浅析沥青路面车辙的产生的原因及防治的措施

浅析沥青路面车辙的产生的原因及防治的措施
黄德樟
摘要：沥青路面车辙现象的产生对路面交通安全产生不利的影响，时刻威胁着驾驶人员的生命安全，对车辙现象的研究具有重大的意义。文章结合实际工作经验，通过资料总结、现场调查、试验研究等方法，总结出了沥青路面车辙现象产生的原因，并有针对性的提出了相关策略，以保证沥青路面的安全稳定运行。
关键词：沥青路面；车辙；材料；防治
沥青路面车辙是在车辆荷载反复作用下产生剪切压密等永久变形的积累，往往发生在沥青面层。从对车辙钻芯以及整个车辙行车道断面切割观测来看，根据车辙病害形成的原因，可将其分为四大类：失稳型车辙、结构型车辙、压密型车辙及磨损型车辙。根据笔者的实际工作经验，车辙主要发生在夏季，尤其是在交通量大的重交通道路上比较严重。车辙对路面平整、使用性能、行车安全和舒适均有会产生严重的影响。对沥青混凝土路面车辙原因及防止措施的研究，有助于提高沥青路面的耐久性和稳定性。
1、车辙产生的原因分析
文章结合相关研究资料，通过对现场沥青路面车辙的调查、路面钻芯、切割取样及实验分析，总体来说车辙产生的因素可以分为外部影响因素和内因两个方面。外部因素主要包括高温、重荷载、渠化交通、车流量、路面坡度的影响，其中高温和重荷载是两个影响最大、最普遍的因素。内因主要包括沥青混合料性质及施工原因。以下就影响沥青路面车辙的几个主要原因进行分析。
1.1 气候因素
气候因素主要包括气温、日照、热流、辐射、风、雨等。除了湿度对沥青混合料高温性能的影响机理不同外，其它因素归结起来都反映在温度上，这也是影响最为显著的因素。
根据我国对气温与车辙关系的直接观测结果发现，当气温低于35℃时，路表温度一般低于55℃，这时车辙不会有太大发展，能够限制在8mm以内，当路表温度达到60℃，气温这时一般已超过38℃，车辙就会明显发展，如果气温持续高达38℃以上，就会发生严重的车辙病害。我国已经进行了大量的不同温度沥青混合料的车辙试验，沥青混合料的动稳定度是温度升高而以幂指数关系下降的沥青质量越好，下降的速度越缓。另外，在相同荷载作用下，温度升高，沥青混合料的动稳定下降，这也相当于在高温时采用了低动稳定度的材料。采用SBS改性沥青的动稳定度明显好于AH-70石油沥青的动稳定度，下降趋势较缓。
1.2 汽车荷载影响
荷载对沥青路面高温车辙的影响是不言而喻的，特别是重载车、超载车加速了沥青路面的变形。荷载越大则轮胎气压越高，车辆超载和超限将使汽车轮胎接地压力增大，其对沥青路面永久变形的影响与荷载的影响是一致的。行车速度越慢，荷载作用时间越长，在相同交通量所引起的路面变形越大口。这种情况主要出现在停车场、车站、交叉路口、爬坡车道、收费站以及其它交通拥挤的地方。
通过试验比较不同荷载情况下沥青混合料的动稳定度变化情况。最佳用油量的确定采用GTM法，采用三种不同的设计压强0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa，车辙试验采用三种轮压0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa分别进行，试验结果如表1所示。从试验结果可以看出，随着荷载的增加，沥青混合料的抗车辙能力降低，每增加0.2MPa的压强，抗车辙能力降低约20％。当设计压强增大，抗车辙能力明显有上升趋势。另外，随着车辙试验的轮压增大时，动稳定度降低，但是轮压与动稳定度并不是简单的线形关系，而是随着轮压的增加，车辙次数下降速度加快。当轮压小于设计压强时，动稳定度大幅提升。

1.3 材料因素
沥青混合料的车辙变形主要是由于高温条件及外荷作用下沥青混凝土的剪切流动变形所造成，沥青混合料的高温抗车辙能力有60％依赖于矿料级配的嵌挤作用，沥青结合料的粘接性能只有40％的贡献。
(1) 沥青性质的影响。用粘度大的沥青胶结料(改性沥青、低标号沥青)或混合料中掺加纤维材料，同样可以很好地改善沥青混合料的高温性能。以下试验就分别采用70号沥青、SBS改性沥青混合料进行室内车辙试验对比，采用级配类型为AC-20，设计方法采用GTM设计，试验结果如表2所示。从试验结果可以看出，改性沥青的粘度大于普通沥青粘度，并且改性沥青混合料的抗车辙能力明显高于普通沥青混合料。

