瀝青路面車轍成因及抗車轍技術(shù)研究

摘要 針對宿遷市人民大道瀝青路面車轍問題，文章研究了其成因及抗車轍技術(shù)。通過現(xiàn)場勘察和人工測量方法，調(diào)查了車轍病害的分布及嚴(yán)重程度；分析了車輛荷載和高溫對瀝青路面受力特性的影響，并探討了改性瀝青和抗車轍劑的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：改性瀝青和添加抗車轍劑提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度，通過優(yōu)化級配設(shè)計(jì)和嚴(yán)格控制施工工藝，可以進(jìn)一步提升路面的抗車轍性能，為交通道路建設(shè)和維護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 瀝青路面；車轍；改性瀝青；抗車轍劑

中圖分類號 U418 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0121-03

0 引言

隨著交通量的迅速增加，瀝青路面車轍問題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響道路的使用壽命和行車安全。車轍是由于車輛荷載和高溫作用下瀝青路面材料發(fā)生塑性變形所致，特別是在重載車輛頻繁行駛和高溫天氣下，車轍現(xiàn)象尤為明顯[1，2]。研究瀝青路面車轍成因及抗車轍技術(shù)，不僅能夠?yàn)闉r青路面的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，還能顯著提升道路的使用壽命和行車舒適性。

1 瀝青路面車轍病害調(diào)查

該文選取宿遷市人民大道作為瀝青路面車轍病害調(diào)查對象。人民大道瀝青面層結(jié)構(gòu)為：4 cm改性瀝青SMA-13+8 cmAC-25C。為了全面了解該道路的車轍病害情況，采用現(xiàn)場勘察和人工測量相結(jié)合的方法?，F(xiàn)場勘查覆蓋人民大道的各路段，尤其是易發(fā)車轍的關(guān)鍵區(qū)域，如平交口和公交車站，這些區(qū)域由于車輛頻繁減速、剎車和啟動，車轍現(xiàn)象較為明顯。在勘察過程中，使用鋼直尺對車轍的深度、寬度和長度進(jìn)行測量，并對每處車轍進(jìn)行詳細(xì)記錄，道路取芯試樣如圖1所示。

由圖1可知，瀝青路面芯樣完整、密實(shí)，碎石骨架排布較均勻，瀝青膜包裹完整。瀝青上面層厚度與設(shè)計(jì)相符，無明顯的壓密情況。下面層車轍峰部比車轍谷部略厚，可能存在瀝青高溫穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致瀝青推移、輪跡兩側(cè)局部隆起的情況。

2 瀝青路面受力特性分析

2.1 車輛荷載對路面不同深度的剪應(yīng)力影響

當(dāng)車輛行駛時，其輪胎與路面接觸，產(chǎn)生豎向荷載和剪切力。尤其在重載車輛和頻繁交通的情況下，車輛荷載的作用會顯著增強(qiáng)。剪應(yīng)力的影響在路面結(jié)構(gòu)的不同深度表現(xiàn)各異，尤其在中面層，剪應(yīng)力往往最大[3]。瀝青路面車轍深度隨荷載作用次數(shù)的變化過程，主要分為三個階段——壓密階段、壓密穩(wěn)定階段和剪切階段[4]，如圖2所示。

（1）壓密階段

在初始階段，隨著車輛荷載的反復(fù)作用，瀝青路面材料顆粒逐漸重新排列和壓實(shí)，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的密度增加，體積減小，車轍深度迅速增加。這一階段的主要特征是路面材料的壓密變形，車轍深度呈現(xiàn)較快的上升趨勢。初期的車轍形成主要是由于路面材料在荷載作用下發(fā)生壓密，未達(dá)到壓實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）壓密穩(wěn)定階段

經(jīng)過一定次數(shù)的荷載作用后，瀝青路面的壓密變形趨于穩(wěn)定，車轍深度的增加速度明顯減緩，進(jìn)入壓密穩(wěn)定階段。在此階段，路面材料的密實(shí)度已經(jīng)達(dá)到較高水平，進(jìn)一步的荷載作用不會導(dǎo)致顯著的壓密變形，車轍深度增長逐漸平緩，這表明路面的承載能力相對穩(wěn)定，路面變形主要受控于材料的內(nèi)在特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）剪切階段

隨著荷載作用次數(shù)的進(jìn)一步增加，路面材料在高溫和重載條件下可能會發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致車轍深度再次迅速增加，進(jìn)入剪切階段。在這一階段，路面內(nèi)部材料由于剪切應(yīng)力作用發(fā)生流動和塑性變形，形成明顯的車轍。在高溫環(huán)境或?yàn)r青混合料抗剪性能較差的情況下，路面剪應(yīng)力超過瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致顯著的剪切變形。

2.2 溫度對瀝青混合料抗壓強(qiáng)度和動穩(wěn)定度的影響

瀝青路面在不同溫度條件下車轍深度隨時間的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，隨著溫度的升高，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性顯著下降，車轍深度增加速率加快，尤其在高溫條件下表現(xiàn)尤為明顯，這說明高溫是導(dǎo)致瀝青路面車轍形成的重要因素。

