沥青路面车辙主要影响因素综述

沥青混凝土具有良好的路用性能,广泛应用于高等级公路路面。但由于交通量的增大、轮压的增加、渠化交通程度的提高等因素的影响,加之自然环境的长期作用,车辙现象成为沥青混合料铺面破坏的“三大”病害之一,导致局部变形过大,路面整体稳定性降低,车辆行驶的横向稳定性减小,路面的水损害加快加重,甚至造成结构破坏和产生水漂,严重影响行车安全。多年以来,学者们基于材料组成、结构设计、温度等维度对沥青混凝土路面的车辙进行了大量试验研究,着重分析其产生的原因、影响因素,并就改善沥青混凝土路面抗车辙性能提出了意见。但目前的研究大多基于单一变量的分析,该文从多因素的融合视角综合论述和分析沥青混凝土路面车辙的影响因素及其机理。


沥青混凝土的力学性能及其车辙形成机理

沥青混凝土的基本力学性能

沥青混凝土是一种典型的粘弹塑性材料,其力学性能与温度、荷载及作用时间紧密相关,即在低温环境和小变形范围内近似于线弹性体,而在高温作用下产生较大变形则表现为粘塑性体,在通常温度的过渡区域内则为一般粘弹性体。沥青混凝土同时具有蠕变特性和松弛特性,根据其粘弹塑性特征,可将其蠕变分为迁移、稳定和破坏3个阶段。有限元分析认为蠕变变形可表示为温度、应力和时间的函数,多采用时间硬化蠕变模型计算其车辙。

 

沥青混凝土车辙的形成机理

车辙是在渠化交通条件下,沥青路面各结构层在行车荷载的反复作用下所产生的竖向永久变形的累积,起因于土层与基层的压实压密,发展于沥青混合料的粘滞流动,形成于压缩、失稳、剪切等塑性变形的累加。按照成因的不同,一般可将车辙分为4类:①结构型车辙,即由于路面各层因应力扩散能力不足而导致路面结构产生整体永久变形所形成的车辙,其变形宽度范围大,两侧不隆起,断面呈现出U形或凹形浅盆状;②失稳型车辙,即当混合料的剪切强度低于交通荷载在结构层内产生的剪应力时,由于剪切流动变形不断积累而形成的车辙,一般体现为沥青混合料高温稳定性的不足,轮迹两侧局部隆起或大幅推移;③压密型车辙,即施工过程中压实功不足导致运营阶段在车辆碾压作用下混合料空隙率变小、结构层变薄,荷载较集中向下凹陷而形成车辙,其两侧一般仅仅只有下凹而无隆起;④磨耗型车辙,即路面结构顶层材料在轮胎的反复磨耗和自然环境的长期作用下持续不断损失形成的车辙。

 

沥青路面车辙主要影响因素

沥青路面车辙的影响因素多种多样,简单地可归纳为材料内因与环境外因。前者指路面材料质量和路面结构,主要包括配合比、矿质集料特性、级配、沥青胶结料性能、沥青与矿料之间的相互作用及路面结构等,外在因素则包括气候条件及交通条件等。

 

沥青混凝土级配的影响

沥青混凝土是一种主要由沥青、粗骨料、细骨料以及填充料组成的粘弹性复合材料,其强度主要表现在两个方面:①沥青与填充料形成胶结料的粘结力;②集料颗粒间的内摩阻力和锁结力。相互之间的作用力、沥青混凝土级配的选择与设计息息相关,即级配通过改变沥青用量、变换结构组合以及增减蠕变变形等影响沥青混凝土的结构及其使用性能。

通过对沥青混凝土骨料结构的模拟分析认为级配中的粗骨料作为整个混合物的结构核心,通过沥青层传递和承担荷载以维持其结构稳定,而骨料级配的比例会影响最终的组织结构及其空隙率的大小。董泽蛟等通过对比分析马歇尔试验确定的7种沥青混合料的车辙试验和单轴蠕变试验数据,表明骨料内部级配中粗骨料的比例,与沥青混凝土的抗车辙能力呈正相关,而与沥青用量和混合料的空隙率呈反相关,较高的粗骨料含量能够较大程度地阻止车辙的产生。郭永红等则经过对车辙影响因素的理论分析表达了类似的观点。刘红英等通过不同公称尺寸集料级配、设计方法、荷载压力以及不同压实厚度的车辙试验研究得到公称尺寸大的粗骨料级配的抗车辙能力高于公称尺寸小的级配的结论。孟岩等对两种AC级配和两种美国级配共4种级配的马歇尔试验和车辙试验对比分析后认为,细集料含量偏高会形成驼峰级配,导致混合料软化,抵抗变形能力下降,并通过车辙试验结果验证了大粒径级配的高温抗车辙能力的优越性。张争奇等通过对实际路面抽样以获取级配比例,对比分析其不同位置处变形的大小,得出偏细骨料造成的集料“骨架松散”是车辙产生的一个重要原因的结论。认为细骨料形状一般比较单一,而沥青砂浆的粘附数量与骨料表面接触面积成正比,在荷载作用下,较粗骨料更易发生相对滑移;此外,骨料的细化程度与扩散蠕变的贡献率、蠕变速率、变形量呈正相关,而适当提高粗骨料的比例有利于抵抗沥青混凝土的变形。

