高速公路沥青路面车辙原因及防治研究

第1章绪论沥青路面的车辙问题在我国越来越突出。高温、超载和缺乏有针对性的设计与施工，是车辙产生的根源[1]。随着公路建成交付使用，在行车荷载和环境因素的作用下，道路的行使质量和服务能力逐渐下降。路面产生损坏的形式有很多种，对路面的性能有不同程度的影响，但是近年来对国内高速公路病害调查显示，使用2年以上的道路出现水损坏、车辙的病害比较多。车辙已成为继水损坏之后，引起普遍关注的路面病害类型。沥青路面是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。由于沥青路面使用沥青结合料，因而增强了矿料间的粘结力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量和耐久性都得到提高。与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点。沥青路面属于柔性路面，其强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性。沥青路面的抗弯强度较低，因而要求路面的基础应具有足够的强度和稳定性。车辙的出现严重影响路面的使用性能和服务质量，直接威胁交通安全。半刚性基层沥青路面是我国普遍采用的路面形式，半刚性基层的刚度较高，沥青车辙主要局限于面层。随着高等级公路里程的不断增加，重车数量增加，车辙将成为一个日益突出的问题。在每年的高温季节，沥青混合料的强度和劲度大幅度下降，在大量重车的反复作用下，轮迹带逐渐变形下凹，轮迹带的两侧逐渐鼓起，形成车辙。车辙达到一定的深度，车辙内就会积水并影响行车舒适和安全，因此，国家规定高速公路的车辙深度应不大于15mm，一旦车辙达到规定的深度，就要采取处治措施。第2章沥青路面车辙的危害与产生机理2.1车辙的类型车辙是行车道轮迹带上产生的永久变形，由轮迹的凹陷及两侧的隆起组成。根据车辙的不同形成过程，可将其分成三大类：2.1.1失稳型车辙失稳型车辙指当沥青混合料的高温稳定性不足时，沥青路面结构层在车轮荷载作用下，其内部材料因流动而产生横向位移，通常发生在轮迹处，这也是车辙的主要类型。2.1.2结构型车辙结构型车辙指沥青路面结构在交通荷载作用下产生的整体永久变形。这种变形主要是由于路基变形传递到路面层而产生的。2.1.3磨耗型车辙沥青路面结构顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素作用下不断地损失而形成的车辙为磨耗型车辙。如果汽车使用了防滑链和突钉轮胎后，这种车辙更易发生。以上三种车辙中以失稳型车辙最为严重，其次为磨耗型车辙。由于我国大多数沥青路面都采用水泥或石灰粉煤灰稳定粒料做基层，也常采用其他半刚性材料做底基层，这些材料的强度和模量都相当高，因此，沥青路面的车辙主要来源于沥青面层所产生的变形。结构型车辙较小，故一般情况下所指的车辙是失稳型车辙[2]。2.2车辙的危害车辙的出现，严重影响了路面的使用寿命和服务质量，给路面及路面使用者带来许多危害：影响路面的平整度，降低了行车舒适性；轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了沥青层及路面结构的整体强度，从而易于诱发各种病害，比如网裂和水损坏等；雨天路表排水不畅，降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙积水而导致车辆漂滑；冬天车辙内存水凝结成冰，路面抗滑能力下降，影响高速行车安全；车辙在超车或更换方向时失控，影响车辆操纵的稳定性。据日本、美国等工业发达国家的资料显示，有车辙引起的路面损坏所占的比例有愈来愈大的趋势。20世纪70年代由发起的、在各州所进行的路面损坏调查表明，在洲际公路和干线公路上，由于车辙所致的路面损坏约占30%。20世纪80年代，日本由于车辙所引起的路面损坏比例高达80%。在我国的高等级公路和城市道路中，路面的车辙也日趋严重。在城市主干道的交叉口路段和行车渠化严重的非交叉口路段，甚至连高速公路上的某些路段，在开放交通不久便出现过量的车辙，并且在这些路段交通事故率明显上升，严重降低了道路的服务性能。