沥青路面永久变形研究

张涛

【摘 要】本文概述了沥青路面的优点及国内的应用情况，并针对实际沥青路面出现的车辙病害，调查研究了沥青路面车辙损坏的机理，分析其影响因素，并合理的给出一些建议。

【关键词】沥青路面；车辙；永久变形机理；影响因素

1.概述

高等级公路中，沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，具有力学强度高、路面平整度高、耐磨和抗滑性能好、噪音低、无扬尘、养护方便以及易于回收利用等优点[1]。因此在世界各国公路建设中得到广泛应用，我国已投入使用的高速公路中沥青路面占到95%以上。随着交通量的增加，车辆的增加，平均车速的提高，沥青路面早期破坏日益严重，沥青路面的车辙问题最为集中。由于车辙在雨天中形成了路面积水，直接影响了行车的舒适性和安全性，增加了路面的损坏。

沥青混合料作为粘弹塑性材料，其温度和作用时间与沥青混合料的温度和作用时间密切相关。当外界温度在30℃左右的时候，沥青路面的路表温度将会达到40℃甚至50℃以上，可能会高于道路沥青的软化点，沥青路面在车辆荷载的反复作用下则会发生显著变形，这种变形分为可恢复变形和不可恢复变形。其中不可恢复的部分将成为永久变形。鉴于沥青混合料的高温稳定性及其固有的粘弹塑性，使车辙形成机理比较复杂，这使得沥青混合料的永久变形成为一个世界性的问题。因此，解决沥青路面的面层永久变形成为车辙问题的重点。

2.沥青路面永久变形机理

ASTM标准E867将永久变形定义为："一种由横向交叉斜面和纵剖面限定的偏离水平面的相邻竖向凹陷"[2]。永久变形是在重复交通荷载作用下，沥青混凝土发生流动变形，其中无法恢复的部分变形累积形成的。大量的观测及理论研究表明，半刚性基层高等级沥青路面产生的永久变形，90%以上发生在沥青面层，因此，沥青面层的永久变形是研究的重点。沥青混合料是一种由沥青水泥和骨料本身的松散矿物颗粒组成的混合材料体系。当外部荷载作用时，微结构应力克服了沥青膜粘性力之间的部分弱粘结，并使之相互作用。由于荷载不断重复作用，迫使这种相互错动在更深更宽广范围内不断重复产生，并逐步累积形成宏观永久变形[3]。这种多方向运动的颗粒，导致沥青面层的混合物向轮胎的两侧流动，从而产生推移，拥包以及永久变形。

纵观沥青混合料永久变形的形成过程，大致可分为以下三个阶段：

1、 开始阶段的压密过程，由于沥青混合料空隙的存在，特别是在施工不足的情况下，车轮荷载再次碾压沥青路面，沥青面层的厚度减小，在车轮荷载集中的地方形成永久变形。在公路施工过程中，通过严格压实规范，来控制压实过程中产生的永久变形。

2、沥青混合料的流动沥青混合料在高温下是粘性的半固体，在车辆荷载的作用下，当荷载形成的剪应力比沥青混合料的抗剪强度大时，沥青就会产生流动变形，不断积累就会产生永久变形。

3、矿质骨料的重排和矿质骨架的破坏在高温下是半固态的沥青混合料，在荷载作用下最先流动。此时，荷载主承体为混合料中粗集料和细集料两者组成的骨架，此外还有沥青的润滑作用，在荷载的直接作用下，硬度较大的矿料颗粒沿矿料的间接触面开始滑动，这使沥青向富集区流动，从而流向混合料的自由面。

可以看出，永久变形的初始原因是压密和高温下的流动，从而导致了骨架的不稳定性。高温，重载，慢速以及运输等因素，以及混合料级配的变异性、孔隙率高、部分路段的油量控制不好等内因，这些都会引起车辙和路面永久变形

