沥青路面车辙形成机理及防治措施

鲁建荣

（滦南交通运输局，河北 滦南 063500）

0 引言

车辙是沥青路面使用期内主要破坏形式之一，是沥青路面在汽车荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的累积，是沥青路面常见的一种损坏现象。车辙一般发生在高温季节，尤其是渠化交通以后，在行车荷载的作用下，沥青面层进一步被压密、挤压，使轮迹带下沉，其内部材料也可能在剪应力的作用下横向流动，在两侧隆起，形成波峰和波谷状。车辙对于道路本身及其使用性能的危害性非常大。路面上出现车辙，主要危害有：路表过量的变形影响路面的平整度；轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度；雨天车辙内积水，诱发水损坏的发生，导致车辆出现漂滑，影响高速行车的安全性；在冬季车辙槽内聚冰，降低路面的抗滑能力，行车产生冰滑现象，车辆在超车或变换车道时方向易失控，影响车辆的操纵稳定性。可见，沥青路面车辙的危害不容忽视，如何采取有效措施控制车辙成为重中之重。

1 车辙形成机理分析

沥青路面的车辙主要是由路基、基层和面层三部分的永久变形组成。1960年AASHTO试验路研究发现：永久变形主要是由于各结构层厚度的减少,多发生在路面结构层（面层32%、基层14%、底基层45%），土基仅占9%。然而,我国目前高等级公路沥青路面多以半刚性基层为主，大量观测调查及理论计算表明，半刚性基层的高等级沥青面层产生的永久变形量占车辙总量的90%以上。

车辙的形成过程分为三个阶段，车辙形成的最初原因是压密和沥青混合料在高温下的剪切流动，最后导致骨架的失稳变形。

1.1 开始阶段的压密过程

沥青混合料在被碾压成型前是由骨料、沥青及空气组成的松散混合物。经碾压后，高温下处于半流态的沥青及由沥青与矿粉组成的胶浆被挤进矿料间隙中，同时骨料被强力排挤成具有一定骨架的结构。碾压完毕交付使用后，沥青混合料在初期阶段，在汽车荷载的作用下进一步压实，形成微量的永久变形。如果压实效果好，这一变形可以忽略不计。

1.2 沥青混合料的流动

在高温及车辆荷载作用下，沥青混合料中的自由沥青及沥青与矿料形成的沥青胶浆会首先产生流动，从而引发沥青混合料的流动变形，但此时沥青混合料尚未产生结构性破坏。

1.3 矿料骨架的重新排列及破坏

处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载及高温作用下首先流动，混合料中粗、细骨料组成的骨架逐渐成为荷载主要承担者，随着温度的升高或荷载的增大，再加上沥青的润滑作用，硬度较大的矿料颗粒在荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，导致沥青混合料的结构失去稳定性，特别是当骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显，也往往产生较大的流动变形。

2 沥青路面车辙内因分析

沥青路面车辙的影响因素可分为内因和外因两个方面，内因包括路基路面结构类型、材料性能及组成、施工质量等；外因包括交通荷载条件、气候条件、水文地质条件及路线纵坡等。

2.1 路面结构的影响

在一定厚度范围内，沥青路面的厚度越大，永久变形也越大。采用刚性基层或半刚性基层材料的沥青路面，由于基层具有很高的高温稳定性和抗剪切变形能力，因此，车辙主要产生在沥青面层内，而刚性基层和土层所产生的车辙只占很小的比例。研究表明，无论是在普通沥青路面还是在改性沥青路面，都存在一个临界厚度，当路面小于这个临界厚度时，路面的变形量增加很快；反之，路面的厚度大于临界厚度时，路面的变形量基本保持不变。

2.2 集料性质的影响

集料性质对沥青混合料耐热性的影响，主要是从它与沥青的相互作用表现出来，能够与沥青起化学吸附作用的集料，能够提高沥青混合料的抗变形能力。例如，石灰岩颗粒表面，起化学吸附相互作用的薄层沥青的内聚力，大大超过了花岗岩颗粒表面上沥青的内聚力。而随沥青内聚力的增大，沥青混合料的强度和抗变形能力也就提高。

2.3 沥青混合料塑性的影响

沥青混合料产生塑性变形的能力称为塑性。沥青混合料的塑性对路面抗剪强度有很大的影响。塑性越大，抗剪强度就越低，高温下抗变形的能力就越小。塑性取决于沥青混合料的种类和级配，以及沥青混合料中沥青与矿粉的比例。

2.4 沥青混合料空隙率的影响

路面经行车碾压成型后，沥青混合料空隙率对其高温下的抗变形能力有很大影响。空隙率较大的沥青混合料，路面抗剪强度主要取决于内摩擦阻力，而内摩擦阻力基本上不随温度和加载速度而变化。因此，具有较高的热稳定性；空隙率较小的沥青混合料路面，则相对来说沥青含量较大，当温度升高，沥青膨胀，由于空隙率小，无沥青膨胀之余地，则沥青混合料颗粒被沥青拓开，同时温度升高沥青粘度降低，沥青此时又起润滑作用，由此粘聚力和内摩擦阻力均降低，促使沥青混合料抗变形能力的下降。特别是停车站，荷载作用时间长，由于沥青混合料应变的滞后效应，路面将出现较大的变形。

