山區高速公路瀝青面層失穩性車轍病害分析及處治措施

陳博

摘要：本文從高速公路瀝青路面病害入手，介紹了失穩性車轍產生的原因及處治措施，并以貴州某高速公路為例，通過對其病害情況的實地調查，結合當地氣候、地理條件及長大縱坡段較多道路狀況，著重分析了山區高速公路瀝青路面失穩性車轍病害的成因，并結合目前車轍維修技術，具體提出不同程度車轍病害的處治方法和建議，對類似工程的車轍防治和處理有一定參考價值。

Abstract： This article starts from the highway asphalt pavement disease and introduces the causes and treatment measures of instability rutting. Taking a highway in Guizhou as an example， through field investigation of the disease situation， combined with the local climate， geographical conditions and road conditions of more longitudinal slope section， it analyzes the causes of instability rutting of mountainous highway asphalt pavement. Combined with the current rut maintenance technology， it puts forward treatment methods and suggestions for rutting in different degree， which have a certain reference value for rutting prevention and treatment of similar projects.

關鍵詞：瀝青混凝土路面；長大縱坡；失穩性車轍；處治方法

Key words： asphalt concrete pavement；longitudinal slope；rutting with stability loss；treatment method

中圖分類號：TU528.42 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0110-03

0 引言

瀝青路面由于其具有行車舒適、耐磨性好、養護施工方便等諸多優點，目前已廣泛的應用于我國道路工程中，特別是在高速公路中，瀝青路面已成為一種主要的路面結構形式。雖然瀝青路面有很多優點，但由于其對組成材料、施工工藝等的要求較高，如控制不好，則會導致瀝青路面出現不同的病害類型，病害的出現，輕者影響行車舒適性，嚴重者將會對道路交通安全帶來重大的影響。本文結合貴州某高速公路實際調查研究，分析山區高速公路瀝青路面失穩性車轍病害產生的原因，并提出處治建議且闡述了銑刨修復養護施工工藝在高速公路車轍修復工程中的應用，各項路用性能均達到了預期的目標，取得了良好的社會和經濟效益。希望對山區道路的后期養護和擬建道路的設計施工有一定的參考價值。

1 瀝青路面病害類型

1.1 病害分類 目前我國高速公路瀝青路面早期病害主要包括沉降、裂縫、坑槽、車轍、功能性破壞、面層松散等等。根據病害表現類型大體可將這些病害分為三大類：即裂縫類、松散類、變形類等。

1.2 病害成因 瀝青路面病害的形成可分為客觀因素和主觀因素。

①客觀原因：瀝青路面病害形成的客觀因素主要是水、交通荷載、溫度。

水在路面中表現形式為空隙水、層間水、深層滲水。水對路面的損害主要有四個方面：1）動水壓力的反復作用造成瀝青與集料剝離，導致瀝青路面松散；2）層間水的存在阻斷了瀝青各層之間的有效粘結，使瀝青路面各層分開從而改變路面的受力狀況，使瀝青路面在動荷載的作用下彎拉應力成幾何級數的增加；3）水的沖刷破壞路面材料結構；4）滲水引起路基不均勻沉降最終導致瀝青路面嚴重病害產生。

交通荷載是導致瀝青路面損壞的重要原因。在我國，交通超載現象嚴重，逐年增多的超載車輛，使得路面所承受的荷載遠遠超出了設計的承載能力，導致瀝青路面出現較早的破損，嚴重縮短了路面的使用壽命。

