趙 剛

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原030006)

由于在建造過(guò)程中未特別考慮到車轍病害的發(fā)生與應(yīng)對(duì)，我國(guó)瀝青高速公路在之后的使用和維護(hù)過(guò)程中經(jīng)常花費(fèi)大量的資源處理車轍現(xiàn)象，而此現(xiàn)象在長(zhǎng)大縱坡路段發(fā)生得更為頻繁，這不僅影響道路的運(yùn)輸效率，給人們的經(jīng)濟(jì)和生活帶來(lái)不便，還給道路安全帶來(lái)隱患，危害人們的健康和生命［1］.為此，本文從瀝青道路的車轍病害及其成因出發(fā)，為長(zhǎng)上坡路段抗車轍道路的設(shè)計(jì)提供一定的思路，并對(duì)此技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行研究分析.

1 瀝青路面車轍病害及成因

通過(guò)觀察與研究長(zhǎng)大縱坡的車道可知，車轍的縱向散布與坡度以及坡長(zhǎng)具有一定的關(guān)系，坡度愈高，或坡度不高而坡長(zhǎng)愈長(zhǎng)，車轍形變愈大，因此車轍一般于坡底和坡頂處分布得最為廣泛［2，3］.車轍的橫截面為W形，于輪跡帶處下凹，兩側(cè)呈現(xiàn)凸起狀，其橫向形變和機(jī)動(dòng)車的上坡速度有直接關(guān)系，上坡速度越慢，車轍形變?cè)酱螅虼诵熊嚨赖能囖H形變程度比超車道大，而同一車道也是距離行車道較近的輪胎產(chǎn)生的車轍形變更大.此外，車轍同時(shí)分布于瀝青道路的三個(gè)面層，但在各層的大小不一、從大到小依次為中面層、下面層和上面層，而上面層、中面層和下面層的永久形變平均比例分別為37%、51%和12%.瀝青混合料包括礦料、瀝青和空氣空隙，在面對(duì)外界壓力的情況下將形成較大的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力，若瀝青混合料的硬度不足以承擔(dān)這些壓力，瀝青道路表面就會(huì)發(fā)生車轍病害.特別是在高溫條件下，瀝青或?yàn)r青膠漿將逐漸熔化且填滿混合料的間隙，同時(shí)往混合料自由面運(yùn)動(dòng)，因此混合料通過(guò)剪應(yīng)力的影響發(fā)生剪切流動(dòng)形變［4］.由此可知，瀝青道路的車轍實(shí)質(zhì)上為混合料在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力雙重影響下的殘余累積變形，道路構(gòu)造不同，或者構(gòu)造相同但層次位置不同，其內(nèi)在的應(yīng)力散布也不同.研究瀝青道路結(jié)構(gòu)，就是為了根據(jù)瀝青混合料的受力特點(diǎn)合理安排原材料的分布，從而使瀝青道路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最佳的效果.

2 長(zhǎng)上坡路段瀝青路面的抗車轍設(shè)計(jì)研究

2.1 長(zhǎng)上坡路段瀝青路面的抗車轍結(jié)構(gòu)研究

在考慮長(zhǎng)上坡路段瀝青道路的構(gòu)造時(shí)，不僅要達(dá)到一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且要特別關(guān)注其抗車轍功能的實(shí)現(xiàn)，這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)上坡路段的瀝青層將會(huì)比平坡路段的瀝青層承擔(dān)更多的剪應(yīng)力.傳統(tǒng)的瀝青層底部容易斷裂，表面也經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍［5］.為此，一些研究人員建議提高瀝青層的厚度，確保道路只會(huì)在表層25～100mm處出現(xiàn)毀損，之后只要向道路展開周期性的表層銑刨與罩面修補(bǔ)即可.

