抗车辙沥青路面的设计及应用研究

张 宇

（黑龙江省龙建路桥第五工程有限公司 哈尔滨 150070）

我国高速公路沥青路面普遍存在车辙病害问题，尤其是长大纵坡路段的车辙病害十分严重，不仅妨碍正常的交通，还容易导致交通安全事故［1］。我国高速公路在建设时几乎没有对长大纵坡路段路面结构进行专门的设计，这导致高速公路在后期的运营与管理中需要面对严重的车辙问题。

1 沥青路面车辙病害及成因

通常长大纵坡纵向车辙在坡底及坡顶段附近最为严重，其分布情况与坡度、坡长密切相关，呈现先增长后平缓再增长的趋势［2］。长大纵坡路段的坡度越大，车辙变形越大，当坡度值不大而坡长较大时，坡顶会出现较大的车辙变形。从车道断面来看，每个车道的车辙在轮迹带凹陷，两边伴有隆起，车辙断面呈W形，而且其横向变化与车辆爬坡速度有关，超车道由于行驶速度快，车辙变形较行车道小，同一车道两侧轮胎下车辙变形同样是靠近超车道一侧变形小。从大量沥青路面心样来看，在深度方向上3个面层均有车辙产生，中面层车辙最大，下面层次之，上面层车辙最小；各层永久变形平均比例为上面层占37%，中面层占51%，下面层占12%。

沥青路面的车辙直接表现为沥青混合料的残余累积变形。由于沥青混合料在荷载作用下会产生较大的剪应力和压应力，当沥青混合料的强度无法承受时，会导致沥青路面出现车辙。特别是在高温条件下，由矿料、沥青，以及空气空隙组成的沥青混合料在车辆荷载的作用下会出现沥青及沥青胶浆产生流动现象，逐步填充沥青混合料中的空隙，并向混合料自由面流动，从而导致沥青混合料在剪应力作用下产生剪切流动变形［3］。因此，沥青路面的车辙主要是压应力与剪应力综合作用的结果，对于不同的沥青路面结构或同一沥青路面结构的不同层位，其内部的应力分布是不同的。沥青路面结构研究的目的是结合沥青混合料的性能，将性能优异的材料放置在最佳的位置，并使沥青路面的结构性能达到最优。

2 长上坡路段抗车辙沥青路面的设计思路

2.1 长上坡路段沥青路面结构设计

与普通平坡路段相比，长上坡路段沥青层承受更大的剪应力，在进行沥青路面结构设计时，除了满足规范的要求外，还需要充分考虑沥青路面结构的受力特点进行抗车辙设计。为此，许多学者提出采用加大沥青面层厚度的方法来降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙，使路面的损坏仅限于顶部（25～100 mm），通过定期的表面铣刨、罩面修复，从而确保沥青路面在使用年限内不需要进行结构性重建［4］。

2.1.1 沥青层的组合设计

沥青层是长上坡路段沥青路面的最主要承重层，在交通荷载产生的正向压力和水平推力的作用下形成较大的剪应力，容易导致沥青面层出现车辙问题，但不少学者通过大量的研究指出：当沥青面层的厚度足够大时，裂缝和车辙等病害只会出现在沥青面层的表面，只需对这些表面裂缝和车辙适当处理，即可延长路面的寿命。基于此研究，欧美等国家学者提出了考虑设计标准轴次、荷载、轮胎压力、容易维修、安全耐久的长寿命沥青路面，以降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙。

长寿命沥青路面主要是采用40～50 mm厚的面层、100～175 mm厚的中间层和75～100 mm厚的H MA基层的路面结构体系，高质量沥青混凝土面层可以为车辆提供良好的行驶界面，高模量抗车辙沥青混凝土中间层起到连接和扩散荷载的作用，高柔性抗疲劳沥青混凝土基层可以起到消除疲劳破坏的作用，其中轮载下100～150 mm是高受力区域，也是各种病害（主要是车辙）的主要发生区域，而最大拉应变产生在H MA基层底部，需要控制该层沥青混凝土层的弯拉应变，防止路面过早出现结构性损坏。因此，结合黑龙江地区公路建设的实际情况，建议上面层采用SBS改性沥青的SMA13型混合料，中面层采用RA抗车辙改性沥青的AC-20C型混合料，下面层采用90号普通沥青的AC-25型混合料。

