王慧文，魏建軍，姜蔚鷹，李志軍，于紀(jì)淼

(1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050;2.黑龍江省高速公路管理局，黑龍江 哈爾濱 150030)

高速公路瀝青路面車轍是指在高溫季節(jié)，瀝青路面在重載車輛作用下產(chǎn)生的塑性累積變形[1-2]。 近些年，隨著黑龍江省高速公路建設(shè)里程的增加，省內(nèi)多條高速公路上出現(xiàn)了車轍病害對高速公路的影響主要表現(xiàn)在：路表過量的變形影響路面的平整度，使車輛在超車或變換車道方向時容易失控，影響車輛的操縱穩(wěn)定性；雨天車轍內(nèi)積水容易導(dǎo)致車輛漂滑；冬季車轍槽內(nèi)聚冰降低路面的抗滑性能等。因此，本次研究結(jié)合大齊高速公路某路段車轍病害調(diào)查結(jié)果，對車轍嚴(yán)重路段進(jìn)行了現(xiàn)場鉆芯取樣。通過對芯樣的厚度、密度、瀝青含量和集料級配等指標(biāo)的分析確定大齊高速公路車轍病害形成原因。

1　大齊高速公路工程概況

大齊高速公路是綏滿高速公路G10的重要組成部分。該路段2008年6月開工建設(shè)，2010年9月29日全線正式交工通車，路段全長147.37公里。主線路面結(jié)構(gòu)采用瀝青混凝土路面，上面層采用中粒式改性瀝青混凝土5 cm，中面層采用中粒式瀝青混凝土6 cm，下面層采用粗粒式瀝青混凝土6 cm；基層采用6%水泥穩(wěn)定級配碎石20 cm，下基層采用5%水泥穩(wěn)定砂礫+碎石(40%)30 cm。

2　大齊高速公路車轍現(xiàn)場調(diào)查

本次調(diào)查選擇車轍較為嚴(yán)重的K667+850～ K667+900段和K737+750～ K737+800段。在兩個路段上選取了6個路面橫斷面進(jìn)行鉆芯取樣。鉆芯部位為：橫斷面上形成車轍的凹陷部位、離凹陷部位不遠(yuǎn)處凸起部位、路肩上沒有受到交通荷載影響的部位(見圖1和圖2)。經(jīng)過取芯后，對鉆取芯樣的厚度、密度、芯樣混合料的級配和瀝青含量等指標(biāo)進(jìn)行分析以確定車轍產(chǎn)生的原因。

圖1　橫斷面不同部位取芯芯樣

3　現(xiàn)場鉆芯試樣性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　鉆芯試樣厚度

現(xiàn)場取芯的60個芯樣經(jīng)切割后路面不同層位的厚度值，如表1所示。根據(jù)K667段的厚度數(shù)據(jù)：在芯樣總厚度上，路肩部位和凸起部位比較接近。凹陷部位的總厚度較凸起部位和路肩部位平均減小1～2 mm。在上面層厚度上，凹陷部位較凸起部位和路肩部位平均減小2 mm左右。而在中面層和下面層的厚度上，凹陷部位、凸起部位、路肩部位相差不大。

圖2　按層厚切割后芯樣

根據(jù)K737段中數(shù)據(jù)：在總厚度上，凹陷部位、凸起部位，比較路肩部位均有減小。凹陷部位較凸起部位減小2 mm左右，較路肩部位減小3 mm左右。在上面層和中面層厚度上，凹陷部位、凸起部位均較路肩部位有明顯減小。在下面層厚度上，3個部位的厚度變化不大。這說明，K667處的車轍主要由上面層的厚度減小產(chǎn)生，而K737段車轍由上面層和中面層的厚度減小產(chǎn)生。其中，上面層厚度減小對車轍總量影響較大。

3.2　鉆芯試樣密度

鉆芯芯樣試件的表觀密度值如表2所示。由于路肩部位在道路使用過程中受到車輛荷載的影響小，所以可以近似認(rèn)為此處芯樣的密度代表了路面結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后的密度。

表1　6個斷面鉆芯的厚度　mm

表2　6個斷面不同層位鉆芯試件的表觀密度　 g/cm3

根據(jù)K667段的密度數(shù)據(jù)，上面層凹陷部位芯樣的表觀密度普遍大于路肩處上面層芯樣的，這說明凹陷部位的瀝青混凝土經(jīng)過車輛荷載的碾壓其密度有所增加。對于中面層和下面層，凹陷和凸起部位的取芯試件的表觀密度相比較路肩的有時增加有時減小，變化幅度不是非常明顯。根據(jù)K735段的密度數(shù)據(jù)：上面層凹陷部位芯樣的表觀密度仍是普遍大于路肩處上面層芯樣的。對于中面層的，也呈現(xiàn)出凹陷部位芯樣的密度較路肩的大的情況。下面層時，凹陷和凸起部位試件的表觀密度較路肩的變化幅度不明顯。

