瀝青路面車轍形成機(jī)理及防治措施

魯建榮

（灤南交通運(yùn)輸局，河北 灤南 063500）

0 引言

車轍是瀝青路面使用期內(nèi)主要破壞形式之一，是瀝青路面在汽車荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生豎直方向永久變形的累積，是瀝青路面常見的一種損壞現(xiàn)象。車轍一般發(fā)生在高溫季節(jié)，尤其是渠化交通以后，在行車荷載的作用下，瀝青面層進(jìn)一步被壓密、擠壓，使輪跡帶下沉，其內(nèi)部材料也可能在剪應(yīng)力的作用下橫向流動(dòng)，在兩側(cè)隆起，形成波峰和波谷狀。車轍對(duì)于道路本身及其使用性能的危害性非常大。路面上出現(xiàn)車轍，主要危害有：路表過量的變形影響路面的平整度；輪跡處瀝青層厚度減薄，削弱了面層及路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度；雨天車轍內(nèi)積水，誘發(fā)水損壞的發(fā)生，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)漂滑，影響高速行車的安全性；在冬季車轍槽內(nèi)聚冰，降低路面的抗滑能力，行車產(chǎn)生冰滑現(xiàn)象，車輛在超車或變換車道時(shí)方向易失控，影響車輛的操縱穩(wěn)定性?？梢姡瑸r青路面車轍的危害不容忽視，如何采取有效措施控制車轍成為重中之重。

1 車轍形成機(jī)理分析

瀝青路面的車轍主要是由路基、基層和面層三部分的永久變形組成。1960年AASHTO試驗(yàn)路研究發(fā)現(xiàn)：永久變形主要是由于各結(jié)構(gòu)層厚度的減少,多發(fā)生在路面結(jié)構(gòu)層（面層32%、基層14%、底基層45%），土基僅占9%。然而,我國(guó)目前高等級(jí)公路瀝青路面多以半剛性基層為主，大量觀測(cè)調(diào)查及理論計(jì)算表明，半剛性基層的高等級(jí)瀝青面層產(chǎn)生的永久變形量占車轍總量的90%以上。

車轍的形成過程分為三個(gè)階段，車轍形成的最初原因是壓密和瀝青混合料在高溫下的剪切流動(dòng)，最后導(dǎo)致骨架的失穩(wěn)變形。

1.1 開始階段的壓密過程

瀝青混合料在被碾壓成型前是由骨料、瀝青及空氣組成的松散混合物。經(jīng)碾壓后，高溫下處于半流態(tài)的瀝青及由瀝青與礦粉組成的膠漿被擠進(jìn)礦料間隙中，同時(shí)骨料被強(qiáng)力排擠成具有一定骨架的結(jié)構(gòu)。碾壓完畢交付使用后，瀝青混合料在初期階段，在汽車荷載的作用下進(jìn)一步壓實(shí)，形成微量的永久變形。如果壓實(shí)效果好，這一變形可以忽略不計(jì)。

1.2 瀝青混合料的流動(dòng)

在高溫及車輛荷載作用下，瀝青混合料中的自由瀝青及瀝青與礦料形成的瀝青膠漿會(huì)首先產(chǎn)生流動(dòng)，從而引發(fā)瀝青混合料的流動(dòng)變形，但此時(shí)瀝青混合料尚未產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。

1.3 礦料骨架的重新排列及破壞

處于半固態(tài)的瀝青混合料，由于瀝青及膠漿在荷載及高溫作用下首先流動(dòng)，混合料中粗、細(xì)骨料組成的骨架逐漸成為荷載主要承擔(dān)者，隨著溫度的升高或荷載的增大，再加上瀝青的潤(rùn)滑作用，硬度較大的礦料顆粒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)，導(dǎo)致瀝青混合料的結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，特別是當(dāng)骨料間瀝青及膠漿過多時(shí)，這一過程會(huì)更加明顯，也往往產(chǎn)生較大的流動(dòng)變形。

