葛 浩，張 迪，劉旭東

（江蘇東交工程設(shè)計(jì)顧問有限公司， 江蘇 南京 211100）

由于受地形、地貌的影響，山區(qū)高速公路路線設(shè)計(jì)中不可避免地會(huì)遇到長大縱坡問題。隨著荷載作用時(shí)間的延長，致使高速公路在長大縱坡段易產(chǎn)生車轍病害，已嚴(yán)重影響路面質(zhì)量與行車安全性［1］。為此，研究車轍病害的成因及防治措施具有十分重要的意義。本文通過對云南省某高速公路車轍病害調(diào)查，總結(jié)出引起路面車轍病害的成因，選取路面中面層作為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)對4種不同類型的瀝青混合料性能進(jìn)行研究，對比分析抗車轍效果，并對防治措施效果進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 長大縱坡瀝青路面車轍病害調(diào)查

云南省某高速公路于2008年建成通車，路基寬25.5 m，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度100 km/h。路面類型為瀝青混凝土路面，面層結(jié)構(gòu)為4 cm AC-13+5 cm AC-20+8 cmAC-25。該高速公路通過山嶺重丘區(qū)，水文地質(zhì)情況復(fù)雜，長大縱坡較多。近年來，隨著交通量的不斷增長，車輛超載運(yùn)輸嚴(yán)重，再加上沿線地質(zhì)條件較差，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主線瀝青路面車轍病害情況比較嚴(yán)重，車轍病害主要發(fā)生在行車道，而在重載方向的長大縱坡路段更為嚴(yán)重，局部車轍深度大于5 cm，在一定程度上影響了行車安全性和舒適性。針對該路面車轍病害特點(diǎn)，進(jìn)行了成因分析研究。

2 長大縱坡瀝青路面病害原因分析

車轍是瀝青路面的輪跡帶在車輛荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生豎直方向永久變形的積累，嚴(yán)重時(shí)兩側(cè)通常有鼓起變形。根據(jù)車轍產(chǎn)生的原因，可以將瀝青路面車轍分為壓密型車轍、結(jié)構(gòu)型車轍、失穩(wěn)型車轍［2］。經(jīng)綜合研究分析，引起長大縱坡路段車轍病害的因素主要有以下4個(gè)方面。

（1）縱坡坡度

在長大縱坡路段，載重車輛隨路面坡度與坡長的增大，車速會(huì)明顯降低［3］。根據(jù)感溫性材料瀝青的時(shí)穩(wěn)等效法則，如果車輛行駛速度為100 km/h，車輪對路面的作用時(shí)間是0.02 s；如果車輛以20 km/h速度行駛，則車輪對路面的作用時(shí)間就變?yōu)?.1 s，即20 km/h速度使瀝青路面產(chǎn)生的永久變形相當(dāng)于以100 km/h速度5遍產(chǎn)生的永久變形。

（2）重載、超載交通

近年來，隨著交通量的增長，特大貨車及拖掛車越來越多，該高速超載現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。

（3）行車速度

低速行駛對車轍病害的影響比超載大，比高溫的影響更大。即使在平坡路段，重載車的行駛速度也不會(huì)超過50km/h，即重車對瀝青路面的作用時(shí)間相當(dāng)于車速為100km/h的2倍。

（4）路面溫度

根據(jù)黏彈性力學(xué)原理，瀝青黏度隨溫度的升高呈非線性指數(shù)降低，路面的變形也將隨溫度的升高成非線性指數(shù)增大［4］。該地區(qū)的極端最高溫度為40 ℃左右，當(dāng)夏季高溫來臨時(shí)，瀝青路面的溫度可以達(dá)到60 ℃甚至更高，在交通荷載的反復(fù)作用下將產(chǎn)生顯著變形，其中部分變形不會(huì)隨著卸載而消失，并殘余下來成為永久變形。

3 長大縱坡瀝青路面車轍防治措施

根據(jù)實(shí)際使用情況，從瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、瀝青混合料設(shè)計(jì)、路面交通管理等方面采取相應(yīng)的措施［5］，從而提高長大縱坡瀝青路面的抗車轍性能。

3.1 優(yōu)化瀝青面層結(jié)構(gòu)

根據(jù)國內(nèi)外所進(jìn)行的有關(guān)車轍問題的研究，可看出普遍存在“重材料輕結(jié)構(gòu)”的現(xiàn)象。大量的技術(shù)措施集中在表層材料的選擇和瀝青混合料的組成設(shè)計(jì)等方面，隨著研究的深入，路面結(jié)構(gòu)是一個(gè)不可忽視的因素［6］。在不改變原來路面結(jié)構(gòu)層厚度的基礎(chǔ)上，采取優(yōu)化級配方法，對于提高路面的抗車轍性能，延長瀝青路面使用壽命，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益均具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 原材料的選用

