关于沥青混凝土路面车辙产生成因分析

【摘要】沥青混凝土路面是目前高速及干线公路常用的柔性路面，随着高速公路的陆续建成并投入运营后，沥青路面早期损坏较为普遍，本文探讨了沥青混凝土路面裂缝成因分析与防治。

【关键词】沥青混凝土；路面；车辙

1.沥青混凝土路面概述

沥青混凝土路面指的是用沥青混凝土作面层的路面。经人工选配具有一定级配组成的矿料（碎石或轧碎砾石、石屑或砂、矿粉等）与一定比例的路用沥青材料，在严格控制条件下拌制而成的混合料。分类沥青混凝土按所用结合料不同，可分为石油沥青的和煤沥青的两大类；有些国家或地区亦有采用或掺用天然沥青拌制的。按所用集料品种不同，可分为碎石的、砾石的、砂质的、矿渣的数类，以碎石采用最为普遍。按混合料最大颗粒尺寸不同，可分为粗粒（35～40毫米以下）、中粒（20～25毫米以下）、细粒（10～15毫米以下）、砂粒 （5～7毫米以下）等数类。各国对沥青混凝土制订有不同的规范，中国制定的热拌热铺沥青混合料技术规范，以空隙率10%及以下者称为沥青混凝土，又细分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型的孔隙率为3（或2）～6%，属密级配型；Ⅱ型为6～10%，属半开级配型；空隙率10%以上者称为沥青碎，属开级配型；混合料的物理力学指标有稳定度、流值和孔隙率等。

配料沥青混合料的强度主要表现在两个方面：

一是沥青与矿粉形成的胶结料的粘结力；另一是集料颗粒间的内摩阻力和锁结力。矿粉细颗粒（大多小于0.074毫米）的巨大表面积使沥青材料形成薄膜，从而提高了沥青材料的粘结强度和温度稳定性；而锁结力则主要在粗集料颗粒之间产生。选择沥青混凝土矿料级配时要兼顾两者，以达到加入适量沥青后混合料能形成密实、稳定、粗糙度适宜、经久耐用的路面。配合矿料有多种方法，可以用公式计算，也可以凭经验规定级配范围，中国目前采用经验曲线的级配范围。沥青混合料中的沥青适宜用量，应以试验室试验结果和工地实用情况来确定，一般在有关规范内均列有可资参考的沥青用量范围作为试配的指导。当矿料品种、级配范围、沥青稠度和种类、拌和设施、地区气候及交通特征较固定时，也可采用经验公式估算。制备工艺热拌的沥青混合料宜在集中地点用机械拌制。一般选用固定式热拌厂，在线路较长时宜选用移动式热拌机。冷拌的沥青混合料可以集中拌和，也可就地路拌。沥青拌和厂的主要设备包括：沥青加热锅、砂石贮存处、矿粉仓、加热滚筒、拌和机及称量设备、蒸汽锅炉、沥青泵及管道、除尘设施等，有些还有热集料的重新分筛和贮存设备（见沥青混合料拌和基地）。拌和机又可分为连续式和分批式两大类。在制备工艺上，过去多采用先将砂石料烘干加热后，再与热沥青和冷的矿粉拌和。

2.沥青混凝土路面车辙机理的形成

车辙类型.根据车辙形成原因的不同，车辙可分为两大类型：（1）失稳型车辙.这类车辙主要发生在半刚性或刚性基层沥青路面上，车辙主要源于沥青面层，由于沥青面层混合料的高温稳定性不足，在车轮荷载反复作用下，产生压缩和剪切流动。通常轮迹带的沥青面层在下凹的同时，两侧伴随着隆起，二者组合起来构成车辙。（2）结构型车辙.这类车辙是由于路面结构在荷载反复作用下产生的整体永久变形而形成。这类车辙主要发生在柔性基层沥青路面上，其外形主要表现为路面下凹。车辙形成过程. 纵观车辙的形成过程，大体上可分为三个阶段：初始阶段的压密过程：在沥青路面碾压成型开放交通以后，沥青面层以及各结构层材料中均存在一些空隙，在汽车荷载作用下。仍会有进一步的压密过程。沥青混合料的流动过程：高温下的沥青混合料处于以粘性为主的粘弹性状态，在车轮荷载作用下，沥青及沥青胶浆便产生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。而向两侧隆起。矿质集料的重新排列及矿质骨架的破坏：高温下处于半固体状态的沥青混合料，由于沥青及沥青胶浆在荷载作用下的流动，此时矿质骨架逐渐成为荷载的主要承担者，再加上沥青的润滑作用，矿质集料会产生错动，促使沥青及胶浆向其富集区流动。

3.沥青混凝土路面车辙成因分析

通过现场调查并进行路面钻芯和切割取样分析，综合室内试验结果分析得出车辙产生的原因，总体来说车辙产生的因素可分为外因和内因两个方面：1.外部因素分析：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。1）高温对车辙的影响：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。通过调查发现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。2）超载和车流量对车辙的影响：同轴载作用下沥青层内剪应力理论研究表明；车辙产生的主要原因之一是在车轮竖向和水平荷载作用下，沥青层内产生剪应力，致使沥青混合料产生剪切变形，不可恢复变形的不断累积形成车辙。以半刚性基层沥青混凝土路面作为典型结构，采用有限元力学计算分析方法分析了不同轴载对沥青路面车辙的影响。从上面的分析不难发现随着车辙试验的轮压增大时，车辙次数降低，但是轮压与车辙次数并不是简单的线形关系，只是随着轮压的增加，车辙次数下降速度加快，当轮压小于设计压强时，车辙次数大幅提升。3）渠化交通的影响：高速公路渠化交通是产生车辙并进一步加剧的一个重要因素。车辙形成因素的几个外因中，按照分析及实际观测，温度与荷载影响最大，车速与交通渠化对车辙的影响位于其次。当然形成车辙的外部影响因素并不能完全解释车辙形成原因，还必须通过内部因素分析2.内部因素影响。结构方面：根据高速公路沥青面层厚度的调查，通过有限元计算方法分析，选取了8cm，12cm，15cm和18cm四种面层厚度，得到不同厚度时沥青面层的剪应力计算结果表明：①面层厚度变化对沥青面层剪应力的影响很小。②最大剪应力值位于2-9cm范围，即中面层是承受剪应力主要层次，从现场切割的断面也可以验证这一点。③当沥青层厚度超过18cm时，沥青面层与基层间所受的剪应力趋于零。④沥青面层厚度越小，沥青面层与基层的层间剪应力越大。原材料性质及材料设计方面的影响：①沥青材料性质的影响：优质沥青的使用提高了路面的使用性能。课题组对70号沥青、SBS改性沥青和TLA改性沥青（30：70）混合料进行了车辙的室内试验对比，采用级配类型为AC-20，设计方法采用GTM设计，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。施工质量控制及路面均匀性的原因：目前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：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。

参考文献：

【1】沙青林《公路沥青路面早期破坏现象及预防》人民交通出版社2001.3

【2】沈金安《公路沥青路面早期损坏分析及预防措施》。人民交通出版社，2004.12

【3】《公路沥青路面养护技术规范》人民交通出版社，2001

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