2 瀝青路面車轍內(nèi)因分析

瀝青路面車轍的影響因素可分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，內(nèi)因包括路基路面結(jié)構(gòu)類型、材料性能及組成、施工質(zhì)量等；外因包括交通荷載條件、氣候條件、水文地質(zhì)條件及路線縱坡等。

2.1 路面結(jié)構(gòu)的影響

在一定厚度范圍內(nèi)，瀝青路面的厚度越大，永久變形也越大。采用剛性基層或半剛性基層材料的瀝青路面，由于基層具有很高的高溫穩(wěn)定性和抗剪切變形能力，因此，車轍主要產(chǎn)生在瀝青面層內(nèi)，而剛性基層和土層所產(chǎn)生的車轍只占很小的比例。研究表明，無論是在普通瀝青路面還是在改性瀝青路面，都存在一個(gè)臨界厚度，當(dāng)路面小于這個(gè)臨界厚度時(shí)，路面的變形量增加很快；反之，路面的厚度大于臨界厚度時(shí)，路面的變形量基本保持不變。

2.2 集料性質(zhì)的影響

集料性質(zhì)對(duì)瀝青混合料耐熱性的影響，主要是從它與瀝青的相互作用表現(xiàn)出來，能夠與瀝青起化學(xué)吸附作用的集料，能夠提高瀝青混合料的抗變形能力。例如，石灰?guī)r顆粒表面，起化學(xué)吸附相互作用的薄層瀝青的內(nèi)聚力，大大超過了花崗巖顆粒表面上瀝青的內(nèi)聚力。而隨瀝青內(nèi)聚力的增大，瀝青混合料的強(qiáng)度和抗變形能力也就提高。

2.3 瀝青混合料塑性的影響

瀝青混合料產(chǎn)生塑性變形的能力稱為塑性。瀝青混合料的塑性對(duì)路面抗剪強(qiáng)度有很大的影響。塑性越大，抗剪強(qiáng)度就越低，高溫下抗變形的能力就越小。塑性取決于瀝青混合料的種類和級(jí)配，以及瀝青混合料中瀝青與礦粉的比例。

2.4 瀝青混合料空隙率的影響

路面經(jīng)行車碾壓成型后，瀝青混合料空隙率對(duì)其高溫下的抗變形能力有很大影響?？障堵瘦^大的瀝青混合料，路面抗剪強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩擦阻力，而內(nèi)摩擦阻力基本上不隨溫度和加載速度而變化。因此，具有較高的熱穩(wěn)定性；空隙率較小的瀝青混合料路面，則相對(duì)來說瀝青含量較大，當(dāng)溫度升高，瀝青膨脹，由于空隙率小，無瀝青膨脹之余地，則瀝青混合料顆粒被瀝青拓開，同時(shí)溫度升高瀝青粘度降低，瀝青此時(shí)又起潤(rùn)滑作用，由此粘聚力和內(nèi)摩擦阻力均降低，促使瀝青混合料抗變形能力的下降。特別是停車站，荷載作用時(shí)間長(zhǎng)，由于瀝青混合料應(yīng)變的滯后效應(yīng)，路面將出現(xiàn)較大的變形。

2.5 級(jí)配的影響

級(jí)配幾乎能影響瀝青混合料的所有性能，對(duì)高溫穩(wěn)定性亦是如此。集料級(jí)配決定了礦料顆粒間嵌擠力的大小及混合料的密實(shí)程度，直接影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。研究表明，在通常情況下，有合理密級(jí)配的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于間斷級(jí)配瀝青混合料（SMA除外）。形成骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配受溫度影響較小，有較好的高溫抗車轍能力，而懸浮型結(jié)構(gòu)抗車轍能力較差。

3 瀝青路面車轍外因分析

3.1 重載、超載交通的影響

隨著超載率的增加，車輛換算系數(shù)明顯增加；使用初期計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸次與設(shè)計(jì)壽命年限內(nèi)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次均明顯增加；使用壽命明顯降低，超載60%時(shí)，使用壽命為3.4年；超載100%時(shí)，使用壽命僅為1.4年?？梢姵d對(duì)路面使用壽命的影響極大。超載、重載情況下，當(dāng)車輛軸載增加時(shí)，當(dāng)量軸載作用次數(shù)不是按照比例增加，而是按照4.35次方的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。因此，當(dāng)汽車超載時(shí)，其對(duì)路面的破壞并不是隨荷載線性增長(zhǎng)而是呈指數(shù)級(jí)變化的。

