沥青路面车辙破坏形式及成因分析

沥青路面车辙破坏形式　分析　张晓丽　（邢台路桥建设总公司，河北邢台０５４００１）　摘要：通过对沥青路面车辙的现场调查、路面钻芯和切割取样分析以及室内试验结果．得出车辙产生的原因．可为沥青　路面车辙破坏的防治工作提供参考依据。　关键词：沥青路面；车辙；车流量；矿料级配　中图分类号：Ｕ４１８．６８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—４７８６（２０１０）０８—０１６９—０３　ＤｏＩ：１０．３８６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—４７８６．２０１０．０８．０２６　Ｒｕｔｔｉｎｇ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｍｏｄｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　Ｃａｕｓｅｓ　ｉｎ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　ＺＨＡ　Ｇ　Ｘｉａｏ－ｌｉ　（Ｘｉｎｇｔａｉ　Ｈｉｇｈｗａｙ＆Ｂｒｉｄｇｅ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｉｎｇｔａｉ　０５４００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｃｏｒｅ—ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄ　ｌａｂｏ—　ｒａｔｏｒｙ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｒｕｔｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｒｕｔｔｉｎｇ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆ－　ｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｗｏｒｋ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｒｕｔｔｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ；ｒｕｔｔｉｎｇ；ｖｅｈｉｃｌｅ　ｆｌｏｗ；ｍｉｎｅｒａｌ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ｇｒａｄａｔｉｏｎ　１　沥青路面车辙的主要破坏形式　伴随有流动性车辙，车辙深度不好界定。　车辙是指轮迹带由于沥青层的再压密或剪切变　路基破坏性车辙主要形成原因是路基沉降不均　形而逐渐形成的不同程度的辙槽。车辙问题是高速　匀，这类车辙一般发生在软土地基路段或者高填方　公路最普遍的沥青路面损坏现象，沥青路面的维修　路段．主要特征是发生车辙路段内有纵向裂缝。　养护．有８０％是车辙变形引起的，车辙病害的维修　１．１．１．２　流动性车辙　比较困难，其养护方案的设计不仅涉及到沥青的表　高温时在荷载反复作用下，荷载应力超过沥青　面层，还涉及到沥青路面的中、下面层。　混凝土的稳定极限。沥青混凝土的极限稳定性是指　１．１　车辙类型及产生机理　在高温条件下，沥青混合料抗流动变形的能力主要　１．１．１　车辙类型　取决于沥青混合料的抗剪强度。荷载应力超过沥青　１．１．１．１　结构性车辙　混合料的抗剪强度时，沥青混凝土会产生流动变　南于荷载产生的剪应力超过路面各层的抗剪强　形。流动变形不断累积形成车辙，这类车辙称为流　度，引起沥青面层以下包括路基在内的各结构层的　动性车辙。破坏形式表现为车轮作用部位下凹，车　永久性变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较　轮两侧向上隆起，弯道处产生推挤，车道标线会因　大，两侧没有隆起现象，横断面呈Ｖ型（凹型），　此而变形．这种变形易发生在上坡路段、交叉口附　可以分为基层破坏性车辙和路基破坏性车辙。　近，即车速慢、轮胎接地产生的横向应力大的地　基层破坏性车辙主要是由于基层承载力不够或　方。