相反,魏如喜通过车辙试验数据分析,认为粒径增大到一定程度后粗骨料之间的空隙会明显增加,其用量对抗车辙的贡献存在上限值,推翻了粗集料含量越高其骨架越强的观点。通过试验研究,认为随着空隙率的增高,水损害指数增大,间接拉伸强度减小,重量损失百分率增加。此外,粗骨料的高空隙率可能导致沥青砂浆不足以完全填充骨架空隙,造成实际使用过程中沥青路面的二次压实,从而降低了沥青稳定度和流值。王金彤等对立方体、长棒状、圆盘状和刀片状4种不同形状的粗骨料进行了试验研究,得到立方体骨料的抗车辙能力最好的结论,换言之,棱角分明的材料具有较好的抗车辙能力。郭永红则从理论层次论述了粗骨料破碎面的数量影响沥青路面车辙的机理,认为较多的破碎面有利于预防和降低路面车辙。

在一定区间内,沥青混凝土选用较高粗骨料含量及其较大公称粒径尺寸的级配,能够形成稳定的骨架,提高抵抗变形的能力,增强抗车辙性能;但骨料粒径超出某一界限值后,则由于空隙率增大导致运营阶段的二次压实,反而不利于车辙的预防。同时,棱角性较好,即棱角值高的粗骨料便于矿粉等的填充,有助于嵌挤作用、抗车辙能力的提高。

 

沥青用量的影响

沥青是一种具有防水、防潮和防腐能力的有机胶凝材料,分为液态、半固态或固态。在沥青混合料中,沥青的主要作用是与细集料以及矿粉等填充料形成胶结料,促进集料之间的粘结,提高混合料的整体性,因此沥青用量对沥青混合料的抗车辙能力有着重要的影响。而实际配制过程中,其综合性能达到最佳的沥青用量的确定一般可根据马歇尔试验或者SGC法确定,但对同一级配后者比前者用量少0.2%~0.5%。

孟岩等认为在最佳油石比下,沥青混合料的空隙率宜控制在4%左右,以保证级配的密实性,王金彤等在对相关试验数据分析后亦表达了同样的观点。但谭忆秋等通过对实际路面车辙的深度分析,认为当沥青混凝土路面空隙率在4%左右时,对其抗车辙性能是不利的。而理论认为,低于试验值约0.3%的设计沥青用量,可以最优地体现沥青混凝土的综合性能。因此,沥青混合料的空隙率应基于沥青用量试验确定。王钦胜等和魏如喜通过沥青混合料的高温车辙试验证明,沥青用量与沥青混凝土的劲度以及集料颗粒间的内摩擦阻力和锁结力呈现反相关的关系。认为在剪应力作用下,沥青粘结剂扩张,部分集料产生移动,破坏路面整体稳定性,而5kPa及以上的剪切荷载才会影响沥青粘结剂的应力。所以,沥青用量的适当减少对抗车辙是有利的,但应处于某一合理范围内,偏低的沥青用量既会使得沥青膜变薄,导致混合料的延伸能力和粘结力下降,脆性增加,在荷载作用下容易开裂,还会造成混合料空隙率增大,使其暴露在不利环境中的可能性加大,老化速度加快,水损危害概率增加。谭忆秋对不同级配沥青混凝土的变形进行了试验研究,结果表明集料级配和沥青胶浆数量合理的沥青混凝土,碾压过程中仅产生压密变形,而无明显的粗骨料向两侧滑移的现象,使得车辙量较小。

控制沥青用量处于合理的水平,可以保证混合料的延伸能力和粘结应力,使变形单一化、减小化,有效降低车辙发展速率,延长路面使用寿命。

 