3.2 縱坡的影響

在山區(qū)高速公路陡坡路段或連續(xù)上坡路段，載重汽車受縱坡的影響很大，重載、超載車已不能正常爬坡，行駛速度很低，車輪荷載的作用時(shí)間成倍延長(zhǎng)；車輛行駛表現(xiàn)為車輪間歇的跳躍式前進(jìn)，對(duì)路面產(chǎn)生一個(gè)附加的水平?jīng)_擊力，加速了瀝青路面的車轍破壞。在車轍調(diào)查中發(fā)現(xiàn)上坡路段的縱坡坡腳沒有車轍發(fā)生，但卻在下坡路段距坡頂一段距離處發(fā)現(xiàn)車轍。根據(jù)汽車行駛理論，載重汽車在長(zhǎng)陡坡路段爬坡行駛時(shí)一般先做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)，后做勻速運(yùn)動(dòng)的過程。因此，車輛載重越大，坡道越陡，汽車行駛速度減小的越快，穩(wěn)定時(shí)速度越慢。上坡路段載重汽車行車緩慢，行駛速度的降低延長(zhǎng)了軸載對(duì)路面的作用時(shí)間，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變等產(chǎn)生影響。

3.3 路面溫度的影響

高溫是產(chǎn)生車轍的一個(gè)重要因素，溫度越高，瀝青混合料的勁度模量越低，抗車轍能力越小。據(jù)觀察，氣溫低于30℃一般不會(huì)有大的車轍；氣溫低于35℃，即路表溫度低于55℃的情況下，車轍能夠限制在幾毫米以內(nèi)；而氣溫超過38℃時(shí)車轍就會(huì)很快增長(zhǎng)；如果氣溫連續(xù)超過40℃，幾天就會(huì)使路面發(fā)生嚴(yán)重的車轍，并且發(fā)展很快。瀝青粘度隨著溫度的增加而降低。瀝青粘度的降低會(huì)使瀝青混合料抗變形能力減小，從而導(dǎo)致抗車轍性能的降低。

3.4 剪應(yīng)力的影響

由力學(xué)分析可知，車輛荷載分為行車水平力和垂直力。在縱坡路段，水平力由車輛荷載水平分力、車輛慣性力、變速力等通過車輪傳遞給路面。在陡坡路段，車輛荷載水平分力較正常情況大得多，加上綜合超載車在爬坡時(shí)跳躍式前進(jìn)的水平；沖擊力的影響，面層將承受更大的剪應(yīng)力。

4 摻加抗車轍劑

由于我國(guó)基層基本上是半剛性基層，強(qiáng)度及板結(jié)性好，基層及基層以下的變形極小，除了某些基層施工不良的路段外，第一類結(jié)構(gòu)性車轍很少發(fā)生，而磨損性車轍在我國(guó)幾乎沒有，所以目前所見到的車轍基本上都屬于第二種類型流動(dòng)性車轍。對(duì)于這種車轍，目前還沒有有效的維修方法，唯一的辦法只有將車轍部位銑刨后用新的混合料修補(bǔ)，或?qū)⒃胁牧显偕脑煲愿鼡Q產(chǎn)生車轍的層次。對(duì)于第四類車轍，我國(guó)也偶爾發(fā)生，主要由于瀝青面層本身的壓密造成，屬于非正常車轍。尤其是有些高速公路施工時(shí)沒有進(jìn)行充分的壓實(shí)，有的工程片面追求平整度，在降低溫度后進(jìn)行碾壓，造成壓實(shí)度不足，致使通車后的第一個(gè)高溫季節(jié)混合料繼續(xù)壓密形成車轍。為了減少這種車轍，主要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)。

