高速公路瀝青路面車轍產生機理分析

劉 麗

(河北銳馳交通工程咨詢有限公司)

1 前 言

車轍是渠道化交通的高等級公路瀝青路面的主要損壞類型之一,一般在溫度較高季節,瀝青面層在車輛的反復碾壓下產生永久變形和塑性流動而逐漸形成。通常是在伴隨著瀝青面層壓縮沉陷的同時,出現側向隆起,二者組合起來構成車轍。當車轍達到一定深度時,由于轍槽內積水極易發生汽車飄滑而導致交通事故。我國有相當多的高速公路瀝青路面不得不因為車轍而進行大面積銑刨修補。

通過對河北省境內石黃(石家莊—黃驊)、京滬、京秦等幾條高速現場瀝青路面車轍的調查及路面鉆芯和切割取樣分析以及室內試驗結果分析得出產生車轍的原因?？傮w來說車轍產生的因素可以分為外部影響因素和內因兩個方面。

2 外部因素分析

2.1 高溫對車轍的影響

荷載和溫度是路面產生車轍的兩個重要的因素,路面車轍的發展過程實際上是瀝青混合料在高溫下的蠕變過程。

溫度越高,瀝青混合料的勁度模量越低,抗車轍能力越小,研究發現,當路表溫度從 35℃升高到 65℃時,表面層瀝青混合料的勁度模量從 700 MPa下降為不足 100MPa;中面層溫度從 28℃升高到 55℃,中面層勁度模量從 900MPa下降到不足 200MPa;下面層溫度從 25℃升高到 50℃時,下面層勁度模量從 1 000MPa降到不到 200 MPa,都是成 5～7倍下降,在相同車輛和在同等荷重作用下,同一種瀝青混合料高溫時模量低,更易產生較大的蠕變變形,形成車轍,因此,高溫對車轍的影響非常顯著。

通過調查發現高速公路車轍的產生一般發生在每年的7、8月份中,尤其是在連續兩三天內出現高溫天氣時,車轍很容易出現。一般連續的高溫使得路面積聚的熱量不能很快釋放出去,瀝青混合料在持續高溫環境下,粘聚力降低,抗剪強度降低導致了路面的破損,同樣是高溫的天氣,在廣東等地車轍卻出現很少,究其原因是因為南方的雨水較多,對路面起到了降溫的作用。對河北省的天氣溫度與路面溫度的關系進行了測定。

面層內部溫度大部分時間段低于路表溫度,但是隨著氣溫的降低,路表溫度隨之降低很快,而瀝青層內部溫度下降趨勢較緩,并且距離路表越深的瀝青層,溫度越不易散發,距離路表 15 cm處的瀝青層溫度趨于平緩,并未隨氣溫的下降而下降,所以說,高溫時間一旦持續且環境干燥無雨,就會快速在瀝青層內積聚熱量,使得整個瀝青層都處在高溫環境中,很容易導致車轍病害的發生。

根據我國對氣溫與車轍關系的直接觀測結果發現,當氣溫低于 35℃時,路表溫度一般低于 55℃,這時車轍不會有太大發展,能夠限制在 8mm以內,當路表溫度達到 60℃,氣溫這時一般已超過 38℃,車轍就會明顯發展,如果氣溫持續高達 38℃以上,就會發生嚴重的車轍病害。

根據河北省氣溫變化的不同,擬定了 54℃、57℃、60℃、63℃、66℃、69℃六種不同環境溫度進行同種級配不同瀝青的動穩定度試驗,試驗結果見表 1、2。

表 1 AH-70瀝青混合料不同溫度的動穩定度值

表 2 SBS改性瀝青混合料不同溫度的動穩定度值

如表 1、表 2所示,在相同荷載作用下,溫度升高,瀝青混合料的動穩定下降,這也相當于在高溫時采用了低動穩定度的材料。采用SBS改性瀝青的動穩定度明顯好于AH-70石油瀝青的動穩定度,下降趨勢較緩。

