肖桂清 曹立松

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300457)

瀝青路面抗車轍性能的改善措施及評(píng)價(jià)方法

肖桂清 曹立松

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300457)

通過對(duì)瀝青混合料與瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能的研究，提出了改善瀝青路面抗車轍性能的措施，并介紹了評(píng)估瀝青路面抗車轍性能的方法，同時(shí)針對(duì)瀝青路面抗車轍性能評(píng)價(jià)方法的不足，總結(jié)出了科學(xué)有效的改進(jìn)方式，以供參考借鑒。

瀝青路面，混合料，路面結(jié)構(gòu)，車轍試驗(yàn)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路上重載、超載現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，一些處在重要運(yùn)輸通道的高等級(jí)道路更為嚴(yán)重。而高等級(jí)道路絕大部分為瀝青路面，致使其出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍損壞，且運(yùn)行初期出現(xiàn)的早期車轍問題大有愈演愈烈的趨勢(shì)。相當(dāng)多的瀝青路面在運(yùn)行前幾年內(nèi)，甚至幾個(gè)月就出現(xiàn)了程度不一的車轍損害，導(dǎo)致了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。車轍的出現(xiàn)很明顯地降低了車輛行駛的舒適及安全性，影響了道路的使用感受，減短了道路的使用周期。因此，降低瀝青路面的車轍損壞是個(gè)刻不容緩的研究課題。一直以來，全世界范圍內(nèi)每年都有許多道路工作者將科研經(jīng)費(fèi)用于瀝青道路車轍問題調(diào)查研究［1］。大量研究結(jié)果表明提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，可以有效地預(yù)防瀝青路面車轍的產(chǎn)生。瀝青道路的車轍病害一般從路面材料與路面結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面來緩解，而世界各國對(duì)路面車轍的研究，大多偏向于材料方面，對(duì)結(jié)構(gòu)因素的研究較少，甚至處于淡化狀態(tài)［2］。但有研究表明，路面結(jié)構(gòu)因素對(duì)于提高瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能具有很大作用，必須加以重視，總結(jié)出具有較好抗車轍性能的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合。在瀝青路面工程中，有了較好的路面材料和結(jié)構(gòu)，還需要科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法來評(píng)估不同材料及結(jié)構(gòu)組合的抗車轍性能，才能準(zhǔn)確比較各自的抗車轍性能。所以評(píng)價(jià)瀝青路面抗車轍性能的方法也是一個(gè)重要的研究方向。瀝青路面車轍根據(jù)成因機(jī)理不同基本分為結(jié)構(gòu)型車轍、失穩(wěn)型車轍、磨耗型車轍以及壓密性車轍等［3］，圖1為典型的結(jié)構(gòu)型車轍示意圖。在國內(nèi)，高等級(jí)瀝青道路的基層大部分為半剛性基層，特點(diǎn)是整體性好、強(qiáng)度高、剛度大，基層及其以下的變形很小。所以國內(nèi)的車轍變形主要發(fā)生在瀝青道路的面層，并且失穩(wěn)型車轍和壓實(shí)性車轍是主要的類型。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)型車轍示意圖

1 瀝青混合料的抗車轍性能研究

瀝青路面的構(gòu)成材料主要是瀝青混合料。瀝青混合料暴露在交通荷載和惡劣的自然環(huán)境中，在抵抗車轍病害上，發(fā)揮著重要的作用。若想提高瀝青路面的抗車轍性能，就要優(yōu)化所有構(gòu)成瀝青混合料的材料及其比例以及使用外摻劑等。概括來講，可以使用品質(zhì)較高的集料，采用改性瀝青，控制瀝青的用量，調(diào)整瀝青混合料的級(jí)配曲線等手段，也就是通過內(nèi)在構(gòu)成材料的方面來改善瀝青路面的抗車轍性能［4］，也可以在瀝青混合料中添加抗車轍劑等外摻劑來提高瀝青路面的抗車轍性能。