(2)沥青混合料级配的影响。级配是沥青混合料中最重要特性，几乎影响到沥青混合料的所有重要特性。对某高速公路现场取回的芯样进行了室内的抽提筛分试验，结果发现：车辙较轻的路段4.75mm筛孔以上较设计级配普遍偏细，2.36mm筛孔以下较设计级配普遍偏粗，符合优化级配的走向原则，优化级配为S型的紧密嵌挤型矿料级配，S型级配由于减少了最粗部分和最细部分的集料，中间档次的粗集料4.75mm、9.5mm以上部分用量增加，使级配的嵌挤能力大大提高，明显改善了沥青混合料的高温稳定性。而车辙较严重的路段较设计级配4.75mm筛孔以上偏细，级配已形不成嵌挤结构，形成车辙很必然的。为了提高沥青混合料的高温性能，应该采用粗型级配，并应使矿料级配接近骨架密实结构。
(3)集料性质的影响。集料的粘附性、针片状等指标对混合料的抗车辙性能都有较大影响。集料与沥青的粘附性等级低，也是造成路面车辙病害的原因之一。粗集料的扁平细长颗粒的含量影响施工和使用过程中集料的破碎率，对混合料的体积指标及抗车辙能力、疲劳性能可能产生影响。通过试验得出：针片状含量增加到30％时，对连续级配沥青混合料的高温抗车辙能力影响不大，车辙基本上在同一水平；但是对骨架结构级配的高温稳定性影响比较大，当针片状含量大于10％时，动稳定度次数急剧下降。
1.4 施工因素
施工质量也是造成路面车辙病害的主要原因之一，施工中存在的问题主要有：1)混合料离析比较严重，造成级配偏差，产生软弱的混合料；2)片面注重平整度，降低了对压实度的要求；3)现场施工组织差，碾压不及时，漏压；4)油石比控制不准确等因素；5)施工过程中层间结合差，造成沥青路面层间滑动。压实度不足往往致使通常后的第一个高温季节混合料继续压密，在交通车辆的反复碾压作用下，空隙率不断减小，达到极限的残余空隙率后才趋于稳定，这样，压实变形便会形成明显的车辙。石油比控制不严也是路面产生车辙的重要原因之一。油量偏小会使碾压困难，混合料压实不足；油量偏大则容易使混合料发生侧向流动变形，抵抗变形能力降低，发生车辙。
2、车辙的防治
通过上述分析，沥青混凝土路面车辙是由多方面的因素所造成的，需要针对以上原因有针对性的采取综合性的措施，以防止车辙现象的产生。
2.1 路面基层类型选择
一般来说，路面结构组合材料不同，车辙产生发展的程度也不同。半刚性基层沥青混凝土路面抗车辙性能，优于全刚性基层沥青混凝土路面。近年来，基层大多采用半刚性，如二灰稳定碎石和水泥稳定石屑等。二灰、水泥稳定碎石基层是较合理的基层类型。关键是控制原材料质量，确保混合材料组成设计的合理性以及施工应严密控制等。有条件时，最好将石灰、粉煤灰、水泥复合使用，其综合稳定性将更为理想。水泥具有一定早强作用，石灰则可使其刚度不会太大，粉煤灰可减少收缩。
2.2 沥青混凝土组成和施工控制
半刚性基层路面车辙主要产生于沥青面层，而产生车辙的重要原因是沥青混凝土材料的高温稳定性不足，在车辆的重复载作用下产生变形。累积影响沥青混合料高温稳定性主要是沥青混合料的高温抗剪能力及内摩阻力。提高沥青混合料的抗车辙能力是防治车辙最有效的途径，保持沥青混合料稳定的主要因素是结合料的胶结作用。通过沥青类型、沥青用量、矿料级配、颗粒形态及表面特性、沥青混凝土空隙率等多方面控制可以有效提高沥青混合料的高温抗剪能力及内摩阻力。
（1）沥青类型。沥青混合料的抗剪切能力，主要取决于沥青混合料的粘结力和内摩阻力。影响沥青混合料粘结力的主要因素是沥青的粘度、沥青用量、沥青与矿料相互作用的特征等。
沥青粘度越高，其粘结力越大，且抗剪强度也就越高。因此，沥青类型应根据环境气候、交通条件等合理选用，尤其是高温、重化交通的道路应选用较粘稠的，符合重交通沥青技术要求的优质沥青或改性沥青。从沥青品质及路用性能来看，进口沥青稍优于国产沥青。我国对国产稠油沥青在高等级公路工程中应用进行了大量研究及实践，表明满足重交通石油沥青技术要求的稠油沥青，其路用性能可以达到甚至超过进口沥青。