2.2 超載和車流量對車轍的影響

(1)不同軸載作用下瀝青層內剪應力理論研究。

車轍產生的主要原因之一是在車輪豎向和水平荷載作用下,瀝青層內產生剪應力,致使瀝青混合料產生剪切變形,不可恢復變形的不斷累積形成車轍。以半剛性基層瀝青混凝土路面作為典型結構,采用有限元力學計算分析方法分析了不同軸載對瀝青路面車轍的影響。

對計算結果的分析,無論在平坡還是在上坡路段車輛軸重越大,剪應力越大。車輛在平坡路段行駛時,如圖 1所示,當車輛軸重從100 kN增加到 150 kN、200 kN時,最大剪應力由 0.157MPa增加為 0.232 MPa、0.308 MPa,分別增加了48%和 96%,在深度 4～6 cm范圍內剪應力較大。當車輛在上坡路段行駛時,以 4%坡度為例,剪應力曲線的形態與平坡路段時基本相同,當車輛軸重從 100 kN增加到 150 kN和200 kN時,最大剪應力由 0.274 MPa增加為 0.400 MPa和0.527MPa,分別增加了 46%和 92%,當坡度為 6%時最大剪應力分別增加了 48%和 96%。

圖 1 不同軸重在平坡路段的剪應力分布圖

通過上述分析發現,隨著軸重增加,剪應力幾乎按照相同的比例增大,即剪應力與車輛軸重近似地表現為 45°線性遞增的比例關系。

(2)不同軸載作用下瀝青混合料動穩定度室內試驗分析。

在室內對不同荷載作用下動穩定度次數進行了試驗。

為研究荷載對動穩定度的量化性影響,選取三種瀝青混合料,分別進行 0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa三種壓力下的車轍試驗,發現在標準溫度 60℃下動穩定度與輪壓成指數關系,試驗結果如表 3。

表 3 不同壓力下動穩定度次數

可以看出,荷載對動穩定度的影響是非常大的。當荷載由 0.7MPa增加到 1.1MPa時,動穩定度幾乎要降低一倍,路面在重載車作用下,瀝青混合料抗剪強度遠遠超過允許值,造成路面流動性車轍。

通過進行室內實驗比較不同荷載情況下瀝青混合料的動穩定度變化情況,最佳用油量的確定分別采用 GTM法和馬歇爾試驗方法,GTM采用三種不同的設計壓強 0.7MPa、0.9 MPa、1.1 MPa,車轍試驗采用三種輪壓 0.7 MPa、0.9MPa、1.1MPa分別進行,試驗結果如表 4。

表 4 不同荷載作用下車轍試驗對比結果

從上述試驗結果可以看出,隨著荷載的增加瀝青混合料的抗車轍能力降低,每增加 0.2MPa的壓強,抗車轍能力降低約 20%;增加設計壓強可以有效的提高抗車轍能力,對于AC-13I瀝青混凝土來說采用馬歇爾重載指標設計的瀝青混合料 DS為 1 087,而 GTM 0.7的 DS為 1 248,GTM 0.9的DS為 2 242,GTM 1.1的 DS為 3 217,分別是馬歇爾重載設計的 1.15、2.06、2.96倍。

從上面的分析不難發現隨著車轍試驗的輪壓增大時,車轍次數降低,但是輪壓與車轍次數并不是簡單的線形關系,只是隨著輪壓的增加,車轍次數下降速度加快,當輪壓小于設計壓強時,車轍次數大幅提升。

2.3 上坡路段易出現車轍

山區高速公路連續大上坡路段易出現車轍,因為車速慢,荷載作用時間長,由于車速降低與溫度升高的等同性,所以上坡路段較平坡更易產生車轍。

根據車速與坡度和坡長變化關系的分析,車輛的行駛速度將隨著坡度和坡長的增加而不斷降低,車速降低將會使輪胎對路面的荷載作用時間延長。根據標準車在不同坡度時的平均車速,計算了荷載作用時間和等效的荷載作用次數,如表 5所示。通過平路和上坡路段荷載作用次數的比較,可見對于上坡路段,車輛的行駛速度越低荷載的等效作用次數越大。