3.3　鉆芯試樣瀝青含量

在兩個路段中分別選取了兩個斷面的鉆芯芯樣進(jìn)行抽提試驗(yàn)，得到各個路段不同層位瀝青混合料的油石比(見表3)。仍然近似認(rèn)為路肩處芯樣的油石比代表了路面施工結(jié)束后的油石比。從兩個路段路面不同層位的凹陷部位、凸起部位芯樣油石比相比路肩的變化情況可以看出，上面層凹陷部位試件的油石比普遍要比路肩的大。中面層和下面層凹陷部位的油石比與路肩的相比變化不大。按瀝青在面層結(jié)構(gòu)中的遷移理論[3]，瀝青路面在使用一定時間后，瀝青有相路面表面遷移的趨勢。

表3　兩個路段不同層位鉆芯試件的油石比　%

4　室內(nèi)車轍試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1　車轍試驗(yàn)

采用現(xiàn)場鉆芯試件經(jīng)抽提實(shí)驗(yàn)得到的礦料級配進(jìn)行室內(nèi)瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，確定最佳瀝青用量。試驗(yàn)選用的瀝青為I-C型改姓瀝青，軟化點(diǎn)溫度為76.5 ℃。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個不同的混合料密度2.368 kg/m3、2.456 kg/m3，兩個車轍試驗(yàn)溫度：80℃和60℃。通過車轍試驗(yàn)得到兩個不同密度車轍試件在兩個不同試驗(yàn)溫度下的車轍深度和動穩(wěn)定度。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4　車轍試驗(yàn)結(jié)果

4.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1車轍深度變化

試驗(yàn)溫度80 ℃時，兩種密度車轍試件的轍深均較大，而且在深度上差別不明顯，均在15 mm以上。試件轍深的兩側(cè)有明顯的隆起，如圖3所示。說明高溫條件下轍深兩側(cè)的瀝青混凝土發(fā)生了剪切推移，產(chǎn)生的是剪切車轍。試驗(yàn)溫度60 ℃時，試件上轍深兩側(cè)瀝青混凝土沒有發(fā)生隆起(見圖4)?？梢耘袛啵囼?yàn)溫度60 ℃的車轍試驗(yàn)，轍痕發(fā)生處的瀝青混合料在車轍輪載作用下被壓密，形成壓密車轍。

圖3　試驗(yàn)溫度80 ℃的車轍

圖4　試驗(yàn)溫度60 ℃的車轍

4.2.2 動穩(wěn)定度的變化

試驗(yàn)溫度80 ℃時，試驗(yàn)時間45 min和60 min時的變形(轍深)差較大。較高的試驗(yàn)溫度使瀝青混合料的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，造成動穩(wěn)定度較小。試驗(yàn)溫度60 ℃時，并沒有造成瀝青膠結(jié)料的軟化，瀝青混合料結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。此時車轍試件產(chǎn)生的轍深主要是試件沒有碾壓密實(shí)所致。

5　大齊高速車轍產(chǎn)生原因分析

5.1　車轍形成機(jī)理分析

瀝青路面的車轍形成一般分為兩個階段：壓密階段和剪切流動階段。壓密階段主要是由于施工階段路面壓實(shí)度不足，剩余孔隙較大等。在高溫條件下，車輛荷載較大時會對路面形成再壓實(shí)，形成壓密車轍。壓密階段一般會持續(xù)較長時間。剪切流動階段是由于高溫時荷載形成的剪切應(yīng)力超過材料的剪切強(qiáng)度而形成的剪切流動[4-5]。通常，控制瀝青路面車轍的關(guān)鍵是瀝青路面在車輛荷載作用的剪切流動。

5.2　大齊高速車轍形成原因

根據(jù)大慶至齊齊哈爾段2015年的公路技術(shù)狀況評定報(bào)告中現(xiàn)場車轍檢測的數(shù)據(jù)，大齊高速公路檢測的車轍深度大部分在5～15 mm范圍內(nèi)，各別路段車轍深度可達(dá)到15 mm以上。路面車轍深度指數(shù)RDI平均值為83.6，評定等級為良。這說明車轍病害已經(jīng)在大齊高速公路上形成發(fā)展的趨勢。從檢測報(bào)告中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，大齊高速公路路面車轍并非在全路段發(fā)生，而且在交通及外界環(huán)境相似的路段上車轍深度發(fā)生也不均勻，車轍的嚴(yán)重程度相差較大。因此，可以判斷現(xiàn)階段大齊高速公路車轍產(chǎn)生原因與路面施工的變異性有很大關(guān)系。部分路段的低溫壓實(shí)或者由于其它原因而導(dǎo)致的壓實(shí)度不足是引發(fā)路面車轍的主要原因。

6　結(jié)　論

車轍是目前我國高等級瀝青路面的主要病害。影響瀝青路面產(chǎn)生車轍的因素有：氣候環(huán)境、交通條件、路面材料的結(jié)構(gòu)、施工因素等。本文通過對黑龍江省大齊高速公路某路段車轍病害的調(diào)查，利用現(xiàn)場鉆芯取樣，對芯樣的厚度、密度、瀝青含量等指標(biāo)的分析，得出大齊高速公路產(chǎn)生車轍的主要原因是：部分路段的低溫壓實(shí)或者路面施工的變異性導(dǎo)致的瀝青路面面層的壓實(shí)度不足而產(chǎn)生壓密車轍。

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