长大纵坡沥青路面车辙防治措施效果评价

葛 浩，张 迪，刘旭东

（江苏东交工程设计顾问有限公司， 江苏 南京 211100）

由于受地形、地貌的影响，山区高速公路路线设计中不可避免地会遇到长大纵坡问题。随着荷载作用时间的延长，致使高速公路在长大纵坡段易产生车辙病害，已严重影响路面质量与行车安全性［1］。为此，研究车辙病害的成因及防治措施具有十分重要的意义。本文通过对云南省某高速公路车辙病害调查，总结出引起路面车辙病害的成因，选取路面中面层作为研究对象，通过室内试验对4种不同类型的沥青混合料性能进行研究，对比分析抗车辙效果，并对防治措施效果进行综合评价。

1 长大纵坡沥青路面车辙病害调查

云南省某高速公路于2008年建成通车，路基宽25.5 m，双向4车道，设计速度100 km/h。路面类型为沥青混凝土路面，面层结构为4 cm AC-13+5 cm AC-20+8 cmAC-25。该高速公路通过山岭重丘区，水文地质情况复杂，长大纵坡较多。近年来，随着交通量的不断增长，车辆超载运输严重，再加上沿线地质条件较差，经现场调查发现，主线沥青路面车辙病害情况比较严重，车辙病害主要发生在行车道，而在重载方向的长大纵坡路段更为严重，局部车辙深度大于5 cm，在一定程度上影响了行车安全性和舒适性。针对该路面车辙病害特点，进行了成因分析研究。

2 长大纵坡沥青路面病害原因分析

车辙是沥青路面的轮迹带在车辆荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的积累，严重时两侧通常有鼓起变形。根据车辙产生的原因，可以将沥青路面车辙分为压密型车辙、结构型车辙、失稳型车辙［2］。经综合研究分析，引起长大纵坡路段车辙病害的因素主要有以下4个方面。

（1）纵坡坡度

在长大纵坡路段，载重车辆随路面坡度与坡长的增大，车速会明显降低［3］。根据感温性材料沥青的时稳等效法则，如果车辆行驶速度为100 km/h，车轮对路面的作用时间是0.02 s；如果车辆以20 km/h速度行驶，则车轮对路面的作用时间就变为0.1 s，即20 km/h速度使沥青路面产生的永久变形相当于以100 km/h速度5遍产生的永久变形。

（2）重载、超载交通

近年来，随着交通量的增长，特大货车及拖挂车越来越多，该高速超载现象相当严重。

（3）行车速度

低速行驶对车辙病害的影响比超载大，比高温的影响更大。即使在平坡路段，重载车的行驶速度也不会超过50km/h，即重车对沥青路面的作用时间相当于车速为100km/h的2倍。

（4）路面温度

根据黏弹性力学原理，沥青黏度随温度的升高呈非线性指数降低，路面的变形也将随温度的升高成非线性指数增大［4］。该地区的极端最高温度为40 ℃左右，当夏季高温来临时，沥青路面的温度可以达到60 ℃甚至更高，在交通荷载的反复作用下将产生显著变形，其中部分变形不会随着卸载而消失，并残余下来成为永久变形。

3 长大纵坡沥青路面车辙防治措施

根据实际使用情况，从沥青路面结构设计、沥青混合料设计、路面交通管理等方面采取相应的措施［5］，从而提高长大纵坡沥青路面的抗车辙性能。

3.1 优化沥青面层结构

根据国内外所进行的有关车辙问题的研究，可看出普遍存在“重材料轻结构”的现象。大量的技术措施集中在表层材料的选择和沥青混合料的组成设计等方面，随着研究的深入，路面结构是一个不可忽视的因素［6］。在不改变原来路面结构层厚度的基础上，采取优化级配方法，对于提高路面的抗车辙性能，延长沥青路面使用寿命，产生较高的经济效益均具有重要现实意义。

3.2 原材料的选用

（1）胶结料选用分析

根据该地区的气候条件和交通量情况，考虑选用高、低温性能良好的改性沥青。在胶结料选用上，可借鉴SHRP研究成果，在长大纵坡段，沥青胶结料的选用考虑提高一个或两个高温性能等级。

