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山区高速公路沥青路面车辙成因与防治措施_图文


山区高速公路沥青路面车辙成因与防治措施
作者:申爱琴 庄传仪

摘要:本文针对山区路面的一些特点,从材料选择、配合比设计、路面结构设计、路线纵坡设计、施工过程 质量控制及交通与环境控制等方面提出了防治车辙病害的技术措施,以提高沥青混合料的抗车辙性能。 引言 车辙是高速公路沥青路面除了裂缝和水损害之外的一种危害性较大的病害类型, 在现代交通状况下, 车 辙出现的速度和普遍性大大超过了预期。随着高速公路建设的重心向山岭重丘区转移,山区高速公路车辙 病害也愈加突出。

一般山区高速公路沿线地形复杂,路线纵坡大,长陡坡路段多,受重载、超载及低速行车等诸多不利因 素影响,车辙病害大量出现,特别在纵坡较大的上坡路段,当持续高温时,车辙形成和发展快,已严重影 响行车安全。鉴于未来高速公路规划建设中面临更多的山区高速公路,深人开展山区高速公路车辙成因分 析,研究长大纵坡路段沥青路面车辙预防处治措施具有重要的意义。

1、沥青路面车辙破坏类型 车辙是指路面的结构层及土基在行车荷载作用下的补充压实, 以及结构层财料的侧向位移产生的累积永 久变形。车辙按成因不同分 3 类:由沥青路面以下各结构层的永久性变形引起的结构性车辙;由混合料的 侧向流动变形引起的失稳性车辙;压密性车辙和磨损性车辙。

1.1 结构性车辙 结构性车辙是指路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形而形成的车辙, 这种变形主要由路基变形 而产生。此类车辙的宽度较大,两侧没有隆起现象,横断面成浅盆状的 U 字型(凹型),见图 1、图 2。

1.2 失稳性车辙

失稳性车辙是由于沥青路面结构层在车轮荷载作用下, 其内部材科的流动产生横向位移而形成。 通常发 生在轮迹处,当沥青混合料的高温稳定性不足时,在外力作用下就会产生这类车辙。这种车辙一般都有剪 切变形产生的两侧隆起现象,车辙断面成 W 型(图 3、图 4),易发生在车速较慢、横向应力大的上坡路段。 失稳性车辙危害最为严重,它是山区高速公路车辙病害的主要类型,影响因素多而复杂。

1.3 压密性和磨损性车辙 压密性车辙是由于沥青面层本身的压密而引起; 磨耗型车辙是由于沥青路面结构表层材料在车轮磨损和 自然环境作用下,持续不断损失形成的。这 2 类变形对车辙的贡献很小。

2 山区高速公路沥青路面车辙成因分析 针对山区高速公路路线纵坡大且路段长,重车、超载车多且车速慢,夏季高温等特点,通过综合分析认

为,除影响一般路段沥青路面车辙因素外,长纵坡路段出现严重车辙的原因可归纳为以下几个方面。

2.1 重载、超载交通的影响 2.1.1 超载作用下的车辙分析 中国“八五”科技攻关课题“道路沥青及沥青混合料使用性能的研究”对此进行了众多的试验,其中 HXL 沥青 AC-16 I 型沥青混合料在 60℃时的动稳定度和荷载关系式为 IqDS=3.459 3—0.574 6p 式中:P——接地压强,MPa。

计算不同荷载下动稳定度见表 1 与图 5 所示。

对于汽车荷载,如果轮压小于标准轮压(0.7 MPa),动稳定度将急剧增大,对产生车辙的影响就小得 多。而现实情况是超限超载车辆的比例很大,随着荷载的增加,动稳定度将按对数的比例下降。以 HXL 沥 青混合料为例,轮压从 0.7 MPa 增大至 1.2 MPa,动稳定度从 1 140 次/mm 降低到 589 次/mm, 动稳定度将下降到原 1/3。 同时研究表明, 路面沉降的增量几乎与超载同步增长。 保持基层弹性模量不变, 将轮载从 0. 70MPa 增加 50%至 1.05 MPa, 产生的路表车辙则为标准轴载下产生车辙的 1 85. 9%(图 6)。如任意一轮载作用下均有上述规律,则达到路面塑性变形的极限状态时,超载下道路的累计轴次仅为 标准轴载作用下累计轴次的 54%左右。

