摘要：車轍病害已是我國(guó)路面建設(shè)中日益突出的問題，影響瀝青路面的車轍的因素極其復(fù)雜，本文從影響車轍的內(nèi)因和外因?qū)�、結(jié)合料、瀝青含量、混合料類型、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、荷載、環(huán)境條件以及施工控制等諸多因素進(jìn)行了分析。并總結(jié)了相應(yīng)的對(duì)策。
關(guān)鍵詞：瀝青 混合料 車轍影響因素 級(jí)配 溫度
近年來高速公路有著飛快的發(fā)展，隨著車輛交通的渠化以及軸載和輪壓的不斷增加，瀝青路面的車轍問題日益嚴(yán)重。車轍病害已經(jīng)成為瀝青路面設(shè)計(jì)、施工和使用過程中的突出問題。因此通過分析研究車轍病害的影響因素，指導(dǎo)路面設(shè)計(jì)、施工和管養(yǎng)有著重要的意義。
1 車轍病害綜述
車轍是重復(fù)行車工作荷載作用下的瀝青路面不可恢復(fù)應(yīng)變的累積變形及行車荷載作用下的壓密推擠變形，是瀝青路面最普遍的一種損壞形式。從機(jī)理上分析，車轍的形成機(jī)理主要由壓密變形和路面的剪切變形交互作用而成，一般分為壓密、瀝青混合料塑性流動(dòng)和礦質(zhì)骨料重新排列三個(gè)階段構(gòu)成。車轍的產(chǎn)生會(huì)影響路面的平整度、路表積水或結(jié)冰，從而降低路面的抗滑能力、削弱面層及路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、車輛在超車或更換車道是方向失控，影響行車安全。目前，車轍已成為全世界最嚴(yán)重的路面破壞類型之一，它造成路面破壞，大量維修、重修，以及行駛安全和質(zhì)量問題。
2 車轍變形的影響因素[1][2][3]
影響瀝青路面車轍及混合料高溫性能的因素是很多的，可總體歸納為內(nèi)在因素和外部條件。內(nèi)在因素主要反映在材料本身的質(zhì)量及混合料的組成上，而外部條件則主要包括氣候條件和交通條件。當(dāng)外部條件與材料的內(nèi)在因素結(jié)合在一起時(shí)就會(huì)對(duì)瀝青路面產(chǎn)生綜合影響。此外，路基、路面基層和路面結(jié)構(gòu)組成及其施工質(zhì)量也會(huì)對(duì)瀝青路面車轍形成產(chǎn)生綜合影響。車轍影響因素主要有集料、結(jié)合料、混合料類型、荷載、環(huán)境條件等。 2.1瀝青混合料類型的影響
瀝青混合料是由瀝青結(jié)合料粘結(jié)礦料組成的，其高溫穩(wěn)定性的形成機(jī)理也來源于瀝青結(jié)合料的高溫粘結(jié)性和礦料級(jí)配的嵌擠作用。但是在高溫狀態(tài)下，即使采用了經(jīng)過改性的高粘度瀝青結(jié)合料，僅僅依靠瀝青無法承受車輛荷載的強(qiáng)大水平推擠力和水平剪切作用力。在這種情況下，粗細(xì)集料和礦粉組成的礦料級(jí)配起到了重要作用。對(duì)不同組成的瀝青混合料，集料(尤其是產(chǎn)生嵌擠的粗集料)比例是重要的因素。有的研究人員認(rèn)為間斷級(jí)配的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于密級(jí)配瀝青混合料，以集料嵌擠作用為主的瀝青碎石、貫入式以及瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)、大孔隙排水式瀝青混合料(OGFC)等，高溫穩(wěn)定性主要依靠粗集料的嵌擠作用，一般具有很高的抗車轍能力。也有的研究人員認(rèn)為，密級(jí)配混合料使得集料顆粒間具有較多的接觸點(diǎn)，因此比間斷級(jí)配或開級(jí)配混合料更穩(wěn)定。據(jù)SHRP的研究，在通常情況下，合理的密級(jí)配混合料的高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于間斷級(jí)配的混合料。
2.2集料粒徑的影響
集料粒徑對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有相當(dāng)?shù)挠绊懀瑐鹘y(tǒng)思路認(rèn)為，集料越粗對(duì)抗車轍越有利。車轍試驗(yàn)表明，對(duì)AC-13、AC-16、AC-25混合料，動(dòng)穩(wěn)定度并沒有顯著差別。美國(guó)為驗(yàn)證SUPEREPAVE配合比設(shè)計(jì)成果的西部環(huán)道試驗(yàn)中，將集料分為粗、中、細(xì)3種級(jí)配，試驗(yàn)表明：熱拌瀝青混合料在最佳瀝青用量，空隙率8%時(shí)，粗級(jí)配的車轍深度最大，細(xì)級(jí)配次之，中級(jí)配最小。我國(guó)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在最佳瀝青用量時(shí)，在不同粒徑的混合料中，中粒式瀝青混凝土的高溫抗車轍能力最好，其次是細(xì)粒式，粗粒式的反而最差。 2.3瀝青、集料和礦粉的物理力學(xué)特性的影響