（2）集料的选用

破碎的碎石，具有丰富的棱角和发达的纹理构造，经压实后颗粒间能形成紧密的嵌挤作用，有利于增强混合料的稳定性［7］。相反，用表面光滑的砾石拌制的沥青混合料，在高温状态下，砾石颗粒之间缺乏嵌挤力，在荷载作用下极其容易滑移，使路面出现变形。因此，选择质优的集料亦是提高抗车辙性能的重要因素。

（3）外掺剂的选用

在沥青混合料中添加外掺剂，能有效地改善混合料路用性能，而且有的外掺剂还具有掺加工艺简便、技术效果显著、节约能源、利于环保等优点。

3.3 沥青混合料级配的选择

对于不同类型的沥青混合料，集料比例是最重要的因素。对于密级配沥青混合料来说，如果粗集料是悬浮在沥青胶浆中，嵌挤作用不能很好形成，沥青的作用将提高成为主要影响因素［8］。相反，对于以集料嵌挤为主的沥青碎石、贯入式以及沥青玛碲脂碎石混合料（SMA）、大空隙式排水沥青混合料等，高温稳定性主要依靠粗集料的嵌挤作用，一般具有很高的抗车辙能力。

3.4 路面交通管理

超载、重载车辆是造成沥青路面早期病害的重要因素，尤其在长大纵坡段，是导致路面在极短时间内出现车辙等病害的主要原因之一。针对该问题，政府相关部门应采取一定的控制手段，严格控制车辆超载，通过分流、绕行、限行等手段减少超载车辆给长大纵坡路面造成破坏，以减缓沥青面层车辙病害的发生［9］。

4 长大纵坡沥青路面车辙防治措施效果评价

对于一般沥青路面面层，沥青混合料高温性能等满足相关技术要求即可，但作为在高速公路长大纵坡段路面面层使用的沥青混合料，由于路面受力情况的特殊性，还需具有良好的抗剪性能和抗疲劳性能。结合云南省某高速公路实际情况，在沥青路面结构中，虽然上面层的最高温度高于中面层，但中面层的高温持续时间会更长，对车辙的产生有重要的影响，且黏层材料对层间抗剪性能也具有一定的影响作用，因此对中面层的研究显得尤为重要。针对中面层采用不同类型的抗车辙方案，并从高温稳定性、抗剪切能力及抗疲劳性等室内试验结果对比分析和评价不同类型沥青混合料的抗车辙效果。

4.1 抗车辙方案选用

通过优化沥青混合料的级配，采用黏度更大、强度更高的胶结料和添加外掺剂均能有效地提高沥青混合料的高温性能。因此在本研究中，分别从黏层层间材料、胶结料、外掺剂和混合料类型等方面对比研究各项抗车辙措施的混合料性能。

（1）黏层层间材料选择

黏层试验采用乳化沥青、改性乳化沥青、基质沥青、SBS改性沥青以及高黏沥青，最佳用量分别为0.4 kg/m2、0.6 kg/m2、0.4 kg/m2、1.4 kg/m2以及1.4 kg/m2，试验结果见表1。

表1 粘层层间剪切试验结果

由表1可知，各种黏层油层间抗剪强度由高到低依次为：SBS改性沥青、高黏沥青、改性乳化沥青、基质沥青、乳化沥青。故本次研究中采用SBS改性沥青作为黏层材料。

（2）混合料类型设计方案

力学分析表明，在本次研究中提高中面层混合料性能，能有效提高高速公路长大纵坡沥青路面抗车辙性能。通过比选分析，主要研究以下4类沥青混合料。具体试验方案见表2。

表2 沥青混合料种类汇总表

4.2 沥青混合料的性能分析

4.2.1 高温稳定性

用于评价沥青混合料高温性能的试验方法很多。大量的试验已经证明，马歇尔稳定度试验主要是用于确定混合料最佳沥青用量和施工质量管理，并不能正确地反映材料的抗车辙能力，而车辙试验结果与实际路面车辙有极好的相关性，可较好地反映实际沥青路面在车轮荷载作用下永久变形的累积效应［10］。因此，本研究采用车辙试验研究材料的高温稳定性。动稳定度试验结果见表3，试验结果表明：范的要求，但从表3试验数据可以看出，动稳定度AC-20（70#+路孚8000）＞AC-20（70#+路孚8000）＞ARAC-20（70#+橡胶粉+TOR）＞而AC-20（SBS）动稳定度最差。