2.1.1 瀝青層的組合研究

由于要承擔(dān)長(zhǎng)上坡路段瀝青道路的大部分載重，瀝青層在垂直施壓與水平推動(dòng)的雙重影響下會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的剪應(yīng)力，致使瀝青道路表面易發(fā)生車轍病害.然而許多專家探索發(fā)現(xiàn)，若瀝青層的厚度達(dá)到一定程度，僅瀝青道路的表層會(huì)發(fā)生車轍、斷裂等損害，而只要按期修補(bǔ)表層的損害，就無(wú)需對(duì)道路進(jìn)行重建.根據(jù)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，為了防止傳統(tǒng)工藝建造的瀝青道路出現(xiàn)裂縫與車轍等病害，西方國(guó)家的專家建議在具有規(guī)范載荷、車胎氣壓、軸載作用次數(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)易于維護(hù)、穩(wěn)定持久的長(zhǎng)壽命瀝青道路.長(zhǎng)壽命瀝青道路的構(gòu)造通常包括厚度為40～50mm的面層、厚度為100～175mm的中間層以及厚度為75～100mm的HmA基層.高品質(zhì)的瀝青混凝土面層使機(jī)動(dòng)車的通行更加順暢，而地表下100～150mm為強(qiáng)受壓范圍，更是車轍等病害經(jīng)常發(fā)生的地方，故具有良好硬度性能和抗車轍能力的瀝青混凝土中間層不僅可以連結(jié)面層和基層，而且能夠緩沖路面承受的壓力，同時(shí)由于最大拉應(yīng)變發(fā)生于HmA基層的底端，撓性強(qiáng)且抗完全斷裂的瀝青混凝土基層能夠減輕完全斷裂損壞.綜合以上探索以及黑龍江區(qū)域道路建造的現(xiàn)實(shí)案例，建議面層使用SBS改性瀝青的SmA13型混合料，中間層使用RA抗車轍改性瀝青的AC－20C型混合料，基層使用90號(hào)普通瀝青的AC－25型混合料.

2.1.2 瀝青層的厚度研究

在規(guī)劃瀝青層的厚度時(shí)，需要確保每層的最低厚度至少達(dá)到集料可能全部通過(guò)的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸的2.5至3倍.綜合有關(guān)我國(guó)高速公路各種道路損毀的探究結(jié)果和黑龍江地區(qū)的大氣情況與地質(zhì)因素等參數(shù)，提出道路長(zhǎng)上坡路段表面的瀝青層厚度總和至少為18cm.

2.2 長(zhǎng)上坡路段瀝青路面的抗車轍混合料研究

通過(guò)對(duì)一定數(shù)量的瀝青道路車轍病害展開研究，可以發(fā)現(xiàn)車轍病害通常發(fā)生于地表以下10cm的區(qū)域中，而地表以下大于18cm的區(qū)域一般不可能出現(xiàn)車轍問(wèn)題.此外，瀝青混合料產(chǎn)生形變的原因，不是因?yàn)槊芏鹊脑龃?，而是因?yàn)榧系膫?cè)向偏移，即若瀝青路面的基層擁有一定的負(fù)重能力，混合料剪切力過(guò)低導(dǎo)致的橫向移動(dòng)形變將比縱向壓縮形變更有力地作用于車轍的形成過(guò)程.由此可知，瀝青混合料的性質(zhì)取決于其在道路中的具體層次位置以及承重的高低，故為了增大其高溫穩(wěn)定性，提高其抗車轍性能，不僅要使用保持良好棱角性的粗細(xì)集料，確保粗集料之間的相互嵌擠，而且要使用質(zhì)量上乘的改性瀝青與抗剝落劑，使夯實(shí)過(guò)后的道路能夠維持一定的空隙率.

3 瀝青路面抗車轍技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 瀝青路面抗車轍混合料的配合比及性能

在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40－2004中，建議抗車轍瀝青混合料的配合比采取骨架密實(shí)型級(jí)配方法，而大量關(guān)于道路瀝青混合料抗車轍特性的探索同時(shí)也證明，骨架密實(shí)型級(jí)配的抗車轍特性確實(shí)處于較高水平［6］.本文選取太佳高速公路K104+000～K107+000路段進(jìn)行試驗(yàn)，使用多級(jí)嵌擠密級(jí)配設(shè)計(jì)方法處理其中間層的抗車轍瀝青混合料，同時(shí)根據(jù)粗集料嵌擠、細(xì)集料填補(bǔ)的準(zhǔn)則，筆者構(gòu)建骨架密實(shí)型級(jí)配，具體方案如圖1所示.

