2008年 第2期(总第168期)
黑龙江交通科技
HE I L ONG JI A NG J I A OTONG KEJI
No . 2, 2008
(S u m No . 168)
沥青路面车辙问题浅析
蔡明智
(衡水公路工程总公司)
摘 要:通过对原材料组成, 结构、荷载等方面的分析, 阐述了沥青路面车辙形成的原因, 结合施工经验提出了一些预防车辙的具体措施。
关键词:沥青混凝土路面; 车辙; 防治措施
中图分类号:U 416 217 文献标识码:C 文章编号:1008-3383(2008) 02-0006-02
B itu m i nous Pave m entW heel Rut Questi on Brief Anal ysis
CA IM i n g-z h i
(Heng shu iH i g hw ay Eng ineeri n g Pavent Co m pany)
Ab stract :T his a rti c l e analyzes ra w m ater i a l co m pos ition , t he structure , l oad and so on , elaborated t he b it u m i nous pavement whee l rut f o r m ati on reason , un ified t he autho r s exper i ence to propose so m e prevention whee l ru t specific measures . K ey w ords :b itu m i ous concrete pavem ent ; wheel rut ; preventi on m easure
车辙是指路表面沿轮迹的纵向凹陷。它通常是由于施
工技术和质量控制差, 使混合料压实不足, 或者由于混合料组成材料和组成设计差, 使混合料的稳定性不足, 轮迹带处的路面材料和路基, 在重复荷载反复作用下, 出现固结变形和侧向剪切位移。从我国沥青路面的破坏现象看, 车辙问题尤其严重, 它除了影响行车舒适外, 还对交通安全有直接影响。
1 车辙的分类
在正常情况下, 沥青路面的车辙有以下几种类型。(1) 结构性车辙。由于荷载作用超过路面各层的强度, 发生在沥青面层以下包括路基在内的各结构层的永久变形。这种车辙的宽度较大, 两侧没有隆起现象, 横断面成V 字形(凹形) 。
(2) 失稳性车辙。在高温作用下, 车轮的反复作用, 荷载应力超过沥青混合料的稳定度极限, 使流动变形不断累积形成车辙。一方面是车轮作用部位下凹, 另一方面车轮作用的车道两侧向上隆起。在弯道处还明显向外推挤, 车道线及停车线因此可能成为变形的曲线。无疑这部分车辙将主要取决于沥青混合料的流动特性。
(3) 施工性车辙。它是由于沥青面层本身的压密造成的。在我国, 有些高速公路施工时没有很充分的压实, 也有的过分追求平整度, 在降低温度后碾压, 造成压实不足, 致使通车后的第一个高温季节混合料继续压密, 在交通车辆的反复作用下, 空隙率不断减小, 达到极限的残余空隙率后才趋于稳定。它一方面产生压密变形, 同时平整度迅速下降, 甚至形成明显的车辙, 这种车辙两侧没有隆起, 只有下凹。2 车辙产生的原因
沥青路面的车辙是在一定的高温环境下, 因荷载的反复作用, 沥青混合料粘塑性变形累积的结果; 也是外因(包括
收稿日期:2007-12-19
作者简介:蔡明智(1973-), 工程师, 河北工业大学土木工程系交通土建专业。
荷载、环境) 与内因(包括材料、工艺与结构等多因素) 相互作用综合的结果。一般认为沥青对车辙的贡献率为40%, 其中主要因素是沥青的高温黏度和沥青用量。占贡献率60%的非沥青因素, 主要是沥青混合料的组成结构, 它是原材料、级配和工艺的函数, 关键在于骨架结构的稳定性。2 1 荷载
车辆荷载作用下沥青路面产生的变形包括弹性的、粘弹性的和粘塑性的三类。渠化交通使不可恢复的粘塑性变形和来不及恢复的粘弹性变形得以累积而形成车辙。交通荷载对车辙的影响包括大小、作用次数、还有作用间歇时间。这也就是为什么车辙预估要从静态蠕变试验发展到动载的原因。荷载影响程度一般来说比交通量的影响还要大。2 2 温度
我国采用七月份平均气温来表征影响车辙的温度。而S HRP 采用一年中最热的7d 气温平均值来表征影响车辙的温度。因为荷载应力产生的粘性变形包括粘弹和粘塑两部分。正是大小不同的粘性变形的累积形成车辙, 所以更适宜以平均高温而不是以最高温度表达环境温度的影响。中国广大地区与世界同纬度的地区如欧洲、美国、日本相比, 夏季炎热, 冬季寒冷, 气温差大的特点更为显著。2 3 沥青
