浅析沥青混凝土路面的高温稳定性

魏国栋

（内蒙古自治区交通建设工程质量监测鉴定站，内蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

车辙是指在行车荷载重复作用和自然因素综合作用下产生永久性变形，表现为沿道路纵向产生的带状撤槽，严重时车辙的两侧会有突起形变，加剧恶化了路面的使用性能。沥青路面与水泥混凝土路面相比，沥青路面有着诸多优点，例如表面平整、行车舒适性好、振动小、噪音低、施工周期较短、维修和养护方便等。沥青路面在高速公路路面中的应用占比已达到90%以上，但是在具体应用阶段沥青路面所特有的病害——车辙，已成为继水损坏之后普遍存在的路面病害类型之一。

20 世纪70 年代末，美国各州公路局曾做过调查统计，在被调查的44条主要公路中有13条公路的损坏是由车辙引起的，占调查总数的29.5%；日本的高速公路损坏原因80%以上是由于车辙引起的。对于我国的高等级公路而言，道路交通量的迅速增长、高速公路重车比例在增大以及车辆超载、超限现象等交通环境对沥青混凝土路面的破坏非常严重，甚至在路面早期就产生车辙现象。葛浩等[1]提出了长大纵坡沥青路面车辙防治措施，刘春林[2]分析了沥青混凝土路面高温稳定性的影响因素。本文对沥青混凝土路面的车辙问题进行了探讨，提出了解决沥青混凝土路面车辙的几点措施，以期为改善沥青混凝土路面的车辙提供依据。

2 车辙类型

沥青混凝土路面的车辙根据形成机理的不同一般分为以下三类[3]，如表1所示。

3 车辙的形成过程

车辙的产生影响路面的平整度，使行车舒适性能下降；车辙较大的路段对行车的安全性也会有影响。另外，在车辙开裂处雨水会从裂缝中渗入到基层甚至是路基中，易导致路基、路面发生水损坏。车辙的形成过程可简单分为三个阶段。

3.1 开始阶段的压密过程

沥青混合料是一种多种成分组成的复杂材料。包括：沥青结构、矿物结构、以及沥青-矿粉分散结构。沥青和沥青及矿料组成的胶浆在高温碾压作用下被挤压进矿料间隙中，使得骨料被重新排列而形成具有一定作用的骨架结构。并且通车后在荷载作用下这种压密过程还会进一步发展[4]。

表1 常见的沥青路面车辙类型

3.2 沥青混合料流动作用

沥青材料在常温下呈固态形式、在高温下呈液态形式，在荷载作用下沥青及沥青胶浆一部分填充混合料孔隙，起到很好的填充作用，另一小部分将自由流动使沥青混凝土路面在受压处被压缩而变形。

3.3 矿料的重新排列及矿质骨架的破坏

高温下沥青混合料由于沥青与沥青胶浆在荷载作用下产生流动，沥青混合料中粗、细骨料形成主要的骨架作用，沥青作为润滑剂，特别是沥青用量偏高时沥青与沥青胶浆的流动性会更加明显。在荷载的反复作用下最终会导致骨架失稳而使矿质骨架破坏。

4 沥青混凝土路面车辙影响因素

目前，改善沥青混凝土路面车辙的措施有：在施工过程中使用SBS改性沥青，铺筑沥青玛蹄脂SMA路面，调整、优化矿料级配等。这些措施对提高沥青混凝土路面高温稳定性有很大改善，但怎样有效控制沥青混凝土路面的车辙仍然是当前所面临的课题。根据我国目前的经验，沥青混凝土路面车辙的影响因素主要有以下四个方面：

4.1 材料

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其衍生物组成的复杂混合物，是一种无定形物质，沥青随着测试温度的升高逐渐被软化。因此软化点也是评价沥青高温性能的一个重要指标。粘聚力和内摩擦角影响着沥青混合料的强度，其中材料因素包括沥青、矿质集料、填料以及纤维等[5]。

4.1.1 沥青种类和用量的影响

沥青种类和用量的不同，将影响沥青混合料的性能。不同品种、类型的沥青，其混合料性能也不同。根据气候状况沥青材料种类应选择针入度小、软化点高、延度较高、粘度较高的改性沥青，此类沥青的高温稳定性较好。

