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半刚性基层沥青路面失稳型车辙防治措施
文 / 胡素敏
1 前言
车辙是沥青路面在汽车荷载反复作用下，产生竖直方向永久性变形的积累。按形成原因的不同分为 3 类：磨耗型车辙、结构型车辙、失稳型车辙。磨耗型车辙是由于沥青路面结构顶层的材料在车轮磨损和自然环境作用下，持续不断损失形成的； 结构型车辙是由于路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形形成的；失稳型车辙是由于沥青路面结构层在车轮荷载作用下，其内部材料的流动产生横向位移形成的，通常发生在轮迹处，即当沥青混合料的高温稳定性不足时，在外力作用下发生失稳型车辙，也叫流变型车辙。失稳型车辙是目前渠化交通引起的沥青路面病害之一。
2 预防车辙的技术措施和建议
在半刚性基层质量好的情况下，路面车辙由高温时沥青混凝土的强度和面层厚度决定。影响沥青路面流变型车辙的原因很多，包括沥青混合料本身高温稳定性不足、动稳定度不够等 , 也包括温度和交通荷载等外部因素，涉及到原材料本身质量、沥青混合料的矿料级配、沥青品质与用量、施工质量管理以及治理交通环境等诸多方面。
2.1 严格控制集料填料质量
一般认为沥青混合料的高温抗车辙能力有 60% 依赖于矿料级配的嵌挤能力，沥青结合料的粘聚力则只提供 40% 的抗车辙能力。提高嵌挤能力首先要严把材料关。目前材料供应市场比较小而且很混乱，以次充好现象严重，大多数是当地个人组织开采生产，加工设备相对落后，产量低、规格不全、质量不稳定。针对这样的石料供应现状，建议工程施工时在每个路面标段料场。专门增加一套筛分设备，对不同来源的集料进行重新统一筛分，不合格的材料要清除出场，或者要求承包商自购大块片石，由监理控制，在标段料场自行加工碎石，以保证集料的质量。
沥青混合料要使用质地坚硬、粗糙，形状接近立方体的集料，要求有棱角。为了保证材料的洁净度，减少含泥量，一方面要求生产碎石时要增设抽风装置，另一方面要求必须硬化碎石存放场地；对作为细集料的石屑和天然砂，建议大力推广应用机制砂。与含有大量不耐冲击的薄片和棱角的石屑相比，机制砂棱角性好，形状大部分接近立方体，高温稳定性好。要控制天然砂用量，应为天然砂没有棱角，几乎成圆形，还可能由于本身 Si0 2 含量高而呈酸性，粘附沥青的能力差。建议重载交通及上坡路段尽量减少天然砂用量，一般不宜超过 10% ，但完全不用天然砂也是不对的，因为它会影响施工性能，使混合料不易压实。作为填料的矿粉，必须使用磨细的石灰岩矿粉。鉴于回收矿粉含泥量大，并且经过高温煅烧发脆，建议不再利用回收矿粉。同时，为了提高集料与沥青的粘附性，建议推广掺加磨细的干燥消石灰粉代替部分矿粉使用。另外，随着石料开采量的增加及环境保护的呼声越来越高，破碎砾石的使用量将会逐渐增加。为了提高沥青混合料的抗车辙能力，破碎砾石应按较大且洁净的砾石加工破碎，使集料的破碎面符合规范要求。
2.2 改善混合料的矿料级配
《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40-2004) 提出了“矿料级配及沥青用量范围” , 按“范围”的中值设计沥青混合料组成 , 已成为了工程施工的法则。但是经验和实践都证明 , 级配中值并不一定是混合料最佳级配组成。选择更加合理的矿料级配 , 是提高集料嵌挤能力 , 防止混合料结构性离析的基础性工作。现行的密实型连续密级配沥青混合料，事实上是悬浮密实结构 , 而不是嵌挤密实结构。该集料的嵌挤作用比较差 , 抗高温车辙能力不足。建议对原有沥青混合料的级配进行优化调整 , 减少公称最大粒径附近粗集料用量，并减少 O .6 mm 以下部分细料的用量 , 使中等粒径集料较多，形成“ S” 型级配曲线。工程实践表明：这种矿料级配不仅抗车辙性能好、空隙小，而且构造深度也较大，能满足表面抗滑的要求。改善矿料级配不应只注重表面层 , 对中面层必须同样引起重视，因为中表面层必须具有足够的抗车辙能力。
2.3 选择合适的设计空隙率和矿料间隙率
空隙率较大的沥青混合料，路面抗剪强度主要取决于矿料嵌挤形成的内摩阻力，而内摩阻力基本上不随温度和加荷速度变化。空隙率小的沥青混合料路面 , 相对来说沥青含量较大，当温度升高时 , 沥青膨胀。由于空隙率小 , 膨胀沥青无处可去 , 沥青混合料易被沥青挤开。同时，温度升高，使沥青粘度降低而发软，又起到了润滑作用。因此，不仅粘聚力降低 , 而且内摩阻力也在降低，使沥青混合料的抗流变能力明显下降。集料间隙率对混合料强度耐久性和高温稳定性的影响是很大的。矿料间隙率过小 , 主要是由于沥青用量过小和现场空隙率过小造成的，这样的沥青混合料耐久性差 , 使用寿命短；而矿料间隙率过大，主要是由于沥青用量过大，细集料用量偏多等原因造成的，这样沥青混合料抗疲劳性能较好，但高温稳定性比较差，容易形成车辙病害。在进行沥青混合料优化设计时，首先要确定集料间隙率 VMA ，进而确定其他参数。