表 5 不同坡度時車輛的荷載作用次數

車速降低除了對荷載作用次數的影響外,還會降低瀝青混合料的勁度模量。車速降低對剪應力的影響表現為荷載等效作用次數的增加和瀝青混合料勁度模量的降低,車速越低對剪應力的影響越顯著。

2.4 渠化交通的影響

高速公路渠化交通是產生車轍并進一步加劇車轍的一個重要因素。

車轍形成因素的幾個外因中,按照分析及實際觀測,溫度與荷載影響最大,車速與交通渠化對車轍的影響位于其次。當然形成車轍的外部影響因素并不能完全解釋車轍形成原因,還必須通過內部因素分析。

3 內部影響因素

3.1 結構方面

(1)路面厚度。

根據國內高速公路瀝青面層厚度開展廣泛調查。通過有限元計算方法分析時,選取了四種面層厚度,分別為8 cm,12 cm,15 cm和 18 cm,得到不同面層厚度時瀝青面層的剪應力計算結果,如圖 2所示。

通過圖 2可見:面層厚度變化對瀝青面層剪應力的影響很小。最大剪應力值位于 2～9 cm范圍,即中面層是承受剪應力主要層次,從現場切割的斷面也可以驗證這一點。當瀝青層厚度超過 18 cm時,瀝青面層與基層間所受的剪應力趨于 0。瀝青面層厚度越小,瀝青面層與基層的層間剪應力越大。

圖 2 不同面層厚度時車輪荷載作用下瀝青面層剪應力分布

研究表明,瀝青層的適宜厚度應在 18～20 cm,可以兼顧造價和路面的使用性能;同時在確定瀝青路面結構時應進行抗剪試驗,將抗剪強度作為路面設計的主要指標之一。

(2)瀝青路面面層模量對車轍的影響。

溫度越高,瀝青混合料的勁度模量越低,材料就容易產生嚴重的流動變形。利用有限元方法就面層勁度模量對剪應力的影響進行了研究分析。為分析瀝青面層勁度模量對剪應力的影響,對表面層、中面層和下面層瀝青混合料的模量假定了六種組合,如表 6所示。

表 6 瀝青混合料結構層的勁度模量組合

計算這六種面層模量組合采用的荷載為后軸軸重100 kN的標準車,在 4%坡度的上坡路段行駛時對路面的平行和垂直荷載,利用有限元計算方法得到的剪應力在最大值所在橫斷面上隨深度的分布如圖 3所示。

圖 3 不同組合時面層剪應力分布

從圖 3可見,隨著勁度模量降低,剪應力將會隨之減小,圖中不同勁度模量的剪應力曲線形態都非常相似,最大值一般均發生在路表下 40～50mm范圍內。高溫會造成瀝青混合料勁度模量的下降,降低路面抗剪強度,是造成路面車轍病害的主要因素,因此為了提高路面抗剪強度應該采用高模量的瀝青混凝土。

3.2 原材料性質及材料設計方面的影響

(1)瀝青材料性質的影響。

優質瀝青的使用極大提高了路面的使用性能。課題組對 70#瀝青、SBS改性瀝青和 TLA改性瀝青(30∶70)混合料進行了車轍的室內試驗對比,采用級配類型為AC-20,設計方法采用 GTM設計,試驗結果如表 7。