长安大学对比了在满载、超载 30%、超载 60%、超载 100%情况下的累计标准轴次与路面结构的使 用寿命的关系(表 2、图 7)。

可以看出,随着超载率的增加,车辆换算系数明显增加;使用初期计算标准轴次与设计寿命年限内累计 标准轴次均明显增加;使用寿命明显降低,超载 60%时,使用寿命为 3.40 年,超载 100%时,使用寿 命仅为 1.40 年,可见超载对路面使用寿命的影响极大。

2.1.2 超载对沥青路面结构应力的影响当沥青路面结构所承受的车辆轴载增加时,路面结构内部的 应力分布必然发生变化,结构的压应力、拉应力和剪应力均随之增加。

根据陕西省铜黄高速公路半刚性基层沥青路面不同轴载应力分析(图 8),压应力随深度的增加逐渐减 小,面层上部 0~5 cm 范围内的压应力最大,5 cm 以下压应力减小得较快;轴载从 10 t 增加到 18 t, 压应力在面层中的分布曲线基本平行,面层中不同深度的压应力增加值几乎相等。因此,表面层承受的压 应力最大,最容易产生压密形变,超载车辆(特别是严重超载的车辆)将显著加快压密形变的产生,而且使 产生较大压密形变的深度增加。

随着深度的增加,半刚性基层沥青路面结构内剪应力迅速增加(图 9),到某一深度处达到峰值,然后剪 应力值开始逐渐减小。峰值的深度位置随轴载增大而加深,在 10 t 轴载作用下剪应力在深 4 cm 处达到峰 值 0.233 MPa,在 18 l 轴载下峰值 0.28 MPa 的位置为深 5 cm 处。说明随着轴载的增大和轮胎接触 压力的增加,剪应力随之增大,且剪应力峰值会向下扩展。在面层表面下 4 cm 深度范围内的剪应力值较 小:在表面下 4~10 cm 范围内的剪应力值最大,也是最易产生辙槽的区域,在重载作用下影响更加明显, 10 t 轴载作用下的平均剪应力约为 0.21 MPa,18 t 轴载作用下的平均剪应力值为 0.25 MPa;面层 表面 10cm 以下剪应力值较小,在 10 t 轴载作用下的平均剪应力值约为 0.16 MPa,在 18t 轴载作用下

的平均剪应力约为 0.22MPa。因此,随着轴载增加,沥青层产主失稳性车辙的可能性就会增加,在中面 层更容易产生失稳性车辙,且轴重愈大,同一层位内的剪应力也愈大,因而亥层位沥青混凝土的高温强度 或抗辙槽囊力也应提高。

2.2 纵坡的影响 在山区高速公路陡坡路段或连续上发路段, 载重汽车受纵坡的影响很大, 重载、 超载车已不能正常爬坡, 行驶速主很低,车轮荷载的作用时间成倍延长;车辆行驶表现为车轮间歇的跳跃式前进,对路面产生一附 加的水平冲击力,加速了沥青路面的车辙破坏。

2 .2.1 行车速度 根据汽车行驶理论, 载重汽车在长陡坡路段爬坡行驶时一般先做加速度减小的减速运动, 后做匀速运动 的过程。因此,车辆载重越大,坡道越陡,汽车行驶速度减小的越快,稳定时速度越小。上坡路段载重汽 车行车缓慢,行驶速度的降低延长了轴载对路面的作用时间,对路面结构层内的应力和应变等产主影响。 沥青混合料作为一种粘弹性材料,遵从流变学的一般规律,按照流变学的波兹曼(Boltzmann)叠加原理, 每次汽车荷载通过的作用可以按荷载作用时间叠加,每一辆车的荷载不同也是司样叠加的。如果汽车荷载 相同,通过一辆 20 km/h 的慢速车,与通过 5 辆 100km/h 的快速车的作用时间是相同的。因此,轴 载越大的载重车,在爬坡时的速度越慢,车速越低,换算的重载车辆数也越多,轴载和车速的叠加影响就 更大。从表 1 可看出,如轴载从 0.7 MPa 增加到 1.2 MPa,HXL 沥青混合料动稳定度从 1 140 次/ mm 降低到 589 次/mm,同样产生 1 mm 的车辙,荷载次数将降低一半。如果速度再从 100 km/h 降低到 20km/h,荷载作用次数增大 5 倍,产生同样大小的车辙的车辆数减少了 10 倍。因此,车速降低 对车辙的影响比荷载的影响大得多。

