抗車轍瀝青路面的設(shè)計及應用研究

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重，不僅妨礙正常的交通，還容易導致交通安全事故［1］。我國高速公路在建設(shè)時幾乎沒有對長大縱坡路段路面結(jié)構(gòu)進行專門的設(shè)計，這導致高速公路在后期的運營與管理中需要面對嚴重的車轍問題。

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［2］。長大縱坡路段的坡度越大，車轍變形越大，當坡度值不大而坡長較大時，坡頂會出現(xiàn)較大的車轍變形。從車道斷面來看，每個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??；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產(chǎn)生較大的剪應力和壓應力，當瀝青混合料的強度無法承受時，會導致瀝青路面出現(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出現(xiàn)瀝青及瀝青膠漿產(chǎn)生流動現(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，從而導致瀝青混合料在剪應力作用下產(chǎn)生剪切流動變形［3］。因此，瀝青路面的車轍主要是壓應力與剪應力綜合作用的結(jié)果，對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)性能達到最優(yōu)。

2 長上坡路段抗車轍瀝青路面的設(shè)計思路

2.1 長上坡路段瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

與普通平坡路段相比，長上坡路段瀝青層承受更大的剪應力，在進行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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)的受力特點進行抗車轍設(shè)計。為此，許多學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，從而確保瀝青路面在使用年限內(nèi)不需要進行結(jié)構(gòu)性重建［4］。

2.1.1 瀝青層的組合設(shè)計

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力，容易導致瀝青面層出現(xiàn)車轍問題，但不少學者通過大量的研究指出：當瀝青面層的厚度足夠大時，裂縫和車轍等病害只會出現(xiàn)在瀝青面層的表面，只需對這些表面裂縫和車轍適當處理，即可延長路面的壽命?；诖搜芯?，歐美等國家學者提出了考慮設(shè)計標準軸次、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)計在滿足力學設(shè)計要求的情況下，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

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)向移動所引起的，而不是密度增加的原因，即當基層具有足夠的承載力時，路面瀝青混合料的剪切力不足造成的橫向蠕動變形對車轍的影響遠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，確保瀝青路面壓實后具有適當?shù)目紫堵?，從而形成一個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)的工程應用

3.1 抗車轍瀝青混合料的配合比設(shè)計及性能

在對瀝青混合料抗車轍能力的研究中，很多研究成果表明，骨架密實型級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推薦的級配形式［5］。筆者按照多級嵌擠密級配設(shè)計方法對綏牡高速公路K104＋000～K107＋000路段中面層抗車轍混合料進行設(shè)計，以粗集料嵌擠、細集料填充的原則設(shè)計形成了骨架密實型級配，見圖1。

圖1 AC-20C目標配比合成級配曲線

瀝青混合料結(jié)合料的類型對瀝青混合料的抗車轍能力具有一定的影響，為此對90號普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料和摻加RA抗車轍劑的90號普通瀝青混合料的路用性能進行試驗測試和分析，測試結(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測試結(jié)果

由表1可見，RA抗車轍劑瀝青混合料的各項性能指標均能滿足規(guī)范的要求，其動穩(wěn)定度遠大于其他2種混合料，達到SBS改性瀝青混合料的3倍，表明RA抗車轍劑對改善90號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個指標來看，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。凍融劈裂強度試驗結(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，當混合料經(jīng)過高低溫循環(huán)作用后，RA抗車轍劑顆粒會由于熱脹冷縮作用而降低混合料的強度，而且RA抗車轍劑顆粒的比表面積大，可能會導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度降低。從彎曲試驗可以看出，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號瀝青混合料的彎曲試驗破壞應變則不符合規(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，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)濟性分析

RA抗車轍劑試驗路的施工主要包括RA抗車轍劑的儲存及工作面準備、拌制、運輸、攤鋪、壓實、接風處理等工序，其中最重要的是對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”時間控制在8～10 s，“干拌”達到規(guī)定時間后放入瀝青進行“濕拌”45 s，從而充分發(fā)揮高溫集料對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抗車轍劑試驗路的施工質(zhì)量，在工程施工中必須對混合料拌和、施工、攤鋪及碾壓溫度進行嚴格控制，按照表2的要求進行施工。

表2 RA瀝青混合料拌和、施工、攤鋪及碾壓溫度匯總

試驗段施工完畢后，采用壓實度、滲水系數(shù)、平整度和摩擦系數(shù)等指標對試驗段的路面使用性能進行檢驗和質(zhì)量評價，檢測結(jié)果表明，RA抗車轍瀝青路面的強度、水穩(wěn)定性各項指標均有大幅提高，而且具有較好的抗滑性能，能夠保證路面的正常使用。此外，對試驗段的抗車轍能力進行的觀測結(jié)果表明，RA抗車轍瀝青混合料的動穩(wěn)定度基本都在10 000次／mm以上，遠大于改性瀝青混合料4 000次／mm左右的動穩(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)定性則遠高于SBS改性瀝青混合料，具有良好的性價比，有較大的推廣應用價值。

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)的荷載及應力水平。因此，抗車轍瀝青路面的設(shè)計應從瀝青混合料和路面結(jié)構(gòu)組合兩方面入手，通過對路面結(jié)構(gòu)的分析，加大瀝青層厚度，從理論上達到長壽命瀝青混凝土的要求，并通過對瀝青混合料級配優(yōu)化與膠結(jié)料性能改進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。在實際工程中，還應嚴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。

［1］ 韓 萍，張曉燕，段丹軍.祁臨高速公路長大縱坡路段車轍處治技術(shù)研究［J］.中外公路，2011，31（5）：51-54.

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［3］ 周 禹，咸紅偉，桂 嵐.改性瀝青混合料抗車轍性能研究［J］.科學技術(shù)與工程，2011，11（12）：2863-2866.

［4］ 李海青，霍永成.呼和浩特市繞城高速公路重交通路段抗車轍路面結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計方法研究［J］.公路交通科技：應用技術(shù)版，2012（6）：94-97.

［5］ 黃開宇，吳超凡，彭紅衛(wèi)，等.抗車轍骨架密實性瀝青混合料配合比設(shè)計方法研究［J］.公路工程，2010，35（1）：88-93.

［6］ 張業(yè)茂，胡光偉，趙錫娟，等.摻加抗車轍劑改性瀝青混合料高溫性能研究［J］.公路，2012（9）：178-183.