3 瀝青路面車轍成因分析

3.1 交通流量大

在人民大道上，車輛的高頻次行駛對路面產(chǎn)生持續(xù)的動態(tài)荷載，尤其是在早晚高峰期，交通流量急劇增加，路面承受的壓力顯著上升。重載車輛如貨車和公交車，由于其重量大，對路面的壓強(qiáng)更為劇烈，導(dǎo)致瀝青混合料在荷載作用下發(fā)生塑性變形和剪切破壞。頻繁的制動、啟動以及轉(zhuǎn)彎行為進(jìn)一步加劇了路面的應(yīng)力集中，造成路面材料逐漸累積變形。特別是在公交車站、平交口等區(qū)域，車輛的加速和減速頻率高，使得這些部位成為車轍的高發(fā)區(qū)。研究表明[5]，重載車輛的反復(fù)碾壓不僅會導(dǎo)致瀝青路面的壓密變形，還會引起路面材料的疲勞損傷，從而降低路面的整體承載能力。

3.2 高溫天氣

高溫條件下，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度顯著降低，這是由于瀝青材料在高溫下軟化，黏度下降，導(dǎo)致其無法有效抵抗車輛荷載引起的剪切力。溫度升高使得瀝青路面的彈性模量減小，材料的流變特性增強(qiáng)，路面在高溫和車輛荷載共同作用下更容易發(fā)生塑性變形。高溫還加速了瀝青的老化過程，使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，黏結(jié)力減弱，從而降低了路面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性。在夏季，特別是氣溫超過30℃時，瀝青路面溫度可達(dá)到50℃以上，這種環(huán)境下的高溫作用顯著加劇了車轍的形成。

3.3 路面材料及設(shè)計(jì)問題

傳統(tǒng)的70#基質(zhì)瀝青在高溫條件下的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差，容易軟化和變形，導(dǎo)致車轍的產(chǎn)生。材料選擇不當(dāng)，如使用抗高溫性能不足的瀝青混合料，會加劇這一問題。路面設(shè)計(jì)時如果未充分考慮交通負(fù)荷和環(huán)境條件，會導(dǎo)致車轍的早期出現(xiàn)。半剛性基層在受到重載和高溫作用時，無法提供足夠的支撐，導(dǎo)致上面層的瀝青混合料在剪應(yīng)力作用下發(fā)生流動變形。

4 瀝青路面抗車轍技術(shù)研究

4.1 提升材料性能

改性瀝青是通過在傳統(tǒng)瀝青中加入改性劑，以提升瀝青的性能，尤其是在高溫條件下的穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度。替換原有的70#基質(zhì)石油瀝青為改性瀝青，并在瀝青混合料中添加抗車轍劑，是提高瀝青路面抗車轍性能的有效途徑。70#基質(zhì)瀝青在高溫下容易軟化，抗剪強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致在重載交通和高溫環(huán)境下易形成車轍。相比之下，改性瀝青如SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）改性瀝青具有更高的軟化點(diǎn)和黏度，能夠在高溫下保持較好的彈性和恢復(fù)能力，從而減少永久變形。

添加抗車轍劑進(jìn)一步增強(qiáng)了改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度?？管囖H劑主要是一些高分子聚合物或化學(xué)添加劑，這些物質(zhì)能夠顯著提高瀝青混合料的黏結(jié)力和內(nèi)聚力，使其在高溫和荷載作用下不易發(fā)生流動和變形。研究表明[6]，在瀝青混合料中添加0.3%～0.4%的抗車轍劑，可以將混合料的動穩(wěn)定度提高到3 000次/毫米以上，大幅提升了瀝青路面的抗車轍能力。添加抗車轍劑對動穩(wěn)定度的影響結(jié)果見表1。

由表1可知，隨著抗車轍劑添加量的增加，動穩(wěn)定度顯著提升。當(dāng)抗車轍劑添加量為0.4%時，動穩(wěn)定度達(dá)到3 500次/毫米，比未添加抗車轍劑時的1 500次/毫米提高了一倍以上，這說明通過在瀝青混合料中添加抗車轍劑，可以大幅度提升其抗車轍性能，有效減少車轍的形成。

改性瀝青的使用還可以提高路面的耐久性和抗疲勞性能。改性劑賦予瀝青更高的彈性和恢復(fù)能力，使其在受到反復(fù)荷載作用時能夠迅速恢復(fù)原狀，減少裂縫和疲勞破壞的發(fā)生。改性瀝青與70#基質(zhì)瀝青抗車轍性能比較情況見表2。

由表2可知，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)顯著高于傳統(tǒng)70#基質(zhì)瀝青，這意味著改性瀝青在高溫下更難軟化，從而減少了車轍的形成。在50℃、20 h的車轍試驗(yàn)中，改性瀝青的車轍深度僅為0.08 mm，而70#基質(zhì)瀝青則為0.18 mm，這表明改性瀝青具有更好的抗車轍性能。