（1）膠結(jié)料選用分析

根據(jù)該地區(qū)的氣候條件和交通量情況，考慮選用高、低溫性能良好的改性瀝青。在膠結(jié)料選用上，可借鑒SHRP研究成果，在長大縱坡段，瀝青膠結(jié)料的選用考慮提高一個(gè)或兩個(gè)高溫性能等級。

（2）集料的選用

破碎的碎石，具有豐富的棱角和發(fā)達(dá)的紋理構(gòu)造，經(jīng)壓實(shí)后顆粒間能形成緊密的嵌擠作用，有利于增強(qiáng)混合料的穩(wěn)定性［7］。相反，用表面光滑的礫石拌制的瀝青混合料，在高溫狀態(tài)下，礫石顆粒之間缺乏嵌擠力，在荷載作用下極其容易滑移，使路面出現(xiàn)變形。因此，選擇質(zhì)優(yōu)的集料亦是提高抗車轍性能的重要因素。

（3）外摻劑的選用

在瀝青混合料中添加外摻劑，能有效地改善混合料路用性能，而且有的外摻劑還具有摻加工藝簡便、技術(shù)效果顯著、節(jié)約能源、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 瀝青混合料級配的選擇

對于不同類型的瀝青混合料，集料比例是最重要的因素。對于密級配瀝青混合料來說，如果粗集料是懸浮在瀝青膠漿中，嵌擠作用不能很好形成，瀝青的作用將提高成為主要影響因素［8］。相反，對于以集料嵌擠為主的瀝青碎石、貫入式以及瀝青瑪碲脂碎石混合料（SMA）、大空隙式排水瀝青混合料等，高溫穩(wěn)定性主要依靠粗集料的嵌擠作用，一般具有很高的抗車轍能力。

3.4 路面交通管理

超載、重載車輛是造成瀝青路面早期病害的重要因素，尤其在長大縱坡段，是導(dǎo)致路面在極短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)車轍等病害的主要原因之一。針對該問題，政府相關(guān)部門應(yīng)采取一定的控制手段，嚴(yán)格控制車輛超載，通過分流、繞行、限行等手段減少超載車輛給長大縱坡路面造成破壞，以減緩瀝青面層車轍病害的發(fā)生［9］。

4 長大縱坡瀝青路面車轍防治措施效果評價(jià)

對于一般瀝青路面面層，瀝青混合料高溫性能等滿足相關(guān)技術(shù)要求即可，但作為在高速公路長大縱坡段路面面層使用的瀝青混合料，由于路面受力情況的特殊性，還需具有良好的抗剪性能和抗疲勞性能。結(jié)合云南省某高速公路實(shí)際情況，在瀝青路面結(jié)構(gòu)中，雖然上面層的最高溫度高于中面層，但中面層的高溫持續(xù)時(shí)間會(huì)更長，對車轍的產(chǎn)生有重要的影響，且黏層材料對層間抗剪性能也具有一定的影響作用，因此對中面層的研究顯得尤為重要。針對中面層采用不同類型的抗車轍方案，并從高溫穩(wěn)定性、抗剪切能力及抗疲勞性等室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比分析和評價(jià)不同類型瀝青混合料的抗車轍效果。

4.1 抗車轍方案選用

通過優(yōu)化瀝青混合料的級配，采用黏度更大、強(qiáng)度更高的膠結(jié)料和添加外摻劑均能有效地提高瀝青混合料的高溫性能。因此在本研究中，分別從黏層層間材料、膠結(jié)料、外摻劑和混合料類型等方面對比研究各項(xiàng)抗車轍措施的混合料性能。

（1）黏層層間材料選擇

黏層試驗(yàn)采用乳化瀝青、改性乳化瀝青、基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及高黏瀝青，最佳用量分別為0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.4 kg/m2、1.4 kg/m2以及1.4 kg/m2，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 粘層層間剪切試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，各種黏層油層間抗剪強(qiáng)度由高到低依次為：SBS改性瀝青、高黏瀝青、改性乳化瀝青、基質(zhì)瀝青、乳化瀝青。故本次研究中采用SBS改性瀝青作為黏層材料。

（2）混合料類型設(shè)計(jì)方案

力學(xué)分析表明，在本次研究中提高中面層混合料性能，能有效提高高速公路長大縱坡瀝青路面抗車轍性能。通過比選分析，主要研究以下4類瀝青混合料。具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 瀝青混合料種類匯總表

4.2 瀝青混合料的性能分析

4.2.1 高溫穩(wěn)定性

用于評價(jià)瀝青混合料高溫性能的試驗(yàn)方法很多。大量的試驗(yàn)已經(jīng)證明，馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)主要是用于確定混合料最佳瀝青用量和施工質(zhì)量管理，并不能正確地反映材料的抗車轍能力，而車轍試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際路面車轍有極好的相關(guān)性，可較好地反映實(shí)際瀝青路面在車輪荷載作用下永久變形的累積效應(yīng)［10］。因此，本研究采用車轍試驗(yàn)研究材料的高溫穩(wěn)定性。動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見表3，試驗(yàn)結(jié)果表明：范的要求，但從表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，動(dòng)穩(wěn)定度AC-20（70#+路孚8000）＞AC-20（70#+路孚8000）＞ARAC-20（70#+橡膠粉+TOR）＞而AC-20（SBS）動(dòng)穩(wěn)定度最差。

