公路瀝青混凝土路面車轍成因分析

文/宋鵬飛 新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司 新疆烏魯木齊 830001

1、公路瀝青混凝土路面車轍形成過程

1.1 粘彈性材料變形機(jī)理

作為一種粘彈性材料，假設(shè)在t=0時(shí)對(duì)瀝青混合料施加一恒定荷載P，則在加載瞬間粘彈性材料會(huì)在產(chǎn)生一定彈性變形的同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)部分粘性變形，且這種變形會(huì)隨荷載作用時(shí)間的持續(xù)而增大。若在t=t1時(shí)刻對(duì)荷載力實(shí)施卸載，則因加載而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性變形會(huì)立刻恢復(fù)，并且隨著卸載時(shí)間的推移粘性變形也會(huì)逐漸減小，但是無法達(dá)到完全恢復(fù)，而會(huì)存在一定的殘余變形。如下圖3-1所示，在加載與卸載作用下，粘彈性材料發(fā)生這種變形現(xiàn)象的主要原因?yàn)槠渥陨砭哂幸欢ǖ恼承裕肿娱g表現(xiàn)出較大的內(nèi)摩擦力，當(dāng)受荷載作用時(shí)，粘性變形的產(chǎn)生會(huì)將一部分能量消耗，但在卸載時(shí)這部分能量并不能釋放完全，因此會(huì)形成一定的殘余變形于材料內(nèi)部。

圖1-1 粘彈性材料加載及卸載變形過程

1.2 車轍形成過程分析

（1）初始階段的壓密

在未實(shí)施碾壓成型前，瀝青混合料主要是由瀝青、骨料以及空氣組成的一種松散混合物，一經(jīng)碾壓，混合物中瀝青及瀝青與礦粉組成的膠漿會(huì)在高溫下因處于半流動(dòng)狀態(tài)而被擠進(jìn)礦料間隙中，與此同時(shí)骨料會(huì)在強(qiáng)力作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)重新排列，這種新結(jié)構(gòu)擁有一定的密實(shí)骨架，且在后期運(yùn)行過程中經(jīng)汽車荷載作用這種結(jié)構(gòu)還會(huì)進(jìn)一步密實(shí)。

（2）瀝青混合料的流動(dòng)

瀝青混合料在高溫環(huán)境下處于以粘結(jié)為主的半固體狀態(tài)，其中的瀝青及瀝青膠漿會(huì)在車輪作用下產(chǎn)生流動(dòng)，進(jìn)而使混合料因網(wǎng)絡(luò)骨架的破壞而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。混合物中這部分半固體物質(zhì)除部分對(duì)混合料空隙進(jìn)行填充外，其余還將隨著混合料而自由流動(dòng)，從而致使壓縮變形發(fā)生于路面受載處。

（3）礦質(zhì)骨料重排及礦質(zhì)骨架破壞

高溫下處于半固態(tài)的瀝青混合料,由于瀝青及膠漿在荷載作用下首先流動(dòng),混合料中粗、細(xì)骨料組成的骨架逐漸成為在荷載直接作用下會(huì)沿礦料間接觸面滑動(dòng),促使瀝青及膠漿向富集區(qū)流動(dòng),以致流向混合料自由面,特別是當(dāng)各骨料間瀝青及膠漿過多時(shí),這一過程會(huì)更加明顯。

2、公路瀝青混凝土路面車轍形成機(jī)理

2.1 結(jié)構(gòu)型車轍

該類車轍主要是由路面基層及路基變形所導(dǎo)致，當(dāng)在荷載作用下路面各層在強(qiáng)度上無法承受時(shí)，路面及路基結(jié)構(gòu)變會(huì)因整體下沉而產(chǎn)生永久變形，該類車轍在形態(tài)上呈現(xiàn)出“W”字樣，通常擁有較大的寬度且兩邊無凸起跡象，主要是由基礎(chǔ)承載力不足而導(dǎo)致的路面結(jié)構(gòu)下沉。實(shí)際中一般是因施工過程中瀝青混合料的離析而導(dǎo)致，混合料一旦發(fā)生離析，其則會(huì)因滲水產(chǎn)生的水損害而將面層與基層材料的強(qiáng)度逐漸削弱，最終因路面結(jié)構(gòu)承載了的下降而產(chǎn)生車轍。