沥青用量的多少将影响沥青混合料的骨架嵌入、挤压效果，对沥青混合料的抗车辙性具有重要作用，因此在实际施工过程中沥青用量要严格控制。随着沥青含量的不断增加，沥青混合料的稳定度将随之下降，流值增大，动稳定度降低，沥青混合料抗车辙变形能力明显降低[6]。这表明在沥青混合料组成中，混合料中沥青含量对抗车辙能力有显著影响。沥青含量较少时，沥青与沥青胶浆不足以填充混合料中的间隙，使得混合料压实不足。沥青含量太大时，游离沥青又会削弱矿料之间的嵌挤力，降低沥青混合料的内摩阻力，而且在夏季容易产生泛油现象，使沥青混合料变形而形成车辙[7]。

4.1.2 矿料的影响

首先，矿质骨料表面纹理、形状、针片状含量以及集料与沥青的粘附性能都影响沥青混合料的高温稳定性。针片状颗粒含量低、粗糙、接近立方体表面形状的矿料易形成骨架嵌挤结构，有利于提高沥青混合料的抗车辙性能。

其次，矿料级配对沥青混合料的抗车辙性也很重要。仅增加矿料粒径并不能有效改善路面的抗车辙性能。良好合理的级配对改善沥青混合料高温稳定性能有很大帮助。这是因为良好的级配可以在矿料之间形成良好的骨架，使空隙率降低从而显著提高了沥青混合料的抗车辙性能[8]。

最后，为了增加沥青与集料之间的粘附性并减少水损害，宜使用中性或碱性石料，不宜使用酸性石料。必要时可掺抗剥落剂或石灰、水泥等填料使其增加与集料的粘附性能。填料在沥青混合料中，虽然掺量较少，但作用不容忽视，它能分散沥青混合料中形成的沥青膜并包裹在矿料表面，使矿料之间的粘结力增强。

4.2 路面结构

沥青路面类型和路面厚度的组合不同也与路面车辙有很重要关系，同一种材料用于不同的路面结构中其体现的性能也不同，路面结构类型的选择以及路面结构层组合的合理性对路面的高温稳定性有很大的影响。沥青面层厚度与公路等级、交通量和沥青种类有关，应综合确定。应根据交通量大小及材料的力学性能和机械的扩散能力来综合选择基层和底基层的厚度。

合理选择沥青路面结构层次，是整个路面结构经济、合理的关键，也是整个路面结构能否在设计使用寿命中承受各种荷载和自然因素的关键。

4.3 现场施工质量的控制

沥青混凝土在现场施工中一定要控制好混合料的均匀性和压实度，混合料的均匀性要从拌合-运输-摊铺-碾压过程中整体来控制，而压实度也是质量控制的关键指标，选择其满足设计及规范要求。一般在施工现场要合理控制好压实机具的型号、数量及碾压遍数来提高压实要求。现场空隙率和渗水性是否满足规范要求也是造成车辙发生的重要因素。空隙率一般控制在3%～6%，提高混合料的密水性，如果施工现场混合料发生离析现象，则粗骨料集中部分将导致压实不足、空隙率大、水密性差，易造成水损害。在细骨料集中的地方，虽然空隙率较小，渗水较好，但在夏季高温重载情况下易发生变形从而产生车辙。

4.4 外部因素

沥青混合料是一种粘-弹性材料。其物理、力学性能受外部环境条件（环境温度和外部荷载）影响很大。我国路面设计的车轮标准载荷为（0.7±0.05）MPa，但在道路运行过程中，超载现象普遍存在。荷载的增加进一步导致了车辙问题越来越严重。因此，道路在运行过程中必须严格控制车辆的超载，在设计方面适当的提高要求。车辙的室内试验温度通常为（60±0.5）℃。但是，我国南方和北方地域温差比较大，这势必导致动稳定性的不同。随着温度的升高，沥青的粘度变小，抗蠕变能力降低。在外力的作用下，动稳定性会下降，车辙变形会增加，高温下的沥青路面很容易产生车辙[9]。