雖然改善瀝青混合料抗車轍性能的方法很多，但不同方法改善的機(jī)理不同。使用高質(zhì)量的集料及改性瀝青會(huì)顯著地增強(qiáng)集料與瀝青的粘結(jié)作用，繼而減少了集料的散失和瀝青混合料的流動(dòng)變形，從而提高了瀝青路面的抗車轍性能。有學(xué)者研究成果表明，基質(zhì)瀝青的油石比提高0.5%，會(huì)導(dǎo)致車轍損害發(fā)生的概率增加54%。這是因?yàn)楫?dāng)瀝青用量超過最佳瀝青用量時(shí)，混合料中有自由瀝青的存在，礦料顆粒之間是由自由瀝青粘結(jié)，而不是結(jié)構(gòu)瀝青，導(dǎo)致相互之間的粘結(jié)力較小，加大了瀝青混合料流動(dòng)的可能，導(dǎo)致瀝青路面在高溫下更易發(fā)生流動(dòng)型車轍。在集料尺寸方面，若是兩種瀝青混合料的公稱最大粒徑相同，粗集料比例較高的瀝青混合料具有更好的抗車轍性能［5］，其原因是瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型發(fā)生了變化(AC類轉(zhuǎn)變?yōu)镾MA或ATB類)，粗集料能更好的抵抗變形，另外粗集料增多，瀝青用量也會(huì)降低，共同的作用導(dǎo)致抗車轍性能的改善。

在抗車轍劑等外摻劑對(duì)改善瀝青路面的抗車轍性能方面，許多國內(nèi)外學(xué)者都做了研究。目前使用較多的抗車轍劑有德國的DuroFlex和法國的PRPLASTS等等。大量的研究表明代表性的抗車轍劑可以明顯地提高瀝青路面的抗車轍性能，并且沒有降低瀝青路面的低溫抗裂性。與此同時(shí)，路面的水穩(wěn)定性也有一定程度的改善［6］，這就說明抗車轍劑等外摻劑并不是以降低瀝青路面的低溫性能等其他性能來改善其高溫抗車轍性，可以大規(guī)模使用。

不同提高瀝青路面抗車轍性能的方式，改善效果不盡相同。有研究表明，添加抗車轍劑對(duì)瀝青路面抗車轍性能的改善效果好于調(diào)整級(jí)配的方式，但是隨集料粒徑的增大，兩者對(duì)瀝青路面抗車轍性能的改善程度都出現(xiàn)逐漸減小的現(xiàn)象，不過添加抗車轍劑的改善效果降低的趨勢(shì)要慢于調(diào)整級(jí)配的方式，也就說明了在瀝青路面中添加抗車轍劑的方式提高其抗車轍性能的改善效果對(duì)集料粒徑的依賴性小于調(diào)整級(jí)配方式［7］，對(duì)不同類型的瀝青路面具有更廣的適用性。

隨著瀝青路面研究的深入，許多更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)的方法被用來提高瀝青路面的抗車轍性能。國外一些瀝青道路應(yīng)用研究較廣的國家，尤其是美國，為解決越來越多報(bào)廢輪胎的堆積以及重復(fù)利用老舊瀝青路面中的瀝青混合料，已經(jīng)開始研究把再生瀝青混合料(RAP)和橡膠顆粒加入到新的熱拌瀝青混合料中。通過大量的試驗(yàn)應(yīng)用，表明這些混合的瀝青混合料吸收了橡膠瀝青混合料的優(yōu)點(diǎn)以及舊瀝青混合料模量較高的特點(diǎn)，可以有效地改善混合后瀝青混合料的抗車轍性能。

2 瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能研究

目前，在高等級(jí)瀝青道路中，高質(zhì)量的集料、改性瀝青、級(jí)配、使用抗車轍劑等已經(jīng)應(yīng)用的很普遍。一些廢舊的瀝青路面材料也可以通過混合的方式應(yīng)用到新鋪筑的瀝青道路中達(dá)到抗車轍的目的，而在瀝青路面結(jié)構(gòu)組合方面的抗車轍研究還沒有這么廣泛。

