高速公路沥青路面车辙产生机理分析

刘 丽

(河北锐驰交通工程咨询有限公司)

1 前 言

车辙是渠道化交通的高等级公路沥青路面的主要损坏类型之一,一般在温度较高季节,沥青面层在车辆的反复碾压下产生永久变形和塑性流动而逐渐形成。通常是在伴随着沥青面层压缩沉陷的同时,出现侧向隆起,二者组合起来构成车辙。当车辙达到一定深度时,由于辙槽内积水极易发生汽车飘滑而导致交通事故。我国有相当多的高速公路沥青路面不得不因为车辙而进行大面积铣刨修补。

通过对河北省境内石黄(石家庄—黄骅)、京沪、京秦等几条高速现场沥青路面车辙的调查及路面钻芯和切割取样分析以及室内试验结果分析得出产生车辙的原因。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。

2 外部因素分析

2.1 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的因素,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,研究发现,当路表温度从 35℃升高到 65℃时,表面层沥青混合料的劲度模量从 700 MPa下降为不足 100MPa;中面层温度从 28℃升高到 55℃,中面层劲度模量从 900MPa下降到不足 200MPa;下面层温度从 25℃升高到 50℃时,下面层劲度模量从 1 000MPa降到不到 200 MPa,都是成 5～7倍下降,在相同车辆和在同等荷重作用下,同一种沥青混合料高温时模量低,更易产生较大的蠕变变形,形成车辙,因此,高温对车辙的影响非常显著。

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,尤其是在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。对河北省的天气温度与路面温度的关系进行了测定。

面层内部温度大部分时间段低于路表温度,但是随着气温的降低,路表温度随之降低很快,而沥青层内部温度下降趋势较缓,并且距离路表越深的沥青层,温度越不易散发,距离路表 15 cm处的沥青层温度趋于平缓,并未随气温的下降而下降,所以说,高温时间一旦持续且环境干燥无雨,就会快速在沥青层内积聚热量,使得整个沥青层都处在高温环境中,很容易导致车辙病害的发生。

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。

根据河北省气温变化的不同,拟定了 54℃、57℃、60℃、63℃、66℃、69℃六种不同环境温度进行同种级配不同沥青的动稳定度试验,试验结果见表 1、2。

表 1 AH-70沥青混合料不同温度的动稳定度值

表 2 SBS改性沥青混合料不同温度的动稳定度值

如表 1、表 2所示,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。

2.2 超载和车流量对车辙的影响

(1)不同轴载作用下沥青层内剪应力理论研究。

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。

对计算结果的分析,无论在平坡还是在上坡路段车辆轴重越大,剪应力越大。车辆在平坡路段行驶时,如图 1所示,当车辆轴重从100 kN增加到 150 kN、200 kN时,最大剪应力由 0.157MPa增加为 0.232 MPa、0.308 MPa,分别增加了48%和 96%,在深度 4～6 cm范围内剪应力较大。当车辆在上坡路段行驶时,以 4%坡度为例,剪应力曲线的形态与平坡路段时基本相同,当车辆轴重从 100 kN增加到 150 kN和200 kN时,最大剪应力由 0.274 MPa增加为 0.400 MPa和0.527MPa,分别增加了 46%和 92%,当坡度为 6%时最大剪应力分别增加了 48%和 96%。

图 1 不同轴重在平坡路段的剪应力分布图

通过上述分析发现,随着轴重增加,剪应力几乎按照相同的比例增大,即剪应力与车辆轴重近似地表现为 45°线性递增的比例关系。

(2)不同轴载作用下沥青混合料动稳定度室内试验分析。

在室内对不同荷载作用下动稳定度次数进行了试验。

为研究荷载对动稳定度的量化性影响,选取三种沥青混合料,分别进行 0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa三种压力下的车辙试验,发现在标准温度 60℃下动稳定度与轮压成指数关系,试验结果如表 3。

表 3 不同压力下动稳定度次数

可以看出,荷载对动稳定度的影响是非常大的。当荷载由 0.7MPa增加到 1.1MPa时,动稳定度几乎要降低一倍,路面在重载车作用下,沥青混合料抗剪强度远远超过允许值,造成路面流动性车辙。

通过进行室内实验比较不同荷载情况下沥青混合料的动稳定度变化情况,最佳用油量的确定分别采用 GTM法和马歇尔试验方法,GTM采用三种不同的设计压强 0.7MPa、0.9 MPa、1.1 MPa,车辙试验采用三种轮压 0.7 MPa、0.9MPa、1.1MPa分别进行,试验结果如表 4。

表 4 不同荷载作用下车辙试验对比结果

从上述试验结果可以看出,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%;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 DS为 1 087,而 GTM 0.7的 DS为 1 248,GTM 0.9的DS为 2 242,GTM 1.1的 DS为 3 217,分别是马歇尔重载设计的 1.15、2.06、2.96倍。

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。

2.3 上坡路段易出现车辙

山区高速公路连续大上坡路段易出现车辙,因为车速慢,荷载作用时间长,由于车速降低与温度升高的等同性,所以上坡路段较平坡更易产生车辙。

根据车速与坡度和坡长变化关系的分析,车辆的行驶速度将随着坡度和坡长的增加而不断降低,车速降低将会使轮胎对路面的荷载作用时间延长。根据标准车在不同坡度时的平均车速,计算了荷载作用时间和等效的荷载作用次数,如表 5所示。通过平路和上坡路段荷载作用次数的比较,可见对于上坡路段,车辆的行驶速度越低荷载的等效作用次数越大。