表7 不同瀝青種類對車轍影響分析

從試驗結果可以看出,改性瀝青的粘度大于普通瀝青粘度,并且改性瀝青混合料的抗車轍能力明顯高于普通瀝青混合料。

(2)瀝青混合料級配的影響。

級配是瀝青混合料中礦料的最重要特性,幾乎影響到瀝青混合料的所有重要特性。對從現場取回的芯樣進行了室內的抽提篩分試驗。結果發現,車轍較輕的宣大高速公路4.75mm篩孔以上較設計級配普遍偏細,2.36mm篩孔以下較設計級配普遍偏粗,符合優化級配的走向原則,優化級配為 S型的緊密嵌擠型礦料級配,S型級配由于減少了最粗部分和最細部分的集料,中間檔次的粗集料 4.75 mm、9.5mm以上部分用量增加,使級配的嵌擠能力大大提高,明顯改善了瀝青混合料的高溫穩定性。而車轍較嚴重的保津高速公路較設計級配 4.75mm篩孔以上偏細,級配已形不成嵌擠結構,形成車轍很必然的。從試驗可以得出,為了提高瀝青混合料的高溫性能,應該采用粗型級配,并應使礦料級配接近骨架密實結構。

(3)集料性質的影響。

集料的粘附性、針片狀等指標對混合料的抗車轍性能都有較大影響。

集料與瀝青的粘附性等級低也是造成路面車轍病害的原因之一。在施工過程中應添加一部分水泥、石灰或者抗剝落劑提高粘附性,可以有效提高瀝青混合料的高溫性能。在室內進行了GTM配比設計和車轍試驗,試驗結果如表 8。

表 8 AC-25瀝青混合料車轍試驗結果

粗集料的扁平細長顆粒的含量影響施工和使用過程中集料的破碎率,對混合料的體積指標及抗車轍能力、疲勞性能可能產生影響。就針片狀對于高溫性能的影響進行了研究。針片狀含量對高溫穩定性的影響采用車轍試驗評價,在評價針片狀含量對高溫穩定性的影響時采用了兩種級配,都采用石灰巖石料,瀝青采用普通重交道路瀝青。試驗結果見表9。

表 9 針片狀含量對高溫穩定性的影響

從進行的車轍試驗分析:針片狀含量增加到 30%時,對連續級配瀝青混合料的高溫抗車轍能力影響不大,車轍基本上在同一水平,但是對骨架結構級配的高溫穩定性影響比較大,當針片狀含量大于 10%時,動穩定度次數急劇下降。

3.3 施工質量控制及路面均勻性的原因

(1)混合料離析比較嚴重,造成級配偏差,產生軟弱的混合料;(2)注重平整度,降低了對壓實度的要求;(3)現場施工組織差,碾壓不及時,漏壓;(4)油石比控制不準確等因素;(5)施工過程中層間結合差,造成瀝青路面層間滑動。

4 結 論

(1)通過實際調查、室內外試驗和理論分析,影響高速公路車轍病害的主要因素中外部因素是重載、高溫、路線縱坡,內部因素是瀝青混合料的質量及原材料質量。在各種外部因素中,高溫、重載的影響居于首要位置,是造成路面車轍的重要因素。對于導致車轍病害的內部因素而言,瀝青混凝土的配合比設計是最主要的因素。對于瀝青路面的抗車轍結構層應選擇骨架密實型的礦料級配,使用改性瀝青可以有效提高路面的抗車轍性能。

(2)根據車轍實際調查和使用效果以及瀝青混合料動穩定度試驗和瀝青層內剪應力理論分析,推薦中、上面層的動穩定度不應小于 3 600次 /mm。

(3)在典型半剛性基層路面結構情況下,瀝青面層的抗剪強度應該作為結構設計的主要指標。通過抗剪計算分析和試驗研究,瀝青面層厚度在 18～20 cm為宜,其中 2～9 cm為剪應力最大區間;根據課題研究,建議將瀝青混凝土 55℃的抗剪強度作為面層結構設計主要設計參數。

(4)縱坡較大的路段應專門進行路面結構層的抗剪設計。平原區最大縱坡在 4%時,設計抗剪指標應該增加 76%。山嶺重丘最大縱坡在6%時,設計抗剪指標應該增加 127%。

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