车辙处治看江浙

文/图 江苏省张家港市交通运输局 张宇 方珑 东南大学交通学院 顾兴宇 刘奇 于斌

江浙地区经济发达、交通运输需求大，其高温多雨的气候、山区重载的环境和荷载特点导致国省干线交叉口与长大纵坡路段沥青面层流动性车辙严重；同时，由于路基建设材料紧缺，宕渣路基在浙江省国省干线中使用十分广泛，宕渣路基压实不足导致的沥青路面整体性车辙也屡见不鲜。有关专家学者结合江浙及相邻地区国省干线路基路面典型结构与材料，研究次生钢渣活性激发技术及灰土复配的路基增强技术缓解结构性车辙，并实现了工业废弃物的高效利用，从蠕变损伤与剪切疲劳的角度阐释了沥青路面的车辙形成与失稳机理，建立了适用于江浙及相邻地区的重载干线公路沥青路面车辙机理与路基路面一体化处治技术（以下简称“车辙一体化处治技术”），实现了车辙处治在“机理-预测-防治”全过程的关键技术突破。

车辙是国内外沥青路面的主要病害之一，我国半刚性基层沥青路面以流动性车辙为主，国外柔性基层沥青路面则流动性车辙与结构性车辙兼具。由于我国高速公路收费而国省干线不收费的政策导向，致使国省干线交通重载化趋势十分明显。我国国省干线重载交通导致的车辙问题较为突出，且累积变形的突发性失稳（车辙第三阶段）难以预测，使得车辙预防性养护理念难以贯彻，只能采用事后高强度被动养护措施。

车辙处治的主要问题和解决思路

国内外针对车辙问题开展了广泛而深入的研究，在路面车辙产生机理、车辙预估模型、车辙预防措施及车辙处治措施等方面形成了丰富的成果，但目前在车辙研究领域，还需要着重解决3个问题。

车辙失稳时间判断与车辙养护时机选择

国内外研究者充分认识到沥青混合料抗剪强度不足是路面车辙病害的重要原因之一，从沥青混合料蠕变曲线的发展来看，车辙变形的快速增长本质上是混合料的失稳，即材料处于第三阶段时永久变形的指数式增长。因此，有必要探究沥青路面失稳型车辙的发生时间，从而正确选择处治车辙病害的时机。

车辙病害预防的路基路面一体化措施

路面车辙形成的影响因素众多，既有路面自身结构与材料因素，也有荷载、温度、地形等影响。因此，需要考虑特定区域路面结构及材料特点，研究针对性的路基路面一体化车辙预防综合措施。

车辙病害处治的快速性与经济性需求

国内外目前车辙病害处治的主流做法是铣刨4厘米上面层后加铺罩面层。铣刨、摊铺、碾压的工序众多，病害处治耗时长，交通管制压力大；此外，铣刨4厘米上面层后加铺的方式也造成了优质筑路材料的浪费。

为系统提升重载国省干线车辙防治技术水平，有关专家学者以江浙地区国省干线为研究对象，在沥青路面车辙形成与失稳机理及预测研究基础上，建立了车辙一体化处治技术。

车辙一体化处治技术研究总体思路

车辙失稳发展机理层面

开发了模拟路面真实温度场和应力场的面层整体结构和分层结构的多序列动态蠕变试验评价方法，研究了多种沥青混合料中高温域范围内的剪切流变失稳规律，建立沥青面层全厚度沥青混合料的剪切流变失稳预估模型，实现了室内全厚度沥青混合料剪切流变失稳模型与真实沥青路面结构车辙失稳的关联，预测多重因素对路面车辙失稳时间的影响。

车辙病害预防层面

研究了钢渣石灰改良土的工程特性和改良办法，通过室内试验、理论分析和现场实践，提出整套钢渣石灰改良土在国省干线路基建设中的应用策略和工艺，基于“钢渣重构”理念发明室温下钢渣活性激发技术，得到的钢渣土强度最高可达到素钢渣土强度的26倍；研究了玄武岩纤维沥青混合料的路用性能及增强机理，提出了纤维用量和纤维类型的优选方法，实现了纤维沥青混合料增强增韧的抗车辙效果；面向海绵道路需求，设计了荷载-水-温度多物理场耦合试验方法，研究了面向重载交通的国省干线排水沥青路面材料与结构设计要求，提升了排水沥青路面的高温性能和耐久性；从传热学角度出发，研发了沥青路面水性环保高效路表降温涂层，通过调控沥青路面温度场减缓路面车辙的形成。

