瀝青路面抗車轍性能研究

彭桂崇

（廣東中地路橋建設集團有限公司，廣東 惠州 516057）

0 引言

瀝青路面具有平穩舒適、施工期短、耐久抗滑性能好等優點，在我國公路工程建設中取得了廣泛應用，但是隨著公路上的交通量和荷載不斷增加且全球氣候的變暖，導致瀝青路面產生如泛油、車轍、沉陷等多種病害，其中以車轍最為普遍和典型。車轍破壞路面的平整度，影響行車平順；降低路面結構的整體性，引發二次破壞；減弱路面的排水功能，危害行車安全。因此，研究瀝青路面抗車轍性能十分有利于解決我國大量瀝青路面公路現存或者即將出現的車轍問題，同時也具有十分重要的工程、社會和經濟意義。

1 車轍的類型及形成機理

1.1 車轍的類型

不同的車轍形成的原因并不相同。按照不同的成因，車轍可以分為以下四大類[1]。

1.1.1 失穩型車轍。失穩型車轍是一種流動性的車轍。在路面荷載的作用下，瀝青混合料發生流動，當外界荷載對瀝青路面結構產生的剪切力超過其自身的抗剪強度時，即出現變形，經過長時間的積累就會形成失穩型車轍。該類車轍在車輛荷載的兩側都有隆起，呈“W”型。

1.1.2 結構型車轍。結構型車轍是在交通荷載的反復作用下，路基強度不足以承受從而發生的永久性變形，并且將這種變形傳遞至路面結構各層。這類車轍輪跡兩側沒有明顯的隆起現象，多呈現凹形下陷，寬度較大。

1.1.3 壓密型車轍。壓密型車轍的形成主要是由于在路面施工的過程中，沒有將瀝青混合料充分壓實。在路段進入實際使用之后，在高強度交通荷載反復作用下不斷壓實路面，減小瀝青層的空隙率，最終產生這種病害。壓密型車轍的下凹發生在車輛輪跡處，所以對車輛行駛的平順性及安全性有非常大的影響。但是這種車轍也是最容易避免的，只需要加強施工的規范性即可。

1.1.4 磨耗型車轍。磨耗型車轍是車輪磨損或者其他自然因素的作用給瀝青路面的頂層材料造成的不可恢復的永久性損傷。特別是在北歐一些國家，由于使用特種輪胎如埋釘輪胎、防滑鏈輪胎等，加大了對頂層材料的損耗，該種車轍較為多見，在我國較少。

1.2 車轍的形成機理

四大類車轍的形成過程具有一致性，都要經歷三個階段：空隙減少的壓密過程，混合料整體的流動過程及粗細集料的重新排列及破壞過程[2]。

1.2.1 空隙減少的壓密過程。在碾壓之前，瀝青混合料是由瀝青礦料及空氣組成的混合物，其狀態松散。在進行碾壓時，由于外界機械荷載及高溫的作用，使得處于半流動狀態的瀝青和由瀝青及細集料、礦粉組成的膠漿被擠進混合料的間隙，從而結構變密實、變穩定。

1.2.2 混合料整體的流動過程。在鋪成瀝青路面后，整個混合料以一種半固態的形式存在。在交通荷載及環境溫度等的反復作用下，瀝青及由瀝青和細集料、礦粉組成的膠漿進一步發生流動，填充了混合料的部分空隙，但是也導致了混合料變形，從而在輪跡兩側隆起，形成車轍。

1.2.3 粗細集料的重新排列及破壞過程。隨著瀝青和瀝青膠漿的流動，在瀝青混合料中粗細骨料組成的骨架成為瀝青路面最終的荷載承擔者，而瀝青喪失了承擔交通荷載的作用。同時在高強度交通荷載的作用下，瀝青還充當骨料間的潤滑劑，進一步促使瀝青和瀝青膠漿流向富集區，最終流向混合料自由面。

