淺析瀝青混凝土路面的高溫穩定性

魏國棟

（內蒙古自治區交通建設工程質量監測鑒定站，內蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

車轍是指在行車荷載重復作用和自然因素綜合作用下產生永久性變形，表現為沿道路縱向產生的帶狀撤槽，嚴重時車轍的兩側會有突起形變，加劇惡化了路面的使用性能。瀝青路面與水泥混凝土路面相比，瀝青路面有著諸多優點，例如表面平整、行車舒適性好、振動小、噪音低、施工周期較短、維修和養護方便等。瀝青路面在高速公路路面中的應用占比已達到90%以上，但是在具體應用階段瀝青路面所特有的病害——車轍，已成為繼水損壞之后普遍存在的路面病害類型之一。

20 世紀70 年代末，美國各州公路局曾做過調查統計，在被調查的44條主要公路中有13條公路的損壞是由車轍引起的，占調查總數的29.5%；日本的高速公路損壞原因80%以上是由于車轍引起的。對于我國的高等級公路而言，道路交通量的迅速增長、高速公路重車比例在增大以及車輛超載、超限現象等交通環境對瀝青混凝土路面的破壞非常嚴重，甚至在路面早期就產生車轍現象。葛浩等[1]提出了長大縱坡瀝青路面車轍防治措施，劉春林[2]分析了瀝青混凝土路面高溫穩定性的影響因素。本文對瀝青混凝土路面的車轍問題進行了探討，提出了解決瀝青混凝土路面車轍的幾點措施，以期為改善瀝青混凝土路面的車轍提供依據。

2 車轍類型

瀝青混凝土路面的車轍根據形成機理的不同一般分為以下三類[3]，如表1所示。

3 車轍的形成過程

車轍的產生影響路面的平整度，使行車舒適性能下降；車轍較大的路段對行車的安全性也會有影響。另外，在車轍開裂處雨水會從裂縫中滲入到基層甚至是路基中，易導致路基、路面發生水損壞。車轍的形成過程可簡單分為三個階段。

3.1 開始階段的壓密過程

瀝青混合料是一種多種成分組成的復雜材料。包括：瀝青結構、礦物結構、以及瀝青-礦粉分散結構。瀝青和瀝青及礦料組成的膠漿在高溫碾壓作用下被擠壓進礦料間隙中，使得骨料被重新排列而形成具有一定作用的骨架結構。并且通車后在荷載作用下這種壓密過程還會進一步發展[4]。

表1 常見的瀝青路面車轍類型

3.2 瀝青混合料流動作用

瀝青材料在常溫下呈固態形式、在高溫下呈液態形式，在荷載作用下瀝青及瀝青膠漿一部分填充混合料孔隙，起到很好的填充作用，另一小部分將自由流動使瀝青混凝土路面在受壓處被壓縮而變形。

3.3 礦料的重新排列及礦質骨架的破壞

高溫下瀝青混合料由于瀝青與瀝青膠漿在荷載作用下產生流動，瀝青混合料中粗、細骨料形成主要的骨架作用，瀝青作為潤滑劑，特別是瀝青用量偏高時瀝青與瀝青膠漿的流動性會更加明顯。在荷載的反復作用下最終會導致骨架失穩而使礦質骨架破壞。

4 瀝青混凝土路面車轍影響因素

目前，改善瀝青混凝土路面車轍的措施有：在施工過程中使用SBS改性瀝青，鋪筑瀝青瑪蹄脂SMA路面，調整、優化礦料級配等。這些措施對提高瀝青混凝土路面高溫穩定性有很大改善，但怎樣有效控制瀝青混凝土路面的車轍仍然是當前所面臨的課題。根據我國目前的經驗，瀝青混凝土路面車轍的影響因素主要有以下四個方面：

4.1 材料

瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其衍生物組成的復雜混合物，是一種無定形物質，瀝青隨著測試溫度的升高逐漸被軟化。因此軟化點也是評價瀝青高溫性能的一個重要指標。粘聚力和內摩擦角影響著瀝青混合料的強度，其中材料因素包括瀝青、礦質集料、填料以及纖維等[5]。

4.1.1 瀝青種類和用量的影響

瀝青種類和用量的不同，將影響瀝青混合料的性能。不同品種、類型的瀝青，其混合料性能也不同。根據氣候狀況瀝青材料種類應選擇針入度小、軟化點高、延度較高、粘度較高的改性瀝青，此類瀝青的高溫穩定性較好。