沥青混凝土结构组合的影响

沥青混凝土的4类车辙中,失稳型车辙对沥青混凝土路面的影响最大,不仅与沥青面层的结构组合有关,而且与沥青面层中面层材料的选择和内部级配亦有密切联系。

乔英娟等以不同沥青层材料、不同沥青层结构组合以及不同基层为研究对象,以沥青层的侧向位移为评价指标,通过建立沥青路面三维有限元模型,分析研究指出,当沥青混合料上、中面层结构组合不协调时,上面层极易出现侧向流动而发生失稳变形。董泽蛟等通过7种混合料组成的3种路面结构的车辙试验对比分析认为,当面层各层的模量不产生间断变化且结构组合较协调时,荷载作用下的变形分布比较均匀,路面结构整体抗车辙能力一定程度上可以提高。其原因在于各层模量相差较大的面层导致相对较小模量层或层间成为薄弱区域,在荷载作用下应力得不到有效扩散而分布不均,造成变形的累积和车辙的产生。

沥青面层结构中面层的流动变形是车辙变形的主要根源,可占车辙变形的60%。吕伟民利用层状弹性体系计算软件BISAR3.0计算得到各剪应力,通过理论分析认为,沥青面层中的最大剪应力出现在中面层。张争奇等根据具体的路面结构及其材料,从路面各结构层变形的角度验证了中面层出现剪应力最大值τmax,并通过有限元计算不同深度处应力的大小,结果表明τmax出现在距离路表面150px左右。原因可能是在初期荷载作用下,中面层可以较好地将荷载传递和分散到承载面积较大的下面层,使应力变小和变形缓慢,从而避免出现车辙;在下面层压实之后,中面层成为荷载的主要作用区域,并承受剪应力的循环作用,导致混合料的动态剪切模量降低,而当中面层抗剪强度小于荷载作用下的剪应力时,就会出现剪切流动变形,造成荷载处沥青上面层下凹,两边凸起,形成车辙;此外,可能造成路表积水,在温度和荷载作用下,容易造成路面的过早损坏。董轶等通过沥青混凝土路面有限元蠕变模型,分析中面层结构对路面抗车辙性能的影响,模拟结果表明:沥青车辙与沥青混凝土的中面层两者可通过蠕变参数建立密切相关的函数方程,认为沥青中面层的材料参数与蠕变参数A和n之间相互影响,即蠕变参数n与车辙对蠕变参数A的敏感性呈正相关,而蠕变参数A与混合料的车辙深度呈正相关,与混合料增加的速率呈反相关。由董轶等的模拟分析还得到适当增加中面层厚度可以有效减小车辙深度的结论。因此,沥青混凝土的车辙与中面层材料的选择以及厚度的设计紧密相关。

沥青面层结构中保证其中面层一定的厚度、剪切模量的连续性与材料组合的协调性,有利于变形的整体扩散和均匀分布,可以有效减小车辙深度和提高路面的抗车辙能力。

 

沥青混凝土蠕变的影响

沥青混凝土蠕变的发生始终伴随着蠕变变形,导致其整体稳定性破坏,抗剪能力降低,失稳型车辙产生的可能性增加,是影响车辙的一个重要因素。根据沥青混凝土材料的粘弹性,蠕变可分成蠕变迁移、蠕变稳定和蠕变破坏3个阶段。其中,蠕变迁移阶段和蠕变破坏阶段对车辙的影响比较小。栗培龙等对3种级配沥青混合料的静态蠕变试验研究表明:蠕变迁移阶段的材料不断压实,蠕变速率越来越小,材料完全压实后,材料内部形成完全密实的骨架结构,粘结力和锁结力增大,集料扩散和滑移的可能性减小,路面整体性和稳定性好;到蠕变破坏阶段时,路面已经损坏,研究蠕变对车辙的影响已经没有意义。对车辙影响最大的是蠕变稳定阶段,沥青混凝土材料的选择、路面运营过程中的温度以及荷载决定着稳态蠕变变形的大小。

通过理论分析得知,温度不仅影响沥青砂浆的性质,同时也影响沥青混凝土的蠕变,因为沥青混合料的模量在温度的循环作用下呈非线性减小。低温环境下,沥青混合料的稳态蠕变速率对温度变化的敏感性较大;而高温环境下,沥青砂浆的粘滞性凸显,胶结料的粘结力、集料颗粒之间的内摩阻力和锁结力及其抗剪强度降低,在荷载作用下矿料之间产生的切向应力分量促使骨料沿接触面发生滑移,沥青混凝土的蠕变激活能减小和高温稳定性降低,蠕变变化速率加快和蠕变变形发展导致失稳型车辙形成。