表3 动稳定度试验结果

（2）由于路孚8000对沥青混合料的性能进行了改善，使得混合料的高温性能比不掺加路孚8000的有了较大提高，具有更好的抗车辙性能。

（3）ARAC-20（70#+橡胶粉+TOR）沥青混合料中，胶结料采用的是橡胶沥青，增加了混合料的黏结性，较常规沥青混合料高温性能有所提高，抗车辙性能也相应有所提高。

4.2.2 抗剪切性能

传统沥青混合料的研究认为沥青混合料的剪切破坏主要是沥青混合料的高温稳定性不足，在荷载作用下产生永久变形和剪切推移，致使路面出现车辙等现象。从试验的简单、实用、易推广的角度考虑，车辙试验能够模拟路面在荷载作用下的车辙产生过程，而被广泛地采用。直接剪切试验能近似地模拟纯剪切应力状态，比较符合路面的实际情况，可用来评价沥青混合料的抗剪切性能。抗剪切性能不仅对沥青混合料本身很重要，而且对层间抗剪切性能更重要，故本次研究上—中层间的层间抗剪切性能，具体剪切试验结果见表4。

由试验结果表明：

（1）从20 ℃至60 ℃，各种混合料抗剪切变形能力迅速降低，这也说明，在高温状态下，沥青路面极易发生混合料剪切破坏，导致车辙等病害的产生。

表4 混合料剪切试验数据汇总表

（2）无论是20 ℃还是60 ℃，AC-20（SBS+路孚8000）抗剪切性能最佳，AC-20（70#+路孚8000）次之，ARAC-20（70#+橡胶粉+TOR）与 AC-20（SBS）抗剪切能力相当。

4.2.3 疲劳性能

沥青混合料的疲劳性能与沥青路面的使用寿命密切相关，尤其路面的中、下面层对该性能要求更高。因此，研究沥青混合料疲劳性能有着重要的意义。路面使用期间，在环境温度影响下经受车轮荷载的反复作用。其应力或应变长期处于交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数以后，路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后的结构抗力，使路面产生疲劳裂缝，最终导致路面出现网裂、车辙等病害。

疲劳试验的过程如下：首先进行15 ℃试验温度下的劈裂试验，得到劈裂试验荷载的最大值PT（平行4个试件）。用UTM机进行疲劳性能试验，采用应力控制方式，试验中应力比为0.40（应力比=试验荷载/最大荷载），劈裂试验荷载最大值试验结果见表5，疲劳试验结果见表6。

表5 沥青混合料劈裂强度试验结果

表6 混合料劈裂疲劳试验结果

试验结果表明：ARAC-20（70#+橡胶粉+TOR）的疲劳性能最好，AC-20（SBS+路孚8000）次之，然后依次是AC-20（SBS）和AC-20（70#+路孚8000）。

综上所述，在室内试验研分析的基础上，本次研究推荐所采用的中面层抗车辙方案为AC-20（SBS+路孚8000），层间黏结材料选择SBS改性沥青。

5 结语

本文以云南省某高速公路车辙病害调查数据及特点为基础，分析了车辙病害产生的原因，总结出纵坡坡度、路面温度、行驶速度、交通情况等因素是引起车辙病害的主要原因，并由此从路面结构设计、材料选择、交通管理等方面入手，提出了车辙防治的措施。结合云南省某高速公路实际情况，选取中面层作为抗车辙研究对象，并提出了4种不同类型的抗车辙方案，分别从高温稳定性、抗剪切能力、抗疲劳性能等室内试验结果对比分析和评价不同类型的沥青混合料在长大纵坡路面抗车辙效果。结果表明，研究的3种抗车辙沥青混合料，均较原AC-20 （SBS）沥青混合料具有更佳的路用性能，推荐该高速公路长大纵坡路段中面层采用AC-20（SBS+路孚8000），将具有良好的预防车辙效果。

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