瀝青用量的多少將影響瀝青混合料的骨架嵌入、擠壓效果，對瀝青混合料的抗車轍性具有重要作用，因此在實際施工過程中瀝青用量要嚴格控制。隨著瀝青含量的不斷增加，瀝青混合料的穩定度將隨之下降，流值增大，動穩定度降低，瀝青混合料抗車轍變形能力明顯降低[6]。這表明在瀝青混合料組成中，混合料中瀝青含量對抗車轍能力有顯著影響。瀝青含量較少時，瀝青與瀝青膠漿不足以填充混合料中的間隙，使得混合料壓實不足。瀝青含量太大時，游離瀝青又會削弱礦料之間的嵌擠力，降低瀝青混合料的內摩阻力，而且在夏季容易產生泛油現象，使瀝青混合料變形而形成車轍[7]。

4.1.2 礦料的影響

首先，礦質骨料表面紋理、形狀、針片狀含量以及集料與瀝青的粘附性能都影響瀝青混合料的高溫穩定性。針片狀顆粒含量低、粗糙、接近立方體表面形狀的礦料易形成骨架嵌擠結構，有利于提高瀝青混合料的抗車轍性能。

其次，礦料級配對瀝青混合料的抗車轍性也很重要。僅增加礦料粒徑并不能有效改善路面的抗車轍性能。良好合理的級配對改善瀝青混合料高溫穩定性能有很大幫助。這是因為良好的級配可以在礦料之間形成良好的骨架，使空隙率降低從而顯著提高了瀝青混合料的抗車轍性能[8]。

最后，為了增加瀝青與集料之間的粘附性并減少水損害，宜使用中性或堿性石料，不宜使用酸性石料。必要時可摻抗剝落劑或石灰、水泥等填料使其增加與集料的粘附性能。填料在瀝青混合料中，雖然摻量較少，但作用不容忽視，它能分散瀝青混合料中形成的瀝青膜并包裹在礦料表面，使礦料之間的粘結力增強。

4.2 路面結構

瀝青路面類型和路面厚度的組合不同也與路面車轍有很重要關系，同一種材料用于不同的路面結構中其體現的性能也不同，路面結構類型的選擇以及路面結構層組合的合理性對路面的高溫穩定性有很大的影響。瀝青面層厚度與公路等級、交通量和瀝青種類有關，應綜合確定。應根據交通量大小及材料的力學性能和機械的擴散能力來綜合選擇基層和底基層的厚度。

合理選擇瀝青路面結構層次，是整個路面結構經濟、合理的關鍵，也是整個路面結構能否在設計使用壽命中承受各種荷載和自然因素的關鍵。

4.3 現場施工質量的控制

瀝青混凝土在現場施工中一定要控制好混合料的均勻性和壓實度，混合料的均勻性要從拌合-運輸-攤鋪-碾壓過程中整體來控制，而壓實度也是質量控制的關鍵指標，選擇其滿足設計及規范要求。一般在施工現場要合理控制好壓實機具的型號、數量及碾壓遍數來提高壓實要求。現場空隙率和滲水性是否滿足規范要求也是造成車轍發生的重要因素。空隙率一般控制在3%～6%，提高混合料的密水性，如果施工現場混合料發生離析現象，則粗骨料集中部分將導致壓實不足、空隙率大、水密性差，易造成水損害。在細骨料集中的地方，雖然空隙率較小，滲水較好，但在夏季高溫重載情況下易發生變形從而產生車轍。

4.4 外部因素

瀝青混合料是一種粘-彈性材料。其物理、力學性能受外部環境條件（環境溫度和外部荷載）影響很大。我國路面設計的車輪標準載荷為（0.7±0.05）MPa，但在道路運行過程中，超載現象普遍存在。荷載的增加進一步導致了車轍問題越來越嚴重。因此，道路在運行過程中必須嚴格控制車輛的超載，在設計方面適當的提高要求。車轍的室內試驗溫度通常為（60±0.5）℃。但是，我國南方和北方地域溫差比較大，這勢必導致動穩定性的不同。隨著溫度的升高，瀝青的粘度變小，抗蠕變能力降低。在外力的作用下，動穩定性會下降，車轍變形會增加，高溫下的瀝青路面很容易產生車轍[9]。

