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 粘彈性材料變形機理

作為一種粘彈性材料，假設(shè)在t=0時對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在產(chǎn)生一定彈性變形的同時還會出現(xiàn)部分粘性變形，且這種變形會隨荷載作用時間的持續(xù)而增大。若在t=t1時刻對荷載力實施卸載，則因加載而產(chǎn)生的瞬時彈性變形會立刻恢復(fù)，并且隨著卸載時間的推移粘性變形也會逐漸減小，但是無法達(dá)到完全恢復(fù)，而會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)象的主要原因為其自身具有一定的粘性，分子間表現(xiàn)出較大的內(nèi)摩擦力，當(dāng)受荷載作用時，粘性變形的產(chǎn)生會將一部分能量消耗，但在卸載時這部分能量并不能釋放完全，因此會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在高溫下因處于半流動狀態(tài)而被擠進(jìn)礦料間隙中，與此同時骨料會在強力作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)重新排列，這種新結(jié)構(gòu)擁有一定的密實骨架，且在后期運行過程中經(jīng)汽車荷載作用這種結(jié)構(gòu)還會進(jìn)一步密實。

（2）瀝青混合料的流動

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在車輪作用下產(chǎn)生流動，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)?；旌衔镏羞@部分半固體物質(zhì)除部分對混合料空隙進(jìn)行填充外，其余還將隨著混合料而自由流動，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,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沿礦料間接觸面滑動,促使瀝青及膠漿向富集區(qū)流動,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,這一過程會更加明顯。

2、公路瀝青混凝土路面車轍形成機理

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度上無法承受時，路面及路基結(jié)構(gòu)變會因整體下沉而產(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，其則會因滲水產(chǎn)生的水損害而將面層與基層材料的強度逐漸削弱，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)生錯位，當(dāng)這種巨大的剪切力超過混合料穩(wěn)定度極限時，混合料則會因形變的無法恢復(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，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度，一般情況下采用“庫倉內(nèi)摩擦理論”對其在高溫下的穩(wěn)定性與強度進(jìn)行分析，對于瀝青混合料不發(fā)生流動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、混合料集料級配與密實度等。

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隨之逐漸變小，對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，但這個高溫時段一般持續(xù)較短，有時僅為幾天。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，但是隨著瀝青品質(zhì)的提升，穩(wěn)定度下降速率則會越緩。故此，如若采用改性瀝青，則混合料的高溫敏感性將會得到顯著改善（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間的函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為：

若以線性方式疊加不同時段施加荷載所產(chǎn)生的變形，則可表示為：

即可按荷載作用時間疊加每次車輛荷載對瀝青路面的作用。比如在相同車輛荷載作用下，一輛時速10Km/h的車輛對路面作用0.1s的時間，與10輛時速100Km/h的車輛的作用時間是相等的，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)計指南提出：“交通速度對路面中的膠結(jié)勁度有影響，速度50Km/h時的膠結(jié)料的視勁度比速度為100Km/h時的膠結(jié)料的視勁度低，換言之，PG70膠結(jié)料在車速50Km/h時的勁度大約相當(dāng)于PG64膠結(jié)料在100Km/h時的勁度。因此，必須增加膠結(jié)料的高溫等級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級或2級瀝青結(jié)料PG等級，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)知識的學(xué)習(xí)與實踐經(jīng)驗的應(yīng)用，對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措施。

（1）施工過程中強化管理，通過瀝青混合料孔隙率（高速公路與一級公路為2%～4%）的實時控制，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誘發(fā)主因。實踐證明：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）對于SMA瀝青混凝土路面而言，通過實際合理確定瀝青、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)計級配滿足規(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因級配曲線呈S形而增強；

（5）對于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)，對各層內(nèi)及層間接觸的剪應(yīng)力可實現(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)對策[J].交通世界（運輸車輛），2012（12）.