瀝青路面永久變形研究

張濤

【摘 要】本文概述了瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)的應(yīng)用情況，并針對實(shí)際瀝青路面出現(xiàn)的車轍病害，調(diào)查研究了瀝青路面車轍損壞的機(jī)理，分析其影響因素，并合理的給出一些建議。

【關(guān)鍵詞】瀝青路面；車轍；永久變形機(jī)理；影響因素

1.概述

高等級公路中，瀝青路面作為一種無接縫的連續(xù)式路面，具有力學(xué)強(qiáng)度高、路面平整度高、耐磨和抗滑性能好、噪音低、無揚(yáng)塵、養(yǎng)護(hù)方便以及易于回收利用等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此在世界各國公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，我國已投入使用的高速公路中瀝青路面占到95%以上。隨著交通量的增加，車輛的增加，平均車速的提高，瀝青路面早期破壞日益嚴(yán)重，瀝青路面的車轍問題最為集中。由于車轍在雨天中形成了路面積水，直接影響了行車的舒適性和安全性，增加了路面的損壞。

瀝青混合料作為粘彈塑性材料，其溫度和作用時(shí)間與瀝青混合料的溫度和作用時(shí)間密切相關(guān)。當(dāng)外界溫度在30℃左右的時(shí)候，瀝青路面的路表溫度將會達(dá)到40℃甚至50℃以上，可能會高于道路瀝青的軟化點(diǎn)，瀝青路面在車輛荷載的反復(fù)作用下則會發(fā)生顯著變形，這種變形分為可恢復(fù)變形和不可恢復(fù)變形。其中不可恢復(fù)的部分將成為永久變形。鑒于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及其固有的粘彈塑性，使車轍形成機(jī)理比較復(fù)雜，這使得瀝青混合料的永久變形成為一個(gè)世界性的問題。因此，解決瀝青路面的面層永久變形成為車轍問題的重點(diǎn)。

2.瀝青路面永久變形機(jī)理

ASTM標(biāo)準(zhǔn)E867將永久變形定義為："一種由橫向交叉斜面和縱剖面限定的偏離水平面的相鄰豎向凹陷"[2]。永久變形是在重復(fù)交通荷載作用下，瀝青混凝土發(fā)生流動(dòng)變形，其中無法恢復(fù)的部分變形累積形成的。大量的觀測及理論研究表明，半剛性基層高等級瀝青路面產(chǎn)生的永久變形，90%以上發(fā)生在瀝青面層，因此，瀝青面層的永久變形是研究的重點(diǎn)。瀝青混合料是一種由瀝青水泥和骨料本身的松散礦物顆粒組成的混合材料體系。當(dāng)外部荷載作用時(shí)，微結(jié)構(gòu)應(yīng)力克服了瀝青膜粘性力之間的部分弱粘結(jié)，并使之相互作用。由于荷載不斷重復(fù)作用，迫使這種相互錯(cuò)動(dòng)在更深更寬廣范圍內(nèi)不斷重復(fù)產(chǎn)生，并逐步累積形成宏觀永久變形[3]。這種多方向運(yùn)動(dòng)的顆粒，導(dǎo)致瀝青面層的混合物向輪胎的兩側(cè)流動(dòng)，從而產(chǎn)生推移，擁包以及永久變形。

縱觀瀝青混合料永久變形的形成過程，大致可分為以下三個(gè)階段：

1、 開始階段的壓密過程，由于瀝青混合料空隙的存在，特別是在施工不足的情況下，車輪荷載再次碾壓瀝青路面，瀝青面層的厚度減小，在車輪荷載集中的地方形成永久變形。在公路施工過程中，通過嚴(yán)格壓實(shí)規(guī)范，來控制壓實(shí)過程中產(chǎn)生的永久變形。

2、瀝青混合料的流動(dòng)瀝青混合料在高溫下是粘性的半固體，在車輛荷載的作用下，當(dāng)荷載形成的剪應(yīng)力比瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度大時(shí)，瀝青就會產(chǎn)生流動(dòng)變形，不斷積累就會產(chǎn)生永久變形。

3、礦質(zhì)骨料的重排和礦質(zhì)骨架的破壞在高溫下是半固態(tài)的瀝青混合料，在荷載作用下最先流動(dòng)。此時(shí)，荷載主承體為混合料中粗集料和細(xì)集料兩者組成的骨架，此外還有瀝青的潤滑作用，在荷載的直接作用下，硬度較大的礦料顆粒沿礦料的間接觸面開始滑動(dòng)，這使瀝青向富集區(qū)流動(dòng)，從而流向混合料的自由面。

可以看出，永久變形的初始原因是壓密和高溫下的流動(dòng)，從而導(dǎo)致了骨架的不穩(wěn)定性。高溫，重載，慢速以及運(yùn)輸?shù)纫蛩兀约盎旌狭霞壟涞淖儺愋?、孔隙率高、部分路段的油量控制不好等?nèi)因，這些都會引起車轍和路面永久變形