2.5 级配的影响

级配几乎能影响沥青混合料的所有性能，对高温稳定性亦是如此。集料级配决定了矿料颗粒间嵌挤力的大小及混合料的密实程度，直接影响沥青混合料的高温稳定性。研究表明，在通常情况下，有合理密级配的沥青混合料的高温稳定性要优于间断级配沥青混合料（SMA除外）。形成骨架结构的级配受温度影响较小，有较好的高温抗车辙能力，而悬浮型结构抗车辙能力较差。

3 沥青路面车辙外因分析

3.1 重载、超载交通的影响

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3.4年；超载100%时，使用寿命仅为1.4年。可见超载对路面使用寿命的影响极大。超载、重载情况下，当车辆轴载增加时，当量轴载作用次数不是按照比例增加，而是按照4.35次方的指数级增长。因此，当汽车超载时，其对路面的破坏并不是随荷载线性增长而是呈指数级变化的。

3.2 纵坡的影响

在山区高速公路陡坡路段或连续上坡路段，载重汽车受纵坡的影响很大，重载、超载车已不能正常爬坡，行驶速度很低，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，对路面产生一个附加的水平冲击力，加速了沥青路面的车辙破坏。在车辙调查中发现上坡路段的纵坡坡脚没有车辙发生，但却在下坡路段距坡顶一段距离处发现车辙。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，稳定时速度越慢。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生影响。

3.3 路面温度的影响

高温是产生车辙的一个重要因素，温度越高，沥青混合料的劲度模量越低，抗车辙能力越小。据观察，气温低于30℃一般不会有大的车辙；气温低于35℃，即路表温度低于55℃的情况下，车辙能够限制在几毫米以内；而气温超过38℃时车辙就会很快增长；如果气温连续超过40℃，几天就会使路面发生严重的车辙，并且发展很快。沥青粘度随着温度的增加而降低。沥青粘度的降低会使沥青混合料抗变形能力减小，从而导致抗车辙性能的降低。

3.4 剪应力的影响

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；冲击力的影响，面层将承受更大的剪应力。

4 掺加抗车辙剂

由于我国基层基本上是半刚性基层，强度及板结性好，基层及基层以下的变形极小，除了某些基层施工不良的路段外，第一类结构性车辙很少发生，而磨损性车辙在我国几乎没有，所以目前所见到的车辙基本上都属于第二种类型流动性车辙。对于这种车辙，目前还没有有效的维修方法，唯一的办法只有将车辙部位铣刨后用新的混合料修补，或将原有材料再生改造以更换产生车辙的层次。对于第四类车辙，我国也偶尔发生，主要由于沥青面层本身的压密造成，属于非正常车辙。尤其是有些高速公路施工时没有进行充分的压实，有的工程片面追求平整度，在降低温度后进行碾压，造成压实度不足，致使通车后的第一个高温季节混合料继续压密形成车辙。为了减少这种车辙，主要是施工过程中要加强碾压，使空隙率控制在要求范围内。

最有效的解决方法是使用抗车辙剂，将抗车辙剂颗粒在沥青拌和楼拌和过程中直接投入沥青混合料拌缸中，属于对沥青混合料的改性，不同于对沥青的改性。这种方法能够根据所期望的抗车辙性能程度不同，添加不同掺量的抗车辙剂。抗车辙剂在低掺量（混合料质量的0.3%～0.5%）时能明显增强抗高温抗车辙性能，改善抗水损坏性能、抗低温开裂性能等；而且价格便宜，相对级配改良而言，可以在保证抗水损坏性能的基础上大幅提高抗车辙性能；相对沥青改性而言，不需添加沥青改性设备，生产过程中无能耗和损耗，可长期库存，避免了改性沥青储存稳定性差的问题；相对纤维增强而言，不需要增加纤维吸附沥青后的油石比。

抗车辙剂作用机理：a）集料改性作用，即抗车辙剂拌和时首先与集料干拌，部分熔融于集料表面，提高了集料的粘结性，相当于对集料进行了预改性；b）沥青增粘作用，即抗车辙剂在湿拌和运输过程中，部分溶解或溶胀于沥青中，形成胶结作用，从而达到提高软化点温度、增加粘度、降低热敏性等沥青改性的作用；c）纤维加筋作用，即聚合物形成的微结晶区具有相当的劲度，在拌和过程中部分拉丝成塑料纤维，在集料骨架内搭桥交联而形成纤维加筋作用；d）细集料骨架作用，即抗车辙剂在施工中临时软化，然后这些颗粒在碾压过程中热成型，相当于具有高粘附性的单一粒径细集料填充了集料骨架中的空隙，增加了沥青混合料结构的骨架作用，同时降低了成型路面的渗透性；e）变形恢复作用，即抗车辙剂的弹性成分在较高温度时具有使路面的变形部分弹性恢复的功能，因而降低了成型沥青路面的永久变形。

5 结语

沥青路面的车辙病害，在山区公路长大上坡路段尤为严重，已成为山区公路典型病害之一，严重影响了行车的安全性和路面的使用寿命。通过对沥青路面车辙形成机理的分析，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，可以从原材料选择、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。

提高高速公路沥青路面抗车辙能力的主要措施主要有：a）加强集料质量的控制，采用合格的集料；b）采用优质的沥青结合料，采用改性沥青或添加抗车辙剂提高沥青结合料的高温稳定性；c）优化沥青面层结构和级配，选用抗车辙性能好的沥青混凝土，例如SMA等；d）优化混合料设计方法；e）严格施工控制和管理；f）加强路政管理，严禁超载车辆。

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