瀝青路面是一種溫度敏感性的路面結構，近年氣溫的變化以及極端氣溫天氣的出現，使得瀝青路面也不同程度的出現了病害。

②主觀原因：導致瀝青路面病害產生的主觀因素主要是瀝青路面的設計和施工過程中的控制。

瀝青路面設計主要包括結構組合設計、厚度設計和材料設計，不合理的結構、不合理的厚度、不合理的材料都會導致瀝青路面出現不同的病害。

瀝青路面施工過程環節較多，對各環節的要求較高，如有任一環節控制不嚴格或有漏洞，將同樣會導致瀝青路面出現病害。

2 瀝青路面車轍病害概述

按照上述瀝青路面病害的分類，瀝青路面車轍應該屬于變形類病害。車轍的檢測可以通過多功能檢測車也可以通過人工三米直尺法檢測。

2.1 車轍的分類

①根據養護技術規范，按車轍病害的嚴重程度可分為：一是輕微車轍，路面變形較淺（≤25mm）；二是嚴重車轍，路面變形較深（>25mm）。

②按照成因，車轍病害可分為：

結構性——荷載作用超過路面各層的強度，發生在瀝青面層以下包括路基在內各結構層的永久性變形。

壓密性——產生的原因可能是由于大量重型超載車輛渠化行駛在主車道上，路面壓實度可能不足，在荷載反復作用下空隙率逐步減小，達到極限的殘余空隙率后才穩定。

失穩性——瀝青面層失穩性車轍主要特征為：在行車載荷反復作用下，在輪跡帶范圍內瀝青面層變形較大，路面產生累積永久性的帶狀凹槽，部分路段車道輪跡帶兩側瀝青混凝土鼓起，在彎道部位還存在明顯的向外鼓包推移現象，并有可能導致車道線或停車線變形，路面或呈現“波浪”狀。

2.2 失穩性車轍產生的原因

①瀝青混合料級配可能不夠合理：面層級配偏細，細集料與粗集料的比例不符合配比要求，瀝青混合料系一種依靠瀝青顆粒之間的粘結性來達到設計強度的懸浮密實結構，混合料內摩擦角小，粗集料的強度和結構都不足以抵抗車轍。在高溫環境中，動穩定度不達標，路面在行車荷載下極易出現車轍。

②瀝青面層層間結合較差。

③瀝青用量偏多：在車轍嚴重路段，輪跡部位有明顯的泛油現象。

④坡道路段縱坡較大，易產生車轍：在高溫環境下，車輪反復碾壓路面，而瀝青混合料的粘結力和強度無法抵御行車荷載而出現流動變形現象，當流動變形累積到一定程度后，就會在路面形成車轍。同時，路面面層受行車水平力和垂直力的綜合作用，在面層結構內產生剪應力。從力學角度而言，這種綜合作用越大，面層產生的剪應力就越大。對車輛在公路上的不同位置進行受力分析可知，在車輛啟動、制動處，以及合成坡度較大的彎道內側，路面面層所受車輛的水平力和垂直力的合力較大，較易發生剪切破壞。

2.3 失穩性車轍處治措施及建議

①對原路面車轍嚴重的路段，混合料失穩側向推移，輪跡帶下陷，周邊隆起嚴重，車轍病害發展至中面層路段。銑刨車轍病害發生層位的原路面，采用改性瀝青混合料車轍修復技術或采用灌入式有機水硬性材料車轍修復技術進行處治。

改性瀝青混合料車轍修復技術，是對傳統挖填方法的改進。采用對原路面車轍嚴重路段銑刨10cm至下面層，銑刨寬度視病害范圍而定，一般為單車道（3.75m）或雙車道（7.5m），再鋪筑4cmAC-13改性瀝青上面層+6cmAC-20改性瀝青中面層。上、中面層瀝青均建議采用SBS改性瀝青，混合料采用骨架密實結構，層間灑布粘層油。

灌入式有機水硬性材料修復技術，是目前車轍防治的一項新技術，是將以水泥為主要成分的特殊乳漿材料，采用灌注工藝填充于開級配熱瀝青混合料母體骨架中，經過一段時間養生后形成的復合有機水硬性材料。處治后的路面結構具有優異的抗車轍性能，同時具有剛柔相濟的特征，適用于由于車速慢，荷載作用時間長，產生車轍病害的長大縱坡、陡坡、彎坡橋橋面及匝道等特殊路面的車轍修復。

②對原路面車轍較嚴重的路段，可先對原路面車轍輪跡帶兩側橫向推移隆起部位進行局部銑刨、整形，再采用微表處車轍修復技術進行輪跡帶車轍填充或采用微表處罩面技術進行路表狀況處治。

這類車轍多由于上面層或上、中面層材料的高溫穩定性不足引起。處治時，先銑刨掉發生車轍的各結構層，然后認真檢查銑刨后露出的下臥層狀況，若有病害應酌情處理。在下臥層無病害的情況下，可采用微表處車轍修復技術進行車轍填充。