4.2 優(yōu)化瀝青路面結(jié)構(gòu)及級配

合理的級配設(shè)計(jì)不僅可以增強(qiáng)瀝青混合料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，還能顯著提高路面的抗剪強(qiáng)度和耐久性。

首先，合理的級配應(yīng)確?；旌狭暇哂辛己玫墓羌苊軐?shí)結(jié)構(gòu)，以提高其抗剪強(qiáng)度和耐久性。在高溫條件下，瀝青的黏結(jié)力下降，骨料之間的嵌擠作用就顯得尤為重要。通過優(yōu)化骨料的級配，可以形成穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，使混合料在高溫和荷載作用下仍能保持良好的抗剪性能。

其次，瀝青路面通常由多層結(jié)構(gòu)組成，包括面層、中面層和基層等。不同結(jié)構(gòu)層的材料和厚度應(yīng)根據(jù)其所承受的荷載和環(huán)境條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。上面層應(yīng)選用高性能的改性瀝青混合料，以提高抗剪強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性；中面層則應(yīng)具有較好的承載能力和耐久性；基層則需要提供足夠的支撐和排水性能。合理的結(jié)構(gòu)層組合可以有效分散和傳遞荷載，減少應(yīng)力集中，提高路面的整體抗車轍性能。

層厚過厚或過薄都會影響路面的使用性能。過厚的面層在重載作用下容易產(chǎn)生壓密和剪切變形，而過薄的面層則無法提供足夠的承載能力，容易在荷載作用下破損。通過合理的厚度設(shè)計(jì)，可以確保每一層結(jié)構(gòu)的厚度均符合設(shè)計(jì)要求，提供最佳的承載和穩(wěn)定性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)交通量、荷載特性和環(huán)境條件，采用科學(xué)的計(jì)算和試驗(yàn)方法，確定各層的最優(yōu)厚度。

4.3 嚴(yán)格控制施工工藝

在施工過程中，首先，材料的選擇應(yīng)使用符合技術(shù)要求的改性瀝青、優(yōu)質(zhì)骨料和抗車轍劑。改性瀝青軟化點(diǎn)應(yīng)不低于60℃，針入度范圍應(yīng)在45～55（0.1 mm）之間，骨料粒徑分布應(yīng)符合級配設(shè)計(jì)要求，確保混合料具有良好的骨架結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度，骨料的最大粒徑不應(yīng)超過混合料總厚度的1/3?？管囖H劑的添加量采用0.4%，以最大化提升混合料的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

在混合料生產(chǎn)過程中，瀝青混合料的加熱溫度和攪拌溫度應(yīng)精確控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，溫度過高會導(dǎo)致瀝青老化，降低其黏結(jié)性；溫度過低會導(dǎo)致混合料分散不均勻，影響施工質(zhì)量。該工程瀝青混合料的生產(chǎn)溫度應(yīng)控制在160℃～170℃之間，出廠溫度應(yīng)不低于150℃。瀝青混合料攪拌時間應(yīng)保持在30～45 s，確保各組分充分混合，避免離析現(xiàn)象。

攤鋪機(jī)應(yīng)保持均勻、連續(xù)的速度，攤鋪厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，通常為面層厚度的1.25～1.35倍，以考慮壓實(shí)后密度的變化。為防止離析，攤鋪過程中應(yīng)避免突然停機(jī)或過快啟動。在高溫天氣下，攤鋪溫度不低于140℃，應(yīng)盡量縮短從生產(chǎn)到攤鋪的時間，防止瀝青混合料冷卻過快影響壓實(shí)效果。

壓實(shí)過程中應(yīng)根據(jù)瀝青混合料的類型和環(huán)境溫度選擇合適的壓實(shí)設(shè)備和工藝。該工程采用振動壓路機(jī)（初壓）、鋼輪壓路機(jī)（復(fù)壓）和橡膠輪壓路機(jī)（終壓）相結(jié)合的方式。振動壓路機(jī)的振動頻率應(yīng)為35～50 Hz，振幅為0.3～0.6 mm。初壓溫度應(yīng)不低于120℃，復(fù)壓溫度不低于110℃，終壓溫度應(yīng)不低于90℃。在高溫天氣下，應(yīng)盡快完成初壓，以防瀝青溫度過低影響壓實(shí)效果。壓實(shí)次數(shù)通常應(yīng)達(dá)到6～8遍，以確保密實(shí)度和均勻性。

5 結(jié)語

綜上所述，該文通過對宿遷市人民大道瀝青路面車轍問題的系統(tǒng)研究，分析了車轍形成的主要原因，包括交通流量大、重載車輛頻繁行駛、高溫天氣、路面材料、設(shè)計(jì)問題以及施工工藝不規(guī)范等。研究表明：采用改性瀝青和抗車轍劑可以顯著提高瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性，有效減少車轍的形成。同時，通過優(yōu)化級配設(shè)計(jì)和嚴(yán)格控制施工工藝，可以進(jìn)一步提升路面的抗車轍性能。該研究為瀝青路面的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，旨在提高道路的使用壽命和行車舒適性。

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收稿日期：2024-08-19

作者簡介：楊文龍（1987—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁施工技術(shù)。