浅谈沥青路面车辙危害及综合预防

杨应德

1 背景

青海省公路建设主要采用沥青混凝土路面。一方面,由于公路沿线气候多属高原大陆性气候类型,总的特点是干寒、多风、四季不分、昼夜温差大,多年平均气温一般小于 0℃,多年最热月平均最高气温的平均值一般不大于 30℃,多年极端最低气温一般低于-20℃。另一方面,青海的交通量一般为轻或中等交通。因此,在设计、施工及管理中,对沥青路面的高温稳定性能即高温抗车辙性能按常规处理,而其低温性能即低温抗裂性能则为主要研究与改善的对象。

最近几年青海省夏季高温的情况比以前更加严重,加之随着青海经济的快速增长,交通渠化及交通量也急剧增加,同时,局部路段存在超载和重载现象,致使局部路段沥青路面车辙问题较突出,影响到了公路的正常运营。因此,有必要加深对沥青路面车辙危害的认识,同时有针对性地提出综合预防措施。

2 车辙的危害性

车辙是沥青路面早期损坏的主要形式之一,也是渠化交通的高等级公路沥青路面的主要损坏形式之一,其危害主要表现在以下方面:

1)路面整体变形严重,平整度下降,影响路面行驶的舒适性;

2)雨天路表排水不畅,造成辙槽积水,影响高速行车的安全性;

3)路面结构减薄,削弱面层及路面结构的整体强度,诱发其他路面路基病害;

4)车辆在超车或更换车道时方向失控,影响行驶的安全性;

5)车辙的产生导致不良的社会影响。

3 综合预防

3.1 设计方面[1,3,4]

3.1.1 材料组成设计

1)车辙指标。

青海二级及二级以下公路一般采用4 cm～6 cm(AC-13)沥青面层厚度,一级公路或高速公路则一般采用 9 cm沥青面层厚度(4 cm AC-13+5 cm AC-16)或者15 cm沥青面层厚度(4 cm AC-13+5 cm AC-16+6 cm AC-20),基层则采用水泥稳定碎石或水泥稳定砂砾。

建议对轻交通按一般情况考虑,中等交通以上的公路,应该明确上面层或上、中面层沥青混合料动稳定度指标要求,可参考JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范并根据当地的工程经验确定设计值。对炎热地区、重交通、特重交通,连续长、陡纵坡段,桥面铺装,应当适当提高动稳定度指标的要求。

2)沥青的选择。

夏季高温是沥青路面产生车辙的直接诱因。最近几年夏季高温的情况比以前更加严重,全国各地每过几年就能够遇到几十年一遇的高温天气,且持续时间特别长。2010年 7月下旬以来,青海省的高温天气是自 2000年以来最严重的。据实测,西宁不小于30℃的持续时间创历史极值,并于7月 28日出现 37.4℃的高温天气。同年 7月 21日海西大柴旦地区的沥青路面路表温度为 67℃～70℃,8月 21日西海镇附近G 315线沥青路面路表温度为52℃。青海省沥青路面一般采用 110号克拉玛依沥青,其软化点仅为 44℃,已远远低于路面温度,即沥青已出现了严重的软化,沥青混合料的劲度模量已显著降低,其抗车辙能力已显著下降。

因此,可根据工程所在地的气候情况,选择比常规使用的沥青低一个等级的沥青,如由原来常用的 110号或 130号沥青改为采用 90号或 110号沥青。若试验、工程验证结果仍不能满意时,可考虑在沥青中掺加改性剂如天然沥青、抗车辙剂来提高其抗车辙能力,还可以考虑采用SBS或EVA,PE等改性剂,同时,采用美国SUPERPAVE中沥青PG分级采用的试验方法对改性沥青进行综合评估并进行相应的调整与改善,使其既能满足高温稳定性要求,同时又有良好的低温抗开裂性能。再者,在经济条件允许的前提下,建议超重载路段路面上面层和中面层都采用改性沥青,以提高沥青路面结构整体强度。

3.1.2 路面结构设计

沥青路面在车辆垂直荷载及水平荷载作用下产生过大的剪应力,是导致车辙的主要原因。尤其是超重载路段,往往是车辙发生的集中路段。对于超重载道路,其损坏评价指标有:路表弯沉指标、面层底部拉应力指标、基底拉应力指标、车辙指标。

1)以路表弯沉值为设计指标的轴载换算方法为:

推荐对于重载沥青路面的弯沉等效换算指数n取为5.5;对于常规道路仍按规范取值为 4.35。

2)以基层层底拉应力为设计指标的轴载换算方法:

当车辆超载时,弯沉等效指数n近似为9.0;当车辆非超载时,等效指数仍取规范值为 8.0。

3)以车辙为设计指标的轴载换算方法:

