高速公路瀝青路面的抗車轍設計與應用

趙 剛

(山西省交通科學研究院，山西太原030006)

由于在建造過程中未特別考慮到車轍病害的發生與應對，我國瀝青高速公路在之后的使用和維護過程中經常花費大量的資源處理車轍現象，而此現象在長大縱坡路段發生得更為頻繁，這不僅影響道路的運輸效率，給人們的經濟和生活帶來不便，還給道路安全帶來隱患，危害人們的健康和生命［1］.為此，本文從瀝青道路的車轍病害及其成因出發，為長上坡路段抗車轍道路的設計提供一定的思路，并對此技術的實際工程應用進行研究分析.

1 瀝青路面車轍病害及成因

通過觀察與研究長大縱坡的車道可知，車轍的縱向散布與坡度以及坡長具有一定的關系，坡度愈高，或坡度不高而坡長愈長，車轍形變愈大，因此車轍一般于坡底和坡頂處分布得最為廣泛［2，3］.車轍的橫截面為W形，于輪跡帶處下凹，兩側呈現凸起狀，其橫向形變和機動車的上坡速度有直接關系，上坡速度越慢，車轍形變越大，因此行車道的車轍形變程度比超車道大，而同一車道也是距離行車道較近的輪胎產生的車轍形變更大.此外，車轍同時分布于瀝青道路的三個面層，但在各層的大小不一、從大到小依次為中面層、下面層和上面層，而上面層、中面層和下面層的永久形變平均比例分別為37%、51%和12%.瀝青混合料包括礦料、瀝青和空氣空隙，在面對外界壓力的情況下將形成較大的剪應力和壓應力，若瀝青混合料的硬度不足以承擔這些壓力，瀝青道路表面就會發生車轍病害.特別是在高溫條件下，瀝青或瀝青膠漿將逐漸熔化且填滿混合料的間隙，同時往混合料自由面運動，因此混合料通過剪應力的影響發生剪切流動形變［4］.由此可知，瀝青道路的車轍實質上為混合料在壓應力和剪應力雙重影響下的殘余累積變形，道路構造不同，或者構造相同但層次位置不同，其內在的應力散布也不同.研究瀝青道路結構，就是為了根據瀝青混合料的受力特點合理安排原材料的分布，從而使瀝青道路的設計實現最佳的效果.

2 長上坡路段瀝青路面的抗車轍設計研究

2.1 長上坡路段瀝青路面的抗車轍結構研究

在考慮長上坡路段瀝青道路的構造時，不僅要達到一定的行業標準，而且要特別關注其抗車轍功能的實現，這主要是因為長上坡路段的瀝青層將會比平坡路段的瀝青層承擔更多的剪應力.傳統的瀝青層底部容易斷裂，表面也經常出現結構性車轍［5］.為此，一些研究人員建議提高瀝青層的厚度，確保道路只會在表層25～100mm處出現毀損，之后只要向道路展開周期性的表層銑刨與罩面修補即可.

2.1.1 瀝青層的組合研究

由于要承擔長上坡路段瀝青道路的大部分載重，瀝青層在垂直施壓與水平推動的雙重影響下會出現較強的剪應力，致使瀝青道路表面易發生車轍病害.然而許多專家探索發現，若瀝青層的厚度達到一定程度，僅瀝青道路的表層會發生車轍、斷裂等損害，而只要按期修補表層的損害，就無需對道路進行重建.根據這項發現，為了防止傳統工藝建造的瀝青道路出現裂縫與車轍等病害，西方國家的專家建議在具有規范載荷、車胎氣壓、軸載作用次數的基礎上，開發易于維護、穩定持久的長壽命瀝青道路.長壽命瀝青道路的構造通常包括厚度為40～50mm的面層、厚度為100～175mm的中間層以及厚度為75～100mm的HmA基層.高品質的瀝青混凝土面層使機動車的通行更加順暢，而地表下100～150mm為強受壓范圍，更是車轍等病害經常發生的地方，故具有良好硬度性能和抗車轍能力的瀝青混凝土中間層不僅可以連結面層和基層，而且能夠緩沖路面承受的壓力，同時由于最大拉應變發生于HmA基層的底端，撓性強且抗完全斷裂的瀝青混凝土基層能夠減輕完全斷裂損壞.綜合以上探索以及黑龍江區域道路建造的現實案例，建議面層使用SBS改性瀝青的SmA13型混合料，中間層使用RA抗車轍改性瀝青的AC－20C型混合料，基層使用90號普通瀝青的AC－25型混合料.

