黑龙江省大齐高速车辙调查及形成原因分析

王慧文，魏建军，姜蔚鹰，李志军，于纪淼

(1.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050;2.黑龙江省高速公路管理局，黑龙江 哈尔滨 150030)

高速公路沥青路面车辙是指在高温季节，沥青路面在重载车辆作用下产生的塑性累积变形[1-2]。 近些年，随着黑龙江省高速公路建设里程的增加，省内多条高速公路上出现了车辙病害对高速公路的影响主要表现在：路表过量的变形影响路面的平整度，使车辆在超车或变换车道方向时容易失控，影响车辆的操纵稳定性；雨天车辙内积水容易导致车辆漂滑；冬季车辙槽内聚冰降低路面的抗滑性能等。因此，本次研究结合大齐高速公路某路段车辙病害调查结果，对车辙严重路段进行了现场钻芯取样。通过对芯样的厚度、密度、沥青含量和集料级配等指标的分析确定大齐高速公路车辙病害形成原因。

1　大齐高速公路工程概况

大齐高速公路是绥满高速公路G10的重要组成部分。该路段2008年6月开工建设，2010年9月29日全线正式交工通车，路段全长147.37公里。主线路面结构采用沥青混凝土路面，上面层采用中粒式改性沥青混凝土5 cm，中面层采用中粒式沥青混凝土6 cm，下面层采用粗粒式沥青混凝土6 cm；基层采用6%水泥稳定级配碎石20 cm，下基层采用5%水泥稳定砂砾+碎石(40%)30 cm。

2　大齐高速公路车辙现场调查

本次调查选择车辙较为严重的K667+850～ K667+900段和K737+750～ K737+800段。在两个路段上选取了6个路面横断面进行钻芯取样。钻芯部位为：横断面上形成车辙的凹陷部位、离凹陷部位不远处凸起部位、路肩上没有受到交通荷载影响的部位(见图1和图2)。经过取芯后，对钻取芯样的厚度、密度、芯样混合料的级配和沥青含量等指标进行分析以确定车辙产生的原因。

图1　横断面不同部位取芯芯样

3　现场钻芯试样性能试验结果与分析

3.1　钻芯试样厚度

现场取芯的60个芯样经切割后路面不同层位的厚度值，如表1所示。根据K667段的厚度数据：在芯样总厚度上，路肩部位和凸起部位比较接近。凹陷部位的总厚度较凸起部位和路肩部位平均减小1～2 mm。在上面层厚度上，凹陷部位较凸起部位和路肩部位平均减小2 mm左右。而在中面层和下面层的厚度上，凹陷部位、凸起部位、路肩部位相差不大。

图2　按层厚切割后芯样

根据K737段中数据：在总厚度上，凹陷部位、凸起部位，比较路肩部位均有减小。凹陷部位较凸起部位减小2 mm左右，较路肩部位减小3 mm左右。在上面层和中面层厚度上，凹陷部位、凸起部位均较路肩部位有明显减小。在下面层厚度上，3个部位的厚度变化不大。这说明，K667处的车辙主要由上面层的厚度减小产生，而K737段车辙由上面层和中面层的厚度减小产生。其中，上面层厚度减小对车辙总量影响较大。

3.2　钻芯试样密度

钻芯芯样试件的表观密度值如表2所示。由于路肩部位在道路使用过程中受到车辆荷载的影响小，所以可以近似认为此处芯样的密度代表了路面结构施工结束后的密度。

表1　6个断面钻芯的厚度　mm

表2　6个断面不同层位钻芯试件的表观密度　 g/cm3

根据K667段的密度数据，上面层凹陷部位芯样的表观密度普遍大于路肩处上面层芯样的，这说明凹陷部位的沥青混凝土经过车辆荷载的碾压其密度有所增加。对于中面层和下面层，凹陷和凸起部位的取芯试件的表观密度相比较路肩的有时增加有时减小，变化幅度不是非常明显。根据K735段的密度数据：上面层凹陷部位芯样的表观密度仍是普遍大于路肩处上面层芯样的。对于中面层的，也呈现出凹陷部位芯样的密度较路肩的大的情况。下面层时，凹陷和凸起部位试件的表观密度较路肩的变化幅度不明显。

