瀝青路面車轍損壞成因分析與防治對(duì)策

樂 瑜，江 建

(重慶市市政設(shè)計(jì)研究院)

1 瀝青路面車轍的形成及類型

(1)瀝青路面因施工碾壓不充分，以及瀝青路面在高溫下勁度下降迅速，使路面抗剪能力不足，導(dǎo)致礦料在輪載作用下產(chǎn)生滑移與位錯(cuò)，混合料進(jìn)一步被壓實(shí)，這是壓密過程。

(2)在高溫下瀝青變軟，瀝青勁度進(jìn)一步下降，瀝青對(duì)網(wǎng)絡(luò)骨架的約束減小，使得礦質(zhì)骨架的穩(wěn)定性下降，從而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致混合料產(chǎn)生重新組合與分布，引起瀝青及瀝青膠(砂)漿的自由流動(dòng)，在受載處出現(xiàn)壓縮和側(cè)向錯(cuò)位而形成槽轍，這是混合料產(chǎn)生自由流動(dòng)的過程。

(3)若瀝青的軟化在礦料間產(chǎn)生滑移作用，細(xì)集料相對(duì)集中并產(chǎn)生剪切破壞，礦料將在荷載作用下沿礦料接觸面處產(chǎn)生滑動(dòng)和擠壓，最終導(dǎo)致骨架作用的喪失和部分骨料的破碎，這是引起礦料的重分布和礦質(zhì)骨架的破壞過程，這樣就使高溫變形得以產(chǎn)生，如推移、擁包、搓板和車轍等。

根據(jù)車轍的形成原因和過程特點(diǎn)，將瀝青路面的車轍分為結(jié)構(gòu)性車轍、流動(dòng)性車轍、磨耗磨損型車轍、壓密型車轍四種類型。在我國(guó)，多數(shù)瀝青路面修筑在半剛性基層上，且施工中對(duì)壓實(shí)度要求較高，基層強(qiáng)度及板體性好、變形小，除了某些基層施工不良的路段外，結(jié)構(gòu)型車轍一般很小，而磨損性車轍在我國(guó)幾乎是沒有的。所以目前所見到的車轍基本上都屬于第二種類型，故目前討論最多的是失穩(wěn)型車轍，即屬于瀝青混合料的流動(dòng)性車轍。

2 產(chǎn)生車轍的主要因素分析

從車轍的形成過程來看，主要是高溫下瀝青面層因?yàn)r青軟化而進(jìn)一步密實(shí)，以及瀝青變軟對(duì)礦質(zhì)骨架的約束作用降低而使得骨架失穩(wěn)，表明瀝青對(duì)混合料的高溫性能十分重要。當(dāng)然骨架的穩(wěn)定性和細(xì)集料的多少也會(huì)影響車轍形成的進(jìn)程。在道路的交叉口或變坡路段，此類高溫變形更易發(fā)生，這主要與較大的水平荷載作用下抗剪強(qiáng)度相對(duì)不足有關(guān)。影響瀝青路面車轍形成及其深度的主要因素有以下幾個(gè)方面。

(1)瀝青混合料。

我國(guó)現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)的主要依據(jù)指標(biāo)是瀝青混合料的強(qiáng)度，其取決于混合料的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，受集料物理化學(xué)性質(zhì)的影響;粘結(jié)力又取決于瀝青材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、膠體結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、稠度、瀝青膜的厚度、瀝青礦料比、瀝青與礦粉系的分散結(jié)構(gòu)特征以及瀝青與礦料的相互作用，增加內(nèi)摩擦角和礦料等顆粒間的嵌擠作用可以提高瀝青混合料的抗剪穩(wěn)定性。

①材料性質(zhì)。瀝青的粘度和瀝青與礦料之間的粘附性是影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的兩個(gè)因素;瀝青粘度越大，瀝青與礦料之間的粘附越好，那么混合料的高溫穩(wěn)定性越好，因此要選用粘度大的瀝青和非酸性礦料以提高混合料的高溫穩(wěn)定性和強(qiáng)度，以便產(chǎn)生較高的抗車轍能力;瀝青改性是一種提高瀝青高溫穩(wěn)定性的有效手段，據(jù)佐治亞洲的加載車輪檢測(cè)結(jié)果證明，改性瀝青混合料同標(biāo)準(zhǔn)混合料相比車轍深度有明顯減少。