2.3.1集料的表面特性
材料瀝青混合料由瀝青、集料和礦粉混合組成。顯然，這些材料的物理力學(xué)特性將程度不同地直接影響到瀝青混合料的各種路用性能。一般來說，選擇優(yōu)質(zhì)的材料，采用合適的瀝青用量，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?jí)配設(shè)計(jì)，能顯著地提高瀝青混合料的抗車轍能力。在諸多材料影響因素中，集料所具有的特性對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響尤其顯著。通常，破碎、堅(jiān)硬、紋理粗糙、多棱角、顆粒接近立方體的集料，相應(yīng)的瀝青混合料高溫性能就比較好。有研究認(rèn)為，在集料組成中，破碎的細(xì)集料比破碎的粗集料對(duì)改善瀝青混合料的高溫性能更有利，表明中等顆粒采用破碎集料更重要。
2.3.2瀝青用量
瀝青用量對(duì)混合料的抗車轍能力有極為明顯的影響，我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，在夏季炎熱的高溫地區(qū)，在配合比設(shè)計(jì)得出的最佳瀝青用量OAC的基礎(chǔ)上，減少0.3%之后的瀝青用量作為設(shè)計(jì)瀝青用量往往是適宜的。施工時(shí)嚴(yán)格控制瀝青用量對(duì)控制車轍有極為重要的意義，這一點(diǎn)對(duì)重載路段尤為重要。加大荷載可以使配合比設(shè)計(jì)的最佳瀝青用量減少。當(dāng)然瀝青用量減少將使碾壓困難。采用較少瀝青用量之后，通過重型壓路機(jī)碾壓成型的路面具有較好的高溫抗車轍能力。因此適當(dāng)減少瀝青用量，加大壓實(shí)功，使混合料充分嵌擠，又沒有留下大的空隙率是提高瀝青路面高溫穩(wěn)定性能的重要措施，尤其是對(duì)超載車和重載車特別多的路段，這樣尤為重要。不過，如果瀝青用量減少了而沒有得到充分的壓實(shí)，則可能適得其反，此時(shí)可能還沒有來得及產(chǎn)生車轍，水損害卻形成了。如果施工時(shí)沒有足夠噸位的壓路機(jī)和良好的壓實(shí)效果，如果達(dá)不到要求的壓實(shí)度，則達(dá)不到提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的目的。
2.3.3礦粉和礦料的比表面積
瀝青的粘度及瀝青與礦料之間的粘附性是影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的兩大因素，瀝青的粘度越大，勁度越高，瀝青與礦料間的粘附越好，則混合料的高溫穩(wěn)定性越高，因此，要選用粘度大的瀝青和非酸性的礦料以提高混合料的高溫穩(wěn)定性，但同時(shí)要兼顧低溫開裂這一因素。
2.3.4改性瀝青
高溫性能稍差的瀝青也并非不能用于高等級(jí)道路建設(shè)。瀝青改性就是一種提高瀝青高溫穩(wěn)定性同時(shí)兼顧其低溫性能的有效手段。改性瀝青一般都具有較好的高溫性能，但是，改性瀝青的使用要從工藝上、經(jīng)濟(jì)上及試驗(yàn)路實(shí)際使用效果上全面考慮，改善效果明顯而又經(jīng)濟(jì)可行的改性方法才能普及應(yīng)用。 2.4路面結(jié)構(gòu)組合
瀝青混合料的抗車轍能力除了受其組成和性能影響外，還受路面結(jié)構(gòu)組合的影響，同樣的材料在不同的路面結(jié)構(gòu)中會(huì)表現(xiàn)出不同的性能，這也就是材料組成設(shè)計(jì)不應(yīng)該同路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)相分離的原因所在。瀝青路面結(jié)構(gòu)組合也是瀝青路面的抗車轍能力的重要影響因素。根據(jù)美國(guó)AASHO試驗(yàn)路對(duì)車轍研究的測(cè)定,車轍量隨瀝青面層厚度的增加而增大，到達(dá)25cm厚時(shí)將達(dá)到極限，我國(guó)現(xiàn)有高速公路的瀝青路面厚度一般在15cm—20cm之間是比較合理的。表１[4]為室內(nèi)環(huán)道實(shí)驗(yàn)結(jié)果，面層為瀝青混凝土，其下層為砂土路基。結(jié)果表明：面層厚度對(duì)車轍影響很大，當(dāng)面層較薄時(shí)，車轍較深而且有較大的一部分產(chǎn)生于路基的變形，而當(dāng)面層較厚時(shí)，路基很少或基本上不產(chǎn)生車轍。
