張 宇

（黑龍江省龍建路橋第五工程有限公司 哈爾濱 150070）

我國高速公路瀝青路面普遍存在車轍病害問題，尤其是長大縱坡路段的車轍病害十分嚴(yán)重，不僅妨礙正常的交通，還容易導(dǎo)致交通安全事故［1］。我國高速公路在建設(shè)時(shí)幾乎沒有對(duì)長大縱坡路段路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致高速公路在后期的運(yùn)營與管理中需要面對(duì)嚴(yán)重的車轍問題。

1 瀝青路面車轍病害及成因

通常長大縱坡縱向車轍在坡底及坡頂段附近最為嚴(yán)重，其分布情況與坡度、坡長密切相關(guān)，呈現(xiàn)先增長后平緩再增長的趨勢(shì)［2］。長大縱坡路段的坡度越大，車轍變形越大，當(dāng)坡度值不大而坡長較大時(shí)，坡頂會(huì)出現(xiàn)較大的車轍變形。從車道斷面來看，每個(gè)車道的車轍在輪跡帶凹陷，兩邊伴有隆起，車轍斷面呈W形，而且其橫向變化與車輛爬坡速度有關(guān)，超車道由于行駛速度快，車轍變形較行車道小，同一車道兩側(cè)輪胎下車轍變形同樣是靠近超車道一側(cè)變形小。從大量瀝青路面心樣來看，在深度方向上3個(gè)面層均有車轍產(chǎn)生，中面層車轍最大，下面層次之，上面層車轍最小；各層永久變形平均比例為上面層占37%，中面層占51%，下面層占12%。

瀝青路面的車轍直接表現(xiàn)為瀝青混合料的殘余累積變形。由于瀝青混合料在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力，當(dāng)瀝青混合料的強(qiáng)度無法承受時(shí)，會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍。特別是在高溫條件下，由礦料、瀝青，以及空氣空隙組成的瀝青混合料在車輛荷載的作用下會(huì)出現(xiàn)瀝青及瀝青膠漿產(chǎn)生流動(dòng)現(xiàn)象，逐步填充瀝青混合料中的空隙，并向混合料自由面流動(dòng)，從而導(dǎo)致瀝青混合料在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生剪切流動(dòng)變形［3］。因此，瀝青路面的車轍主要是壓應(yīng)力與剪應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，對(duì)于不同的瀝青路面結(jié)構(gòu)或同一瀝青路面結(jié)構(gòu)的不同層位，其內(nèi)部的應(yīng)力分布是不同的。瀝青路面結(jié)構(gòu)研究的目的是結(jié)合瀝青混合料的性能，將性能優(yōu)異的材料放置在最佳的位置，并使瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)。

2 長上坡路段抗車轍瀝青路面的設(shè)計(jì)思路

2.1 長上坡路段瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與普通平坡路段相比，長上坡路段瀝青層承受更大的剪應(yīng)力，在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了滿足規(guī)范的要求外，還需要充分考慮瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行抗車轍設(shè)計(jì)。為此，許多學(xué)者提出采用加大瀝青面層厚度的方法來降低傳統(tǒng)的瀝青層底開裂和避免結(jié)構(gòu)性車轍，使路面的損壞僅限于頂部（25～100 mm），通過定期的表面銑刨、罩面修復(fù)，從而確保瀝青路面在使用年限內(nèi)不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性重建［4］。

2.1.1 瀝青層的組合設(shè)計(jì)

瀝青層是長上坡路段瀝青路面的最主要承重層，在交通荷載產(chǎn)生的正向壓力和水平推力的作用下形成較大的剪應(yīng)力，容易導(dǎo)致瀝青面層出現(xiàn)車轍問題，但不少學(xué)者通過大量的研究指出：當(dāng)瀝青面層的厚度足夠大時(shí)，裂縫和車轍等病害只會(huì)出現(xiàn)在瀝青面層的表面，只需對(duì)這些表面裂縫和車轍適當(dāng)處理，即可延長路面的壽命。基于此研究，歐美等國家學(xué)者提出了考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次、荷載、輪胎壓力、容易維修、安全耐久的長壽命瀝青路面，以降低傳統(tǒng)的瀝青層底開裂和避免結(jié)構(gòu)性車轍。