2 車轍的影響因素

2.1 內在因素

2.1.1 混合料類型。在瀝青混合料中，骨料是非常重要的組成部分，而級配又是衡量骨料的重要指標。已有研究表明瀝青路面抗車轍的能力有60%～70%取決于骨料的級配。集料的最大堆積密度越大即越密實，瀝青混合料的抗車轍性能越好，但SMA 是例外。骨料的另一個重要指標是粒徑，傳統觀點認為骨料的粒徑越大，其抗車轍性能越好，但是也有研究表明粗粒式集料的抗車轍性能不如中粒式和細粒式。

2.1.2 材料性質。瀝青、粗細骨料和礦粉是組成瀝青混合料的主要部分，因此它們的性質也直接決定著瀝青混合料的抗車轍性能。瀝青在整個混合料中起主要的黏附作用，要根據不同的交通情況及環境溫度情況選用不同性質的瀝青，特別是對于交通強度大、環境溫度高的地區，要通過選擇黏稠的瀝青或者添加新型聚合料以提高混合料的高溫穩定性，從而提高抗車轍性能。

骨料在整個混合料中起支撐骨架的作用，骨料的粒形會影響骨架的穩定性。表面粗糙和有較多棱角的骨料能形成大的內摩擦角，使結構更加穩定；相反地，表面光滑和圓形的骨料，骨料之間易發生滑動降低了結構的穩定性。結構穩定性的提高反映在整個混合料上，就是高溫穩定性的提高，即抗車轍性能的提升[3]。礦粉的存在可以減少骨料間游離瀝青的比例，從而降低游離瀝青的潤滑作用使得混合料更加穩定，提高了抗車轍性能。已有研究表明，粉膠比應該控制在1.0～2.0 之間[4]。

2.2 外部因素

交通量、荷載、行車速度、渠化交通、彎道坡道的設置等都會直接影響瀝青路面的抗車轍性能。此外，環境的溫度和濕度也有非常重要的影響。溫度上升時，瀝青路面的變形將增大，抗車轍性能降低。車轍試驗在浸水條件下的動穩定度小于普通條件[5]。

3 瀝青路面抗車轍性能試驗分析

基于上述瀝青路面車轍的類型、形成機理及影響因素的分析，進行抗車轍性能試驗研究。所用瀝青為SBS 改性瀝青，且前期進行了試驗所用的改性瀝青、粗集料、細集料和礦粉的技術指標試驗，試驗結果均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的技術要求。礦料的配合比按S 型瀝青混合料級配設計原則確定，無論在低溫還是高溫情況下，瀝青混合料的抗裂性和穩定性都可以得到保證。選取三種不同的級配類型進行試驗：AC-13、AC-16、AC-25。其中AC-25、AC-16、AC-13 改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.3%、4.9%和5.2%。

3.1 溫度對抗車轍性能的影響

溫度是影響瀝青混合料抗車轍性能的一個非常主要的因素。針對改性AC-13、改性AC-16、改性AC-25 三種瀝青混合料，分別進行50℃、60℃、70℃三種溫度下的高溫穩定性試驗。試驗結果如表1和圖1、圖2所示。

表1 不同溫度下車轍試驗結果

由表1和圖1可以看出，隨著溫度逐漸升高，改性AC-13 瀝青混合料的動穩定度從50℃到60℃下降了49%，從60℃到70℃下降了48%；改性AC-16 瀝青混合料的動穩定度從50℃到60℃下降了51%，從60℃到70℃下降了48%；改性AC-25 瀝青混合料的動穩定度從50℃到60℃下降了52%，從60℃到70℃下降了39%。這說明，瀝青混合料的高溫穩定性對溫度的敏感性較高，且溫度升高高溫穩定性減弱，同時抗車轍能力也減弱了。

由表1和圖2可知，在溫度一定的情況下，公稱最大粒徑越大，瀝青混合料的動穩定度越大，即瀝青混合料的動穩定度與其公稱最大粒徑成正相關：在溫度一定時，改性AC-13＜改性AC-16＜改性AC-25。所以在實際工程中，適當選用公稱最大粒徑較大的瀝青混合料可以提高其抗車轍的能力。