圖1 AC－20目標(biāo)配合比級(jí)配曲線

瀝青混合料的結(jié)合料類型與其抗車轍特性之間有密切的聯(lián)系，故對(duì)三種不同種類瀝青混合料的路用特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)與討論，分別為90號(hào)普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料與添加RA抗車轍劑的90號(hào)普通瀝青混合料，具體結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 三種不同種類瀝青混合料的路用特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察表1可知，關(guān)于動(dòng)穩(wěn)定度，RA抗車轍劑瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為SBS改性瀝青混合料的三倍，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)90號(hào)瀝青混合料，這證明了RA抗車轍劑可以在一定程度上增強(qiáng)基礎(chǔ)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性;關(guān)于馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度，SBS改性瀝青混合料和RA抗車轍劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性大體一致，但兩者卻優(yōu)于90號(hào)瀝青混合料;關(guān)于凍融劈裂強(qiáng)度，RA抗車轍劑瀝青混合料的抗水損害特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)劣于另外兩種材料，這是因?yàn)镽A抗車轍劑材料對(duì)冷熱變化的感知更加快速準(zhǔn)確，由于混合料持續(xù)交替進(jìn)行升溫與減溫工作，RA抗車轍劑材料將在熱脹冷縮原理的影響下減小集料的硬度，同時(shí)RA抗車轍劑材料較大的總表面積減小了石材表層瀝青膜的厚度，進(jìn)而改變了集料的凍融劈裂強(qiáng)度;關(guān)于彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變，三種混合料根據(jù)低溫特性由高至低排列，依次為SBS改性瀝青混合料、RA抗車轍劑瀝青混合料和90號(hào)瀝青混合料，其中只有前兩者達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這證實(shí)了RA抗車轍劑瀝青混合料同時(shí)保持良好的高溫穩(wěn)定性與低溫抗形變特性.綜合以上測(cè)試結(jié)論可知，RA抗車轍劑瀝青混合料的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)規(guī)格都達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠作為優(yōu)質(zhì)的抗車轍混合料投入使用.

3.2 瀝青路面抗車轍技術(shù)的施工及經(jīng)濟(jì)性

RA抗車轍劑瀝青混合料實(shí)驗(yàn)路段的建造具體需要完成以下工藝:RA抗車轍劑的保存和工作面安排、拌合、輸送、攤鋪、夯實(shí)、接風(fēng)處理.此外，為了確保道路的質(zhì)量合格，建造過(guò)程中也需密切關(guān)注RA抗車轍劑的摻加量以及監(jiān)控瀝青集料拌合、制作、攤鋪與碾壓的溫度.建造之初首先采取“干法”對(duì)RA抗車轍劑展開拌和，持續(xù)攪拌8～10秒，隨后加入瀝青基質(zhì)并繼續(xù)攪拌45秒，使RA抗車轍劑在高溫材料的影響下快速熔解，徹底發(fā)揮其改性作用［7］.具體施工標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.

路面施工結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)路段的夯實(shí)度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)與平滑度等性能規(guī)格展開實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試證明了RA抗車轍瀝青道路的硬度、水穩(wěn)定性和抗滑能力都處于較高水平.此外，通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)路段的抗車轍性能可以發(fā)現(xiàn)，RA抗車轍瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度一般均大于10000次/mm，遠(yuǎn)超過(guò)改性瀝青混合料約4000次/mm的動(dòng)穩(wěn)定度，具備較高的抗車轍特性.此試驗(yàn)中使用的SBS改性劑和RA抗車轍劑分別為瀝青混合料質(zhì)量的5% 和0.3% ～0.5%，根據(jù)材料的市場(chǎng)售價(jià)，經(jīng)過(guò)計(jì)算能夠得到每噸SBS改性瀝青混合料及RA抗車轍瀝青混合料的總花費(fèi)各自較每噸基本瀝青混合料的總花費(fèi)多出100元及90元左右，這說(shuō)明在RA抗車轍瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于SBS改性瀝青混合料的同時(shí)，其花費(fèi)也小于SBS改性瀝青混合料.從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看，RA抗車轍瀝青混合料的性價(jià)比較優(yōu)，比其他建筑原材料擁有更為長(zhǎng)遠(yuǎn)而廣闊的發(fā)展前景.

表2 RA抗車轍劑瀝青混合料拌合、制作、攤鋪以及碾壓溫度匯總

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路瀝青道路的車轍實(shí)質(zhì)上為瀝青道路在荷載及應(yīng)力水平作用下的形變，道路的構(gòu)造以及原料會(huì)影響車轍的產(chǎn)生，因此，可以從道路的結(jié)構(gòu)安排以及混合料的配比兩個(gè)方向入手規(guī)劃道路長(zhǎng)上坡路段的抗車轍技術(shù).根據(jù)對(duì)道路構(gòu)造的研究，確定瀝青層的組合，提高瀝青層的厚度，從而滿足長(zhǎng)壽命瀝青道路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)合理設(shè)計(jì)瀝青混合料的配合比，完善膠結(jié)料的性質(zhì)與功能，以此增強(qiáng)道路的高溫穩(wěn)定性與低溫抗形變特性，減少車轍病害的發(fā)生.此外，具體的工作也包括摻加抗車轍劑，以及監(jiān)控瀝青混合料拌和、制作、攤鋪與碾壓的溫度，以此提高道路對(duì)車轍的抵御能力，確保道路的使用品質(zhì).

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