車轍處治看江浙

文/圖 江蘇省張家港市交通運輸局 張宇 方瓏 東南大學交通學院 顧興宇 劉奇 于斌

江浙地區(qū)經濟發(fā)達、交通運輸需求大，其高溫多雨的氣候、山區(qū)重載的環(huán)境和荷載特點導致國省干線交叉口與長大縱坡路段瀝青面層流動性車轍嚴重；同時，由于路基建設材料緊缺，宕渣路基在浙江省國省干線中使用十分廣泛，宕渣路基壓實不足導致的瀝青路面整體性車轍也屢見不鮮。有關專家學者結合江浙及相鄰地區(qū)國省干線路基路面典型結構與材料，研究次生鋼渣活性激發(fā)技術及灰土復配的路基增強技術緩解結構性車轍，并實現(xiàn)了工業(yè)廢棄物的高效利用，從蠕變損傷與剪切疲勞的角度闡釋了瀝青路面的車轍形成與失穩(wěn)機理，建立了適用于江浙及相鄰地區(qū)的重載干線公路瀝青路面車轍機理與路基路面一體化處治技術（以下簡稱“車轍一體化處治技術”），實現(xiàn)了車轍處治在“機理-預測-防治”全過程的關鍵技術突破。

車轍是國內外瀝青路面的主要病害之一，我國半剛性基層瀝青路面以流動性車轍為主，國外柔性基層瀝青路面則流動性車轍與結構性車轍兼具。由于我國高速公路收費而國省干線不收費的政策導向，致使國省干線交通重載化趨勢十分明顯。我國國省干線重載交通導致的車轍問題較為突出，且累積變形的突發(fā)性失穩(wěn)（車轍第三階段）難以預測，使得車轍預防性養(yǎng)護理念難以貫徹，只能采用事后高強度被動養(yǎng)護措施。

車轍處治的主要問題和解決思路

國內外針對車轍問題開展了廣泛而深入的研究，在路面車轍產生機理、車轍預估模型、車轍預防措施及車轍處治措施等方面形成了豐富的成果，但目前在車轍研究領域，還需要著重解決3個問題。

車轍失穩(wěn)時間判斷與車轍養(yǎng)護時機選擇

國內外研究者充分認識到瀝青混合料抗剪強度不足是路面車轍病害的重要原因之一，從瀝青混合料蠕變曲線的發(fā)展來看，車轍變形的快速增長本質上是混合料的失穩(wěn)，即材料處于第三階段時永久變形的指數式增長。因此，有必要探究瀝青路面失穩(wěn)型車轍的發(fā)生時間，從而正確選擇處治車轍病害的時機。

車轍病害預防的路基路面一體化措施

路面車轍形成的影響因素眾多，既有路面自身結構與材料因素，也有荷載、溫度、地形等影響。因此，需要考慮特定區(qū)域路面結構及材料特點，研究針對性的路基路面一體化車轍預防綜合措施。

車轍病害處治的快速性與經濟性需求

國內外目前車轍病害處治的主流做法是銑刨4厘米上面層后加鋪罩面層。銑刨、攤鋪、碾壓的工序眾多，病害處治耗時長，交通管制壓力大；此外，銑刨4厘米上面層后加鋪的方式也造成了優(yōu)質筑路材料的浪費。

為系統(tǒng)提升重載國省干線車轍防治技術水平，有關專家學者以江浙地區(qū)國省干線為研究對象，在瀝青路面車轍形成與失穩(wěn)機理及預測研究基礎上，建立了車轍一體化處治技術。

車轍一體化處治技術研究總體思路

車轍失穩(wěn)發(fā)展機理層面

開發(fā)了模擬路面真實溫度場和應力場的面層整體結構和分層結構的多序列動態(tài)蠕變試驗評價方法，研究了多種瀝青混合料中高溫域范圍內的剪切流變失穩(wěn)規(guī)律，建立瀝青面層全厚度瀝青混合料的剪切流變失穩(wěn)預估模型，實現(xiàn)了室內全厚度瀝青混合料剪切流變失穩(wěn)模型與真實瀝青路面結構車轍失穩(wěn)的關聯(lián)，預測多重因素對路面車轍失穩(wěn)時間的影響。

車轍病害預防層面

研究了鋼渣石灰改良土的工程特性和改良辦法，通過室內試驗、理論分析和現(xiàn)場實踐，提出整套鋼渣石灰改良土在國省干線路基建設中的應用策略和工藝，基于“鋼渣重構”理念發(fā)明室溫下鋼渣活性激發(fā)技術，得到的鋼渣土強度最高可達到素鋼渣土強度的26倍；研究了玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能及增強機理，提出了纖維用量和纖維類型的優(yōu)選方法，實現(xiàn)了纖維瀝青混合料增強增韌的抗車轍效果；面向海綿道路需求，設計了荷載-水-溫度多物理場耦合試驗方法，研究了面向重載交通的國省干線排水瀝青路面材料與結構設計要求，提升了排水瀝青路面的高溫性能和耐久性；從傳熱學角度出發(fā)，研發(fā)了瀝青路面水性環(huán)保高效路表降溫涂層，通過調控瀝青路面溫度場減緩路面車轍的形成。