车辙病害处治层面

基于浙江地材特点优化了易密实沥青混凝土ECA车辙修补技术并制定地方性标准进行推广应用；通过共沉淀法和还原法两种工艺手段对普通钢渣进行改性处理，取代沥青混合料中的部分或全部细集料，大幅提升沥青混合料微波加热特性，实现车辙病害的高效微整形修复。

沥青路面车辙失稳机理与预测模型

从车辙变形的发展过程来看，经历了三个阶段：初始压密阶段、稳定增长阶段和加速失稳阶段。在加速失稳阶段，混合料结构主体发生失稳，应变较大且应变率增长迅速。实际沥青路面在车辆荷载的作用下，其内部受力状态与有围压的三轴动态蠕变试验试件的受力状态相类似，且大部分循环荷载作用下，材料内部等效的应力莫尔圆均处于破坏包络线的下侧。因此，设计能够模拟路面真实受力状态和温度场的全沥青面层结构动态蠕变试验方法，从路面不同层位在不同荷载作用下的循环压剪破坏角度出发，研究沥青混合料的蠕变失稳是判断路面车辙失稳时间节点的有效途径。

模拟及验证步骤

1.对沥青混合料进行单轴静载蠕变试验，得到简单应力状态下沥青混合料的应力应变曲线，拟合试验结果以获取材料模拟过程所需的本构参数。

2.通过有限元模拟分析，利用已有室内沥青混合料失稳预估模型，基于实际温度场，建立单层、多层沥青混合料贯入蠕变失稳预估模型。

3.通过室内实际贯入动态蠕变试验，验证模型预估结果。

4.分析添加剂、温度、荷载、坡度等因素对沥青混合料失稳寿命的影响。

测温试件制作与加载

表1 各层材料温度、受力状态及预估结果

表1 各层材料温度、受力状态及预估结果

表2 以率值控制试验初步设计方案

表2 以率值控制试验初步设计方案

车辙处治一体化技术研究还建立了模拟真实应力与温度场的沥青面层混合料室内贯入动态蠕变试验及失稳模型，并对其进行了验证。

基于室内贯入试验的真实应力场与温度场，车辙处治一体化技术研究利用已建立的单一沥青混合料中高温度范围的失稳预估模型，得到包括上中下多种沥青混合料的沥青面层失稳流变次数。

各层位受力状态及温度均不同，因此各层位失稳寿命也有所差异。研究认为50%及以上的层位发生失稳，应被认定为混合料发生失稳破坏。依据路面各层材料的失稳预测模型，可推测失稳可能发生的年限。

次生钢渣及钢渣灰土路基的车辙预防技术

通过分析钢渣化学成分和矿物成分发现，钢渣与高炉矿渣、粒化电炉磷渣类似，是一种具有潜在水硬性能的掺合料。但是钢渣与粉煤灰、矿渣等工业废渣相比，其矿物晶体生长发育较大、晶粒致密、晶格稳定、水化缓慢，因此其活性相对较低。为了提升钢渣的应用价值，需要激发钢渣的活性。

现有钢渣重构技术均为在高温炉中直接向二次处理的钢渣中掺入添加剂，这种方法能够生产出强度较高的类水泥的钢渣产物，但是对于已经堆放在料场的钢渣并不适用。因此，提出在室温情况下，依据水泥参数和化学激发原理，重构出有一定强度的钢渣基材，并开展无侧限抗压强度试验，以及不同激发剂及其掺量的效果评价。试验结果显示，相比于素钢渣，重构钢渣的强度提升了约9倍；在室温下重构钢渣能够大幅度提高钢渣强度，具有深远利用价值。