对假定不同轴载对相同的路面结构产生了相同的车辙,此时的加载次数等效,推荐以车辙为设计指标时的轴载换算指数n为4.5。

3.1.3 矿料级配

青海省目前主要采用连续级配 AC型,形成悬浮密实型混合料。一方面,连续级配混合料的级配曲线平顺光滑,具有连续不间断的性质,其密实度与强度较高,水稳定性、低温抗裂性能、耐久性能都比较好。但是,由于其不能构成最大的内摩阻力,同时受沥青材料的性质和物理状态的影响较大,在现代重型汽车交通荷载作用下,这种类型的沥青路面常常因高温稳定性不足而容易产生车辙。另一方面,在青海公路工程检测中发现,局部路段上面层混合料中4.75mm及9.5mm筛孔的通过率均接近上限,而且 0.075mm通过量也超出要求,粗集料明显偏少,细集料偏多。再者,青海天然砂砾丰富,沥青混合料中采用天然砂砾较多,而天然砂砾质地主要为花岗岩或砂岩,与沥青的粘附性差,这些因素也进一步减弱了沥青混合料的高温抗车辙能力。

因此,对于 AC型连续级配沥青混合料,为确保其高温抗车辙能力,同时兼顾低温抗裂性能,级配设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料的用量,减少0.6mm以下部位细料的用量,简称为“抬头平尾”,使中等粒径集料较多,形成S形级配曲线,并取中等或偏高水平的设计空隙率。同时,要求沥青混合料中天然砂的用量上面层不宜超过 10%,下面层不宜超过 15%,并选用优质石料生产石屑或机制砂[4]。另外,有研究表明,在最佳沥青用量时,在不同粒径的混合料中,中粒式沥青混合料的高温抗车辙性能最好,其次是细粒式,粗粒式的反而最差[5],因此,建议对重载交通路段路面面层用AC-16型替代常用的AC-13型。

3.2 施工方面

3.2.1 温度控制

1)运输沥青混合料的运输车必须加上保温盖布,以减少运输过程中的温降。

2)用大吨位的双钢轮压路机,确保路面压实度。

3)增加压路机的数量,缩短压实时间。

4)在混合料拌合过程中加入温拌剂,提高压实效果。

3.2.2 离析控制

1)运输过程中运料车中混合料做好保温措施。

2)摊铺过程中摊铺机两翼混合料做好保温措施。

3)使用混合料转运车,充分拌合,保证混合料在进入摊铺机前温度的均匀性。

3.2.3 长大纵坡施工质量控制

根据沥青材料的温度—时间换算法则“由于沥青材料的粘弹性,它的任何性质都是温度和时间的函数,沥青在 60℃下流淌1 h,相当于 25℃下流淌 10 h”,长时间承受荷载与高温条件是等效的。超重载货车在上坡路段的速度一般为 20 km/h,车辆如果以100 km/h速度行驶,对路面沥青层的作用时间约为0.02 s,如果行驶速度只有20 km/h,则作用时间为0.1 s,作用时间成倍增长。因此,在长大纵坡路段最容易产生车辙、推挤的现象。

为减少长大纵坡路段车辙的产生,要求在施工中摊铺机速度不能太快,较正常路段有所降低,同时要求摊铺应由坡底向坡顶方向摊铺,碾压必须由坡底向坡顶方向振动碾压,严禁由坡顶向坡底倒推时进行振动碾压,即摊铺和碾压要求沿行车方向进行,不要反方向进行施工。

3.3 管理方面

1)通车时间。

一般车辙产生早期破坏往往都是在第一次遇到高温的时候,因此新建道路通车时间尽量避开高温季节,防止路面结构内部材料流动变形,产生车辙。

2)初期重车管理。

在新建道路运营初期,尽可能减少重型车辆驶入,保证初始压密过程的缓慢进行,避免路面结构破坏。

3)超限治理。

4 结语

车辙防治是一个理论和实践都很强的专题研究,随着青海省交通渠化及交通量的迅速增长,而环境条件不断发生变化,沥青路面使用条件变得更加严峻与苛刻,如何在确保沥青路面的低温抗开裂性能的前提下有效提高其高温抗车辙性能,必将成为有志于青海公路建设的工程人员必须面临而又亟待解决的问题。本文简略地介绍了车辙的类型及危害,并从设计、施工及管理的方面对车辙提出了综合预防措施。

[1] 沈金安.沥青及沥青混合料录用性能[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] JTJD 50-2006,公路沥青路面设计规范[S].

[3] JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[4] 青海省交通厅文件青交公[2010]588号“青海省公路沥青路面车辙病害防治技术研讨会纪要”[Z].2010.

[5] 李闯民,李宇峙.浅析重复荷载作用下的沥青路面车辙因素[J].公路交通科技,1999(6):70-71.