在高速公路及城市干线道路上，过量的车辙造成了路面使用性能降低、维修期提前及维修费用大幅度的增加。据不完全统计，在高等级公路维修原因中，车辙病害发生比率高达80%以上，可见问题的严重性[3]。2.3车辙的形成机理车辙的形成过程分为三个阶段：2.3.1沥青混合料的后续压实沥青混合料在被碾压成型前是由骨料、沥青及空气组成的松散混合物。经碾压后，高温下处于半流态的沥青与矿粉组成的胶浆被挤进矿料间隙中，同时骨料被强力排挤具有一定骨架的结构。碾压完毕交付使用后，沥青混合料会在初期阶段，在汽车荷载的作用下进一步压实，形成微量永久变形。如果压实效果良好，这一变形可以忽略不计。2.3.2沥青混合料的流动变形在高温及车辆荷载作用下，沥青混合料中的自由沥青及沥青与矿料形成的沥青胶浆会首先产生流动，从而引发沥青混合料的流动变形，但此时沥青混合料尚未产生结构性破坏。2.3.3沥青混合料的结构性失稳变形处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载及高温作用下首先流动，混合料中粗、细骨料组成的骨架逐渐成为荷载的主要承担者，随着温度的升高或荷载的增大，再加上沥青的润滑作用，硬度较大的矿料颗粒在荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向其富集区流动，导致沥青混合料的结构失去稳定性；特别是当骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显，也往往产生较大的流动变形[4]。第3章沥青路面车辙的影响因素3.1车辙的影响因素影响沥青路面车辙的因素可分为内在因素和外在因素两个方面：内在因素：路基路面结构类型、材料性能与组成（如集料、沥青结合料、沥青混合料等）、施工质量等。外在因素：气候条件、交通条件（如行车荷载、交通量、荷载时间）等。3.1.1沥青(1)沥青含量众所周知，沥青质量的优劣与沥青路面的好坏有密切关系，直接影响到沥青路面的使用性能。油石比偏大是产生车辙的一大原因，凡有车辙的地方，其路表发黑并显得光滑，高温季节车道内有轮迹和向车轮外侧推挤的现象。沥青混合料中沥青用量过多，自由沥青就相当于润滑油，它会大幅度降低矿料的内摩擦角，并导致混合料的强度大幅度下降。因此，沥青用量过多不但会显著降低沥青混凝土的内摩擦力，还会显著降低其粘结力，其结果是大幅度降低沥青混凝土的抗车辙能力。(2)沥青性能沥青的性能主要表现在沥青的针入度、粘度和感温性三个方面。沥青的针入度愈小，混合料的粘结力愈大，沥青混合料的抗车辙能力就越强。沥青的粘度愈高，稠度愈大，混合料的强度和抗车辙能力就愈大。沥青的感温性越小，高温时沥青混合料的粘结力越强，抗车辙能力也越大。因此，针入度小、粘度高、感温性小的沥青应是公路建设的首选材料。3.1.2矿料矿料质量的好坏直接影响到沥青混合料的强度，增加矿料颗粒间的嵌锁作用和内摩擦角可以提高沥青混凝土的抗剪稳定性。矿料的级配组成、矿料颗粒的形状和表面性质都影响沥青混凝土的内摩擦角。颗粒尺寸增加，内摩擦角也增加。因此，增加碎石用量可以提高沥青混凝土的抗车辙能力。在整个矿料混合料中，对沥青混凝土温度稳定性影响最大的是矿粉。用石灰岩和某些冶金矿渣制的矿粉的沥青混凝土有较高的温度稳定性。用石英质矿粉和粉煤灰做矿粉的沥青混凝土的温度稳定性差。当使用人工砂取代天然砂时，能大大提高沥青混合料的抗车辙能力[5]。3.1.3沥青混合料位于刚性或半刚性基层上的沥青混合料层，其车辙变形主要来源于沥青混合料的粘滞流动和一定程度的压实作用，沥青混合料在高温下由于车辆反复碾压，将产生横向剪切流动。密级配沥青混凝土的抗车辙能力明显大于开级配沥青混凝土。粗粒式和中粒式沥青混凝土的抗车辙能力明显大于细粒式，粗粒式沥青混凝土的抗车辙能力是细粒式沥青混凝土的2.29倍。在高温季节，特别是在有自由水浸入面层的情况下，沥青面层内的剪应力是使沥青面层产生严重剪切变形及严重车辙的重要外因。剪应力愈大，剪切变形及车辙愈严重。设计高速公路，沥青面层厚度大都大于15cm，在面层厚15cm的情况下，在表面层下部和中面层内最容易产生剪切变形。