2.2 失穩(wěn)性車轍

由于瀝青混合料在車輛荷載的反復(fù)作用下其中的瀝青膜與粒料顆粒間容易形成較大的剪切力，且該剪切力在夏季高溫條件下尤為突出，因此極易造成混合料內(nèi)部粒料間產(chǎn)生錯(cuò)位，當(dāng)這種巨大的剪切力超過混合料穩(wěn)定度極限時(shí)，混合料則會(huì)因形變的無法恢復(fù)與積累而形成車轍。瀝青混合料的流動(dòng)變形特性為產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍的根源所在，在夏季高溫環(huán)境下，重載、密集的交通量致使混合料產(chǎn)生較大的流動(dòng)變形。

2.3 壓密性車轍

路面結(jié)構(gòu)被壓縮而引起的車轍，由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，瀝青面層本身壓實(shí)度不足，瀝青混合料在施工期間未完全壓密，產(chǎn)生了較大的剩余空隙率，因此在通車以后溫度一升高，在車輛荷載的反復(fù)作用下，繼續(xù)碾壓密實(shí)，要想使空隙率趨于穩(wěn)定，需要經(jīng)過車輛的反復(fù)碾壓成型，才能使空隙率縮小，因此導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生了車轍。

3、公路瀝青混凝土路面車轍形成影響因素

3.1 內(nèi)因

混合料的黏結(jié)力與內(nèi)摩擦角決定了混合料的強(qiáng)度，一般情況下采用“庫倉內(nèi)摩擦理論”對(duì)其在高溫下的穩(wěn)定性與強(qiáng)度進(jìn)行分析，對(duì)于瀝青混合料不發(fā)生流動(dòng)性剪切破壞極限的判定，其條件為：

通過嵌擠形成了瀝青混合料的內(nèi)摩擦力，有研究表明：瀝青混合料在高溫環(huán)境下抗車轍能力的60%依靠于集料間的嵌擠而形成。瀝青混合料內(nèi)摩擦角的主要影響因素有：集料顆粒形狀、表面紋理深度、礦料最大粒徑、破碎顆粒與天然砂含量、大于4.75mm粒徑的碎石含量、瀝青用量、混合料集料級(jí)配與密實(shí)度等。

瀝青混合料粘結(jié)力大小的影響因素有：瀝青粘度與針入度、瀝青與碎石粘結(jié)力、瀝青感溫性、瀝青用量與性質(zhì)、填料種類與粉膠比等。

3.2 外因

公路瀝青路面產(chǎn)生車轍的外因主要包括車輛軸載大小、氣溫高低、長大縱坡車速降低及非正常行駛過程中形成的水平力影響等。

瀝青混合料的勁度模量隨著溫度的升高而降低，其抗車轍變形能力也會(huì)隨之逐漸變小，對(duì)于我國高速公路而言，瀝青混凝土路面夏天高溫季節(jié)極易發(fā)生車轍病害，但這個(gè)高溫時(shí)段一般持續(xù)較短，有時(shí)僅為幾天。按地理特征分析，我國夏季溫度普遍高于36～38℃的嚴(yán)重高溫地區(qū)占絕大部分，在夏季高溫天氣里，很多高速公路3～5d內(nèi)便會(huì)發(fā)生嚴(yán)重車轍。分析已有研究成果可知：瀝青混合料穩(wěn)定度隨著溫度的升高呈冪指數(shù)下降趨勢(shì)，但是隨著瀝青品質(zhì)的提升，穩(wěn)定度下降速率則會(huì)越緩。故此，如若采用改性瀝青，則混合料的高溫敏感性將會(huì)得到顯著改善（減小）。