2.4 减少沥青用量
对沥青混合料的抗车辙能力来说，沥青用量是影响高温稳定性的最重要因素之一。沥青与矿粉一起组成胶结料，起到集料间的粘聚作用，这与沥青膜的厚度有直接关系，沥青膜太厚，会存在较多的自由沥青 , 将严重影响集料之间的嵌挤作用，会降低混合料的抗剪强度，易诱发车辙。因此为减小沥青膜的厚度，一方面适当增加矿粉用量，增大粉胶比，通常粉胶比控制在 1.0 － 1.2 之间，另一方面就是减少沥青用量。
在最佳沥青用量 OAC 的基础上减少 0.3% — O.5% 作为施工时控制的沥青用量，设计空隙率和现场空隙率都会变大一些，但这是预防车辙最重要的技术措施。
2.5 推广使用改性沥青
试验表明，使用针入度小、粘度大的沥青，对抗车辙很有利。改性沥青近几年在各省的高速公路上都在使用 , 主要用在表面层。本人建议中面层及特殊的上坡路段下面层也要使用改性沥青。使用改性沥青的混合料动稳定度大幅度提高，达到 3000 次以上。同时，应积极推广物理改性沥青技术。国内外实践表明，纤维改性沥青有其他改性沥青难以比拟的耐磨、泌水、耐久性和抗车辙性能。
2.6 减少离析，加强压实工艺控制
高速公路行车道车辙损坏比超车道严重，这是不争的事实，可行车道左轮车辙比右轮车辙严重，似乎不好理解。从理论上来讲，由于路面横坡关系，右轮处经受的路面压力应该比左轮大，右轮车辙深才对。但实际与理论是不相符的。分析原因主要是，混合料离析使中部混合料偏，导致路面热稳定性严重下降，引起中部车辙严重。为此，就是加大成本也不能再宽幅一次性摊铺沥青路面，而应该使用 2 台或多台摊铺机联合梯队作业，并控制每台的宽度不超过 6 m 。也就是说，窄幅摊铺是解决中部混合料骨料离析最有效的途径。
加强压实工艺控制，确保路面的现场空隙率，主要是要求施工时采用更加合理的碾压工艺，以提高压实度。碾压工艺主要包括：压路机数量、型号、吨位、排列方式、碾压顺序、碾压温度等。为了做到高温压实的一致性，防止并解决混合料温度离析，可使用具有二次搅拌功能的转运车。该条建议并没有强制性要求，但建议在施工时各业主要以保证质量为前提，予以强制执行。
2.7 确保结构层的连续受力
当路面确实为设计时规定的连续界面条件，层间剪应力是不大的。如常用的 15cm 厚半刚性基层路面，在标准荷载 100kN 作用下，界面连续时的最大剪应力为 0.22MPa ，峰值位于中面层 4 — 8cm 左右。如果界面条件由于水的存在而变为滑动界面，最大剪应力会发生在沥青层底部，达到 0.32MPa 。
为了保证沥青层之间以及沥青层与基层的连接，确保设计的受力条件，对抗车辙能力的提高非常重要。规范规定沥青层之间必须洒粘层油，同时强调了在铺筑半刚性基层后尽快喷洒透层油，并保证渗透深度达到 5 mm 以上。这些看似简单的问题却往往被忽视，对此施工中一定要加强管理。
2.8 适当增加沥青层的厚度
在其他条件不变，并在小于某一临界厚度时，随着沥青层厚度增大，车辙也增大。但超过此临界厚度时，沥青层的增加不会使车辙无限增大。此临界厚度与路面结构、材料组成有关，一般在 15 -25cm 之间。英国的研究报告中也指出，对此良好的沥青路面，当沥青层超过 18cm 时，车辙发生几率明显降低。由于中国车辆超限超载严重，这一临界厚度可能要更大一些。中国先前修建的京津塘高速和广深珠高速是 2 条国内沥青层最厚的路面，其车辙情况并不严重，其中京津塘高速沥青层有 20 -25cm ，广深珠高速沥青层有 30cm 。因此，考虑到我们已修建的众多高速公路半刚性沥青路面的影响，建议三层式沥青路面最小厚度为 4 cm ( 面层 ) 十 6cm( 中面层 )+ 8 cm ( 底面层 ) 。
2.9 减少过长纵坡设置
高速公路沥青路面长大纵坡路段，车辙发生要比其他路段量大而且车辙深度也大，尤其是重载车辆通行的长大纵坡路段。调查发现，一般来说重车上坡路段的车速只有 20 km/h ，按照流变学的一般规律应用温度与时间的换算法则，长时间地承受荷载与高温条件是等效的，而且时间是积累的，假如汽车荷载相同，通过 1 辆 lO km/h 的慢车作用时间为 O.ls, 与通过 10 辆 l 00 km/h 快车的作用时间是相同的。车速降低对车辙的影响比荷载影响还要大，比温度影响更大。所以，在夏季高温地区，应该尽量减少设置大长纵坡，这些纵坡可以用桥梁和隧道来代替。如果实在要设置，对此沥青路面结构要进行特殊处理，正如 Suparpave 提出的在长大纵坡等通行慢速车辆的路段，沥青混合料的 PG 级需提高 1 级或 2 级，以提高劲度模量 , 抵抗车辙。
3 结语
根据国际上的统计，在沥青路面的维修养护中，有大约 80% 是因为车辙变形引起的。与其他病害相比，车辙的危害性最大，直接威胁交通安全，而且维修也最为困难。如果采用了以上 9 项预防流变型车辙的技术措施 , 相信车辙问题定能得到较好的解决。
作者单位：石家庄交通勘察设计院
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