新疆沥青路面结构车辙病害分析

摘 要 本文根据新疆夏季气候干热、降雨量差别很大的特点，具体分析了车辙病害的原因及防治措施，通过对车辙破坏严重的某高速公路沥青路面车辙的资料研究，分析出沥青路面出现严重车辙的几个主要原因，并针对这些原因，提出了从加强集料质量的控制，采用优质的沥青结合料，使用改性沥青或添加抗车辙剂提高沥青结合料的高温稳定性；优化沥青面层结构和级配，选用抗车辙性能好的沥青混凝土。

关键词 车辙 沥青路面 病害分析

一、新疆地区沥青路面概况

新疆远离海洋，四周有高山阻隔，海洋湿气不易进入，形成明显的大陆性气候。气温变化大，日照时间长（年日照时间达25000小时～35000小时），降水量少，空气干燥。新疆年平均降水量相差很大。北疆的年降水量可达500毫米～600毫米，而新疆的且末、若羌年均降水量仅约10毫米，为全国降水量最少的地区。

一般说，冬季气温北疆高于南疆，夏季气温南疆高于北疆。最冷月（1月），平均气温在准噶尔盆地为零下20度以下，该盆地北缘的富蕴县绝对最低气温曾达到50.15度，是全国最冷的地区之一。最热月（7月），平均气温在号称“火洲”的吐鲁番为33度以上，绝对最高气温曾达至49.6度，居全国之首。统计信息见表1。

表1 新疆主要城市四季气温与年降水量一览表

因此，在新疆地区沥青路面结构应用比较广泛，这就对沥青路面结构稳定性提出了更好的要求，而车辙病害的现象也很常见，因此研究车辙现象是十分有必要的。

车辙等沥青路面的流动变形是国外道路最为常见的沥青路面损坏现象。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。与开裂、水损坏相比，车辙的危害性最大，直接威胁交通安全。同时，车辙损坏的维修也最为困难，因为车辙的不仅发生在表面，也经常危及中下面层，常见车辙现象如图1所示。

二、车辙机理和路面内应力分析

沥青路面的车辙由车轮反复碾压形成。它起因于沥青混合料的黏滞流动、土基与基层的变形，并包括一定程度的压实作用和材料磨耗。半刚性基层沥青路面的车辙主要来源于沥青混合料的黏滞流动和一定程度的压实作用。沥青混合料的变形力学特性极为复杂，其黏弹性理论的基本假定有着很大的偏差。在高温下由于车轮反复碾压，沥青层将产生横向剪切流动。这种流动已不再是经典粘弹性理论中的微观层次上的流动，而是混合料结构不断调整在细观层次上的流动。材料本身的应力变形力学特性是产生这种细观流动的内在因素：具有一定横向分布的车轮反复碾压则是产生细观流动的外界条件。沥青混合料是松散矿料颗粒由沥青胶结作用以及矿料间自身相互嵌挤的作用共同组成的混合料体系。在外荷载作用下，微结构应力克服某些黏结较弱的团粒间沥青膜黏滞力作用而促使某些团粒发生相互错动。由于荷载不断重复作用，迫使这种相互错动将在更深更广泛的范围内不断重复产生，并逐步累积形成宏观车辙变形。

在轮载作用下，路面要产生弯沉盆，随着车轮的移动，弯沉盆也作相应移动。因此，实际沥青路面中混合料团粒间的相互错动不是单向性的，而是随着弯沉盆移动，团粒错动往复地进行，这与室内静力蠕变试验有着显著差别。此外，实际行车都有一定的横向分布，这使得团粒错动具有多向性，就一定的团粒而言，某一行车可能使该团粒向一个方向平行错动，而另一行车又可能使该团粒向另一方向平行错动，甚至由于骨料嵌挤作用使该颗粒产生旋转错动，颗粒的这种多向运动最终导致沥青面层推移和雍包，加速加载试验结果表明，沥青面层的推移和雍包对车辙形成起着重要作用。

路面结构的最大剪应力峰值会随着半刚性基层模量的增加而增大，这说明半刚性基层刚度的增加对路面结构，特别是面层的抗剪特性是不利的。从这个角度来讲，基层刚度越大虽然使得路面结构的整体强度提高，但也使得路面结构材料层受剪切的影响增加，从而发生车辙的可能性增大。温度越高时，沥青混凝土结构回弹模量越小，沥青路面结构所承受的最大剪应力峰值是增加的，而此时沥青混合料的抗剪强度又是最低的，这也说明沥青路面结构更易发生车辙。从路面结构的剪切特性来看，在一定的范围内受路面结构层厚度的影响不太明显，特别是基层厚度的影响更小。面层厚度的增加使沥青面层内的剪应力减小，对提高路面的抗剪性能有利。