3.2 荷載對抗車轍性能的影響

荷載是瀝青混凝土路面形成車轍的另一個典型且常見的作用因素。針對改性AC-13、改性AC-16、改性AC-25 三種瀝青混合料，分別進行輪載壓強為0.7MPa、1.0MPa、1.3MPa 的抗車轍性能試驗。試驗結果如表2和圖3所示。

表2 不同輪載壓強抗車轍試驗結果

由表2和圖3可以看出，隨著輪載壓強逐漸增大，改性AC-13 瀝青混合料的動穩定度從0.7MPa 到1.0MPa 下降了32%，從1.0MPa 到1.3MPa 下降了28%，改性AC-16 瀝青混合料的動穩定度從0.7MPa到1.0MPa 下降了27%，從1.0MPa 到1.3MPa 下降了30%，改性AC-25 瀝青混合料的動穩定度從0.7MPa到1.0MPa 下降了26%，從1.0MPa 到1.3MPa 下降了24%。這說明，瀝青混合料的高溫穩定性對荷載的敏感性較高，且荷載增大其高溫穩定性減弱，同時抗車轍能力也減弱了。

4 瀝青路面抗車轍性能的改善措施

4.1 降溫減荷

根據上文的試驗研究已知高溫是瀝青路面形成車轍的一個重要因素。由于瀝青具有一定的吸熱性，當環境溫度較高再加上輪胎與路面摩擦產生的熱量，瀝青路面的實際溫度更高。當實際溫度達到瀝青混合料的軟化點時，就為車轍病害的形成提供了基礎。針對這種情況對于不同的地區可以根據當地的全天氣溫變化規律、交通量情況設置灑水的方式方法及時間段，從而有效地降低瀝青路面的溫度，避免車轍的形成。另外還要限制超重、超限情況的發生，減小瀝青路面的行車荷載。

4.2 優化設計

根據實際工程經驗及相關研究，車輛在爬坡時相較于在平面路段行駛會對路面產生更大的行車荷載，從而更容易對瀝青路面造成損傷，形成車轍；車輛在紅綠燈路口范圍，因停車等待、剎車、變道等造成行駛速度慢，也更容易形成車轍。針對這一情況，可以通過設置緩和坡、增設專用爬坡用道、減小坡度縮短坡長、在爬坡路段和紅綠燈路口范圍用水泥混凝土面層代替瀝青路面等方式來減小對瀝青路面的損害，優化瀝青配合比設計，摻加抗車轍劑等，提高其抗車轍的性能。

4.3 健全、創新養護工藝措施

“重施工輕養護”是工程施工和運營中較常見的一個理念。其實，養護工作應該貫穿于整個瀝青路面從施工到使用的全過程。平時不注重養護就會埋下車轍及其他病害的隱患，從而降低瀝青路面的使用效率及應用價值。因此，要建立標準化的瀝青路面全生命周期養護體系，同時要對現有的養護工藝及措施進行及時的創新和優化，積極引進先進的設備和技術，針對越來越多的新型混合料瀝青路面制定對應的養護工藝措施及標準。

5 結語

上文梳理了瀝青路面車轍的類型并且分析了車轍形成的機理及影響因素，進行了溫度和荷載對瀝青路面車轍影響的試驗研究，提出了瀝青路面抗車轍性能的改善措施。得到了以下結論：其一，瀝青混合料的高溫穩定性對溫度的敏感性較高，且隨溫度升高高溫穩定性減弱，同時抗車轍能力減弱。其二，在溫度一定的情況下，公稱最大粒徑越大瀝青混合料的動穩定度越大。其三，瀝青混合料的高溫穩定性對荷載的敏感性較高，且荷載增大高溫穩定性減弱，同時抗車轍能力減弱。其四，在輪載壓強一定的情況下，公稱最大粒徑越大瀝青混合料的動穩定度越大。其五，可以通過降溫減荷，優化設計，健全、創新養護工藝措施等方式方法改善瀝青路面的抗車轍性能。