調(diào)研結(jié)果顯示，我國高速公路在長大縱坡路段瀝青混凝土路面車轍病害現(xiàn)象突出，其與我國載重汽車較差的動(dòng)力性能與爬坡能力（導(dǎo)致車速降低）不無關(guān)系。由于瀝青屬于粘彈性材料，因此在其特性上服從時(shí)溫等效原理與流變學(xué)規(guī)律。以勁度表示變形系數(shù)，瀝青材料在荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)變，若從時(shí)間t=0開始加載，根據(jù)波茲曼疊加原理，瀝青混合料變形與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為：

若以線性方式疊加不同時(shí)段施加荷載所產(chǎn)生的變形，則可表示為：

即可按荷載作用時(shí)間疊加每次車輛荷載對(duì)瀝青路面的作用。比如在相同車輛荷載作用下，一輛時(shí)速10Km/h的車輛對(duì)路面作用0.1s的時(shí)間，與10輛時(shí)速100Km/h的車輛的作用時(shí)間是相等的，此便為交通量與車速的換算關(guān)系。重載車爬坡時(shí)的速度越慢，車速越低，其換算的重載車輛也越多。

美國瀝青路面設(shè)計(jì)指南提出：“交通速度對(duì)路面中的膠結(jié)勁度有影響，速度50Km/h時(shí)的膠結(jié)料的視勁度比速度為100Km/h時(shí)的膠結(jié)料的視勁度低，換言之，PG70膠結(jié)料在車速50Km/h時(shí)的勁度大約相當(dāng)于PG64膠結(jié)料在100Km/h時(shí)的勁度。因此，必須增加膠結(jié)料的高溫等級(jí)以抵消由于車速減慢的影響。”因此，Superpave提出通行慢速車輛的長大縱坡路段等路段，需提高1級(jí)或2級(jí)瀝青結(jié)料PG等級(jí)，來提高勁度模量抵抗車轍。

結(jié)語：

基于以上論述，筆者結(jié)合自身專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用，對(duì)于公路瀝青混凝土路面車轍病害的防治，建議性提出以下幾點(diǎn)措施。

（1）施工過程中強(qiáng)化管理，通過瀝青混合料孔隙率（高速公路與一級(jí)公路為2%～4%）的實(shí)時(shí)控制，可有效防止路面結(jié)構(gòu)車轍的發(fā)生；

（2）路面結(jié)構(gòu)各層間結(jié)合不好及中下面層松散斷裂等破壞為路面車轍的一個(gè)誘發(fā)主因。實(shí)踐證明：一般情況下路面變形明顯、車轍深度較大的路段已基本喪失層間粘結(jié)作用，路面層間粘結(jié)良好的路段則表現(xiàn)出完好的路況；

（3）對(duì)于SMA瀝青混凝土路面而言，通過實(shí)際合理確定瀝青、木質(zhì)素纖維用量及粉膠比，使混合料內(nèi)部形成性能良好的膠漿，對(duì)于路面抗車轍性能具有明顯的提升效果；

（4）在確保集料設(shè)計(jì)級(jí)配滿足規(guī)范要求的前提下，控制關(guān)鍵的4.75mm篩孔的通過率不宜大于30%，1.18～2.36mm篩孔的石料含量不宜大于3%，如此石料嵌擠作用會(huì)因級(jí)配曲線呈S形而增強(qiáng)；

（5）對(duì)于SMA瀝青混凝土路面抗車轍性能的改善，利用有限元法分析表明：保證層間狀態(tài)的連續(xù)，對(duì)各層內(nèi)及層間接觸的剪應(yīng)力可實(shí)現(xiàn)有效降低，進(jìn)而路面因各層及層間破壞的減少而提高抗車轍性能。

[1]《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004.人民交通出版社.

[2]周海成.瀝青混凝土路面層發(fā)生車轍現(xiàn)象的原因分析與技術(shù)對(duì)策[J].交通世界（運(yùn)輸車輛），2012（12）.