三、车辙病因及处理方法

车辙的产生受内因和外因的综合影响，内因包括沥青混合料和路面结构设计，外因包括施工、交通、气候条件。

1.沥青混合料。提高沥青混合料的抗车辙能力是防治车辙最有效的途径，下面从沥青、集料、矿粉、级配四方面阐述。（1）沥青。车辙与沥青的黏度直接相关，提高沥青高温黏度是防治车辙的有效措施，所以施工时应选用第针入度、高软化点、低含蜡量的高黏度沥青。（2）集料。在集料中掺加破碎砾石对抵抗车辙是最不利的，因其缺乏棱角而易变形，酸性集料容易降低混合料的水稳定性和高温稳定性。所以施工时应选用表面粗糙、嵌挤作用好、与沥青黏结性能强的集料。（3）矿粉。为提高混合料的高温稳定性，必须使矿粉有足够的数量，以减少有利沥青。（4）级配。空隙率对车辙的影响非常大，增大集料粒径对提高车辙能力有一定效果，当然空隙率也不能太小，4%的空隙率为最小空隙率的临界。

2.路面结构层次。沥青混合料的厚度是影响车辙的重要因素。一般说来路面厚度的确定，既要保证有足够的承载能力，又要有较好的抗车辙能力。在低于临界厚度时，沥青面层越厚，车辙越严重，而当超过临界厚度时，车辙随厚度变化较小。

3.交通条件。大量重型超载车辆在主车道上行驶，速度慢且渠道化现象严重，由于其单轴荷载加大，甚至翻倍，从而使车辙更容易产生。

4.气候条件。由于沥青混合料是弹塑性材料，沥青路面是黑色路面，吸收热量能力强，所以在气温较高时，路面在汽车荷载反复作用下极易产生车辙。

5.施工因素。在施工过程中要加强碾压，切忌片面追求平整度而放松压实。保证压实度，把空隙率控制在规范要求范围内，是避免压实度不足引起车辙的有效途径。预防车辙和推移病害，首先，要选取合适的筑路材料。选用低针入度，高软化点，低含蜡量的高黏度沥青和表面粗糙、嵌挤作用好，与沥青黏结性能强的集料，可在一定程度上缓解车辙的形成。其次，在施工中要加强控制压实度，是避免压实度不足引起车辙的有效途径。再次，在高温季节，应严格控制大型超载车通行。（1）对于连续长度不超过30m、辙槽深度小于8mm、行车有小摆动感觉的，可通过对路面烘烤、耙松、添加适当新料后压实即可。（2）当沥青面层磨损、横向推移时，应清除不稳定层，用铣刨机拉毛，重铺面层。（3）当基层或土基不稳定时，应先进行补强处理后，再修复面层。（4）对于因施工质量差引起的车辙、推移，在重新摊铺前先处理好软弱基层。

四、工程实例

某高速公路，地处高原地区，全线采用6车道高速公路标准建设，路面结构为4cmSBS改性沥青+14cm普通沥青+20cm水泥稳定碎石（水泥掺量5%）+34cm水泥稳定碎石（水泥掺量4%），路面横坡为2%，整条路段无超高。该路段主车道产生了严重车辙，见图2。

图2 路面车辙病害现象

从路面病害调查情况看，该路段路面病害主要形式为车辙，表现为以下特征：车辙均发生在主车道上，并与侧向推移相伴而生，最大车辙深度达12cm左右；同一断面最大车辙出现在右侧轮迹带上，主要是车辆荷载作用时随车辆重心的偏离，两侧车轮产生的作用力发生明显变化，重力大处车辙深度较大；出现车辙的轮迹带上无泛油现象，部分段落右侧标线出现明显扭曲现象。

产生的原因：正常的影响因素可分为内因与外因：内因包括路基路面结构类型、道路纵坡、材料性能、施工质量等；外因包括交通荷载条件、气候条件、水文条件等。车辙形成过程分为3个阶段，即沥青混合料的后续压实、流动变形和结构性失稳变形。车辙变形又可分为失稳型车辙、结构型车辙、磨耗型车辙3种类型。从该路段调查情况看，主要为失稳型车辙。该病害主要是在高温及车辆荷载作用下，沥青混合料中的自由沥青及沥青与矿料形成的沥青胶浆产生流动，引发沥青混合料流动变形。

交通及气候条件难以改变，加之本工程工期紧且地形特殊，将陡坡变缓是不现实的，故车辙的处治只有从材料、级配及路面结构设计方面进行考虑。治理车辙的方法很多，但能否从根本上解决，需要认真对待。

根据车辙成因分析可知，原路面采用的上面层及中下面层的结构基本为悬浮密实结构，具有良好的密水性和抗疲劳性能，但抗车辙能力不够。针对该路段情况，处理的对策：使用沥青掺聚酯纤维混合料来增加在高温环境下的稳定性和抗变形能力，使路面具有较好的抗车辙性能。

五、结论

车辙病害产生的原因包括外因和内因。根据成因分析进行了路面结构设计调整，病害处治方案重点考虑了高温作用下路面抗车辙能力，采用沥青掺聚酯纤维对路面病害进行处治，但具体工程实际需结合其他原因综合考虑。此外，应加强车辆超载的治理，避免超载对路面造成损害。

通过本文的病害分析和处治，给工程技术人员一些启示：在类似新疆夏季高温、年降雨量差别很大地区，尤其是北疆抗车辙与抗水损害非常重要，需结合自然气候条件综合考虑。同时在路面设计中，对于道路条件有明显变化的路段，要有针对性地专门设计，不可简单地采用全线一贯制。

参考文献

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