（2）沥青用量。沥青混合料的粘结力与沥青用量有较大关系，沥青用量越大，矿料颗粒间游离的自由沥青越多，矿料周围的沥青膜越厚，沥青混合料粘结力越低。反之，如果沥青不能完全裹覆矿粒界面，也影响沥青混合料的粘结力。同时沥青混合料缺乏应有的工作度，难以压实，且易出现扩散、离析。为了改善其性能，沥青混合料的沥青用量必须严格按马歇尔试验指标选用，同时还对其混合料的残留稳定度和动稳定度检验，合理确定沥青的最佳用量。沥青用量过多，超过最佳用量的0.3％~0.5％就会对车辙产生很大影响，所以施工时必须控制在规范允许之内。
（3）矿料级配、颗粒形状及表面特征。沥青混合料的嵌挤力、内摩阻力主要取决于矿料级配、颗粒形状及表面特性、沥青用量等。经验表明，采用洁净、具有良好颗粒形状、表面粗糙、棱角多、压碎值小及高质量的矿粉最为理想。石灰岩碎石的颗粒形状与沥青的粘附性好，但磨光值低；砂岩石的磨光值较好，但与沥青的粘附性差，吸水量大，颗粒形状不理想。矿料的最大粒级、级配组成不同，所组成的沥青混合料的强度构成不同，受自然因素的影响也不同。嵌挤型的沥青混合料的强度是以矿料问的嵌挤力和内摩阻力为主，沥青的粘结力为辅而构成，其受温度影响较小，但透水性大，耐久性差；密实级配的沥青混合料的强度是以沥青与矿料间的粘结力为主，矿料的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成，其透水性小，耐久性好，但受温度影响较大。沥青的最大粒径不同，其抵抗变形能力不同。根据经验得知，中粒式沥青抗车辙性能最好，细粒式沥青次之，粗粒式沥青最差。
上述对表面层性能要求，除采用优质沥青、磨光值高，耐磨耗及压碎值高的碎石外，矿料级配组成起着至关重要的作用。
在沥青用量一定时，矿粉用量对矿料的比表面影响较大，因而直接影响沥青膜厚度，矿料之间的滑动变形将因粉胶比增大而减少，所以为使混合料具有好的高温稳定性，必须使矿粉有足够的数量，以减少起润滑作用的游离沥青的比例，以较薄的沥青膜将混合料结合成一坚实的整体，这也是十分有效的措施。一般认为，粉胶比不宜小于1~1.2。另一方面，适当增加矿料在混合料中体积百分数，减少沥青用量，亦是重要的。
（4）空隙率及设计压强。空隙率对沥青混凝土耐久性和热稳定性均有影响。空隙率对沥青混合料的抗车辙最佳临界值为4％，偏离这个临界值越多，抗车辙能力降低越大。采用马歇尔试验方法决定沥青用量时，空隙率是一个关键指标，且又是一个难控制的指标。试验表明，如表3所示，在施工时，保证良好的压实度，对改善沥青混凝土路面的抗变形能力是很有帮助的。从上述试验结果可以看出，增加设计压强可以有效的提高抗车辙能力，对于AC-13I沥青混凝土来说采用马歇尔重载指标设计的沥青混合料动稳定度为1087，而GTMO.7的动稳定度为1248，GTMO.9的动稳定度为2242，GTMl.1的动稳定度为3217，分别是马歇尔重载设计的1.15、2.06、2.96倍。所以，在设计过程中分析交通量时，应充分考虑转移交通量和超载的因素，将超载车辆的荷载都换算成当量轴次，据此算出容许弯沉值，设计留有余地。

3、结语
文章针对车辙现象产生的原因，提出了相关的防止措施，可以为相关公路建设工作者提供参考，但在实践过程中还需要结合公路工程实际，采取可行性、经济性的措施，除了以上技术措施防止车辙现象发生外，还需要可以通过完善相关道路设计规范，以及对高温天气交通运输的控制来防止车辙现象的产生。
参考文献：
[1]李闯民,李宇峙.浅析重复荷载作用下的沥青路面车辙因素[J].公路交通科技,1999,(9).
[2]王丽健,谭忆秋,迟凤霞.沥青路面车辙发生的机理分析[J].科学技术与工程,2007,(22).
[3]韩东明,柳音,李亮.沥青路面车辙形成因素的研究[J].福建建材,2009,(4).
[4]刘德宾,鹿俊鹏.沥青路面车辙预防探讨出[J].中国建材科技,2010,(3).

作者简介：黄德樟（1965-10），男，福建省南平市人，本科，工程师，主要研究方向：土木工程（市政施工）