③對原路面車轍較輕微路段，可采用微表處直接填充修復技術進行處治。

對于車轍深度為1.0cm時，可直接采用單層微表處填補修復。如果深度在1.0cm到2.0cm的范圍內，可采用復式雙層微表處修復，攤鋪寬度均為1.4m。如果車轍路面磨光或水損壞嚴重，則可采用單層微表處直接填補車轍，然后再用微表處對車轍加鋪1cm厚的罩面，以提高路面抗滑和防水能力，改善路面使用狀況。

3 車轍處治案例分析

結合已有的研究成果和貴州山區的氣候、地理條件，介紹貴州某高速公路車轍病害調查處治實例。

3.1 貴州山區某高速公路車轍問題概述

該高速公路地處貴州山區，地形地貌多變，工程地質背景復雜，給高速公路的選線帶來許多困難。受地形地貌的影響，道路路線設計多選擇連續急彎及長大陡坡路段，在長大縱坡行車道路段出現了較明顯的車轍，輪跡帶范圍內瀝青路面變形較大。

從路面損壞類型分析圖1中可以看出，該高速公路瀝青路面車轍問題嚴重。經三米直尺人工抽點檢測，最大車轍深度達到5cm。對于原路面車轍，進行銑刨后不久部分路段又會出現車轍。據實地調查，該高速公路車轍主要為失穩性車轍。在交通荷載產生的剪切應力的作用下，路面層材料失穩、凹陷，產生橫向位移。此類車轍的外觀特點是沿車轍兩側可見混合料失穩橫向蠕變位移形成的凸緣，凸緣出現在車輛輪跡的區域內，經碾壓的路面材料的強度不足以抵抗交通荷載作用于其上面的應力，特別是重載車輛高頻率通過，路面反復承受高頻重載而產生。

經調查，該高速公路交通構成中，重載貨車數量較多，而且行車速度慢。我國交通超載超限車輛比例大，軸載遠超過我國標準軸載，甚至超過國際上最大標準軸載。據統計數據顯示，軸載從10T依次增加到13T、15T、18T，剪應力高值的分布范圍從面層下3～6cm依次增加到3～7cm、3～8cm、3～9cm，剪應力的最大值位置從4cm依次增加到4cm、5cm、6cm。由于剪應力產生失穩性車轍，說明隨著軸載的增加，剪應力高值的分布范圍由表面層向中面層轉移，使產生失穩性車轍的深度增加，中面層更容易產生失穩性車轍，其次為表面層，再次為下面層。因此，承受重載慢速交通要求瀝青混凝土有較好的抗車轍能力，即車速愈慢，要求瀝青混凝土的抗車轍能力愈大。但是，目前我國公路設計中沒有詳細考慮此因素。

從調查結果來看，長大陡坡、急彎路段的車轍現象十分嚴重。超重載貨車通常以20km/h的時速駛過爬坡路段，根據瀝青材料的溫度時間換算法則，在長時間的行車荷載下所產生的破壞基本等同于長期承受高溫條件所導致的破壞，這種破壞作用會隨著時間的延長而越來越嚴重。假使行車速度保持在100km/h，對路面瀝青層的作用時間大概在0.02s左右，假設行駛速度降到20km/h，其對應的作用時間大改在0.1s左右。也就是說，在行車時速為20km/h時路面所產生的變形，基本等同于行車時速為100km/h時5遍路面所遭受的破壞。具有粘彈塑性的瀝青混合料，縱坡越大，除應力增大和作用深度加深兩個因素以外，行車速度慢、應力作用時間長也是造成路面車轍或者加重車轍破壞的主要因素。鑒于此，長大坡路段應該使用具有高強抗車轍能力的瀝青鋪筑路面，并且要在設計中應做特殊處理，以規避車轍現象。

路面結構類型設計應考慮長大縱坡與重載車輛的綜合影響，防止車轍問題的產生。我國高速公路瀝青混凝土路面結構一般為三層，通常上、中、下面層厚度分別為4、6、8cm。現行規范中強調中、上面層主要功能是防水，其次是抗車轍性能，導致我國瀝青混凝土路面中、上面層結構普遍采用Ⅰ型結構，而實際上Ⅰ型級配屬于懸浮密實結構，內摩阻力小，抗車轍性能差。通過對路面芯樣進行抽提、篩分試驗分析，瀝青混合料級配不夠理想。原設計集料篩分試驗采用干篩法，造成實際級配粉料用量普遍偏大，影響混合料路用性能。從抽提結果來看，粗集料由于在取芯及切割分層過程中的破碎因素影響，通過率接近規范級配上限；而細集料通過率則普遍接近規范級配曲線中值，粉膠比較大，使得混合料為懸浮型結構，高溫穩定性不夠理想。