表3 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

（2）由于路孚8000對瀝青混合料的性能進(jìn)行了改善，使得混合料的高溫性能比不摻加路孚8000的有了較大提高，具有更好的抗車轍性能。

（3）ARAC-20（70#+橡膠粉+TOR）瀝青混合料中，膠結(jié)料采用的是橡膠瀝青，增加了混合料的黏結(jié)性，較常規(guī)瀝青混合料高溫性能有所提高，抗車轍性能也相應(yīng)有所提高。

4.2.2 抗剪切性能

傳統(tǒng)瀝青混合料的研究認(rèn)為瀝青混合料的剪切破壞主要是瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足，在荷載作用下產(chǎn)生永久變形和剪切推移，致使路面出現(xiàn)車轍等現(xiàn)象。從試驗(yàn)的簡單、實(shí)用、易推廣的角度考慮，車轍試驗(yàn)?zāi)軌蚰M路面在荷載作用下的車轍產(chǎn)生過程，而被廣泛地采用。直接剪切試驗(yàn)?zāi)芙频啬M純剪切應(yīng)力狀態(tài)，比較符合路面的實(shí)際情況，可用來評價(jià)瀝青混合料的抗剪切性能?？辜羟行阅懿粌H對瀝青混合料本身很重要，而且對層間抗剪切性能更重要，故本次研究上—中層間的層間抗剪切性能，具體剪切試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）從20 ℃至60 ℃，各種混合料抗剪切變形能力迅速降低，這也說明，在高溫狀態(tài)下，瀝青路面極易發(fā)生混合料剪切破壞，導(dǎo)致車轍等病害的產(chǎn)生。

表4 混合料剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

（2）無論是20 ℃還是60 ℃，AC-20（SBS+路孚8000）抗剪切性能最佳，AC-20（70#+路孚8000）次之，ARAC-20（70#+橡膠粉+TOR）與 AC-20（SBS）抗剪切能力相當(dāng)。

4.2.3 疲勞性能

瀝青混合料的疲勞性能與瀝青路面的使用壽命密切相關(guān)，尤其路面的中、下面層對該性能要求更高。因此，研究瀝青混合料疲勞性能有著重要的意義。路面使用期間，在環(huán)境溫度影響下經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用。其應(yīng)力或應(yīng)變長期處于交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過一定的次數(shù)以后，路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)超過路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，使路面產(chǎn)生疲勞裂縫，最終導(dǎo)致路面出現(xiàn)網(wǎng)裂、車轍等病害。

疲勞試驗(yàn)的過程如下：首先進(jìn)行15 ℃試驗(yàn)溫度下的劈裂試驗(yàn)，得到劈裂試驗(yàn)荷載的最大值PT（平行4個(gè)試件）。用UTM機(jī)進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)，采用應(yīng)力控制方式，試驗(yàn)中應(yīng)力比為0.40（應(yīng)力比=試驗(yàn)荷載/最大荷載），劈裂試驗(yàn)荷載最大值試驗(yàn)結(jié)果見表5，疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6 混合料劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：ARAC-20（70#+橡膠粉+TOR）的疲勞性能最好，AC-20（SBS+路孚8000）次之，然后依次是AC-20（SBS）和AC-20（70#+路孚8000）。

綜上所述，在室內(nèi)試驗(yàn)研分析的基礎(chǔ)上，本次研究推薦所采用的中面層抗車轍方案為AC-20（SBS+路孚8000），層間黏結(jié)材料選擇SBS改性瀝青。

5 結(jié)語

本文以云南省某高速公路車轍病害調(diào)查數(shù)據(jù)及特點(diǎn)為基礎(chǔ)，分析了車轍病害產(chǎn)生的原因，總結(jié)出縱坡坡度、路面溫度、行駛速度、交通情況等因素是引起車轍病害的主要原因，并由此從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、交通管理等方面入手，提出了車轍防治的措施。結(jié)合云南省某高速公路實(shí)際情況，選取中面層作為抗車轍研究對象，并提出了4種不同類型的抗車轍方案，分別從高溫穩(wěn)定性、抗剪切能力、抗疲勞性能等室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對比分析和評價(jià)不同類型的瀝青混合料在長大縱坡路面抗車轍效果。結(jié)果表明，研究的3種抗車轍瀝青混合料，均較原AC-20 （SBS）瀝青混合料具有更佳的路用性能，推薦該高速公路長大縱坡路段中面層采用AC-20（SBS+路孚8000），將具有良好的預(yù)防車轍效果。

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