沥青混凝土面层在正常情况下主要起功能作用，保证行车平稳、舒适，并保护基层与延长基层的使用寿命，半刚性基层沥青路面结构的承载能力由半刚性材料层来完成，主要承重层为半刚性基层，无需用增厚面层来提高承载能力。厚沥青面层中车辙是不容低估的，厚沥青面层较容易导致在设计使用期间车辙超过容许值，因此提高沥青路面的使用质量不应用厚的沥青面层，而是使用优质沥青，沥青面层的厚度可减薄至9～12cm。而且，其沥青混凝土各结构层厚度为混合料最大公称粒径的2.5～3倍为宜。3.1.4气候条件荷载和温度是路面产生车辙的两个重要因素，路面车辙的发展过程实际上是沥青混合料在高温下的蠕变过程。温度越高，沥青混合料的劲度模量越低，抗车辙能力越小。高速公路车辙的产生一般发生在每年的7、8月份中，尤其是连续两三天内出现高温天气时，车辙很容易出现。一般连续的高温使得路面积聚的热量不能很快的释放出去，沥青混合料在持续高温环境下，粘聚力降低，抗剪强度降低导致了路面的破损，同样是高温的天气，在广东等地车辙却出现很少，究其原因是因为南方的雨水较多，对路面起到了降温的作用。路面温度对车辙的产生有很大的影响。在寒冷地区，路面温度低，车辙出现的可能性较小；在炎热地区，沥青路面在一定气温和日照作用下，能吸收大量热量，从而导致路面温度升高，产生车辙。残留在路面内的水分会大大降低各结构层的抗变形能力，极易导致过大车辙的产生。3.1.5交通荷载条件随着公路等级的提高，加之交通量愈来愈大，轮载也在不断加重，车辙产生的速率越来越快。车辙的发展速率随荷载作用次数的增加而减小。但车辙深度随累计荷载作用次数的增加而增加，以致于道路丧失使用性能。3.1.6路面结构类型在一定厚度范围内，沥青路面的厚度越大，永久变形也愈大。采用刚性基层或半刚性基层材料的沥青路面，由于基层具有很高的高温稳定性和抗剪切变形能力，因此，车辙主要产生在沥青面层内，而刚性基层和土基所产生的车辙只占很小的比例。3.1.7路面材料性能与组成沥青混合料是一种粘弹性塑料材料，其抗变形能力取决于沥青的粘结力和矿料颗粒之间的嵌挤力。因而沥青与矿料性能以及沥青混合料的级配类型与配比组成，都直接影响着沥青路面的抗变形能力和其他路用性能。3.1.8施工因素沥青混合料在施工过程中，材料的质量控制、沥青混合料的材料与温度均匀性、各种材料用量的控制、压实温度及压实度的控制、层间的洁净度及粘结效果灯都会影响到路面的抗车辙能力[6]。混合料离析比较严重，造成级配偏差，产生软弱的混合料；注重平整度，降低了对压实度的要求；现场施工组织差，碾压不及时，漏压；油石比控制不准确等因素；施工过程中层间结合差，造成沥青路面层间滑动。通过以上总体分析，预防形成车辙的措施，首先要从设计、用油质量和比例及施工质量控制抓起，严格控制超限车辆的通行，才能从根本上控制路面车辙的产生。第4章沥青路面车辙的控制与防治4.1车辙的控制指标目前，国外沥青路面设计方法中车辙的控制指标有三种，即路基顶面容许竖向压应变z、沥青层容许永久变形WP、路面容许车辙深度RD。各主要沥青路面设计方法的车辙控制指标与标准见表4-1表4-1沥青路面设计方法的车辙控制指标与标准设计方法车辙控制指标容许车辙深度（㎜）地沥青协会（AI）临界状态[z]=482×Ne0.22313壳牌（Shell）诺丁汉（Nottingham）临界状态[z]=885×Ne0.2510（高速路）沥青层永久变形30（普通路）临界状态[z]=451×Ne0.2810损坏状态[z]=250×Ne0.2720注：为路基顶面容许竖向压应变（10-6），Ne为标准轴载作用次数（106）。由表4-1可见，各设计方法主要采用路基顶面容许竖向压应变z控制路面的车辙。主要是因为路面材料的永久应变同弹性应变成正比，如果将一定车辆荷载作用下路基顶面的弹性应变控制在容许范围内，则路基以上各层的弹性应变也将得到控制，从而在一定程度上控制了沥青路面的永久应变。显然，这一控制指标有如下的不足：路面材料弹性应变与永久应变与永久应变之间的正比关系并非绝对成立。这一指标同车辙之间仅存在定性关系，用它控制车辙缺乏精确性和严密性。这一指标主要考虑路基材料本身在重复荷载作用下的变形特性，对基层、面层的考虑不