这种车辙深度一般会超过３０ｒａｍ，但是下面的　者水稳定性较差引起的，这类车辙的主要特征是车　基层没有任何形变。　辙内有唧浆现象，车辙深度超过１０ｍｎｌ，但是一般　１．１．１．３　压密性车辙　秘ＡＬＦ　酾Ａｕ　２ｏｌｏ（Ｎｏ－２２６）　还有一种车辙是由沥青面层本身的压密造成　的，这是非正常的车辙。由于施工时没有充分的压　实，致使通车后第一个高温季节沥青混合料会继续　压密，在交通车辆的反复碾压下沥青混凝土的空隙　率变小，待到极限的残余空隙率出现后才趋于稳　定。这种车辙两侧没有隆起，只有中间部分下凹．　呈Ｖ型或Ｗ型　１．２　车辙产生机理　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。考虑到沥青混合料具有粘弹性效应，　其蠕变寿命不仅依赖于重复施加的应力水平，也明　显依赖于环境温度。车辙与路面温度密切相关，在　高温情况下，沥青混合料属粘弹塑性体，在车辆荷　载作用下，较少的作用次数就可造成较大的永久变　形，从而引起路面行驶质量下降、行车安全性降　低：相反，当路面温度很低时，沥青混合料处于弹　性状态，同样的车辆荷载和作用次数只能产生很少　的车辙或根本不产生车辙。　２．２　超载和车流量　沥青路面车辙的防治都是对流动性车辙而言．　因为使用半刚性基层的路面很少出现结构性车辙．　压密性车辙很大部分也属于流动性车辙。从力学角　度将沥青路面作为一个受力体系分析：沥青路面在　荷载作用下主要受到垂直压力和剪应力的作用。其　中剪应力是导致半刚性基层路面破坏的主要因素　一汽车超载现象的普遍性，也是造成车辙的一个　原因。河北省目前的沥青路面面层一般都为１５ｃｍ，　有研究人员对１５ｃｍ面层的沥青混凝土路面在不同　轴重下所受的剪应力进行了分析．得出了剪应力分　布曲线，如图１所示。图中从下往上相应的轴重分　２　８　２　５　２；　段已经成型的沥青路面，其抗剪强度是一定的．　因此路面所受到的剪应力大小就决定了路面的最终　状况。根据库仑的内摩擦理论，沥青混合料不发生　流动性变形的条件是：沥青混合料的抗剪强度大于　别为ｌＯＯｋＮ～１８０ｋＮ　２　９　６　３　其所受的剪应力。抗剪强度计算公式如下：　丁＝ｃ＋ｏ’ｔａｎ西　羹　东　．．　式中：７＿——抗剪强度：　ｃ——材料的粘聚力：　——．／ｒ　‘　荷载作用下产生的正应力：　株度（ｃｍ）　西——材料的内摩擦角。　从库伦公式可以看出，影响剪应力大小的主要　有三个指标，即材料的粘聚力Ｃ、荷载作用下的正　图１　不同轴重下路面各层剪应力分布图　由图１可以看出，在面层表面４ｃｍ范围内，轴　载增加对剪应力值影响较小；在表面下１０ｅｍ　１５ｃｍ范　围内，轴载增加对剪应力值的影响趋于稳定。剪应　力存在一个峰值，且峰值随着轴重的增加．产生的　部位加深。在表面下４ｃｍ～１０ｃｌｎ范围内的剪应力值最　大，特别是在重轴载下：在表面下ｌＯｃｍ￣１５ｃｍ范围内　应力ｒ，及材料的内摩擦角（ｂ。其中影响ｃ值的因素包　括：沥青的性质、粉胶比、集料表面纹理、集料粘　附性以及温度等；影响ｒ，值的主要是荷载的作用：　影响（ｂ值的因素包括矿料级配、沥青用量、集料的　纹理等　因此，要使路面有较强的抗车辙性能，必须从　温度、荷载、材料的性质以及沥青混合料的组成等　各方面综合考虑，设法降低路面所受的剪应力．提　高沥青混合料的抗剪强度，从而提高沥青混合料的　高温稳定性　２　外部因素分析　的剪应力值最小。由上述分析可知：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。剪应力越大，剪切变形及辙槽越严重。　２．３　上坡路段　山区高速公路的连续大上坡路段易出现车辙，　因为车速慢、荷载作用时间长以及车速降低与温度　外部因素主要包括高温、重荷载、渠化交通、　车流量、路面坡度，其中高温和重荷载是两个影响　最大、最普遍的因素。　２．１　高温　升高的等同性，所以上坡路段较平坡更易产生车辙。　关于车速降低对车辙影响的大小。单从理论上　分析，沥青混合料作为一种粘弹体．遵从流变学的　温度与时间的换算法则，当车速为ｌＯＯｋｍ／ｈ时，　１５ｃｍ厚沥青混合料层底部荷载作用时间为０．Ｏｌｓ，　荷载和温度是路面产生车辙的两个重要因素．　鑫　；２ｏｌｏ（　２　）　而车速降至１０ｋｍ／ｈ时，荷载作用时间增加到０．１ｓ，　集料对沥青混合料的高温性能更重要。　