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瀝青路面車轍是在路面上沿行車輪跡產生的縱向帶狀凹槽,一般情況下主要是指瀝青路面在行車荷載反復作用下的豎向永久變形。作為瀝青路面鋪裝層的重要病害之一,降低了路面使用性能和服務質量,是瀝青路面的主要損壞現象之一,也是誘發瀝青鋪裝層維修的主要因素。

有資料顯示,車轍造成20世紀70年代美國將近30%的主要公路的路面損害,80年代日本將近80%的主要路面損害。與此同時我國也遭受同樣嚴重的車轍損害問題。1995年通車的福建某高速公路和1997年通車的江西某省級高速公路,使用后分別不到一年和兩年的時間,路面就出現不同程度的車轍現象;2003年廣州某高速公路通車后不久也出現了車轍病害。如今,我國新建的部分高速公路在通車后都出現了不同程度的車轍,其中有的車轍深度10~50mm,嚴重的甚至達到100mm。顯然,車轍問題是擺在我們面前嚴峻的道路病害。

一、公路車轍分類及表現

按產生原因進行分類,車轍可分為以下四類。

(1)磨耗型車轍:瀝青路面結構面層頂層材料在車輪的物理磨耗和自然環境因素的作用下不斷損失而形成,原因在于面層材料抗磨損能力不足。

(2)結構性車轍:發生在瀝青面層以下,由路基變形傳遞到面層,路面結構在交通荷載的反復作用下產生永久變形而形成,原因在于路面各層抗壓能力不足。

(3)壓密型車轍:由于鋪筑過程中壓實不好或者混合料設計不當引起的。路面在碾壓過程中,壓實過密造成集料破碎;或者因為壓實不足,造成空隙過大,在開放交通后,壓應力大于混合料抗壓強度,輪跡帶下的面層繼續受到壓實,體積變化,產生壓密變形。

(4)失穩型車轍:此種車轍是目前高速公路上車轍的主要類型,通常認為,在高溫狀態下剪應力超過瀝青混合料的抗剪強度而產生側向流動變形,在高溫重載地區較為普遍。從瀝青路面車轍的外形上看,如屬路面推移產生的(如壓密型車轍、失穩型車轍),則其變形部分包括凹陷和凸出的兩部分。如屬磨耗產生的(磨耗型車轍),則其變形部分包括凹陷部分。

二、瀝青路面車轍形成機理

瀝青面層的剪切流動變形是車轍的主要形成方式。許多研究表明,瀝青面層的變形是剪切流動變形(橫向流動變形),即變形中體積不變,少量變形為壓密變形。就我國的情況而言,我國的路面結構以半剛性路面為主,路基和基層產生的永久變形占路面的總永久變形的比例很低,車轍主要發生在瀝青層,而且幾乎都是剪切流動變形。

三、道路車轍成因分析

3.1內因

內在因素主要集中在瀝青和集料上。等研究表明,集料的品質、瀝青的性能、空隙率是影響車轍產生的最主要因素,其中集料可以進一步影響混合料的孔隙結構和瀝青同集料的作用情況,故起決定性作用。研究表明油量、級配和空隙率影響車轍的發展,油量偏大和級配偏細是導致部分高速公路車轍的重要原因。

路面結構類型也是重要影響因素,出現最大剪應力的位置與路面結構有關。相關研究表明,最大剪應力峰值基本出現在路面下1~4cm的平面內,且半剛性路面的剛度增大顯著降低抗車轍能力。英國調查顯示薄瀝青路面(剪應力較大)更容易發生車轍且當瀝青面層厚度大于180mm時,車轍發生率驟減,即面層厚度越小越易產生車轍。

另外,路表不規則也可能導致輪胎接地壓力變異性較大,路面受力不均勻,進而誘發車轍產生。

3.2外因

外因主要包括交通荷載、環境因素和人為施工因素。車轍是多因素綜合作用的結果,如重軸載車輛、渠化交通及過高的路表溫度等都是導致瀝青路面出現車轍的重要原因。具體而言,交通因素中輪壓、軸載類型、軸載分布影響瀝青層表面的應力分布,高輪壓高荷載作用易產生車轍。

環境因素中水分的增加,如路面積水或路面結構內水分增加,會導致瀝青與集料間粘結力下降,在和車載的聯合作用下加劇粘結力的損害。高溫是造成車轍的另一重要因素,研究表明,高溫下瀝青混凝土回彈模量降低,剪力峰值增大的同時抗剪能力卻在降低,因此溫暖地區的夏季更易產生車轍。

另外,實際施工瀝青混合料均勻性、材料質量及用量控制、層間潔凈度及黏結效果、壓實溫度及壓實度控制等多方面因素也會影響車轍的產生。

四、瀝青路面車轍解決措施

4.1材料選擇及配比

表面粗糙、硬度大、棱角尖銳的機制碎石以及高質量的礦粉,高粘度低溫敏的瀝青和空隙率為4%(3%~5%)對于抵抗車轍十分有利。選用含活化礦粉多的礦料。采用石灰巖軋磨的礦粉配制的瀝青混合料高溫穩定性較高,含石英巖礦粉的瀝青混合料高溫穩定性較低。活化礦粉與瀝青由于相互作用而形成較強的結構瀝青膜,使瀝青黏聚力明顯提高。所以礦料選擇時要盡可能選用含活化礦粉多的礦料,可以有效提高瀝青混合料的抗剪切能力。設計合理的配比有助于提升抗車轍性能。瀝青混合料配比形成的骨架作用由于使礦料間的嵌擠力增加而使其抗車轍能力得到提高。

采用抗車轍劑如KTL等可以提升瀝青與集料間的黏結作用,顯著改善抗車轍性。

4.2設計指標

現在的瀝青混合料設計規范通常以室內車轍試驗得出的動穩定度DS來作為材料的控制指標,但是路面設計中并沒有相應的控制指標進行驗算。應在評價指標方面綜合考慮幾種方法,法國瀝青路面車轍儀(PRT)、漢堡車轍設備(HWTD)、佐治亞瀝青路面分析儀(APA)等,更多相關研究也有待開展,如數據處理方式等方面。

4.3施工工藝

控制材料質量,要注意控制好瀝青混合料溫度、材料及碾壓不均性。

提高碾壓溫度。在施工過程中為保證壓實效果,常在攤鋪的瀝青混合料中部測定碾壓溫度,并盡量提高碾壓溫度,尤其是初壓和復壓溫度。在表面不發裂情況下,初壓的壓路機可緊跟攤鋪機,使瀝青混合料熱量損失減少,保證碾壓過程的較高溫度。保證路面層厚度不應太薄,一般要大于礦料最大粒徑的三倍。保證壓實度和有效壓實時間。

4.4交通管理

主要是對超載、肩動與制動進行控制。采取提高行車速度、限制超載和定期對車道劃線位置進行變更等交通管理措施對車轍產生進行預防。

車轍作為當前瀝青路面的主要病害之一,亟待解決。綜上所述,車轍的形成原因主要在于內因瀝青和集料的性質、路面結構、路面平整性等,外因環境、施工、交通等因素。針對這些原因,可以從材料選擇、配比和級配、路面結構設計、施工工藝、交通管制來進行預防,相關評價指標的研究也有待開展。

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