長壽命瀝青路面主要是采用40～50 mm厚的面層、100～175 mm厚的中間層和75～100 mm厚的H MA基層的路面結(jié)構(gòu)體系，高質(zhì)量瀝青混凝土面層可以為車輛提供良好的行駛界面，高模量抗車轍瀝青混凝土中間層起到連接和擴(kuò)散荷載的作用，高柔性抗疲勞瀝青混凝土基層可以起到消除疲勞破壞的作用，其中輪載下100～150 mm是高受力區(qū)域，也是各種病害（主要是車轍）的主要發(fā)生區(qū)域，而最大拉應(yīng)變產(chǎn)生在H MA基層底部，需要控制該層瀝青混凝土層的彎拉應(yīng)變，防止路面過早出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞。因此，結(jié)合黑龍江地區(qū)公路建設(shè)的實(shí)際情況，建議上面層采用SBS改性瀝青的SMA13型混合料，中面層采用RA抗車轍改性瀝青的AC-20C型混合料，下面層采用90號(hào)普通瀝青的AC-25型混合料。

2.1.2 瀝青層厚度的推薦

瀝青層厚度的設(shè)計(jì)在滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求的情況下，必須按照規(guī)范的要求，保證各瀝青層的厚度與混合料的公稱最大粒徑相匹配，即每層最小厚度不小于混合料公稱最大粒徑的2.5～3倍。

結(jié)合國內(nèi)針對(duì)高速公路瀝青路面早期損壞研究取得的研究成果，以及黑龍江地區(qū)的氣候溫度以及荷載條件，建議長上坡路段高速公路瀝青路面瀝青層的總厚度不小于18 c m。

2.2 長上坡路段瀝青混合料設(shè)計(jì)

路面瀝青混合料表現(xiàn)出的性能與其所處的路面層次位置和荷載的大小有著重要的關(guān)系。根據(jù)大量瀝青路面車轍變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，車轍一般產(chǎn)生在表面以下10 c m范圍內(nèi)，低于路面以下18 c m的瀝青混合料，車轍變形影響不再是一個(gè)重要問題。就混合料性能而言，瀝青混合料的變形主要是由于材料的側(cè)向移動(dòng)所引起的，而不是密度增加的原因，即當(dāng)基層具有足夠的承載力時(shí)，路面瀝青混合料的剪切力不足造成的橫向蠕動(dòng)變形對(duì)車轍的影響遠(yuǎn)大于縱向壓縮變形的影響。因此，為提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，必須首先保證粗細(xì)集料具有較好的棱角性，而且要使瀝青混合料中粗集料形成嵌擠的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并采用優(yōu)良的改性瀝青和抗剝落劑，確保瀝青路面壓實(shí)后具有適當(dāng)?shù)目紫堵?，從而形成一個(gè)具有良好抵抗車轍性能的瀝青混合料。

3 抗車轍瀝青路面技術(shù)的工程應(yīng)用

3.1 抗車轍瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)及性能

在對(duì)瀝青混合料抗車轍能力的研究中，很多研究成果表明，骨架密實(shí)型級(jí)配具有良好的抗車轍能力，這也是現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40－2004推薦的級(jí)配形式［5］。筆者按照多級(jí)嵌擠密級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)綏牡高速公路K104＋000～K107＋000路段中面層抗車轍混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以粗集料嵌擠、細(xì)集料填充的原則設(shè)計(jì)形成了骨架密實(shí)型級(jí)配，見圖1。