2.1.2 沥青层厚度的推荐

沥青层厚度的设计在满足力学设计要求的情况下，必须按照规范的要求，保证各沥青层的厚度与混合料的公称最大粒径相匹配，即每层最小厚度不小于混合料公称最大粒径的2.5～3倍。

结合国内针对高速公路沥青路面早期损坏研究取得的研究成果，以及黑龙江地区的气候温度以及荷载条件，建议长上坡路段高速公路沥青路面沥青层的总厚度不小于18 c m。

2.2 长上坡路段沥青混合料设计

路面沥青混合料表现出的性能与其所处的路面层次位置和荷载的大小有着重要的关系。根据大量沥青路面车辙变形监测结果分析可知，车辙一般产生在表面以下10 c m范围内，低于路面以下18 c m的沥青混合料，车辙变形影响不再是一个重要问题。就混合料性能而言，沥青混合料的变形主要是由于材料的侧向移动所引起的，而不是密度增加的原因，即当基层具有足够的承载力时，路面沥青混合料的剪切力不足造成的横向蠕动变形对车辙的影响远大于纵向压缩变形的影响。因此，为提高沥青混合料的高温稳定性，必须首先保证粗细集料具有较好的棱角性，而且要使沥青混合料中粗集料形成嵌挤的结构状态，并采用优良的改性沥青和抗剥落剂，确保沥青路面压实后具有适当的孔隙率，从而形成一个具有良好抵抗车辙性能的沥青混合料。

3 抗车辙沥青路面技术的工程应用

3.1 抗车辙沥青混合料的配合比设计及性能

在对沥青混合料抗车辙能力的研究中，很多研究成果表明，骨架密实型级配具有良好的抗车辙能力，这也是现行《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40－2004推荐的级配形式［5］。笔者按照多级嵌挤密级配设计方法对绥牡高速公路K104＋000～K107＋000路段中面层抗车辙混合料进行设计，以粗集料嵌挤、细集料填充的原则设计形成了骨架密实型级配，见图1。

图1 AC-20C目标配比合成级配曲线

沥青混合料结合料的类型对沥青混合料的抗车辙能力具有一定的影响，为此对90号普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料和掺加RA抗车辙剂的90号普通沥青混合料的路用性能进行试验测试和分析，测试结果见表1。

表1 3种不同类型沥青混合料的路用性能指标测试结果

由表1可见，RA抗车辙剂沥青混合料的各项性能指标均能满足规范的要求，其动稳定度远大于其他2种混合料，达到SBS改性沥青混合料的3倍，表明RA抗车辙剂对改善90号普通沥青混合料的高温稳定性能具有显著效果。从马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度和残留稳定度3个指标来看，3种沥青混合料均能符合规范规定要求，RA抗车辙剂沥青混合料的水稳定性与SBS改性沥青混合料基本持平，明显优于普通沥青混合料。冻融劈裂强度试验结果反映出RA抗车辙剂沥青混合料的抗水损坏能力较其他2种混合料都差，可能是由于RA抗车辙剂颗粒的温度敏感性比矿料大，当混合料经过高低温循环作用后，RA抗车辙剂颗粒会由于热胀冷缩作用而降低混合料的强度，而且RA抗车辙剂颗粒的比表面积大，可能会导致石料表面沥青膜减薄，致使RA抗车辙剂改性沥青混合料冻融劈裂强度降低。从弯曲试验可以看出，SBS改性沥青混合料的低温性能最好，RA抗车辙剂沥青混合料次之，但能满足规范的要求，而90号沥青混合料的弯曲试验破坏应变则不符合规范要求，这表明RA抗车辙剂沥青混合料在大幅地提高高温性能的同时，也能兼顾改善沥青混合料的低温抗变形能力，是一种较为优良的抗车辙混合料。