表 5 不同坡度时车辆的荷载作用次数

车速降低除了对荷载作用次数的影响外,还会降低沥青混合料的劲度模量。车速降低对剪应力的影响表现为荷载等效作用次数的增加和沥青混合料劲度模量的降低,车速越低对剪应力的影响越显著。

2.4 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车辙的一个重要因素。

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。

3 内部影响因素

3.1 结构方面

(1)路面厚度。

根据国内高速公路沥青面层厚度开展广泛调查。通过有限元计算方法分析时,选取了四种面层厚度,分别为8 cm,12 cm,15 cm和 18 cm,得到不同面层厚度时沥青面层的剪应力计算结果,如图 2所示。

通过图 2可见:面层厚度变化对沥青面层剪应力的影响很小。最大剪应力值位于 2～9 cm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。当沥青层厚度超过 18 cm时,沥青面层与基层间所受的剪应力趋于 0。沥青面层厚度越小,沥青面层与基层的层间剪应力越大。

图 2 不同面层厚度时车轮荷载作用下沥青面层剪应力分布

研究表明,沥青层的适宜厚度应在 18～20 cm,可以兼顾造价和路面的使用性能;同时在确定沥青路面结构时应进行抗剪试验,将抗剪强度作为路面设计的主要指标之一。

(2)沥青路面面层模量对车辙的影响。

温度越高,沥青混合料的劲度模量越低,材料就容易产生严重的流动变形。利用有限元方法就面层劲度模量对剪应力的影响进行了研究分析。为分析沥青面层劲度模量对剪应力的影响,对表面层、中面层和下面层沥青混合料的模量假定了六种组合,如表 6所示。

表 6 沥青混合料结构层的劲度模量组合

计算这六种面层模量组合采用的荷载为后轴轴重100 kN的标准车,在 4%坡度的上坡路段行驶时对路面的平行和垂直荷载,利用有限元计算方法得到的剪应力在最大值所在横断面上随深度的分布如图 3所示。

图 3 不同组合时面层剪应力分布

从图 3可见,随着劲度模量降低,剪应力将会随之减小,图中不同劲度模量的剪应力曲线形态都非常相似,最大值一般均发生在路表下 40～50mm范围内。高温会造成沥青混合料劲度模量的下降,降低路面抗剪强度,是造成路面车辙病害的主要因素,因此为了提高路面抗剪强度应该采用高模量的沥青混凝土。

3.2 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。

优质沥青的使用极大提高了路面的使用性能。课题组对 70#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,试验结果如表 7。

表7 不同沥青种类对车辙影响分析

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矿料的最重要特性,几乎影响到沥青混合料的所有重要特性。对从现场取回的芯样进行了室内的抽提筛分试验。结果发现,车辙较轻的宣大高速公路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 4.75 mm、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。而车辙较严重的保津高速公路较设计级配 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。从试验可以得出,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。在施工过程中应添加一部分水泥、石灰或者抗剥落剂提高粘附性,可以有效提高沥青混合料的高温性能。在室内进行了GTM配比设计和车辙试验,试验结果如表 8。

表 8 AC-25沥青混合料车辙试验结果

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。就针片状对于高温性能的影响进行了研究。针片状含量对高温稳定性的影响采用车辙试验评价,在评价针片状含量对高温稳定性的影响时采用了两种级配,都采用石灰岩石料,沥青采用普通重交道路沥青。试验结果见表9。

表 9 针片状含量对高温稳定性的影响

从进行的车辙试验分析: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。

3.3 施工质量控制及路面均匀性的原因

(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)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。

4 结 论

(1)通过实际调查、室内外试验和理论分析,影响高速公路车辙病害的主要因素中外部因素是重载、高温、路线纵坡,内部因素是沥青混合料的质量及原材料质量。在各种外部因素中,高温、重载的影响居于首要位置,是造成路面车辙的重要因素。对于导致车辙病害的内部因素而言,沥青混凝土的配合比设计是最主要的因素。对于沥青路面的抗车辙结构层应选择骨架密实型的矿料级配,使用改性沥青可以有效提高路面的抗车辙性能。

(2)根据车辙实际调查和使用效果以及沥青混合料动稳定度试验和沥青层内剪应力理论分析,推荐中、上面层的动稳定度不应小于 3 600次 /mm。

(3)在典型半刚性基层路面结构情况下,沥青面层的抗剪强度应该作为结构设计的主要指标。通过抗剪计算分析和试验研究,沥青面层厚度在 18～20 cm为宜,其中 2～9 cm为剪应力最大区间;根据课题研究,建议将沥青混凝土 55℃的抗剪强度作为面层结构设计主要设计参数。

(4)纵坡较大的路段应专门进行路面结构层的抗剪设计。平原区最大纵坡在 4%时,设计抗剪指标应该增加 76%。山岭重丘最大纵坡在6%时,设计抗剪指标应该增加 127%。

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