車轍病害處治層面

基于浙江地材特點優(yōu)化了易密實瀝青混凝土ECA車轍修補技術并制定地方性標準進行推廣應用；通過共沉淀法和還原法兩種工藝手段對普通鋼渣進行改性處理，取代瀝青混合料中的部分或全部細集料，大幅提升瀝青混合料微波加熱特性，實現(xiàn)車轍病害的高效微整形修復。

瀝青路面車轍失穩(wěn)機理與預測模型

從車轍變形的發(fā)展過程來看，經歷了三個階段：初始壓密階段、穩(wěn)定增長階段和加速失穩(wěn)階段。在加速失穩(wěn)階段，混合料結構主體發(fā)生失穩(wěn)，應變較大且應變率增長迅速。實際瀝青路面在車輛荷載的作用下，其內部受力狀態(tài)與有圍壓的三軸動態(tài)蠕變試驗試件的受力狀態(tài)相類似，且大部分循環(huán)荷載作用下，材料內部等效的應力莫爾圓均處于破壞包絡線的下側。因此，設計能夠模擬路面真實受力狀態(tài)和溫度場的全瀝青面層結構動態(tài)蠕變試驗方法，從路面不同層位在不同荷載作用下的循環(huán)壓剪破壞角度出發(fā)，研究瀝青混合料的蠕變失穩(wěn)是判斷路面車轍失穩(wěn)時間節(jié)點的有效途徑。

模擬及驗證步驟

1.對瀝青混合料進行單軸靜載蠕變試驗，得到簡單應力狀態(tài)下瀝青混合料的應力應變曲線，擬合試驗結果以獲取材料模擬過程所需的本構參數。

2.通過有限元模擬分析，利用已有室內瀝青混合料失穩(wěn)預估模型，基于實際溫度場，建立單層、多層瀝青混合料貫入蠕變失穩(wěn)預估模型。

3.通過室內實際貫入動態(tài)蠕變試驗，驗證模型預估結果。

4.分析添加劑、溫度、荷載、坡度等因素對瀝青混合料失穩(wěn)壽命的影響。

測溫試件制作與加載

表1 各層材料溫度、受力狀態(tài)及預估結果

表1 各層材料溫度、受力狀態(tài)及預估結果

表2 以率值控制試驗初步設計方案

表2 以率值控制試驗初步設計方案

車轍處治一體化技術研究還建立了模擬真實應力與溫度場的瀝青面層混合料室內貫入動態(tài)蠕變試驗及失穩(wěn)模型，并對其進行了驗證。

基于室內貫入試驗的真實應力場與溫度場，車轍處治一體化技術研究利用已建立的單一瀝青混合料中高溫度范圍的失穩(wěn)預估模型，得到包括上中下多種瀝青混合料的瀝青面層失穩(wěn)流變次數。

各層位受力狀態(tài)及溫度均不同，因此各層位失穩(wěn)壽命也有所差異。研究認為50%及以上的層位發(fā)生失穩(wěn)，應被認定為混合料發(fā)生失穩(wěn)破壞。依據路面各層材料的失穩(wěn)預測模型，可推測失穩(wěn)可能發(fā)生的年限。

次生鋼渣及鋼渣灰土路基的車轍預防技術

通過分析鋼渣化學成分和礦物成分發(fā)現(xiàn)，鋼渣與高爐礦渣、粒化電爐磷渣類似，是一種具有潛在水硬性能的摻合料。但是鋼渣與粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣相比，其礦物晶體生長發(fā)育較大、晶粒致密、晶格穩(wěn)定、水化緩慢，因此其活性相對較低。為了提升鋼渣的應用價值，需要激發(fā)鋼渣的活性。

現(xiàn)有鋼渣重構技術均為在高溫爐中直接向二次處理的鋼渣中摻入添加劑，這種方法能夠生產出強度較高的類水泥的鋼渣產物，但是對于已經堆放在料場的鋼渣并不適用。因此，提出在室溫情況下，依據水泥參數和化學激發(fā)原理，重構出有一定強度的鋼渣基材，并開展無側限抗壓強度試驗，以及不同激發(fā)劑及其摻量的效果評價。試驗結果顯示，相比于素鋼渣，重構鋼渣的強度提升了約9倍；在室溫下重構鋼渣能夠大幅度提高鋼渣強度，具有深遠利用價值。