最有效的解決方法是使用抗車轍劑，將抗車轍劑顆粒在瀝青拌和樓拌和過程中直接投入瀝青混合料拌缸中，屬于對(duì)瀝青混合料的改性，不同于對(duì)瀝青的改性。這種方法能夠根據(jù)所期望的抗車轍性能程度不同，添加不同摻量的抗車轍劑?？管囖H劑在低摻量（混合料質(zhì)量的0.3%～0.5%）時(shí)能明顯增強(qiáng)抗高溫抗車轍性能，改善抗水損壞性能、抗低溫開裂性能等；而且價(jià)格便宜，相對(duì)級(jí)配改良而言，可以在保證抗水損壞性能的基礎(chǔ)上大幅提高抗車轍性能；相對(duì)瀝青改性而言，不需添加瀝青改性設(shè)備，生產(chǎn)過程中無能耗和損耗，可長(zhǎng)期庫(kù)存，避免了改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性差的問題；相對(duì)纖維增強(qiáng)而言，不需要增加纖維吸附瀝青后的油石比。

抗車轍劑作用機(jī)理：a）集料改性作用，即抗車轍劑拌和時(shí)首先與集料干拌，部分熔融于集料表面，提高了集料的粘結(jié)性，相當(dāng)于對(duì)集料進(jìn)行了預(yù)改性；b）瀝青增粘作用，即抗車轍劑在濕拌和運(yùn)輸過程中，部分溶解或溶脹于瀝青中，形成膠結(jié)作用，從而達(dá)到提高軟化點(diǎn)溫度、增加粘度、降低熱敏性等瀝青改性的作用；c）纖維加筋作用，即聚合物形成的微結(jié)晶區(qū)具有相當(dāng)?shù)膭哦?，在拌和過程中部分拉絲成塑料纖維，在集料骨架內(nèi)搭橋交聯(lián)而形成纖維加筋作用；d）細(xì)集料骨架作用，即抗車轍劑在施工中臨時(shí)軟化，然后這些顆粒在碾壓過程中熱成型，相當(dāng)于具有高粘附性的單一粒徑細(xì)集料填充了集料骨架中的空隙，增加了瀝青混合料結(jié)構(gòu)的骨架作用，同時(shí)降低了成型路面的滲透性；e）變形恢復(fù)作用，即抗車轍劑的彈性成分在較高溫度時(shí)具有使路面的變形部分彈性恢復(fù)的功能，因而降低了成型瀝青路面的永久變形。

5 結(jié)語(yǔ)

瀝青路面的車轍病害，在山區(qū)公路長(zhǎng)大上坡路段尤為嚴(yán)重，已成為山區(qū)公路典型病害之一，嚴(yán)重影響了行車的安全性和路面的使用壽命。通過對(duì)瀝青路面車轍形成機(jī)理的分析，根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，針對(duì)不利的交通和氣候等條件，可以從原材料選擇、瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)、路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)以及施工質(zhì)量控制及交通與環(huán)境控制等方面提出了防治車轍病害的技術(shù)措施，以提高瀝青混合料的抗車轍性能。

提高高速公路瀝青路面抗車轍能力的主要措施主要有：a）加強(qiáng)集料質(zhì)量的控制，采用合格的集料；b）采用優(yōu)質(zhì)的瀝青結(jié)合料，采用改性瀝青或添加抗車轍劑提高瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性；c）優(yōu)化瀝青面層結(jié)構(gòu)和級(jí)配，選用抗車轍性能好的瀝青混凝土，例如SMA等；d）優(yōu)化混合料設(shè)計(jì)方法；e）嚴(yán)格施工控制和管理；f）加強(qiáng)路政管理，嚴(yán)禁超載車輛。

[1]王繼山，等.瀝青路面車轍產(chǎn)生的原因及防治措施[J].東北公路，1999，（2）：46-48.

[2]蘇凱，孫立軍.瀝青路面車轍產(chǎn)生機(jī)理[J].石油瀝青，2006，20（4）：1-7.

[3]劉紅瑛，等.瀝青混合料高溫車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究[J].石油瀝青，2003，17（4）：56-59.

[4]李一鳴，等.瀝青路面車轍形成機(jī)理力學(xué)分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，24（1）：90-95.