公路沥青混凝土路面车辙成因分析

1、    公路沥青混凝土路面车辙成因分析    宋鹏飞【摘要】作为高速公路与干线公路面层常用的一种柔性结构，沥青混凝土路面因其行车舒适（平稳、噪音低）、力学性能良好、表面平整耐磨、施工简单、养护方便等特点而得到了广泛应用。随着我国现代化进程的推进，受快速增长的公路交通量与行车荷载以及设计与施工因素的影响，现代公路沥青混凝土路面早期破坏现象日益严重，其中车辙为主要形式之一，严重影响了行车舒适性与安全性，降低了公路服务水平与质量。基于此，本文以公路沥青混凝土路面车辙现象为研究对象，以提升行车安全与服务水平为研究目的，以实现我国公路交通的可持续发展为研究意义，就

2、此展开技术论述，具有一定参考性，盼为行业间形成技术交流。【关键词】公路工程；沥青混凝土路面；车辙成因；防治对策1、公路沥青混凝土路面车辙形成过程1.1粘弹性材料变形机理作为一种粘弹性材料，假设在t=0时对沥青混合料施加一恒定荷载p，则在加载瞬间粘弹性材料会在产生一定弹性变形的同时还会出现部分粘性变形，且这种变形会随荷载作用时间的持续而增大。若在t=t1时刻对荷载力实施卸载，则因加载而产生的瞬时弹性变形会立刻恢复，并且随着卸载时间的推移粘性变形也会逐渐减小，但是无法达到完全恢复，而会存在一定的残余变形。如下图3-1所示，在加载与卸载作用下，粘弹性材料发生这种变形现象的主要原因为其自身具有一定的粘

3、性，分子间表现出较大的内摩擦力，当受荷载作用时，粘性变形的产生会将一部分能量消耗，但在卸载时这部分能量并不能释放完全，因此会形成一定的残余变形于材料内部。1.2车辙形成过程分析（1）初始阶段的压密在未实施碾压成型前，沥青混合料主要是由沥青、骨料以及空气组成的一种松散混合物，一经碾压，混合物中沥青及沥青与矿粉组成的胶浆会在高温下因处于半流动状态而被挤进矿料间隙中，与此同时骨料会在强力作用下进行结构重新排列，这种新结构拥有一定的密实骨架，且在后期运行过程中经汽车荷载作用这种结构还会进一步密实。（2）沥青混合料的流动沥青混合料在高温环境下处于以粘结为主的半固体状态，其中的沥青及沥青胶浆会在车轮作用下

4、产生流动，进而使混合料因网络骨架的破坏而出现结构失稳。混合物中这部分半固体物质除部分对混合料空隙进行填充外，其余还将随着混合料而自由流动，从而致使压缩变形发生于路面受载处。（3）矿质骨料重排及矿质骨架破坏高溫下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下首先流动，混合料中粗、细骨料组成的骨架逐渐成为在荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，以致流向混合料自由面，特别是当各骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。2、公路沥青混凝土路面车辙形成机理2.1结构型车辙该类车辙主要是由路面基层及路基变形所导致，当在荷载作用下路面各层在强度上无法承受时，路面及路基结构变会

5、因整体下沉而产生永久变形，该类车辙在形态上呈现出“w”字样，通常拥有较大的宽度且两边无凸起迹象，主要是由基础承载力不足而导致的路面结构下沉。实际中一般是因施工过程中沥青混合料的离析而导致，混合料一旦发生离析，其则会因渗水产生的水损害而将面层与基层材料的强度逐渐削弱，最终因路面结构承载了的下降而产生车辙。2.2失稳性车辙由于沥青混合料在车辆荷载的反复作用下其中的沥青膜与粒料颗粒间容易形成较大的剪切力，且该剪切力在夏季高温条件下尤为突出，因此极易造成混合料内部粒料间产生错位，当这种巨大的剪切力超过混合料稳定度极限时，混合料则会因形变的无法恢复与积累而形成车辙。沥青混合料的流动变形特性为产生失稳性车

6、辙的根源所在，在夏季高温环境下，重载、密集的交通量致使混合料产生较大的流动变形。2.3压密性车辙路面结构被压缩而引起的车辙，由于施工质量控制不严，沥青面层本身压实度不足，沥青混合料在施工期间未完全压密，产生了较大的剩余空隙率，因此在通车以后温度一升高，在车辆荷载的反复作用下，继续碾压密实，要想使空隙率趋于稳定，需要经过车辆的反复碾压成型，才能使空隙率缩小，因此导致沥青路面产生了车辙。3、公路沥青混凝土路面车辙形成影响因素3.1内因混合料的黏结力与内摩擦角决定了混合料的强度，一般情况下采用“库仓内摩擦理论”对其在高温下的稳定性与强度进行分析，对于沥青混合料不发生流动性剪切破坏极限的判定，其条件为