圖1 AC-20C目標(biāo)配比合成級(jí)配曲線

瀝青混合料結(jié)合料的類型對(duì)瀝青混合料的抗車轍能力具有一定的影響，為此對(duì)90號(hào)普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和摻加RA抗車轍劑的90號(hào)普通瀝青混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和分析，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 3種不同類型瀝青混合料的路用性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表1可見，RA抗車轍劑瀝青混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求，其動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于其他2種混合料，達(dá)到SBS改性瀝青混合料的3倍，表明RA抗車轍劑對(duì)改善90號(hào)普通瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能具有顯著效果。從馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度3個(gè)指標(biāo)來看，3種瀝青混合料均能符合規(guī)范規(guī)定要求，RA抗車轍劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性與SBS改性瀝青混合料基本持平，明顯優(yōu)于普通瀝青混合料。凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果反映出RA抗車轍劑瀝青混合料的抗水損壞能力較其他2種混合料都差，可能是由于RA抗車轍劑顆粒的溫度敏感性比礦料大，當(dāng)混合料經(jīng)過高低溫循環(huán)作用后，RA抗車轍劑顆粒會(huì)由于熱脹冷縮作用而降低混合料的強(qiáng)度，而且RA抗車轍劑顆粒的比表面積大，可能會(huì)導(dǎo)致石料表面瀝青膜減薄，致使RA抗車轍劑改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度降低。從彎曲試驗(yàn)可以看出，SBS改性瀝青混合料的低溫性能最好，RA抗車轍劑瀝青混合料次之，但能滿足規(guī)范的要求，而90號(hào)瀝青混合料的彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變則不符合規(guī)范要求，這表明RA抗車轍劑瀝青混合料在大幅地提高高溫性能的同時(shí)，也能兼顧改善瀝青混合料的低溫抗變形能力，是一種較為優(yōu)良的抗車轍混合料。

3.2 抗車轍瀝青路面施工及經(jīng)濟(jì)性分析

RA抗車轍劑試驗(yàn)路的施工主要包括RA抗車轍劑的儲(chǔ)存及工作面準(zhǔn)備、拌制、運(yùn)輸、攤鋪、壓實(shí)、接風(fēng)處理等工序，其中最重要的是對(duì)RA抗車轍劑添加和瀝青混合料拌和、施工、攤鋪及碾壓溫度的控制。由于RA抗車轍劑主要采用“干法”拌和施工，“干拌”時(shí)間控制在8～10 s，“干拌”達(dá)到規(guī)定時(shí)間后放入瀝青進(jìn)行“濕拌”45 s，從而充分發(fā)揮高溫集料對(duì)RA改性劑的搓揉和剪切作用，使改性劑迅速熔化，其改性作用得到較好發(fā)揮［6］。為保證RA抗車轍劑試驗(yàn)路的施工質(zhì)量，在工程施工中必須對(duì)混合料拌和、施工、攤鋪及碾壓溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，按照表2的要求進(jìn)行施工。

表2 RA瀝青混合料拌和、施工、攤鋪及碾壓溫度匯總

試驗(yàn)段施工完畢后，采用壓實(shí)度、滲水系數(shù)、平整度和摩擦系數(shù)等指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)段的路面使用性能進(jìn)行檢驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)，檢測(cè)結(jié)果表明，RA抗車轍瀝青路面的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性各項(xiàng)指標(biāo)均有大幅提高，而且具有較好的抗滑性能，能夠保證路面的正常使用。此外，對(duì)試驗(yàn)段的抗車轍能力進(jìn)行的觀測(cè)結(jié)果表明，RA抗車轍瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度基本都在10 000次／mm以上，遠(yuǎn)大于改性瀝青混合料4 000次／mm左右的動(dòng)穩(wěn)定度，具有良好的抗車轍性能。

本工程中RA抗車轍劑的摻加量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%～0.5%，瀝青混合料的價(jià)格只需要增加90元／t左右，而SBS改性瀝青是在基質(zhì)瀝青中摻加5%的SBS改性劑，其加工成本為800元／t左右，折算成瀝青混合料需要增加100元／t左右，這表明RA抗車轍瀝青混合料的成本低于SBS改性瀝青混合料，而高溫穩(wěn)定性則遠(yuǎn)高于SBS改性瀝青混合料，具有良好的性價(jià)比，有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

瀝青路面的車轍與路面材料、路面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，路面車轍直觀表現(xiàn)為路面的變形，而根本原因是瀝青路面結(jié)構(gòu)的荷載及應(yīng)力水平。因此，抗車轍瀝青路面的設(shè)計(jì)應(yīng)從瀝青混合料和路面結(jié)構(gòu)組合兩方面入手，通過對(duì)路面結(jié)構(gòu)的分析，加大瀝青層厚度，從理論上達(dá)到長壽命瀝青混凝土的要求，并通過對(duì)瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化與膠結(jié)料性能改進(jìn)等方面提高其高溫穩(wěn)定性，從而使瀝青路面具有較好的抗車轍能力，延緩車轍的產(chǎn)生。在實(shí)際工程中，還應(yīng)嚴(yán)格控制抗車轍瀝青混合料拌和、施工、攤鋪及碾壓的溫度，保證瀝青路面的施工質(zhì)量，從而改善瀝青路面的路用性能。

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