沥青稠度对车辙具有显著的影响, 所以南方习惯上采用的沥青标号要小一些, 标号不同于北方, 针入度要差1~2个等级。由于针入度是条件粘度, 所以同样标号的沥青抗车辙的能力并不相同。在经验指标体系中用软化点来补充针入度的不足, 一般路用沥青波动范围在40~50 的软化点是条件温度指标。石蜡基沥青由于蜡的影响, 铺的路面在夏天到了一定温度以上, 路面会出现软化、泛油。随着科学技术的发展, 掺入橡胶、塑料、树脂三大类添加剂的改性沥青技术
6
第2期蔡明智:沥青路面车辙问题浅析总第168期
正进入工程应用阶段, 在提高抗车辙方面效果显著。
沥青对车辙的另一个显著影响表现为沥青用量。过多的沥青用量将在沥青混合料中形成游离的自由沥青, 在高温条件下因荷载的作用发生明显的粘性流动变形。必须严格准确的控制混合料的配合比, 因为粗细集料级配变异过大, 由于比表面积不同, 即使同样的沥青用量控制精度, 用油量相对波动也十分明显。应特别注意的是矿粉, 矿粉用量对混合料的比表面积影响大。当沥青用量一定时, 直接影响沥青膜的厚度, 集料之间的滑动变形将因粉胶比而变化, 而矿粉的质量将显著影响沥青膜的粘结力, 因此必须严格按配比控制矿粉的用量和质量。2 4 集料
(1) 集料的形状。针片状含量偏大不仅难以形成稳定的嵌挤骨架结构, 而且使沥青混合料的VM A 增大, 实现不了设计的组成结构。根本原因在于石料大多采用颚式碎石机加工, 而不是针对岩石的加工工艺特性, 采用相应的最佳工艺加工成棱角性优良的立方体。
(2) 集料的规格。尽管沥青路面施工规范给出的粗细集料规格要求已考虑了工艺操作的变异, 但筛分工序不严, 不合格现象仍然常有。
(3) 供应的稳定性。多数小料场供料易造成集料规格、形状等质量的不稳定, 就是一家生产的料质量也不稳定。小生产供应集料的组织模式固然是上述问题的管理原因, 然而潜在的原因还是对集料重要性缺乏应有的认识。集料规格的变异, 供应的不稳定改变了沥青混合料的组成, 加上集料形状不够理想, 改变了沥青混合料的组成结构, 而组成结构恰恰是决定沥青混合料使用性能的内因。大量实验数据证明, 组成结构微小的变异, 会导致使用性能较大幅度变化, 可以说高昂投资的自动化拌和设备的优势, 因此而得不到应有的效益。2 5 级配
级配是决定混合料结构的最重要因素。对于抗车辙, 级配并不单一是偏粗一点比偏细一点好的问题, 而是需要一个高温下即使沥青处于完全粘性流动状态下也能保持稳定的骨架结构。
3 预防车辙的措施
尽管车辙容易发生, 但合理的路面结构层次及粒料配合比设计, 正确的施工方法以及合理的养护都会成为预防车辙的有效手段。
3 1 合理设计路面结构
尽可能减薄沥青面层厚度。由于以下原因, 高速公路路面厚度可酌情减薄, 控制在9~12c m 之内。第一是半刚性基层沥青路面结构的承载能力可由半刚性材料层(基层和底基层) 来承担, 无需用增厚面层来提高承载能力。第二是提高沥青路面使用性能不是用厚的沥青面层, 而是用优质沥青。第三, 一般来说厚的沥青面层易导致车辙的产生。沙庆林院士在京石试验路上采用了4c m 厚的面层, 其强度与9~15cm 面层厚的路段没有明显的差异, 也证明了这一结论的可行性。
3 2 加强沥青路面原材料控制和混合料级配设计
严格控制沥青混合料的质量, 沥青应选取具有良好的高低温性能、抗老化性能、含蜡量低、高粘度的优质国产或进口沥青。在条件许可的情况下, 可在沥青中掺加各种类型的改性剂, 以提高其性能指标。
骨料应选用表面粗糙、石质坚硬、耐磨性强、嵌挤作用好、与沥青粘附性能好的集料。如果骨料呈酸性则应添加一定数量的抗剥落剂或石灰粉, 确保混合料的抗剥落性能, 同时应尽量降低骨料的含水量。
混合料级配应综合考虑沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳性能、低温抗裂性。混合料配合比设计, 实际上是在各种路用性能之间搞平衡或最优化设计。集料级配细对抗裂有利, 但不利于抗车辙; 集料级配偏粗, 对抗裂不利, 但对抗车辙有利。设计时应综合考虑。其一是改善沥青结合料, 采用改性沥青。其二是改善矿料级配, 采用新型结构型式。例如:多碎石沥青混凝土(SAC) 是一种骨架密实结构, 用做表面层可较好解决传统的∀型、#型混凝土都不能满足路面使用性能的问题, 克服了传统级配的缺点。国内研究统计资料显示, SAC-16混凝土的稳定性可达到AC -25-∀型混凝土的2. 67倍, 表面构造深度一般在0. 8~1. 1mm 之间。由于其良好的抗车辙和密水性能, 也可用于中面层和底面层, 在河北石黄高速的使用中取得了良好的效果。3 3 严格控制施工质量
