車轍形成加快。 表5-12所示為對比分析滿載、超載30、超載60、超載100情況下的路面結(jié)構(gòu)使用壽命的數(shù)據(jù)表，圖5-13是荷載與使用壽命之間的關(guān)系圖。表5-12 某高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)使用壽命對比軸載累計軸次一定時的使用壽命(年)滿載15.00超載307.10超載603.40超載1001.40圖5-13 超載與使用壽命之間的關(guān)系 由圖5-13可看出：隨著超載率的增加，路面使用壽命明顯降低，而且當(dāng)車輛超載率達(dá)到100時，道路使用壽命僅

20、為2年；超載率是60時，道路使用壽命僅為4年；超載率為30時，道路使用壽命僅為7年，即高速公路道路設(shè)計使用壽命的一半，所以超載對瀝青路面使用壽命影響極大。 (4)渠化交通和交通量渠化交通是影響車轍深度的重要因素，在渠化交通形式和混合交通形式路段鋪設(shè)相同厚度的面層，做重復(fù)荷載試驗(試驗溫度25和40)，試驗結(jié)果表明：70kN的HVS雙輪載作用了116000次后，25時，渠化交通段車轍深度為4mm，混合交通段為3mm；40時，前者車轍深度為13mm，后者為7mm，可以看出渠化交通可使車轍深度顯著增加。交通量越大，對路面的作用次數(shù)也越多，瀝青混凝土層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變越大，不可恢復(fù)變形的累積也越多。5

21、.4 車轍形成機(jī)理 車轍的形成是瀝青混凝土路面在汽車荷載重復(fù)作用下產(chǎn)生不可恢復(fù)變形的累積。包括瀝青混合料的黏滯流動、土基與基層的形變和一定程度的壓實作用及材料磨耗。 5.4.1不同車轍類型的成因分析 (1)失穩(wěn)型車轍 失穩(wěn)型車轍形成的原因主要是在交通荷載產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用下，瀝青混凝土路面面層材料失穩(wěn)，凹陷和橫向位移形成的。此類車轍的外觀特點是沿車轍兩側(cè)可見混合料失穩(wěn)橫向蠕變位移形成的凸緣。一般出現(xiàn)在車輛輪跡的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)經(jīng)碾壓的路面材料的強(qiáng)度不足以抵抗交通荷載作用于它上面的應(yīng)力、特別是重載車輛高頻率通過，瀝青混凝土路面反復(fù)承受高頻重載時，極易產(chǎn)生此類車轍。失穩(wěn)型車轍示例如圖5-14所示。圖5-14 失穩(wěn)型車轍(2)結(jié)構(gòu)型車轍結(jié)構(gòu)型車轍形成的原因主要是基層等瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層或路基