3.2 抗车辙沥青路面施工及经济性分析

RA抗车辙剂试验路的施工主要包括RA抗车辙剂的储存及工作面准备、拌制、运输、摊铺、压实、接风处理等工序，其中最重要的是对RA抗车辙剂添加和沥青混合料拌和、施工、摊铺及碾压温度的控制。由于RA抗车辙剂主要采用“干法”拌和施工，“干拌”时间控制在8～10 s，“干拌”达到规定时间后放入沥青进行“湿拌”45 s，从而充分发挥高温集料对RA改性剂的搓揉和剪切作用，使改性剂迅速熔化，其改性作用得到较好发挥［6］。为保证RA抗车辙剂试验路的施工质量，在工程施工中必须对混合料拌和、施工、摊铺及碾压温度进行严格控制，按照表2的要求进行施工。

表2 RA沥青混合料拌和、施工、摊铺及碾压温度汇总

试验段施工完毕后，采用压实度、渗水系数、平整度和摩擦系数等指标对试验段的路面使用性能进行检验和质量评价，检测结果表明，RA抗车辙沥青路面的强度、水稳定性各项指标均有大幅提高，而且具有较好的抗滑性能，能够保证路面的正常使用。此外，对试验段的抗车辙能力进行的观测结果表明，RA抗车辙沥青混合料的动稳定度基本都在10 000次／mm以上，远大于改性沥青混合料4 000次／mm左右的动稳定度，具有良好的抗车辙性能。

本工程中RA抗车辙剂的掺加量为沥青混合料质量的0.3%～0.5%，沥青混合料的价格只需要增加90元／t左右，而SBS改性沥青是在基质沥青中掺加5%的SBS改性剂，其加工成本为800元／t左右，折算成沥青混合料需要增加100元／t左右，这表明RA抗车辙沥青混合料的成本低于SBS改性沥青混合料，而高温稳定性则远高于SBS改性沥青混合料，具有良好的性价比，有较大的推广应用价值。

4 结论

沥青路面的车辙与路面材料、路面结构密切相关，路面车辙直观表现为路面的变形，而根本原因是沥青路面结构的荷载及应力水平。因此，抗车辙沥青路面的设计应从沥青混合料和路面结构组合两方面入手，通过对路面结构的分析，加大沥青层厚度，从理论上达到长寿命沥青混凝土的要求，并通过对沥青混合料级配优化与胶结料性能改进等方面提高其高温稳定性，从而使沥青路面具有较好的抗车辙能力，延缓车辙的产生。在实际工程中，还应严格控制抗车辙沥青混合料拌和、施工、摊铺及碾压的温度，保证沥青路面的施工质量，从而改善沥青路面的路用性能。

［1］ 韩 萍，张晓燕，段丹军.祁临高速公路长大纵坡路段车辙处治技术研究［J］.中外公路，2011，31（5）：51-54.

［2］ 俞文生，李 昶.陡坡路段沥青路面车辙特性分析［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2009，28（6）：1028-1032.

［3］ 周 禹，咸红伟，桂 岚.改性沥青混合料抗车辙性能研究［J］.科学技术与工程，2011，11（12）：2863-2866.

［4］ 李海青，霍永成.呼和浩特市绕城高速公路重交通路段抗车辙路面结构及材料设计方法研究［J］.公路交通科技：应用技术版，2012（6）：94-97.

［5］ 黄开宇，吴超凡，彭红卫，等.抗车辙骨架密实性沥青混合料配合比设计方法研究［J］.公路工程，2010，35（1）：88-93.

［6］ 张业茂，胡光伟，赵锡娟，等.掺加抗车辙剂改性沥青混合料高温性能研究［J］.公路，2012（9）：178-183.