重構鋼渣無側限抗壓試驗結果

不同激發(fā)劑下無側限抗壓試驗結果

瀝青面層的車轍預防技術

瀝青面層車轍預防技術主要包括玄武巖纖維增強瀝青混凝土技術和瀝青路表的車轍預防技術-熱阻涂層材料技術。

玄武巖纖維增強瀝青混凝土技術

通過纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土的比較，探究纖維摻入瀝青混凝土中對其膠漿、砂漿和混凝土層面流變性能的影響，從而優(yōu)化設計纖維瀝青混凝土。通過數字圖像處理技術（DIP）處理瀝青混凝土細觀結構，進一步模擬纖維增強瀝青混凝土機理。開展了多種纖維增強瀝青混凝土高溫性能的實驗研究，包括半圓彎曲（SCB）蠕變試驗、間接拉伸（IDT）蠕變試驗等。分析各影響因素下細觀組分對混合料力學性能的變化規(guī)律，以便闡明纖維瀝青砂漿與混合料之間內在聯(lián)系。

某時刻SCB及IDT細觀結構試件豎向蠕變云圖

AC13級配加纖維SCB試件黏彈變形

研究表明，加入纖維后試件的黏彈變形明顯降低，表明高溫抗車轍能力顯著提升。同時通過纖維瀝青膠漿、纖維瀝青砂漿及纖維瀝青混凝土的機理與性能研究，建立了三者之間的定性和定量聯(lián)系。

瀝青路表的車轍預防技術-熱阻涂層材料技術

采用具有高折光系數的金紅石型二氧化鈦為顏料，以具有中空結構的漂珠、擁有阻熱性能的橡膠粉體及能將紅外線反射到大氣外層的云母粉等為功能型填料，制備出一種滲透型水性環(huán)保涂層使其具有反射隔熱的性能，以達到阻止熱量傳遞，降低物體表面溫度的效果。

反射隔熱涂層示意圖

開展成型試件降溫涂層效果試驗研究，分別把其中的一個涂上隔溫涂料，另一個不涂隔溫涂料，并進行對比試驗。其結果顯示，沒有加涂層的試件表面的最高溫度為69.6攝氏度，加涂層的試件表面最高溫度為53.4攝氏度，表面最高溫整整降低了16.2攝氏度，降溫效果明顯。在道路實際應用時，路表溫度最高可降低6攝氏度至8攝氏度。

瀝青路面車轍快速經濟處治技術

瀝青路面車轍快速經濟處治技術主要包括易密實瀝青混凝土ECA車轍修補技術和磁化鋼渣瀝青混合料車轍整形處治技術。

易密實瀝青混凝土ECA車轍修補技術

針對過往車轍修復多采用銑刨重鋪方案的不足，研發(fā)人員針對性地開發(fā)了易密實瀝青混凝土ECA車轍修補技術，并形成了地方性標準。ECA瀝青混合料具有密實、抗滑、耐久的品質，并具有高溫抗車轍、低溫抗開裂，以及良好的抗水損害能力，進行車轍填補修復時，應根據老路車轍深度銑刨相應厚度，采用合適類型ECA進行填補，類型選擇應結合混合料適宜填補厚度及單層填補為原則。ECA-6.7適宜填補厚度為15毫米至30毫米，ECA-10適宜填補厚度為25毫米至40毫米。

改性前鋼渣瀝青混合料紅外熱像儀成像結果

共沉淀法改性后鋼渣瀝青混合料紅外熱像儀成像結果

活性炭改性后鋼渣瀝青混合料紅外熱像儀成像結果

磁化鋼渣瀝青混合料車轍整形處治技術

通過共沉淀法和還原法兩種工藝手段對含鐵量較高的普通鋼渣進行磁化處理，并用其取代傳統(tǒng)瀝青混合料中的部分或全部細集料，從而實現(xiàn)增強瀝青混合料微波吸熱特性。

根據瀝青混合料紅外熱成像儀成像結果可知，經共沉淀法和活性炭改性后的鋼渣瀝青混合料在微波加熱兩分鐘后，溫度由20攝氏度上升到將近80攝氏度；改性前鋼渣瀝青混合料在微波加熱升溫兩分鐘后溫度提高了40攝氏度；普通瀝青混合料在微波加熱升溫兩分鐘后溫度提高了30攝氏度。由此可見，改性后的鋼渣瀝青混合料微波加熱效率有了明顯的提高，幾乎是普通瀝青混合料的兩倍。

因此，通過車轍處治一體化技術研究瀝青混凝土磁化方案，可大大提高瀝青混合料的微波吸收效率，提升微波加熱技術在公路養(yǎng)護（現(xiàn)場熱再生、車轍處治、裂縫修補）中的效率，尤其是對于車轍變形的微整形具有重要的應用價值。

根據調查，江蘇省2006年至2010年通車的高速公路和干線公路面臨的典型病害為車轍和裂縫，整體路面狀況較好。2011年至2017年通車的高速公路和國省干線路面整體狀況均較好，未來面臨的典型病害主要為車轍，目前養(yǎng)護工作的首要任務是制定基于車轍處治的養(yǎng)護技術方案。因此車轍防治技術將長期具有穩(wěn)定的市場需求。