3.3　钻芯试样沥青含量

在两个路段中分别选取了两个断面的钻芯芯样进行抽提试验，得到各个路段不同层位沥青混合料的油石比(见表3)。仍然近似认为路肩处芯样的油石比代表了路面施工结束后的油石比。从两个路段路面不同层位的凹陷部位、凸起部位芯样油石比相比路肩的变化情况可以看出，上面层凹陷部位试件的油石比普遍要比路肩的大。中面层和下面层凹陷部位的油石比与路肩的相比变化不大。按沥青在面层结构中的迁移理论[3]，沥青路面在使用一定时间后，沥青有相路面表面迁移的趋势。

表3　两个路段不同层位钻芯试件的油石比　%

4　室内车辙试验验证

4.1　车辙试验

采用现场钻芯试件经抽提实验得到的矿料级配进行室内沥青混合料的配合比设计，确定最佳沥青用量。试验选用的沥青为I-C型改姓沥青，软化点温度为76.5 ℃。

试验设计了两个不同的混合料密度2.368 kg/m3、2.456 kg/m3，两个车辙试验温度：80℃和60℃。通过车辙试验得到两个不同密度车辙试件在两个不同试验温度下的车辙深度和动稳定度。具体实验数据见表4。

表4　车辙试验结果

4.2　试验结果分析

4.2.1车辙深度变化

试验温度80 ℃时，两种密度车辙试件的辙深均较大，而且在深度上差别不明显，均在15 mm以上。试件辙深的两侧有明显的隆起，如图3所示。说明高温条件下辙深两侧的沥青混凝土发生了剪切推移，产生的是剪切车辙。试验温度60 ℃时，试件上辙深两侧沥青混凝土没有发生隆起(见图4)。可以判断，试验温度60 ℃的车辙试验，辙痕发生处的沥青混合料在车辙轮载作用下被压密，形成压密车辙。

图3　试验温度80 ℃的车辙

图4　试验温度60 ℃的车辙

4.2.2 动稳定度的变化

试验温度80 ℃时，试验时间45 min和60 min时的变形(辙深)差较大。较高的试验温度使沥青混合料的结构不够稳定，造成动稳定度较小。试验温度60 ℃时，并没有造成沥青胶结料的软化，沥青混合料结构比较稳定。此时车辙试件产生的辙深主要是试件没有碾压密实所致。

5　大齐高速车辙产生原因分析

5.1　车辙形成机理分析

沥青路面的车辙形成一般分为两个阶段：压密阶段和剪切流动阶段。压密阶段主要是由于施工阶段路面压实度不足，剩余孔隙较大等。在高温条件下，车辆荷载较大时会对路面形成再压实，形成压密车辙。压密阶段一般会持续较长时间。剪切流动阶段是由于高温时荷载形成的剪切应力超过材料的剪切强度而形成的剪切流动[4-5]。通常，控制沥青路面车辙的关键是沥青路面在车辆荷载作用的剪切流动。

5.2　大齐高速车辙形成原因

根据大庆至齐齐哈尔段2015年的公路技术状况评定报告中现场车辙检测的数据，大齐高速公路检测的车辙深度大部分在5～15 mm范围内，各别路段车辙深度可达到15 mm以上。路面车辙深度指数RDI平均值为83.6，评定等级为良。这说明车辙病害已经在大齐高速公路上形成发展的趋势。从检测报告中的相关数据可以发现，大齐高速公路路面车辙并非在全路段发生，而且在交通及外界环境相似的路段上车辙深度发生也不均匀，车辙的严重程度相差较大。因此，可以判断现阶段大齐高速公路车辙产生原因与路面施工的变异性有很大关系。部分路段的低温压实或者由于其它原因而导致的压实度不足是引发路面车辙的主要原因。

6　结　论

车辙是目前我国高等级沥青路面的主要病害。影响沥青路面产生车辙的因素有：气候环境、交通条件、路面材料的结构、施工因素等。本文通过对黑龙江省大齐高速公路某路段车辙病害的调查，利用现场钻芯取样，对芯样的厚度、密度、沥青含量等指标的分析，得出大齐高速公路产生车辙的主要原因是：部分路段的低温压实或者路面施工的变异性导致的沥青路面面层的压实度不足而产生压密车辙。

参考文献：

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