車轍與瀝青路面的路線設計、結構組成、交通情況和環境密切相關。在設計方面，應盡量減小縱向坡度，縱向坡度越長在夏季高溫季節更容易引起車轍現象。就結構組成而言，應做好透層、封層、粘層各道工序，確保基層與面層、面層與面層之間聯接良好形成穩定的整體。在交通和環境方面，車轍的影響主要體現在過多的超載車輛和低速、上坡行駛中等方面。

因此，在公路建設前，要充分考慮所有可能的不利因素，采取相應的措施，以減少或延緩車轍的產生。

5 減少瀝青混凝土路面車轍的措施

通過近幾年我國道路車轍的形成原因分析，根據瀝青路面結構的力學特性，針對交通和氣候等不利條件，從原材料的選擇、配合比的優化設計、路面結構層的設計和施工過程中的質量控制等方面來考慮改善瀝青混合料的車轍性能。

建議采取以下措施來改善瀝青混凝土路面的車轍病害：

①選擇適合的瀝青。

選擇的瀝青應為粘度高，粘聚力強，軟化點高，蠟含量相對低的改性瀝青，并且控制好瀝青用量。

瀝青與集料的粘附性是評價瀝青性能的重要指標，粘附性的好壞將影響瀝青路面的使用性能和耐久性，在基質瀝青中摻加樹脂聚合物、橡膠聚合物等來改善瀝青性能，從而增加瀝青的高溫穩定性和低溫抗裂性。例如：在基質瀝青中摻加苯乙烯類共聚物SBS從而有效地改善瀝青的溫度性能、拉伸性能、彈性、內聚附著性能、混合料的穩定性、耐老化性等。

②選擇粒徑合適的集料并且優化設計成最佳級配，集料應具有棱角容易在合成級配中形成嵌擠狀態。

在瀝青混合料中粗骨料之間的鑲嵌作用可以提高瀝青路面的高溫穩定性，這也取決于集料的壓碎值、顆粒形狀和棱角性。通常粗骨料的形狀接近立方體且沒有明顯的分層層理、表面粗糙、內摩擦角增大，同時應合理調整優化礦料級配，使礦料級配成“S”型走向，適當的增加粗骨料用量保證骨料之間的嵌擠作用，使瀝青混合料抗變形能力增加從而提高高溫抗車轍能力。

③根據當地的氣候條件選擇合適的瀝青混合料類型，以避免瀝青混合料的高溫流動變形。

④添加少量外摻劑，例如粒狀聚合物、橡膠等，可以在瀝青混合料中添加抗車轍劑以改善瀝青混合物的高溫穩定性。

⑤做瀝青混合料配合比時控制好孔隙率不能低于規范值，根據瀝青混合料類型參照《公路瀝青路面施工技術規范》選擇。

⑥控制好每個結構層材料模量比。

⑦在施工過程中嚴格控制每個工序的質量，控制好壓實度增強路基強度、穩定性，防止結構型車轍的發生。

⑧合理規化交通，限制超載車輛通行，對已經形成車轍的路段應盡快維修、養護，避免車轍再擴大。

⑨適當提高粉膠比，增強層間結合力，加強道路壓實度，提高道路的整體強度。

在瀝青混合料中適當的增加粉膠比，尤其是在SMA瀝青混合料中，礦粉的用量更多，隨著礦粉用量的增加，混合料的孔隙率減小，動穩定性有所提高。

如果瀝青面層之間粘結不好，有水滲入層間會使瀝青路面受力狀態發生改變，在重載作用下很容易產生推移、擁包，最終導致路面破壞。所以一定要確保粘層油的灑布量和灑布的均勻性，使瀝青面層與面層之間形成一個有機的整體。

6 結語

綜上所述，通過不斷學習新技術、新材料、新工藝、新設備的知識，本文總結出如下兩種措施，可使車轍問題盡可能的減少，從而提高道路的整體性能和使用壽命。

①提高瀝青混凝土路面車轍能力應選用粘度高、粘聚力強、軟化點高的改性瀝青，對于集料應選用壓碎值高、表面粗糙、棱角性好的集料，配合比設計過程中要優化礦料級配使礦料級配成“S”型走向形成密實骨架結構[10]。

②在目前的規范要求下按照馬歇爾試驗方法進行瀝青混凝土配合比設計、驗證，采用統一方法計算混合料的體積指標，按照當地路面的實際溫度進行車轍試驗，必要時提高車轍的試驗溫度。控制好施工現場的空隙率，提高壓實質量，改善面層、基層的排水性能，綜合治理車輛的超限、超載現象，從而使車轍問題盡可能的減少、避免。