也就是说相同数目、相同轴载的车辆通过时．车速　３．１．２　沥青　越慢，对路面造成的影响越大，但是产生车辙的破　沥青在沥青混合料中虽然只占有５％左右的比　坏程度并不与荷载作用时间成正比，因为从上坡路　例，但是却是不可缺少的重要组成部分，主要起着　段的路面车辙破坏实际观测结果来看，车速对车辙　提高粘结强度和抵抗温度变形的作用。河北省的高　的影响远远小于高温及重载对车辙的影响。　速公路建设中沥青材料的使用也经过了几个阶段：　２．４　渠化交通　在２０世纪９０年代初期主要采用国产的ＡＨ一９０沥青，　高速公路渠化交通是产生车辙并进一步加剧车　从石安高速公路建设开始使用进口的含蜡量低的　辙危害程度的一个重要因素。我国的路面设计规范　ＡＨ一９０沥青，从宣大高速公路建设开始使用改性沥　是以累计交通量来控制路面的使用寿命。由于河北　青并同时进行了大量天然改性沥青的研究，包括北　省目前的高速公路大多为双向四车道，车辆一般都　美硬沥青、特立尼达湖沥青、印度尼西亚ＢＵＴＯＮ　在行车道行驶，造成对行车道的反复碾压。沥青混　岩沥青等．这些优质沥青的使用极大提高了路面的　合料作为一种弹塑性材料，其回弹需要一个过程，　抗车辙性能。　而大量车向一个方向持续运动，使得剪切应变产生　３．２　设计　累积，最终造成推移和车辙变形。而在一些国道和　３．２．１　沥青混合料面层厚度及空隙率　低等级道路，其交通量和高速公路差不多，同时设　首先是路面厚度及空隙率变化，即沥青混合料　计施工水平低于高速公路，但是车辙病害没有高速　的车辙产生位置及体积指标对车辙的影响。研究表　公路严重．也说明了渠化交通对车辙的影响比较严　明，空隙率对车辙的影响非常大。新的沥青路面施　重。经交通部重载交通抗车辙沥青路面设计研究的　工技术规范规定，巾轻交通的高速公路设计空隙率　ＡＬＦ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ　Ｌｏａｄｉｎｇ　Ｆａｃｉｌｉｔｙ，大型足尺路面加　是３％～５％．重载交通高速公路设计空隙率应适当　速加载试验仪）试验发现，荷载分布越窄，交通渠　提高到４％～６％，并规定对空隙率大于５％的夏季炎　化越严重，车辙深度就越大。　热地区重载交通路段，施］二时压实度应至少提高１　在车辙形成的几个外因中，按照分析及实际观　个百分点。空隙率是沥青结合料填充集料间隙后剩　测，温度与荷载对车辙影响最大，车速与交通渠化　余的空间，因此为了得到合理的设计空隙率，必须　对车辙的影响位于其次。其中温度是相对于河北省　要有合理的集料间隙率ＶＭＡ，如果ＶＭＡ过大，仅　来说，如果针对一些寒冷地区，夏季高温时问短，　仅通过调整沥青用量以达到目标空隙率的做法是不　高温的影响就不那么重要。其实高温对车辙的影响　对的．可能会导致沥青用量偏大而引起路面车辙。　并不是避免不了，采用改性沥青就是一种很好的应　德国专家提　．设计空隙率与夏季温度有关，夏季　对高温天气的措施。当然形成车辙的外部影响因素　温度越高．设计空隙率应该预留得越高。　并不能完全解释车辙形成原因，还必须分析内部影　３．２．２　沥青混合料级配及用油量　响因素。　级配是沥青混合料中矿料的最重要特性，几乎　３　内部影响因素　影响到沥青混合料的所有重要特性，包括劲度、稳　３．１　材料　定性、耐久性、渗水性、施工和易性、抗疲劳能　３．１．１　集料　力、抗滑能力甚至抗开裂能力。根据美国沥青路面　集料在沥青混合料中一般都占９５％左右，是沥　协会ＮＡＰＡ的资料显示，高压力作用下，一个稳定　青混合料强度产生的主要来源，根据库仑公式可以　的混合料抵抗高温车辙的抗力８０％是由集料骨架结　知道，良好的集料可以提高沥青混合料的内摩擦　构提供的，其余２０％由沥青胶结料提供，虽然有些　角．最终提高沥青混合料的抗剪强度。通常破碎、　片面夸大了矿料结构的作用，但也足以说明矿料结　坚硬、纹理粗糙、多棱角、颗粒接近立方体的集　构在沥青｝昆合料中的重要作用。　料，相应的高温性能比较好。研究表明，在集料的　作者简介：张晓丽（１９７６一），女，工程师，主要从事公路工　组成中，破碎的细集料比破碎的粗集料对改善沥青　程施工管理方面的研究。　混合料的高温性能更有利，而且中等颗粒采用破碎　收稿日期：２００９—１１—３０　ｓ　９　ｓＴＡ　ｌ】Ａ　》　Ａ瓤０　Ｈ　Ｌｆ’０ｌ　Ａｕｇ　ｌ０（ｆ　２６）　１１７１Ｉ