2.2.2 路面温度 行车速度的降低增加了车轮荷载与沥青路面的作用时间,鉴于沥青这种粘弹塑性材料的“时温等效”特 性,相当于提高了路面的瞬时温度;同时轮胎与路面之间的摩擦热亦将增大,导致沥青混合料的劲度模量 降低,加速了车辙的产生。

2.2.3 附加水平力的影响 由力学分析可知,车辆荷载分为行车水平力和垂直力。在纵坡路段,水平力由车辆荷载水平分力、车辆 惯性力、变速力等通过车轮传递给路面。在陡坡路段,车辆荷载水平分力较正常情况大得多,加上综合超

载车在爬坡时跳跃式前进的水平;中击力的影响,面层将承受更大的剪应力。表 3 为标准轴载下纵坡与汽 车自重引起的剪应力分量的关系。

3 山区高速公路沥青路面车辙防治措施 通过纵坡路段车辙成因分析,根据沥青路面结构的受力特点,针对不利的交通和气候等条件,应从原材 料选择、沥青混合料配合比设计、路面结构组合设计以及施工质量控制等方面人手,提高沥青混合料抗车 辙能力,减轻高温、超载和长大纵坡等因素的影响,防治和 减轻山区高速公路沥青混凝土路面车辙病害的破坏。

3.1 材料选择 3.1.1 集料 采用坚硬、粗糙、形状接近立方体、棱角性好、与沥青粘附性强的洁净粗、细集料;控制天然砂用量不 超过 10%,如需使用部分天然砂改善施工碾压性能,需加强碾压密实度;改善集料加工工艺,减少针片状 颗粒含量,控制破碎砾石破碎面比例。

3.1.2 沥青 (1)选用粘度较高、针人度较小、软化点较高和含蜡量较低的沥青,在中、下面层采用针入度更小的沥 青,或在沥青中添加天然湖沥青、岩沥青,以提高沥青的粘度。

(2)采用外掺剂进行改性,重载交通路段上面层、中面层宜采用改性沥青,爬坡路段沥青路面下面层也 可考虑采用改性沥青。经过改性的沥青其相对抵抗永久变形的能力明显优于普通的沥青。

(3)按照纵坡坡度和坡长,提高沥青的 PG 等级 1-2 级,以提高劲度模量,抵抗车辙。

3.1.3 添加抗车辙剂 当粘附性能不足时,掺加消石灰或抗剥落剂,增强沥青与集料的粘附性,提高混合料的抗车辙性能。也 可以添加抗车辙剂,例如,法国的 PR PLASTS 就是一种专门用于改善热拌沥青混合料特性,尤其是其抗 车辙能力的聚合物。在采用普通重交沥青的 AC-16 I 和 AC-25 I 沥青混凝土中添加 PR PLASTS 后,其 动稳定度可达到 8 000 次/mm 左右。

3.2 沥青混合料配合比设计 3.2.1 优化矿料级配 在沥青及矿料质量一定时,级配是影响沥青混合料路用性能的主要因素。当沥青选定之后,应根据当地 气侯条件及交通状况,设计或选择能解决当地突出矛盾的矿料级配,确保混合料的路用 性能。

为充分发挥粗集料的嵌挤作用,长大上坡路段上面层、中面层均建议采用 SMA 间断级配。SMA 的高 温稳定性较好,抗塑性变形能力较强,混合料的孔隙率均在 4%左右,并具有良好的低温抗裂性、水稳定 性和抗疲劳性,已在中国得到了广泛的应用,取得较好的效果。

