公路瀝青混凝土路面車轍成因探析

李明明

寧夏路橋工程股份有限公司 寧夏 銀川 750004

1 瀝青混凝土路面車轍形成機理

瀝青混凝土路面各結構層在渠化交通條件下受行車荷載的反復作用所產生的豎向塑性累計變形稱為車轍。按形成原因可分為以下4種形式：

1.1 結構型車轍

結構型車轍是因路面各層擴散應力的能力不足所造成，其特征為變形寬度較大，兩側無隆起現象，斷面呈凹形（或U形）淺盆狀。

1.2 失穩性車轍

在交通荷載作用下，當其對路面結構內所產生的剪切應力大于瀝青混合料剪切強度時，由于剪切流動變形不斷累計而形成的車轍稱為失穩性車轍，其特征為輪跡兩側局部隆起或大幅推移，通常為瀝青混合料高溫穩定性不足的體現。

1.3 壓密性車轍

此類車轍主要是由于施工壓實度不足所造成，使路面結構在行車荷載作用下因壓實擠密而形成凹陷，其特征為車輪碾壓集中區路面結構層變薄，車轍兩側無隆起現象，僅僅表現為下凹。

1.4 磨耗型車轍

即在自然環境長期作用與車輛輪胎反復磨耗（尤其是冬季冰雪天氣下輪胎安裝防滑鏈）下，路面頂層材料因不斷損失而產生的車轍。此類車轍深度一般＜5mm，相對較為少見，并且無須處理，可視為正?，F象。

2 瀝青混凝土路面車轍形成原因

2.1 外部因素

外部因素主要以重載交通與高溫環境影響為主，此外還包括渠化交通、路面坡度與交通量等因素。

（1）高溫環境。從本質上講，瀝青混合料的高溫蠕變為路面車轍發展的主要過程，溫度越高，混合料勁度模量越低，抗車轍能力表現越差。特別是在連續高溫環境下，由于路面積聚熱量不能及時釋放，使瀝青混合料因溫度升高而粘聚力降低，從而導致抗剪能力下降，容易出現路面破壞。寧夏地區平均海拔大于1000m，夏季基本無酷暑天氣，故而環境溫度對路面車轍影響不大；但在部分北方與南方地區，每年7、8月份為高溫集中時節，瀝青混凝土路面極易產生車轍。需要強調的是，由于雨水可有效降低路面溫度，抑制車轍出現，因此同樣為高溫氣候的廣東等地區，瀝青路面因降雨較多而很少出現車轍。

（2）重載交通。在同軸作用下通過瀝青層內剪應力的理論研究，表明在車輪水平與豎向荷載作用下，瀝青層內剪應力的產生（引發剪切變形）為路面車轍形成的主要原因之一。隨著現代交通量的增加與重載比例的提升，在瀝青混凝土路面輪跡帶處因剪應力過大而易發生剪切破壞，進而產生車轍。

在重軸載作用下，為層狀結構的瀝青路面面層內任一水平面上的最大徑向剪應力通常出現在輪跡外側兩邊緣垂線上，當該應力超過瀝青混合料抗剪強度時，便會造成路面車轍的出現。

2.2 內部因素

瀝青混合料屬于分散體系，在高溫條件下混合料的黏結力與內摩擦角決定了其強度大小。目前，大多采用庫侖的內摩擦理論對高溫狀態下瀝青混合料穩定性與強度進行分析，并且認為瀝青混合料在荷載作用下某一面上產生的剪應力τ滿足下式2-1條件時，才不會發生流動剪切變形。

式中：c為材料黏聚力；σ為瀝青混合料所受正應力；θ為混合料內摩擦角。

選取2016年12月～2017年12月我院干部保健中心高血脂患者120例作為研究對象，其中，男72例，女48例，年齡53～71歲，平均（62.00±7.36）歲。

瀝青混合料的內摩擦力主要是通過內部嵌擠作用形成，其影響因素主要有瀝青性質及用量、集料級配及顆粒形狀、破碎顆粒含量、天然砂含量以及表面紋理深度等。一般認為，在高溫條件下，瀝青混合料的抗車轍能力40%來源于瀝青結合料，剩余60%則依靠于集料的嵌擠能力。在高溫環境下，即使摻加了改性劑，瀝青結合料勁度模量也會必然下降，特別是當中面層抗剪強度不足時，行車荷載（尤其是重載交通）的作用極易使上面層瀝青混合料因側向移動而形成車轍。

此外，瀝青路面空隙率為影響車轍形成的另一重要內因。瀝青混合料的黏性流動為一般車轍形成的主要來源，混合料空隙率如若過小，便無法完全吸收其內部流動部分，從而使顆粒間接觸壓力減小，必然導致瀝青路面抗車轍能力因混合料整體流動而降低；混合料空隙率如若過大，其內部瀝青結合料被完全吸收后，還會剩余部分空隙，使顆粒間接觸壓力降低，在行車荷載的反復作用下，瀝青混合料會因進一步密實變形而產生車轍。由此可見，要想提升瀝青路面抗車轍能力，則須將混合料空隙率控制在合理范圍內。