我國半剛性基層十分普及，導(dǎo)致我國瀝青道路的車轍幾乎都發(fā)生在面層。而在高等級(jí)公路的三個(gè)面層中，中面層是最易發(fā)生車轍的層位。有研究針對(duì)路面結(jié)構(gòu)因素對(duì)車轍深度的影響規(guī)律進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)，瀝青路面車轍變形大部分來源于中面層的流動(dòng)變形，約占總車轍變形的60%［8］。而中面層的流動(dòng)變形是在外界溫度和外力荷載等綜合作用下所導(dǎo)致，利用有限元進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明在模擬真實(shí)道路所處的多種不同車輛荷載和溫度應(yīng)力組合工況下，剪應(yīng)力最大、分布最集中的區(qū)域均是中面層;而中面層位于下面層之上，吸收熱量更多，又被上面層所覆蓋，吸收的熱量相對(duì)于上面層不易釋放，積累的熱量最多，因此出現(xiàn)車轍的概率最大［9］。所以需要加強(qiáng)中面層強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，將其模量增大一倍，其他條件相同的情況下，剪應(yīng)變降低了一半，但最大剪應(yīng)力變化不大。更近一步發(fā)現(xiàn)，實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的車轍變形量受中面層動(dòng)穩(wěn)定度的影響非常顯著，二者的相關(guān)性相對(duì)于上、下面層也最大。也就是說在瀝青路面的三個(gè)面層中，提高中面層材料的抗車轍性能可以最為明顯地改善整體路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能。

瀝青路面作為三個(gè)面層的結(jié)構(gòu)組合，在抗車轍性能設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)組合，這樣才會(huì)使整體瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能最為可靠。瀝青混合料是一種既常見又具有代表性的粘彈性材料，當(dāng)溫度升高時(shí)，其模量和強(qiáng)度會(huì)快速降低，抗車轍性能也就跟隨著減弱。研究表明當(dāng)瀝青路面的上、中面層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)模量組合不甚合理時(shí)，上面層非常容易出現(xiàn)由于瀝青混合料的側(cè)向流動(dòng)導(dǎo)致的失穩(wěn)變形［10］，隨著變形量的逐漸積累也就出現(xiàn)了失穩(wěn)型車轍。綜上所述，從瀝青路面結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，改善實(shí)際瀝青道路整體抗車轍性能的關(guān)鍵手段是:強(qiáng)化中面層的材料設(shè)計(jì)，使其具有較好的抗車轍性能，與此同時(shí)，比較、分析、優(yōu)化整體面層的結(jié)構(gòu)組合，保證各層材料的模量連續(xù)，不出現(xiàn)大的間斷變化［11］。

3 瀝青路面抗車轍性能評(píng)價(jià)方法的研究

評(píng)估瀝青路面抗車轍性能的關(guān)鍵是取用科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法。目前國內(nèi)外對(duì)瀝青路面抗車轍性能的評(píng)價(jià)方法一般是基于其永久變形試驗(yàn)，主要分為三大類［12］:最為常用的一類采用室內(nèi)試驗(yàn)方法模擬瀝青路面在車輛荷載作用下的行為，傳統(tǒng)的室內(nèi)車轍試驗(yàn)就是最為典型的代表;第二類是基于力學(xué)原理獲取瀝青混合料的相關(guān)參數(shù)來比較抗車轍性能優(yōu)劣的試驗(yàn)方法，代表是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的蠕變?cè)囼?yàn);最后一類是現(xiàn)場(chǎng)足尺寸試驗(yàn)，采用加速加載試驗(yàn)?zāi)M真實(shí)瀝青路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下車轍變形的發(fā)展規(guī)律(見圖2)。

圖2 車轍試驗(yàn)與單軸壓縮動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

目前在國內(nèi)，室內(nèi)車轍試驗(yàn)是規(guī)范規(guī)定的評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能的方法，動(dòng)穩(wěn)定度是評(píng)價(jià)指標(biāo)。車轍試驗(yàn)?zāi)茉谝欢ǔ潭壬夏M瀝青路面在車輛荷載作用下車轍的產(chǎn)生及變化，但由于采用的瀝青混合料試件為30 cm×30 cm(長×寬)大小，存在邊界效應(yīng)，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際瀝青路面的抗車轍性能相關(guān)性不甚理想。且室內(nèi)車轍試驗(yàn)只是檢驗(yàn)單層瀝青混合料的抗車轍性能，沒有體現(xiàn)結(jié)構(gòu)組合因素的影響，所以其測(cè)試結(jié)果并不足以體現(xiàn)實(shí)際瀝青路面的抗車轍性能。蠕變?cè)囼?yàn)是一種基于流變特性的測(cè)試方法，有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種加載方式，一般的MTS或UTM均可實(shí)現(xiàn)加載。蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果是獲取瀝青混合料的蠕變參數(shù)，比較不同瀝青混合料在同樣荷載作用下抵抗變形的能力，可以較好的比較永久變形的大小，不過沒有量化的參數(shù)直接比較抗車轍性能的大小。現(xiàn)場(chǎng)足尺寸試驗(yàn)是基于可以鋪筑試驗(yàn)路的條件上，利用實(shí)際車輛加載或是加速加載方式來施加荷載，可以最大程度的模擬實(shí)際路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的變形發(fā)展過程，具有很高的可靠度，但是其施工和運(yùn)行成本較高，難以達(dá)到普遍應(yīng)用的程度。