2.1.2 瀝青層的厚度研究

在規劃瀝青層的厚度時，需要確保每層的最低厚度至少達到集料可能全部通過的最小標準篩篩孔尺寸的2.5至3倍.綜合有關我國高速公路各種道路損毀的探究結果和黑龍江地區的大氣情況與地質因素等參數，提出道路長上坡路段表面的瀝青層厚度總和至少為18cm.

2.2 長上坡路段瀝青路面的抗車轍混合料研究

通過對一定數量的瀝青道路車轍病害展開研究，可以發現車轍病害通常發生于地表以下10cm的區域中，而地表以下大于18cm的區域一般不可能出現車轍問題.此外，瀝青混合料產生形變的原因，不是因為密度的增大，而是因為集料的側向偏移，即若瀝青路面的基層擁有一定的負重能力，混合料剪切力過低導致的橫向移動形變將比縱向壓縮形變更有力地作用于車轍的形成過程.由此可知，瀝青混合料的性質取決于其在道路中的具體層次位置以及承重的高低，故為了增大其高溫穩定性，提高其抗車轍性能，不僅要使用保持良好棱角性的粗細集料，確保粗集料之間的相互嵌擠，而且要使用質量上乘的改性瀝青與抗剝落劑，使夯實過后的道路能夠維持一定的空隙率.

3 瀝青路面抗車轍技術的應用研究

3.1 瀝青路面抗車轍混合料的配合比及性能

在《公路瀝青路面施工技術規范》JTGF40－2004中，建議抗車轍瀝青混合料的配合比采取骨架密實型級配方法，而大量關于道路瀝青混合料抗車轍特性的探索同時也證明，骨架密實型級配的抗車轍特性確實處于較高水平［6］.本文選取太佳高速公路K104+000～K107+000路段進行試驗，使用多級嵌擠密級配設計方法處理其中間層的抗車轍瀝青混合料，同時根據粗集料嵌擠、細集料填補的準則，筆者構建骨架密實型級配，具體方案如圖1所示.

圖1 AC－20目標配合比級配曲線

瀝青混合料的結合料類型與其抗車轍特性之間有密切的聯系，故對三種不同種類瀝青混合料的路用特性進行實驗檢測與討論，分別為90號普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料與添加RA抗車轍劑的90號普通瀝青混合料，具體結果見表1.

表1 三種不同種類瀝青混合料的路用特性參數實驗結果

觀察表1可知，關于動穩定度，RA抗車轍劑瀝青混合料的動穩定度為SBS改性瀝青混合料的三倍，且遠遠超過90號瀝青混合料，這證明了RA抗車轍劑可以在一定程度上增強基礎瀝青混合料的高溫穩定性;關于馬歇爾穩定度、浸水馬歇爾穩定度和殘留穩定度，SBS改性瀝青混合料和RA抗車轍劑瀝青混合料的水穩定性大體一致，但兩者卻優于90號瀝青混合料;關于凍融劈裂強度，RA抗車轍劑瀝青混合料的抗水損害特性遠遠劣于另外兩種材料，這是因為RA抗車轍劑材料對冷熱變化的感知更加快速準確，由于混合料持續交替進行升溫與減溫工作，RA抗車轍劑材料將在熱脹冷縮原理的影響下減小集料的硬度，同時RA抗車轍劑材料較大的總表面積減小了石材表層瀝青膜的厚度，進而改變了集料的凍融劈裂強度;關于彎曲試驗破壞應變，三種混合料根據低溫特性由高至低排列，依次為SBS改性瀝青混合料、RA抗車轍劑瀝青混合料和90號瀝青混合料，其中只有前兩者達到技術標準，這證實了RA抗車轍劑瀝青混合料同時保持良好的高溫穩定性與低溫抗形變特性.綜合以上測試結論可知，RA抗車轍劑瀝青混合料的各項實驗規格都達到技術標準，能夠作為優質的抗車轍混合料投入使用.