3.2 該高速公路車轍處治之銑刨修復養護施工工藝

①銑刨處理。

根據病害的情況，對車轍嚴重路段，銑刨原路面中、上面層。單車道銑刨寬度4m，雙車道寬度8m，方向與原路中線平行，銑刨長度視病害長度，上面層銑刨深度4cm，中面層銑刨深度6cm，兩側預留10cm-15cm臺階。銑刨后，如遇雨天，沿硬路肩橫向開挖排水溝，深度略大于9cm，便于雨水迅速排離作業面。

②清掃及檢查下承層。

現場配備專門的清掃人員和設備。在銑刨過后的作業面上，先用兩臺專業清掃車進行反復清刷，再配以人工用鋼刷清理死角，最后以10臺大功率吹風機同時吹除廢料及粉塵，做到作業面的干燥、整潔。也有用高壓水槍沖洗的，其作業面潮濕影響進度、質量，不經濟，不推薦采用高壓水。

③路槽接縫處理：接縫處涂抹密封膠或乳化瀝青，橫向要經受車輛碾壓，縱向要封水。

④灑布粘層油：改性乳化瀝青粘層油。

⑤玻璃纖維格柵：灌縫后鋪設玻璃纖維格柵，目的是為了防止路面疲勞裂縫及反射裂縫，延長道路使用壽命。按照銑刨前確定的裂縫位置，在下面層裂縫處鋪設1m寬的玻璃纖維格柵，所使用的玻璃纖維格柵具有高抗拉強度、低延伸率、良好的耐高（低）溫性。

⑥加鋪改性瀝青砼面層。

1）材料選擇。

瀝青——選擇改性瀝青（提高溫度穩定性），使用低針入度、高軟化點、低含蠟量的高粘度瀝青可有效防止車轍的產生。

集料——選擇粒形良好的與改性瀝青黏附好的硬質石料（如玄武巖），適當的粉膠比：影響著高溫動穩定度。

2）合理的級配選擇。

充分發揮骨料的嵌擠作用，對密級配瀝青砼而言，適當增大集料粒徑，可提高抗車轍能力，但要注意攤鋪厚度和公稱最大粒徑的關系2.5-3倍，會造成離析。

3）配合比設計。

按瀝青面層所選定的瀝青混凝土類型，均為熱拌密級配瀝青混合料。根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）規定，對于中、上面層SBS改性的瀝青混合料進行配合比設計時，動穩定度不應小于3000次/mm，混合料低溫抗裂試驗的彎曲破壞應變不小于2000。

4）瀝青混合料拌制。

拌和時間由試拌確定，一般為干拌5s—加瀝青拌和20s—加礦粉拌和20s—出樓。必須使所有集料顆粒全部裹覆瀝青結合料，并以瀝青混合料拌和均勻為度。

5）瀝青混合料的攤鋪。

連續穩定地攤鋪，是提高路面平整度最主要措施。攤鋪機的攤鋪速度應根據拌和機的產量、施工機械配套情況及攤鋪厚度、攤鋪寬度，按1～3m/min予以調整選擇，做到緩慢、均勻、不間斷地攤鋪。不應任意以快速攤鋪幾分鐘，然后再停下來等下一車料。午飯應分批輪換交替進行，切忌停鋪用餐。

6）瀝青混合料的碾壓成型。

瀝青混合料的壓實是保證瀝青面層質量的重要環節，應選擇合理的壓路機組合方式及碾壓步驟。為保證壓實度和平整度，初壓應在混合料不產生推移、開裂等情況下盡量在攤鋪后較高溫度下進行。如無粘輪現象，不得向壓路機輪上涂油或油水混合液，必要時可噴涂清水或皂水。

4 結語

瀝青路面車轍病害的產生是多種因素綜合作用的結果，針對不同類型的車轍病害應采取不同的處治措施，本文以貴州某高速公路為例，闡述了銑刨修復養護施工工藝在高速公路車轍修復工程中的應用，各項路用性能均達到了預期的目標，取得了良好的社會和經濟效益。

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