②礦物集料的表面紋理、料顆粒大小、形狀、級(jí)配、顆粒相互位置、礦料數(shù)量、可以影響混合料的孔隙結(jié)構(gòu)，即孔隙的大小、形狀與連通閉合情況、瀝青用量狀況以及瀝青的用量和瀝青同集料的互相作用情況，因而可以對(duì)車轍的大小表現(xiàn)出不同的影響。采用潔凈堅(jiān)硬的碎石，硬度大、棱角尖銳的砂以及高質(zhì)量的礦粉對(duì)于抵抗永久性變形十分有利。在整個(gè)礦料混合料中對(duì)瀝青溫度穩(wěn)定性影響最大的是礦粉，用石灰?guī)r和冶金礦渣制成的礦粉摻拌的瀝青混合料有較高的高溫穩(wěn)定性能。

瀝青用量的多少直接影響著混合料中礦粉的骨架、嵌擠作用，對(duì)瀝青混合料的抗車轍能力有著至關(guān)重要的作用。瀝青用量過大，游離瀝青較多，便削弱了礦料之間對(duì)高溫穩(wěn)定性起決定性作用的嵌擠力，從而使混合料易于產(chǎn)生流動(dòng)變形而形成車轍，瀝青用量過低混合料堅(jiān)硬松散難以壓實(shí)，也影響瀝青路面的抗車轍能力。有關(guān)環(huán)道試驗(yàn)表明:對(duì)于熱拌瀝青混合料，最大的車轍是與高瀝青含量相聯(lián)系的，并且低瀝青含量的混合料抗車轍能力比最佳瀝青含量的混合料差。

③礦料級(jí)配。為探討集料級(jí)配對(duì)車轍大小的影響，有關(guān)研究人員將集料分為過細(xì)級(jí)配組、細(xì)級(jí)配組和粗級(jí)配組三種，環(huán)道試驗(yàn)結(jié)果表明:熱拌瀝青混合料在最佳瀝青含量、8％空隙率時(shí)粗級(jí)配有較大的車轍深度，過細(xì)級(jí)配次之，細(xì)級(jí)配組車轍深度最小。另有單軸荷載試驗(yàn)資料:在最佳瀝青含量時(shí)中粒式瀝青混合料車轍最小，細(xì)粒式次之，粗粒式大于細(xì)粒式，瀝青碎石車轍最大?？梢?，單純?cè)龃蟮V料粒徑并不能提高路面抗車轍能力，而良好的級(jí)配和最大的密實(shí)度因增加了礦料之間的嵌擠力，而提高了混合料的高溫抗車轍能力。

④空隙率。在進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)空隙率的選擇一般都是根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧虾徒?jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，當(dāng)取值過高時(shí)，提高密實(shí)度可增加骨料間的接觸壓力，從而提高路面的抗車轍能力，相應(yīng)地瀝青和礦粉用量也要增加，從而又削弱其抗車轍能力。當(dāng)空隙率小于某一臨界值后，繼續(xù)減小空隙率，使得混合料內(nèi)部沒有足夠的空隙來吸收材料的流動(dòng)部分，造成混合料外部的整體變形，由此而形成車轍。大量試驗(yàn)表明:各種級(jí)配的混合料在最佳瀝青含量時(shí)，隨空隙率的增大車轍有所增加。

(2)路面結(jié)構(gòu)組成。

瀝青路面的抗車轍能力除了受所用材料及其性能影響外，還與路基類型和路面厚度有關(guān)。瀝青路面厚度與車轍的關(guān)系較為復(fù)雜，同樣的材料在不同的路面結(jié)構(gòu)中會(huì)表現(xiàn)出不同的性能，有關(guān)室內(nèi)環(huán)道試驗(yàn)表明:當(dāng)其路基為砂土材料時(shí)，面層厚度對(duì)車轍影響很大，面層瀝青混合料較薄時(shí)車轍較深，而且較大部分來自路基的形變;而當(dāng)面層較厚時(shí)，路基基本上不產(chǎn)生車轍。在當(dāng)路基為剛性或半剛性材料時(shí)，車轍的深度隨瀝青混合料面層厚度的增大而增加，這時(shí)的車轍總量90％來自于瀝青混合料面層本身，由此認(rèn)為，當(dāng)路基和基層強(qiáng)度較高時(shí)，采用薄瀝青混合料面層可以有效地控制車轍深度，而當(dāng)路基基層強(qiáng)度較弱時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加面層厚度，但這樣構(gòu)筑的道路，往往由于路面回彈模量與路基回彈模量之間的比值過大，帶來不盡合理的結(jié)構(gòu)組合，而且也不夠經(jīng)濟(jì)。

