瀝青路面車轍病害檢測分析及探討

張永福，童景盛，康聯國

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

車轍是車輛行駛后，在路面上留下車輪的壓痕。也是我們對路面能否正常使用，對其進行評價和養護的一個重要指標。車轍的深度直觀反映了車輛在行駛時的舒適度，具體表現在瀝青混合料的動穩定度、永久變形指標的變化。直接影響在一下方面：車輛行駛橫向穩定性，車輛變道困難；車轍也可能積水，形成水坑，帶來面層水損壞和行車安全。目前，對瀝青路面永久變形的研究也是一個難題，主要是瀝青混合料具有粘彈性的特點，影響瀝青路面的高溫穩定性因素的多樣性和復雜性。車轍的計算深度δ由輪下的車轍深度D1和車轍每邊凸起的材料高度D2，直接相加得出。公式為：δ=D1+D2，見圖1。

圖1 車轍深度的計算

1 工程概況

蘭州市九州經濟開發區S468#道路已于2012年建成通車，路面病害主要為局部路段的車轍、沉降、大面積龜（塊）裂，表層剝落等。加之該路段處于經濟開發區進出口干道，隨著片區周邊大型項目的相繼開工建設，重型車輛增多，局部破損嚴重路段出現路面沉降，沉降輕重不一，車轍破壞嚴重，人行道存在鼓包、塌陷等問題。

2019年4月16日我公司組織相關檢測人員對九州經濟開發區S468#道路車轍現象進行了現場檢測，對車轍比較嚴重的K0+200、K0+554、K0+805處進行設置檢測點，依據《公路路基路面現場測試規程》，利用3 m直尺測定車轍長度、深度，見表1。每個檢測點進行三個取芯試驗，進行量取各面層的厚度，與原有瀝青混合料的上下面層厚度比較，結果見表2。

表1 車道路面車轍檢測結果

表2 車道開挖斷面瀝青面層厚度統計結果

2 車轍現象分析

通過對蘭州市九州經濟開發區S468#道路的檢測，發現路面結構層的永久變形，主要是集中在瀝青面層。瀝青混合料是由礦料、瀝青膠漿和空氣組成。在溫度和荷載作用下，通過瀝青膠漿的流動，對瀝青混合料原有礦質結構進行破壞等機理。將瀝青混合料的永久變形大致劃分為三個階段，即初期壓實階段、中期穩定變形階段、后期破壞失穩階段，見圖2。

圖2 瀝青混凝土變形劃分階段

2.1 初期壓實階段

主要表現在道路運行初期，因瀝青混合料面層沒有形成完全壓實而過度追求平整度，導致出現車轍現象。在高溫季節和交通量增加的情況下，孔隙率不斷降低，達到極限空隙率后趨于穩定。

現場踏勘初始車轍現象，主要在車行道輪胎附近，兩側沒有凸起，只有凹面。對于不在輪胎范圍之內的部位，影響不大。這屬于施工不當造成的非正常情況下的車轍現象。為了減少車轍的形成，加固碾壓是設計中最重要的工序，不要盲目追求平整度，忽略壓實的適宜性，孔隙率應符合規定的可控范圍。

瀝青混合料主要有瀝青膠漿，在高溫和荷載作用下主要借用于流變學的應用，表現為瀝青的蠕變現象，面層平整度下降，造成明顯車轍現象?；旌狭虾瑸r青占比越大，說明其流動性增加，永久變形也增大。

在這一階段，道路剛通車，壓應變速率快速增大，瀝青混合料的永久變形隨著增大；在“永久變形-荷載次數”的拋物線中，表現為“凸”形。

2.2 中期變形階段

該階段，在正常的道路行駛過程中，瀝青混合料處于半固膠狀態，自身產生流動的形態，填滿瀝青的部分空隙，從而產生了瀝青混凝土的緩慢變形，體積略有變化，開始慢慢產生剪切變形。瀝青混合料的壓應變速率維持不變，近視為穩定狀態。