车辙与沥青路面的路线设计、结构组成、交通情况和环境密切相关。在设计方面，应尽量减小纵向坡度，纵向坡度越长在夏季高温季节更容易引起车辙现象。就结构组成而言，应做好透层、封层、粘层各道工序，确保基层与面层、面层与面层之间联接良好形成稳定的整体。在交通和环境方面，车辙的影响主要体现在过多的超载车辆和低速、上坡行驶中等方面。

因此，在公路建设前，要充分考虑所有可能的不利因素，采取相应的措施，以减少或延缓车辙的产生。

5 减少沥青混凝土路面车辙的措施

通过近几年我国道路车辙的形成原因分析，根据沥青路面结构的力学特性，针对交通和气候等不利条件，从原材料的选择、配合比的优化设计、路面结构层的设计和施工过程中的质量控制等方面来考虑改善沥青混合料的车辙性能。

建议采取以下措施来改善沥青混凝土路面的车辙病害：

①选择适合的沥青。

选择的沥青应为粘度高，粘聚力强，软化点高，蜡含量相对低的改性沥青，并且控制好沥青用量。

沥青与集料的粘附性是评价沥青性能的重要指标，粘附性的好坏将影响沥青路面的使用性能和耐久性，在基质沥青中掺加树脂聚合物、橡胶聚合物等来改善沥青性能，从而增加沥青的高温稳定性和低温抗裂性。例如：在基质沥青中掺加苯乙烯类共聚物SBS从而有效地改善沥青的温度性能、拉伸性能、弹性、内聚附着性能、混合料的稳定性、耐老化性等。

②选择粒径合适的集料并且优化设计成最佳级配，集料应具有棱角容易在合成级配中形成嵌挤状态。

在沥青混合料中粗骨料之间的镶嵌作用可以提高沥青路面的高温稳定性，这也取决于集料的压碎值、颗粒形状和棱角性。通常粗骨料的形状接近立方体且没有明显的分层层理、表面粗糙、内摩擦角增大，同时应合理调整优化矿料级配，使矿料级配成“S”型走向，适当的增加粗骨料用量保证骨料之间的嵌挤作用，使沥青混合料抗变形能力增加从而提高高温抗车辙能力。

③根据当地的气候条件选择合适的沥青混合料类型，以避免沥青混合料的高温流动变形。

④添加少量外掺剂，例如粒状聚合物、橡胶等，可以在沥青混合料中添加抗车辙剂以改善沥青混合物的高温稳定性。

⑤做沥青混合料配合比时控制好孔隙率不能低于规范值，根据沥青混合料类型参照《公路沥青路面施工技术规范》选择。

⑥控制好每个结构层材料模量比。

⑦在施工过程中严格控制每个工序的质量，控制好压实度增强路基强度、稳定性，防止结构型车辙的发生。

⑧合理规化交通，限制超载车辆通行，对已经形成车辙的路段应尽快维修、养护，避免车辙再扩大。

⑨适当提高粉胶比，增强层间结合力，加强道路压实度，提高道路的整体强度。

在沥青混合料中适当的增加粉胶比，尤其是在SMA沥青混合料中，矿粉的用量更多，随着矿粉用量的增加，混合料的孔隙率减小，动稳定性有所提高。

如果沥青面层之间粘结不好，有水渗入层间会使沥青路面受力状态发生改变，在重载作用下很容易产生推移、拥包，最终导致路面破坏。所以一定要确保粘层油的洒布量和洒布的均匀性，使沥青面层与面层之间形成一个有机的整体。

6 结语

综上所述，通过不断学习新技术、新材料、新工艺、新设备的知识，本文总结出如下两种措施，可使车辙问题尽可能的减少，从而提高道路的整体性能和使用寿命。

①提高沥青混凝土路面车辙能力应选用粘度高、粘聚力强、软化点高的改性沥青，对于集料应选用压碎值高、表面粗糙、棱角性好的集料，配合比设计过程中要优化矿料级配使矿料级配成“S”型走向形成密实骨架结构[10]。

②在目前的规范要求下按照马歇尔试验方法进行沥青混凝土配合比设计、验证，采用统一方法计算混合料的体积指标，按照当地路面的实际温度进行车辙试验，必要时提高车辙的试验温度。控制好施工现场的空隙率，提高压实质量，改善面层、基层的排水性能，综合治理车辆的超限、超载现象，从而使车辙问题尽可能的减少、避免。