3.2 瀝青路面抗車轍技術的施工及經濟性

RA抗車轍劑瀝青混合料實驗路段的建造具體需要完成以下工藝:RA抗車轍劑的保存和工作面安排、拌合、輸送、攤鋪、夯實、接風處理.此外，為了確保道路的質量合格，建造過程中也需密切關注RA抗車轍劑的摻加量以及監控瀝青集料拌合、制作、攤鋪與碾壓的溫度.建造之初首先采取“干法”對RA抗車轍劑展開拌和，持續攪拌8～10秒，隨后加入瀝青基質并繼續攪拌45秒，使RA抗車轍劑在高溫材料的影響下快速熔解，徹底發揮其改性作用［7］.具體施工標準如表2所示.

路面施工結束后，對試驗路段的夯實度、滲水系數、摩擦系數與平滑度等性能規格展開實驗測試，測試證明了RA抗車轍瀝青道路的硬度、水穩定性和抗滑能力都處于較高水平.此外，通過檢測實驗路段的抗車轍性能可以發現，RA抗車轍瀝青混合料的動穩定度一般均大于10000次/mm，遠超過改性瀝青混合料約4000次/mm的動穩定度，具備較高的抗車轍特性.此試驗中使用的SBS改性劑和RA抗車轍劑分別為瀝青混合料質量的5% 和0.3% ～0.5%，根據材料的市場售價，經過計算能夠得到每噸SBS改性瀝青混合料及RA抗車轍瀝青混合料的總花費各自較每噸基本瀝青混合料的總花費多出100元及90元左右，這說明在RA抗車轍瀝青混合料的高溫穩定性優于SBS改性瀝青混合料的同時，其花費也小于SBS改性瀝青混合料.從經濟性的角度來看，RA抗車轍瀝青混合料的性價比較優，比其他建筑原材料擁有更為長遠而廣闊的發展前景.

表2 RA抗車轍劑瀝青混合料拌合、制作、攤鋪以及碾壓溫度匯總

4 結語

高速公路瀝青道路的車轍實質上為瀝青道路在荷載及應力水平作用下的形變，道路的構造以及原料會影響車轍的產生，因此，可以從道路的結構安排以及混合料的配比兩個方向入手規劃道路長上坡路段的抗車轍技術.根據對道路構造的研究，確定瀝青層的組合，提高瀝青層的厚度，從而滿足長壽命瀝青道路的設計標準;同時合理設計瀝青混合料的配合比，完善膠結料的性質與功能，以此增強道路的高溫穩定性與低溫抗形變特性，減少車轍病害的發生.此外，具體的工作也包括摻加抗車轍劑，以及監控瀝青混合料拌和、制作、攤鋪與碾壓的溫度，以此提高道路對車轍的抵御能力，確保道路的使用品質.

［1］韓萍，張曉燕，段丹軍.祁臨高速公路長大縱坡路段車轍處治技術研究［J］.中外公路，2011，(5):51－54.

［2］俞文生，李昶.陡坡路段瀝青路面車轍特性分析［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2009，(6):1028－1032.

［3］楊紅鎖.抗車轍劑改性瀝青混合料的試驗研究［J］.山西交通科技，2014，(1):5－7.

［4］周禹，咸紅偉，桂嵐.改性瀝青混合料抗車轍性能研究［J］.科學技術與工程，2011，(12):2863－2866.

［5］李海青，霍永成.呼和浩特市繞城高速公路重交通路段抗車轍路面結構及材料設計方法研究［J］.公路交通科技:應用技術版，2012，(6):94－97.

［6］黃開宇，吳超凡，彭紅衛，等.抗車轍骨架密實性瀝青混合料配合比設計方法研究［J］.公路工程，2010，(1):88－93.

［7］張業茂，胡光偉，趙錫娟，等.摻加抗車轍劑改性瀝青混合料高溫性能研究［J］.公路，2012，(9):178－183.