3.2.2 严格控制沥青用量

沥青用量过多常常是产生车辙的主要原因,必须严格控制。按马歇尔法进行配合比设计,相对于低速行 驶、重载交通的压实功偏小,故沥青用量偏多。这可以与按旋转压实试验方法所确定的混合料的密度与沥 青用量相比较得到证明,所以可将马歇尔法所确定的沥青用量减去 0.3%~0.5%,同时适当增加矿粉用 量,以增大粉胶比,提高混合料的物理化学吸附作用,增加其相互作用的粘聚力,提高路面的抗车辙性能。

SMA 沥青混合料当油石比大于 6.0%时,车辙深度随沥青用量增加而急剧加大,因此对于南方气候炎 热地区,SMA 油石比宜小于 6.0%。例如,京珠高速公路粤境北段长陡坡路段多、超载严重,SMA 混合 料油石比控制范围为 5.8%-6.0%。

3.2.3 配合比设计 建议采用 GTM 方法、 SUPERPAVE 方法设计混合料, 加大其成型压力, 增加马歇尔击实次数, 《公 并按 路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40-2004)进行马歇尔试验及各项配合比设计检验。在此基础上,须在 规定的条件下进行车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试 验、弯曲试验等,以检验沥青混合料的各项路用性能。

3.3 沥青面层结构设计 为了克服半刚性基层沥青路面存在的一些弊端,在结构设计方面,应引入长寿命沥青路面的设计理念, 按照各结构层的功能进行设计。

(1)上面层要求具有良好的抗车辙能力、抗老化性能、低温性能和抗磨耗能力。

(2)中间层设计主要考虑抗车辙能力,要求具有较高的模量。

(3)下面层要求具有抗疲劳和抗水损坏能力。

(4)基层主要控制层底压应变,要求具有高柔性、良好的水稳定性和抗疲劳性能。

世界上许多发达国家,如美国、德国等都对长寿命路面进行了广泛的研究。近年来,中国已开始借鉴先 进的设计理念,研究适合国情的长寿命沥青路面结构。但到目前为止,长寿命路面设计方法在设计参数、 设计标准上还没有一个统一的标准,仍处在发展完善阶段。

在夏季高温地区, 重载交通较大的山区高速公路, 鉴于超/重载及慢速行车对沥青路面的严重车辙破坏, 在考虑设计行车速度和保证沥青路面使用寿命的前提下,应当限制纵坡的最大坡度和坡长,尽量减少长大 纵坡路段。建议在重载交通量较大的长大纵坡路段,尽量减小《公路工程技术标准》中规定的纵坡坡度和 坡长值。

连续长上坡路段如设置爬坡车道,爬坡路段可采用水泥混凝土路面,供慢速上坡车辆行驶,以避免在高 温状态下低速行车对沥青混凝土路面带来的不利影响,防止沥青混凝土结构层产生车辙破坏。

3.5 旋工过程质量控制 在施工过程中,采用合理的碾压艺提高压实度,控制残余空隙率不小于 3%,不大于 7%-8%。通过科 学地堆料、运料、摊铺以及碾压,减少混合料离析,缩小沥青用量允许误差的范围,将规范规定的允许误 差±O.3%缩小至±0.2%,并在施工过程中做全程监控。调整施工工序,尽量使沥青混凝土面层连续摊 铺,减少面层间的污染,层问洒布乳化沥青粘层,做好下封层,减小施工变异性。

3.6 交通与环境控制 在夏季高温时段封闭重载交通,管制重载车通行,并开辟高温时段不渠化通行的重载车避让公路;同时 在高温季节做好路面的洒水降温工作。

4 结语 沥青路面的车辙病害,在山区高速公路长大上坡路段尤为严重,已成为山区高速公路典型病害之一,严 重影响了行车的安全性和路面的使用寿命。本文针对山区高速公路纵坡坡度大、陡坡路段长等特点,通过 重载交通和纵坡 2 方面分析其对路面结构应力及使用寿命的影响,指出重载、超载及行车速度低是陡坡路 段车辙产生的主要影响因素,从材料选择、配合比设计、路面结构设计、路线纵坡设计、施工过程质量控 制及交通与环境控制等方面提出了防治车辙病害的技术措施,以提高沥青混合料的抗车辙性能。


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