3.瀝青路面永久變形的影響因素

（1）瀝青及其用量

瀝青材料在瀝青混合料的高溫性能中起著非常重要的作用，瀝青混合料的粘結(jié)力是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性機(jī)理的一個(gè)組成部分。瀝青的粘結(jié)力越大，瀝青混合料的綜合強(qiáng)度越好，瀝青混合料的抗剪切變形就更穩(wěn)定。一般而言，瀝青粘結(jié)力與溫度有關(guān)，瀝青混合料的溫度敏感性較低，形成的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性就越理想。瀝青用量太高或太低，都會對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。瀝青混合料中的瀝青太低，會使混合料難以壓實(shí)，無法有效地保證孔隙率。與之相反，瀝青含量太高，而自由瀝青的增加，也會影響其高溫穩(wěn)定性。因此，針對不同類型的混合料，應(yīng)確定最佳的瀝青用量，從而使混合料的高溫穩(wěn)定得到保證。

（2）集料的級配組成和孔隙率

瀝青混合料和骨料是瀝青混合料的兩個(gè)部分，可分為砂礫的、碎石的、砂質(zhì)的和礦渣的。瀝青混合料的強(qiáng)度主要體現(xiàn)在：一是水泥瀝青和填料的形成粘結(jié)力，另一種則是集料顆粒之間的鎖結(jié)力與內(nèi)摩阻力。礦粉的表面積巨大，使瀝青材料形成了一層薄膜，從而改善了瀝青材料的粘結(jié)強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性，而鎖定力主要是粗骨料顆粒之間?？傊己玫募壟鋵εc瀝青混合料高溫穩(wěn)定性非常重要。大孔隙率的瀝青混合料易產(chǎn)生壓實(shí)變形，增加瀝青混合料的密度，增加材料之間的接觸壓力，從而提高混合料抗車轍能力。當(dāng)孔隙率比臨界孔隙比低時(shí)，繼續(xù)降低孔隙率，將降低瀝青混合料抗車轍能力。如果溫度升高，瀝青就會膨脹，由于溫度的升高，瀝青的粘度就降低了，瀝青的潤滑效果變大、內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦阻力降低，促使瀝青混合料抗變形能力下降，空隙率小于3%的發(fā)生車轍概率增大[4]。

（3）溫度與水文地質(zhì)條件

氣候條件主要包括氣溫、日照、熱流、輻射、風(fēng)、雨等，除了濕度以外，其他問題都可以反映在溫度上，黑褐色的瀝青混合料具有超強(qiáng)的吸熱能力，由于熱量的積累，大部分熱量不能從瀝青路面中散出來，在外部荷載的作用下，很容易產(chǎn)生變形和流動(dòng)，導(dǎo)致車轍的形成。車轍基本上是在夏季高溫下，車輛荷載重復(fù)作用產(chǎn)生的。研究表明：瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度隨溫度的升高而降低。事實(shí)上，溫度對混合料的高溫穩(wěn)定性的影響是通過對瀝青的影響來實(shí)現(xiàn)的。隨著溫度的升高，瀝青混合料逐漸變軟，模量逐漸減小。

在瀝青路面，水分大幅度降低了路面結(jié)構(gòu)層的抗變形性能，從而導(dǎo)致產(chǎn)生大車轍。瀝青路面施工完成后，水和空氣通過混合料中的空隙和外界的連通空隙進(jìn)入到瀝青混合料內(nèi)部，如果水分不能及時(shí)排出，在車輛載荷的動(dòng)水壓力和溫度的共同作用下，循壞反復(fù)，穿梭于瀝青與礦料間，起潤滑作用，阻礙了瀝青與骨料之間的粘結(jié)，降低了瀝青與礦料的粘附性，從而使得瀝青路面在有水的條件下，動(dòng)穩(wěn)定度隨之下降。

（4）交通條件

交通條件影響瀝青路面的高溫性能主要體現(xiàn)在：車輛荷載、輪胎壓力、車輛速度以及車流渠化。車輛荷載對瀝青路面的影響是最值得注意的，主要是荷載大小以及時(shí)間的作用。一般來說，輪胎的壓力是適應(yīng)車輛載重的，負(fù)荷越高，輪胎壓力越高。負(fù)載動(dòng)作時(shí)間越長，同一交通量引起的地表變形量越大。

4.結(jié)論

（1）本文能夠反映出瀝青混合料的粘彈性和彈塑性變形性質(zhì)。同時(shí)，對研究瀝青混合料的高溫抗變形能力有較好的判斷；

（2）分析了瀝青混合料永久變形形成的機(jī)理，將瀝青混合料永久變形的形成過程分為遷移期、穩(wěn)定期和破壞期三階段；

（3）溫度的升高和偏應(yīng)力的增加，瀝青混合料的永久變形將會增加，穩(wěn)定期的發(fā)展速率加快，導(dǎo)致破壞期的提前到來。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M] .北京：人民交通出版社，2005

[2] 湯文，孫立軍.基于遺傳算法的瀝青路面永久變形預(yù)估方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（12）：42-45

[3] 楊捷.瀝青車轍與擁包形成機(jī)理的粘彈性分析[D].南京：東南大學(xué)，2006

[4] 彭妙娟，許志鴻.瀝青路面永久變形的形成及其控制[J].華東公路：2004，05：03-05