根據David Roylance所編寫的《屈服和塑性流動》[1]，瀝青面層粘結措施不好，在高溫下集料的位移還會沿著行車方向進行，直接表現為推移病害。而瀝青混合料的推移正是由車輛長時間的運行，施加了一個水平應力；在其應力大于瀝青混合料塑性的屈服點時，瀝青混合料不能夠恢復到原有狀態。屈服應力通常在僅有單軸應力的拉伸試驗中確定，預測合適發生時，根據屈服準則來判斷，見圖3。本質上的粘性流動過程，跟液體的流動十分地相似，發生塑性流動時通常體積不變，相應的泊松比V=1/2。

圖3 水平應力作用下滑移

此種車轍現象的主要表現為：影響的范圍大，車輪兩側沒有明顯隆起現象，呈“V”形橫斷面形式。因為在我國道路設計中，基層設置半剛性材料，而路面采用瀝青混合料，為流動性車轍。對這一階段所產生的車轍現象，主要是通過新材料和改造再生材料等措施，預防車轍現象的產生。

2.3 后期失穩階段

此階段，路段在重型車輛反復作用下，其瀝青混合料的承載能力超出其穩定極限。隨著車輛運行次數的增加，對原有粗骨料產生了擠壓，原有的瀝青及膠漿，流向車行道自由端，重新對骨架進行排列，通過剪切變形，不再有體積變化。當水平應力超過某一點時，應變有非常明顯的增加，而水平應力先是下降，然后作微小的波動，這種水平應力基本保持不變，而應變顯著增加的現象，稱為屈服或者流動。而流動數表示該階段達到迅速破壞起點時，荷載作用的次數，一般用“FN”表示。

參考東南大學的《瀝青混合料永久變形的三軸重復荷載試驗研究》[2]，按照道路原有瀝青面層結構，選取不同級配的四種瀝青混合料，AC-13F、AC-13C、AC-16和AC-20的比較。流動數為永久應變對荷載作用次數的變化率，應變率開始增大點對應變為破壞塑性應變。分析影響流動數變化的因素，見表3級配形式。

表3 瀝青混合料級配

通過三軸荷載試驗，分別選用不同溫度40℃、50℃、60℃下，根據不同的水平應力0.7、0.8、1.0 MPa，研究瀝青混合料流動數的影響。經驗證，在溫度為40℃，水平應力在0.7 MPa的條件下，試驗結果測得見表4。

表4 瀝青用量、孔隙率、流動數（溫度40℃，水平應力0.7 MP a）

根據表4可知，每種瀝青混合料，在孔隙率相同條件下，瀝青用料多，流動數小；反之，在瀝青用料相同條件下，孔隙率大的流動數小。

通過荷載試驗，溫度和加載應力對混合料流動數的影響，試驗結果見表5。

表5 不同溫度、應力、流動數

由表5可知，隨著溫度的增大，相同應力下，流動數減??；相同溫度下，隨著水平應力的增大，流動數也減小。

損壞時容易使車輪對應的路面部位下凹，車輪作用的路面兩側容易產生隆起現象。在彎道處還明顯向外推擠，使車道線與停車線容易變成彎曲的曲線，造成交通事故的發生。

在該階段，主要表現為瀝青混合料的流動特性。一般在道路的上坡、轉彎、道路交叉口位置，該處的路面因車輛速度較低，輪胎接地引起的側向應力較大，對主要行駛雙輪車的路段，車轍斷面成“W”形橫斷面，對行駛寬幅單輪車的路段，車轍成非對稱形狀。導致瀝青面層出現了推移破壞，影響道路壽命。

3 結 語

經過對瀝青混凝土車轍的形成、破壞，進行剖析，分析產生這種現象的影響。外部有溫度、行車荷載等因素的影響；內部主要有瀝青的優化級配、油石比、孔隙率等因素影響。對瀝青混合料產生塑性變形的情況下，找到瀝青混合料的屈服點，繪制瀝青混合料變形劃分階段的拋物線，以及預測瀝青混合料的后期失穩破壞。

對于工程師，在瀝青面層建設時，建議根據當地溫度選擇合適的瀝青種類，可添加一定量的抗車轍劑，應用改性瀝青，控制瀝青穩定度，延長瀝青路面壽命。