重构钢渣无侧限抗压试验结果

不同激发剂下无侧限抗压试验结果

沥青面层的车辙预防技术

沥青面层车辙预防技术主要包括玄武岩纤维增强沥青混凝土技术和沥青路表的车辙预防技术-热阻涂层材料技术。

玄武岩纤维增强沥青混凝土技术

通过纤维沥青混凝土与普通沥青混凝土的比较，探究纤维掺入沥青混凝土中对其胶浆、砂浆和混凝土层面流变性能的影响，从而优化设计纤维沥青混凝土。通过数字图像处理技术（DIP）处理沥青混凝土细观结构，进一步模拟纤维增强沥青混凝土机理。开展了多种纤维增强沥青混凝土高温性能的实验研究，包括半圆弯曲（SCB）蠕变试验、间接拉伸（IDT）蠕变试验等。分析各影响因素下细观组分对混合料力学性能的变化规律，以便阐明纤维沥青砂浆与混合料之间内在联系。

某时刻SCB及IDT细观结构试件竖向蠕变云图

AC13级配加纤维SCB试件黏弹变形

研究表明，加入纤维后试件的黏弹变形明显降低，表明高温抗车辙能力显著提升。同时通过纤维沥青胶浆、纤维沥青砂浆及纤维沥青混凝土的机理与性能研究，建立了三者之间的定性和定量联系。

沥青路表的车辙预防技术-热阻涂层材料技术

采用具有高折光系数的金红石型二氧化钛为颜料，以具有中空结构的漂珠、拥有阻热性能的橡胶粉体及能将红外线反射到大气外层的云母粉等为功能型填料，制备出一种渗透型水性环保涂层使其具有反射隔热的性能，以达到阻止热量传递，降低物体表面温度的效果。

反射隔热涂层示意图

开展成型试件降温涂层效果试验研究，分别把其中的一个涂上隔温涂料，另一个不涂隔温涂料，并进行对比试验。其结果显示，没有加涂层的试件表面的最高温度为69.6摄氏度，加涂层的试件表面最高温度为53.4摄氏度，表面最高温整整降低了16.2摄氏度，降温效果明显。在道路实际应用时，路表温度最高可降低6摄氏度至8摄氏度。

沥青路面车辙快速经济处治技术

沥青路面车辙快速经济处治技术主要包括易密实沥青混凝土ECA车辙修补技术和磁化钢渣沥青混合料车辙整形处治技术。

易密实沥青混凝土ECA车辙修补技术

针对过往车辙修复多采用铣刨重铺方案的不足，研发人员针对性地开发了易密实沥青混凝土ECA车辙修补技术，并形成了地方性标准。ECA沥青混合料具有密实、抗滑、耐久的品质，并具有高温抗车辙、低温抗开裂，以及良好的抗水损害能力，进行车辙填补修复时，应根据老路车辙深度铣刨相应厚度，采用合适类型ECA进行填补，类型选择应结合混合料适宜填补厚度及单层填补为原则。ECA-6.7适宜填补厚度为15毫米至30毫米，ECA-10适宜填补厚度为25毫米至40毫米。

改性前钢渣沥青混合料红外热像仪成像结果

共沉淀法改性后钢渣沥青混合料红外热像仪成像结果

活性炭改性后钢渣沥青混合料红外热像仪成像结果

磁化钢渣沥青混合料车辙整形处治技术

通过共沉淀法和还原法两种工艺手段对含铁量较高的普通钢渣进行磁化处理，并用其取代传统沥青混合料中的部分或全部细集料，从而实现增强沥青混合料微波吸热特性。

根据沥青混合料红外热成像仪成像结果可知，经共沉淀法和活性炭改性后的钢渣沥青混合料在微波加热两分钟后，温度由20摄氏度上升到将近80摄氏度；改性前钢渣沥青混合料在微波加热升温两分钟后温度提高了40摄氏度；普通沥青混合料在微波加热升温两分钟后温度提高了30摄氏度。由此可见，改性后的钢渣沥青混合料微波加热效率有了明显的提高，几乎是普通沥青混合料的两倍。

因此，通过车辙处治一体化技术研究沥青混凝土磁化方案，可大大提高沥青混合料的微波吸收效率，提升微波加热技术在公路养护（现场热再生、车辙处治、裂缝修补）中的效率，尤其是对于车辙变形的微整形具有重要的应用价值。

根据调查，江苏省2006年至2010年通车的高速公路和干线公路面临的典型病害为车辙和裂缝，整体路面状况较好。2011年至2017年通车的高速公路和国省干线路面整体状况均较好，未来面临的典型病害主要为车辙，目前养护工作的首要任务是制定基于车辙处治的养护技术方案。因此车辙防治技术将长期具有稳定的市场需求。