3 瀝青混凝土路面車轍因素試驗分析

以國道338線鹽池至紅寺堡段公路工程第2合同段為調查對象，評價指標按每20m行車道平均車轍深度控制，經現場實測實量，車轍平均深度＞15mm的共計263段。從調查路段選擇4個具有代表性的路面，于行車道車轍與隆起部位以及停車道分別鉆取一個芯樣，并對其進行厚度測量、瀝青抽屜及篩分等試驗。從芯樣厚度測量結果來看，瀝青路面上、中、下各層均有不同程度的車轍，其中以下面層最大，最大車轍為17mm；中面層次之，最大車轍為13mm；上面層最小，最大車轍為10mm。因此，中、下面層厚度變化為引起瀝青路面車轍變形的主要因素。

采用離心分離法對取芯試樣進行瀝青抽屜試驗，試驗過程按規范（JTJ 052-2000[2]）操作，以此得出油石比。通過芯樣試驗，各面層油石比變化情況為：

3.1 上面層

車轍與隆起處油石比均比停車道處大，其主要是由自由瀝青與瀝青膠漿（以下總稱瀝青漿液）在行車荷載作用下上浮所引起。高溫環境下的瀝青結合料呈現為半固體狀態，其流動性表現較大，受行車荷載作用容易出現“振漿”現象，使中、下面層小密度、易流動的瀝青漿液上浮至表面層，從而導致上面層（特別是表面）油石比因瀝青含量增加而變大。在上浮瀝青漿液中，雖然會有一部分流向兩側隆起處，但數量上小于上浮瀝青總量，并在上浮較多路段會產生一定的泛油現象，這在車轍試驗過程中也曾出現過黏輪現象。

對于隆起處，瀝青混合料不均勻流動為造成油石比增加的主要原因。受行車荷載的作用，路面輪跡處瀝青漿液會首先流動至隆起處，其次是結構瀝青與較大粒徑集料的流動，最終使隆起處自由瀝青含量增加，油石比變大。

3.2 中面層

車轍處油石比小于停車到處，而隆起處油石比大于停車到處，其中隆起處油石比增加原因與上面層同理。車轍處油石比之所以會減小，是因為受行車荷載的作用，一部分瀝青漿液上浮至上面層，另一部分則流向至兩側隆起處，從而使車轍處瀝青含量降低。

3.3 下面層

車轍處與隆起處油石比均小于停車道處，其中車轍處油石比減小原因同理于中面層。對于隆起處，在行車荷載作用下，輪跡處大部分瀝青漿液上浮至中、上面層，下面層車轍處剩余瀝青很少，并在剪應力的作用下，基本為結構瀝青與集料流動至兩側隆起處，在與該處混合料混合后使整體油石比降低[3]。

芯樣抽屜試驗結果表明：

瀝青路面混合料中小密度、易流動的瀝青漿液在行車荷載作用下存在上浮現象，使上面層（特別是表面）瀝青含量增加，中、下面層瀝青含量減小，并在上浮較多路段會造成泛油現象；

在軟化點±3℃區間內，瀝青混合料高溫穩定性對溫度變化最為敏感，且在此區間混合料變形量與動穩定度會發生突變，這也解釋了瀝青路面在持續高溫天氣下短時間內為什么容易產生大量車轍。

壓實度是瀝青混合料高溫穩定性重要影響因素之一，實踐表明：混合料壓實度越低，變形量越大，動穩定度表現越差。在實際施工中，瀝青混合料壓實度不足會使其高溫抗車轍能力大幅降低，致使在道路建成后開放交通初期，便會產生大量的車轍病害。

4 結論（防治措施）

4.1 材料控制

（1）選用含蠟量低、針入度小、黏度與軟化點較高的瀝青，若有必要，也可摻加一定計量的改性劑來提升混合料抵抗永久變形的能力；

（2）在《公路瀝青路面設計規范》JTGD50-2006[1]允許范圍內，盡量將瀝青用量控制在馬歇爾用油量范圍的最小值與中值之間；

（3）選用碎石量高、顆粒較大（不宜過大）的礦料，同時對針片狀與片狀顆粒含量嚴格控制；

（4）優化礦料與瀝青用量比例，使混合料中游離瀝青（具有潤滑作用，不利于車轍控制）可被礦料完全吸收，以此減小瀝青結合膜的厚度；

4.2 結構組合控制

（1）優化混合料配合比，使其具有良好的空隙率，以4%為宜；

（2）確保各結構層回彈模量比例關系恰當；

（3）由于“強基薄面”可有效控制和降低瀝青路面車轍病害，因此在保證瀝青面層不產生早期破壞與半剛性基層不先產生收縮裂縫的前提下，盡量減小瀝青面層厚度。同時對路面上面層與中面層最好選用中粒式和粗粒式瀝青混凝土，并以瀝青碎石作為聯結層。

4.3 礦料級配、顆粒形狀及表面特性控制

瀝青用量、礦料級配、顆粒形狀及表面特性為影響瀝青混合料內摩阻力與嵌擠力的主要因素?；诨旌狭蟽饶ψ枇Φ奶嵘?，除控制瀝青用量外，還應選用表面干凈粗糙、壓碎值小、顆粒形狀良好以及與瀝青黏結性良好的礦料。

對于瀝青混合料的強度構成，一定程度上取決于礦料級配組成及其最大粒徑。對于瀝青碎石等嵌擠型混合料，其強度構成主要表現為礦料顆粒的內摩阻力與嵌擠力，而瀝青黏結力起輔助作用，因此溫度變化對混合料強度影響較小，但耐久性與透水性表現較差；對于瀝青混凝土等密實級配型混合料，瀝青黏結力為混合料強度的主要構成，而礦料顆粒作用力起輔助作用，因此混合料強度對溫度變化較為敏感，但耐久性與透水性表現良好。