7、：式中： 为荷载作用下沥青混合料的抗剪强度；c为材料粘聚力； 为荷载作用的正应力； 为材料内摩擦角。通过嵌挤形成了沥青混合料的内摩擦力，有研究表明：沥青混合料在高温环境下抗车辙能力的60%依靠于集料间的嵌挤而形成。沥青混合料内摩擦角的主要影响因素有：集料颗粒形状、表面纹理深度、矿料最大粒径、破碎颗粒与天然砂含量、大于4.75mm粒径的碎石含量、沥青用量、混合料集料级配与密实度等。沥青混合料粘结力大小的影响因素有：沥青粘度与针入度、沥青与碎石粘结力、沥青感温性、沥青用量与性质、填料种类与粉胶比等。3.2外因公路沥青路面产生车辙的外因主要包括车辆轴载大小、气温高低、长大纵坡车速降低及非正常行驶过程

8、中形成的水平力影响等。沥青混合料的劲度模量随着温度的升高而降低，其抗车辙变形能力也会随之逐渐变小，对于我国高速公路而言，沥青混凝土路面夏天高温季节极易发生车辙病害，但这个高温时段一般持续较短，有时仅为几天。按地理特征分析，我国夏季温度普遍高于3638的严重高温地区占绝大部分，在夏季高温天气里，很多高速公路35d内便会发生严重车辙。分析已有研究成果可知：沥青混合料稳定度随着温度的升高呈幂指数下降趋势，但是随着沥青品质的提升，稳定度下降速率则会越缓。故此，如若采用改性沥青，则混合料的高温敏感性将会得到显著改善（减小）。调研结果显示，我国高速公路在长大纵坡路段沥青混凝土路面车辙病害现象突出，其与我国

9、载重汽车较差的动力性能与爬坡能力（导致车速降低）不无关系。由于沥青属于粘弹性材料，因此在其特性上服从时温等效原理与流变学规律。以劲度表示变形系数，沥青材料在荷载作用下产生应变，若从时间t=0开始加载 ，根据波兹曼叠加原理，沥青混合料变形与时间的函数关系可表达为：若以线性方式叠加不同时段施加荷载所产生的变形，则可表示为：即可按荷载作用时间叠加每次车辆荷载对沥青路面的作用。比如在相同车辆荷载作用下，一辆时速10km/h的车辆对路面作用0.1s的时间，与10辆时速100km/h的车辆的作用时间是相等的，此便为交通量与车速的换算关系。重载车爬坡时的速度越慢，车速越低，其换算的重载车辆也越多。美国沥青路

10、面设计指南提出：“交通速度对路面中的胶结劲度有影响，速度50km/h时的胶结料的视劲度比速度为100km/h时的胶结料的视劲度低，换言之，pg70胶结料在车速50km/h时的劲度大约相当于pg64胶结料在100km/h时的劲度。因此，必须增加胶结料的高温等级以抵消由于车速减慢的影响。”因此，superpave提出通行慢速車辆的长大纵坡路段等路段，需提高1级或2级沥青结料pg等级，来提高劲度模量抵抗车辙。结语：基于以上论述，笔者结合自身专业知识的学习与实践经验的应用，对于公路沥青混凝土路面车辙病害的防治，建议性提出以下几点措施。（1）施工过程中强化管理，通过沥青混合料孔隙率（高速公路与一级公路为

11、2%4%）的实时控制，可有效防止路面结构车辙的发生；（2）路面结构各层间结合不好及中下面层松散断裂等破坏为路面车辙的一个诱发主因。实践证明：一般情况下路面变形明显、车辙深度较大的路段已基本丧失层间粘结作用，路面层间粘结良好的路段则表现出完好的路况；（3）对于sma沥青混凝土路面而言，通过实际合理确定沥青、木质素纤维用量及粉胶比，使混合料内部形成性能良好的胶浆，对于路面抗车辙性能具有明显的提升效果；（4）在确保集料设计级配满足规范要求的前提下，控制关键的4.75mm筛孔的通过率不宜大于30%，1.182.36mm筛孔的石料含量不宜大于3%，如此石料嵌挤作用会因级配曲线呈s形而增强；（5）对于sma沥青混凝土路面抗车