(3)交通荷載及環(huán)境條件。

①渠化交通。由于城市道路交通組織的渠化，導(dǎo)致瀝青路面車轍破壞的情況日漸突出，在同一結(jié)構(gòu)、同一條道路上，劃分出不同交通形式的兩段道路進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果證明:渠化交通路段的車轍顯著增長(zhǎng)，混合交通路段車轍增加較慢，其原因是混合交通時(shí)荷載作用范圍較寬，變形面較大，同一位置的車轍累積較小，而渠化交通同一位置處的車轍累積量大。

②荷載。日本研究人員的試驗(yàn)結(jié)果證明:車輛超載加快路面的損壞。在不同的軸載作用下，重軸載作用產(chǎn)生的車轍較輕軸載大得多;道路交叉口和停車點(diǎn)的車轍通常為正常行駛路段的2～5倍。

(4)環(huán)境氣候條件。

當(dāng)氣溫較高時(shí)，瀝青路面表現(xiàn)為強(qiáng)度降低容易產(chǎn)生車轍，各種試驗(yàn)均表明:路表溫度升高車轍增長(zhǎng)加快，這是因?yàn)闉r青粘度的大小反映了瀝青抵抗蠕變的能力，當(dāng)溫度升高時(shí)瀝青粘度變小，其抵抗蠕變的能力下降，在受到外力時(shí)很容易產(chǎn)生永久剪切變形導(dǎo)致瀝青材料橫向流動(dòng)而產(chǎn)生車轍。

當(dāng)路面積水或路面結(jié)構(gòu)含水量增加時(shí)，瀝青和礦料之間的粘結(jié)力在潮濕條件下會(huì)被削弱或破壞，在行車荷載和水分的聯(lián)合作用下，這種損壞會(huì)明顯加劇，從而導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生較大的車轍。

3 解決措施

(1)合理的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)。面層直接承受車輪荷載反復(fù)作用和自然因素影響，因此要有足夠的承載力，以承擔(dān)設(shè)計(jì)期內(nèi)累計(jì)軸載次數(shù)，限定車轍發(fā)展深度。合理選用技術(shù)參數(shù)，各結(jié)構(gòu)層模量不宜相差太大，特別是中間層的級(jí)配要合理，表面層最佳油石比可以彌補(bǔ)第二層抗車轍能力。同時(shí)，考慮到集料粒徑對(duì)試件厚度的影響，應(yīng)根據(jù)集料粒徑大小選擇適宜的瀝青層厚度，并預(yù)留一定空隙率，開放交通后瀝青進(jìn)一步壓密填充。

(2)材料的合理選用。集料強(qiáng)度、形狀、表面性狀、清潔狀態(tài)、瀝青性能與集料相容性，特別是借鑒Superpave混合料設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念，注重材料的協(xié)同性和料源特性，保證所用材料的高品質(zhì)。改善礦料級(jí)配同時(shí)適當(dāng)增加粗集料用量和控制剩余空隙率，使粗細(xì)集料形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)?？蛇m當(dāng)采用高粘度的瀝青。

(3)最優(yōu)配合比設(shè)計(jì)。重視級(jí)配范圍對(duì)抗車轍能力的影響，關(guān)鍵是確定適宜的篩孔通過率、孔隙率、油石比。選用溫度敏感性低、稠度較高的瀝青或改性瀝青，同時(shí)嚴(yán)格控制瀝青的用量。嚴(yán)格準(zhǔn)確地控制混合料配合比，設(shè)法加足礦粉，嚴(yán)格控制運(yùn)輸車輛為便于卸料，涂抹油料;采用透層油與粘層時(shí)也要嚴(yán)格控制用油量。

(4)使用改性添加劑。積極引進(jìn)并采用新的改性劑如橡膠、樹脂、塑料、無機(jī)物改性劑、抗車轍劑、纖維等改性混合料添加劑，適當(dāng)提高粉膠比，提高膠結(jié)料粘附性，降低溫度敏感性。

(5)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。從拌料、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓、養(yǎng)護(hù)全程監(jiān)控，對(duì)拌和、攤鋪、壓實(shí)溫度和混合料密度、孔隙率、均勻性、結(jié)構(gòu)層厚度、平整度等重點(diǎn)把關(guān)。充分壓實(shí)保證壓實(shí)質(zhì)量。

特別對(duì)于壓密型車轍，如果明確是由于壓實(shí)不足產(chǎn)生，可以在其上加鋪罩面進(jìn)行維修。由于我國(guó)采用了評(píng)優(yōu)評(píng)分的質(zhì)量評(píng)定制度，工程報(bào)告不存在壓實(shí)度不合格的記錄，致使事后檢查困難。為減少車轍，首先是施工過程中要加強(qiáng)碾壓，使空隙率控制在要求范圍內(nèi)，這是非常重要的。

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