表１ 面層厚度與車轍深度的組成
|
面層厚度
（cm） |
車轍深度
（cm） |
路基變形
（cm） |
面層變形
（cm） |
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5 |
1.4 |
0.7 |
0.7 |
|
10 |
1.2 |
0.1 |
1.1 |
|
14.2 |
1.25 |
0.0 |
1.25 |
由此可見：當(dāng)路基和基層強(qiáng)度較高時(shí)，采用薄面層可以有效地控制車轍量，而當(dāng)路基、基層較弱時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加面層厚度。如果面層結(jié)構(gòu)采用了不合理結(jié)構(gòu)組合型式或集料的強(qiáng)度、粒徑大小、級(jí)配組成等不合理,將會(huì)大大降低瀝青面層的抗車轍能力。所以合理面層結(jié)構(gòu)及厚度的設(shè)計(jì)將對(duì)車轍的產(chǎn)生具有直接的影響。 2.5氣候條件
氣候條件主要包括氣溫、日照、風(fēng)、雨、濕度等，其中，除了濕度，其他因素歸結(jié)起來都反映在溫度上，而這也是最為顯著的車轍影響因素。黑褐色的瀝青混合料具有較強(qiáng)的吸熱能力，這是夏季瀝青路面的溫度遠(yuǎn)高于氣溫的重要原因。由于熱量難以從瀝青路面中散出，使瀝青路面長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，在外部荷載的作用下就很容易產(chǎn)生流動(dòng)變形，從而形成擁包、車轍。有資料認(rèn)為，在40℃范圍內(nèi)，瀝青混合料的溫度上升5℃，其變形將增加2倍左右。因此，盡管我們不可能改變天然的氣候狀況，但若能采取可能的措施，降低路面溫度，例如采用淺色的石料，種植行道樹，改善路面的通風(fēng)等，將有利于保持瀝青路面穩(wěn)定。
研究表明，路面在潮濕狀態(tài)下，瀝青混合料的水敏感性增大，同時(shí)使高溫穩(wěn)定性也降低。盡管下雨能使路面溫度下降5℃左右，但有水狀態(tài)比干燥狀態(tài)將容易產(chǎn)生車轍。 2.6交通條件
交通條件對(duì)瀝青路面高溫性能的影響可以歸結(jié)為交通量、荷載、行車速度、交通渠化等。其中，行車速度對(duì)瀝青路面永久變形的影響主要反映在荷載的持續(xù)時(shí)間上，車輛行車速度越慢，荷載作用時(shí)間越長(zhǎng)，相同交通量所引起的路面變形越大。這種情況主要出現(xiàn)在停車場(chǎng)、車站、交叉路口、爬拉車道、收費(fèi)站，以及其他交通擁擠的地方。另外，渠化交通也會(huì)加快瀝青路面車轍的形成，特別是在高速公路的行車道，重載車、超載車、較高的輪胎氣壓、較慢的行車速度，渠化交通則對(duì)瀝青路面的產(chǎn)生嚴(yán)重的車轍 。2.7施工控制
使用干凈、具有良好性能級(jí)配的、結(jié)構(gòu)層穩(wěn)定性好的材料，并在施工時(shí)避免離析，加強(qiáng)壓實(shí)，可提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性�；鶎颖仨毘浞謮簩�(shí)，以防止由于行車荷載引起的附加壓實(shí)作用。如果基層的質(zhì)量很好，則車轍主要發(fā)生在瀝青路面的面層。
3 結(jié)束語
車轍的影響因素是極其復(fù)雜，因此，在設(shè)計(jì)、施工和管養(yǎng)過程中要針對(duì)當(dāng)?shù)氐木唧w情況采取有針對(duì)性的措施，做到有的放矢，既要考慮路面抗車轍性能，又要兼顧瀝青路面的其他性能指標(biāo)，同時(shí)還要考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行性。只有采用合理的路面結(jié)構(gòu)形式和瀝青路面的適宜厚度、良好的級(jí)配、適宜的瀝青含量，把好材料關(guān)，嚴(yán)格執(zhí)行施工作業(yè)規(guī)程，對(duì)拌和、運(yùn)輸、攤鋪和碾壓進(jìn)行有效的跟蹤監(jiān)控，在管養(yǎng)過程中及時(shí)維修，這樣才有可能做出良好的抗車轍路面。 |