3.沥青路面永久变形的影响因素

（1）沥青及其用量

沥青材料在沥青混合料的高温性能中起着非常重要的作用，沥青混合料的粘结力是沥青混合料高温稳定性机理的一个组成部分。沥青的粘结力越大，沥青混合料的综合强度越好，沥青混合料的抗剪切变形就更稳定。一般而言，沥青粘结力与温度有关，沥青混合料的温度敏感性较低，形成的沥青混合料的高温稳定性就越理想。沥青用量太高或太低，都会对沥青混合料的高温稳定性产生严重影响。沥青混合料中的沥青太低，会使混合料难以压实，无法有效地保证孔隙率。与之相反，沥青含量太高，而自由沥青的增加，也会影响其高温稳定性。因此，针对不同类型的混合料，应确定最佳的沥青用量，从而使混合料的高温稳定得到保证。

（2）集料的级配组成和孔隙率

沥青混合料和骨料是沥青混合料的两个部分，可分为砂砾的、碎石的、砂质的和矿渣的。沥青混合料的强度主要体现在：一是水泥沥青和填料的形成粘结力，另一种则是集料颗粒之间的锁结力与内摩阻力。矿粉的表面积巨大，使沥青材料形成了一层薄膜，从而改善了沥青材料的粘结强度和温度稳定性，而锁定力主要是粗骨料颗粒之间。总之，良好的级配对与沥青混合料高温稳定性非常重要。大孔隙率的沥青混合料易产生压实变形，增加沥青混合料的密度，增加材料之间的接触压力，从而提高混合料抗车辙能力。当孔隙率比临界孔隙比低时，继续降低孔隙率，将降低沥青混合料抗车辙能力。如果温度升高，沥青就会膨胀，由于温度的升高，沥青的粘度就降低了，沥青的润滑效果变大、内聚力与内摩擦阻力降低，促使沥青混合料抗变形能力下降，空隙率小于3%的发生车辙概率增大[4]。

（3）温度与水文地质条件

气候条件主要包括气温、日照、热流、輻射、风、雨等，除了湿度以外，其他问题都可以反映在温度上，黑褐色的沥青混合料具有超强的吸热能力，由于热量的积累，大部分热量不能从沥青路面中散出来，在外部荷载的作用下，很容易产生变形和流动，导致车辙的形成。车辙基本上是在夏季高温下，车辆荷载重复作用产生的。研究表明：沥青混合料的抗剪强度随温度的升高而降低。事实上，温度对混合料的高温稳定性的影响是通过对沥青的影响来实现的。随着温度的升高，沥青混合料逐渐变软，模量逐渐减小。

在沥青路面，水分大幅度降低了路面结构层的抗变形性能，从而导致产生大车辙。沥青路面施工完成后，水和空气通过混合料中的空隙和外界的连通空隙进入到沥青混合料内部，如果水分不能及时排出，在车辆载荷的动水压力和温度的共同作用下，循坏反复，穿梭于沥青与矿料间，起润滑作用，阻碍了沥青与骨料之间的粘结，降低了沥青与矿料的粘附性，从而使得沥青路面在有水的条件下，动稳定度随之下降。

（4）交通条件

交通条件影响沥青路面的高温性能主要体现在：车辆荷载、轮胎压力、车辆速度以及车流渠化。车辆荷载对沥青路面的影响是最值得注意的，主要是荷载大小以及时间的作用。一般来说，轮胎的压力是适应车辆载重的，负荷越高，轮胎压力越高。负载动作时间越长，同一交通量引起的地表变形量越大。

4.结论

（1）本文能够反映出沥青混合料的粘弹性和弹塑性变形性质。同时，对研究沥青混合料的高温抗变形能力有较好的判断；

（2）分析了沥青混合料永久变形形成的机理，将沥青混合料永久变形的形成过程分为迁移期、稳定期和破坏期三阶段；

（3）温度的升高和偏应力的增加，沥青混合料的永久变形将会增加，稳定期的发展速率加快，导致破坏期的提前到来。

【参考文献】

[1] 孙立军.沥青路面结构行为理论[M] .北京：人民交通出版社，2005

[2] 汤文，孙立军.基于遗传算法的沥青路面永久变形预估方法[J].武汉理工大学学报，2008，30（12）：42-45

[3] 杨捷.沥青车辙与拥包形成机理的粘弹性分析[D].南京：东南大学，2006

[4] 彭妙娟，许志鸿.沥青路面永久变形的形成及其控制[J].华东公路：2004，05：03-05