周岚等通过有限元研究温度及车辙荷载对沥青路面车辙发展的影响,分析表明:高温条件下车辙发展速度远大于低温条件下的发展速度,同时在荷载不变的情况下,低温条件下的车辙增长幅度较大,而高温条件下车辙深度增长绝对值更大。

通过对春夏两个季节普通沥青混合料不同深度的温度进行测量,结果表明:面层区域范围内的温度总是最高的,且保持恒定,不随季节的变化而改变;而离路面越近,混合料内部温度越高,也正是上面层极易出现侧向流动发生失稳变形的原因。此外,同一深度处温度与混合料内部应力呈正相关。速度较慢的移动荷载对混合料造成的影响更大,因为移动荷载是以压力脉冲的方式作用在混合料的每个元素上,使其作用时间较长,作用深度较深,产生的影响较大。

在荷载作用下,沥青混凝土必须调整内部结构通过增强集料之间的作用力来抵抗外力,而内部结构的重新有序化需要不断消耗沥青混凝土的能量,造成结构内部能量损失的不可逆性,同时能量的耗损量随着荷载的加大而增多,在温度等条件不变的情况下,蠕变发生和车辙形成的几率加大。

加强沥青混凝土骨料的骨架作用,保证行车速度和行车荷载等,可以降低蠕变变形,提高抗剪能力和整体稳定性,有效减小车辙产生和提高路面使用寿命。

 

抗车辙剂和层位格栅的影响

影响沥青混凝土路面车辙性能的因素是多方面的,除材料性能之外,还包括行车荷载及其作用时间、交通量和渠化深度、路面温度及其持续时间等交通与气候条件,路面压实度、混合料离析程度、层间粘结状况等施工质量。同时,沥青混凝土的车辙也可以通过外部人为因素来影响,如添加抗车辙剂和层位格栅。

添加抗车辙剂,可以提高集料的粘结作用、集料稳定性和抗剪能力以及沥青的改性作用,减小蠕变的可能性及其永久变形。

伍石生等对不添加抗车辙剂与添加PRPLASTS抗车辙剂以及添加不同掺量PRPLASTS的沥青混合料的对比分析认为:PRPLASTS改善了沥青混合料的性能和路面质量,提高了高温动稳定度和抗车辙能力;丁庆军等对AC-20密级配沥青混凝土以及彭兴海等对不同级配AC-20、AC-16、AC-13沥青混凝土是否添加抗车辙剂的对比试验也表明了相同观点。

添加层位格栅可以减少集料颗粒的横向移动,加强集料颗粒嵌锁作用,有效分散荷载应力,降低路表变形量,改善路面混凝土稳定性,有效控制车辙的发生。王朝辉等通过对不同层位格栅的沥青混凝土250px深的车辙试验,表明铺有格栅的沥青混凝土抗车辙能力比未铺设的好,抗车辙能力得到加强;刘建兰等对不同层位格栅加筋试件的层间剪力和层间拉拔试验表达了同样的观点;杨有海等对不同荷载、不同模量土工格栅不同层位铺设的数值模拟计算,对比土工格栅铺设前后沥青路面结构应力和位移的改变情况,表明土工格栅的铺设可以降低结构层中的应力和位移,改善沥青路面性能,提高沥青路面抗车辙能力。

 

结论

(1)级配对沥青混凝土车辙的影响主要体现在级配骨料比例、尺寸以及形状的选择上。设计均匀合理、公称尺寸较大的级配,选用平均棱角性好、锁结力强的骨料,并适当提高内部级配中粗骨料的比例,有助于减小沥青路面的车辙。

 

(2)沥青主要是通过影响混凝土的粘结力、劲度及其密实度与集料之间的作用力对车辙产生影响。减小0.3%的SGC法或马歇尔试验方法确定的沥青用量,是提高沥青路面抗车辙能力的沥青用量合理取值。

 

(3)通过设计各层模量相当的路面结构、选择蠕变参数A和n较小的材料以及适当增加中面层厚度,可以有效分散荷载作用力,提高抗剪能力,降低混凝土蠕变,有利于避免车辙的发生,并提高路面的实用性和耐久性。

 

(4)配制沥青混凝土时,添加抗车辙剂,铺设沥青路面时,加铺层位格栅,可以改善沥青路面混凝土的性能,提高抗车辙能力。

 

转载自Mai沥青微信公众号


2018-05-11

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