針對(duì)瀝青路面抗車轍性能評(píng)價(jià)方法的不足，在研究中逐漸做出改進(jìn)。采用雙層結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)組合因素對(duì)瀝青路面抗車轍性能的影響，以修正傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)的不足［13］。分析兩種試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)組合的因素并沒有在傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)中體現(xiàn)出來，雙層結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果能更好的代表實(shí)際瀝青路面的抗車轍性能，也消除了一部分一層混合料下面就是剛性模具所帶來的誤差。因此，傳統(tǒng)一層瀝青混合料試件的車轍試驗(yàn)結(jié)果并不能說明瀝青路面的抗車轍設(shè)計(jì)可以滿足使用要求，相反的，由于單一瀝青面層不能決定整體瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能，所以在抗車轍設(shè)計(jì)檢驗(yàn)時(shí)要在滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上最大程度上考慮結(jié)構(gòu)組合的因素。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)際路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，無疑是準(zhǔn)確獲知實(shí)際路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能的最佳方式。當(dāng)光纖光柵傳感器被應(yīng)用到道路、橋梁的變形監(jiān)測(cè)中后，使得對(duì)實(shí)際瀝青路面的抗車轍性能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成為可能。但是將光纖光柵傳感器埋設(shè)在路面結(jié)構(gòu)中時(shí)，由于其剛度比較大，與路面材料的變形并不相同，測(cè)試獲得的應(yīng)變場(chǎng)并不是路面結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變行為。不過在隨后的研究中可以發(fā)現(xiàn)，傳感器所測(cè)得的應(yīng)變可以通過計(jì)算修正為瀝青路面的應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而利用瀝青路面的材料試驗(yàn)獲取相關(guān)參數(shù)，就可以計(jì)算出瀝青路面的永久變形［14］。采用此技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瀝青路面的變形發(fā)展，來驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)手段的合理性。有條件時(shí)，還可以采用不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)新建瀝青路面的抗車轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，以達(dá)到準(zhǔn)確比較分析的目的。

4 結(jié)語

瀝青道路是由瀝青混合料作為面層鋪筑而成。作為代表性的粘彈性材料，瀝青混合料在高溫、荷載的作用下會(huì)出現(xiàn)粘滯流動(dòng)，其中有一部分的流動(dòng)變形具有不可恢復(fù)性，即殘余變形。殘余變形的逐漸積累也就形成了車轍。提高瀝青道路的抗車轍性能可以從瀝青路面材料和路面結(jié)構(gòu)組合兩個(gè)方面來著手，不同措施對(duì)抗車轍性能的改善程度并不相同，需要進(jìn)行比較找尋經(jīng)濟(jì)有效的方式。瀝青路面的抗車轍性能要借助于室內(nèi)試驗(yàn)等評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)估，才能比較各種措施的有效程度，所以一個(gè)科學(xué)有效的評(píng)價(jià)方法對(duì)于提高瀝青路面的抗車轍性能具有積極推進(jìn)的作用。

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On im provementmeasures for anti-rutting performance on asphalt roadbed and its evaluation methods

Xiao Guiqing Cao Lisong

(Tianjin Municipal Engineering Design Institute，Tianjin 300457，China)

According to the research on the anti-rutting performance of the asphaltmixture and asphalt roadbed structure，the paper points out the measures to improve the anti-rutting performance on asphalt roadbed，introduces the evaluationmethods for the performance，and sums up the scientific and effective improvement approaches according to the insufficient evaluation methods for the anti-rutting performance，so as to provide some reference.

asphalt roadbed，mixture，roadbed structure，rutting test

U416.217

A

1009-6825(2015)29-0166-03

2015-08-07

肖桂清(1988-)，男，碩士，助理工程師