施工质量控制不严, 早期破损必然出现。所以沥青路面施工必须按全面质量管理的要求, 建立健全有效的质量保证体系, 实行目标管理、工序管理, 明确责任, 对施工全过程, 每道工序的质量要进行严格的检查、控制、评定, 以保证其达到质量标准。
严格控制沥青混合料的拌和质量, 拌和过程中发现∃糊料%或∃离析%等异常情况应立即进行处理; 加大马歇尔试验频率, 严格控制沥青混合料的油石比、稳定度、流值等指标, 必要时对混合料进行特殊配合比设计。
保证基层顶面粗糙度。改善基层材料级配, 增加粗骨料, 提高大中粒径集料含量; 控制最佳含水量, 改进碾压方法, 避免过振过湿, 不能使基层顶面形成灰浆硬壳, 不能用细料进行压实后找平。对细粒土类的半刚性基层, 必要时可以采用顶面栽钉等办法加强基层顶面粗糙度。
提高面层摊铺质量。在摊铺混合料时, 运距不能过远, 摊铺温度按实验段数据严格控制, 摊铺厚度均匀, 压实设备数量应配套, 速度控制在2m /min 左右, 碾压遍数不能太少, 以免混合料孔隙过大; 一般不能进行补料, 尤其是下面层; 基层雨后潮湿未干, 不得摊铺, 更不得冒雨摊铺; 纵向、横向接缝应紧密、平顺, 各幅之间重叠的混合料应用人工铲走。3 4 加强养护
养护方面也很重要。例如搞好路基路面排水工程, 对于车辙内的积水积雪及时清除有利于防止车辙的进一步扩大。
总之, 路面车辙破损已成为沥青路面的主要危害之一, 各级公路管理部门都应引起足够的重视, 并根据其成因从路面设计、原材料进场到具体施工, 有针对性采取一系列预防和改善措施。同时, 必须建立健全质量保证体系, 从管理部门、设计部门到施工部门, 层层重视、层层控制、层层落实。只有这样, 才能从根本上减少沥青路面的车辙现象发生。
参考文献:
[1] 沈金安 沥青及沥青混合料路用性能[M] 北京:人民交用出
版社, 2001 [2]
J TGF40-2004公路沥青路面施工技术规范 交通部公路科学研究所
2008年 第2期(总第168期)
黑龙江交通科技
HE I L ONG JI A NG J I A OTONG KEJI
No . 2, 2008
(S u m No . 168)
沥青路面车辙问题浅析
蔡明智
(衡水公路工程总公司)
摘 要:通过对原材料组成, 结构、荷载等方面的分析, 阐述了沥青路面车辙形成的原因, 结合施工经验提出了一些预防车辙的具体措施。
关键词:沥青混凝土路面; 车辙; 防治措施
中图分类号:U 416 217 文献标识码:C 文章编号:1008-3383(2008) 02-0006-02
B itu m i nous Pave m entW heel Rut Questi on Brief Anal ysis
CA IM i n g-z h i
(Heng shu iH i g hw ay Eng ineeri n g Pavent Co m pany)
Ab stract :T his a rti c l e analyzes ra w m ater i a l co m pos ition , t he structure , l oad and so on , elaborated t he b it u m i nous pavement whee l rut f o r m ati on reason , un ified t he autho r s exper i ence to propose so m e prevention whee l ru t specific measures . K ey w ords :b itu m i ous concrete pavem ent ; wheel rut ; preventi on m easure
车辙是指路表面沿轮迹的纵向凹陷。它通常是由于施
工技术和质量控制差, 使混合料压实不足, 或者由于混合料组成材料和组成设计差, 使混合料的稳定性不足, 轮迹带处的路面材料和路基, 在重复荷载反复作用下, 出现固结变形和侧向剪切位移。从我国沥青路面的破坏现象看, 车辙问题尤其严重, 它除了影响行车舒适外, 还对交通安全有直接影响。
1 车辙的分类
在正常情况下, 沥青路面的车辙有以下几种类型。(1) 结构性车辙。由于荷载作用超过路面各层的强度, 发生在沥青面层以下包括路基在内的各结构层的永久变形。这种车辙的宽度较大, 两侧没有隆起现象, 横断面成V 字形(凹形) 。
(2) 失稳性车辙。在高温作用下, 车轮的反复作用, 荷载应力超过沥青混合料的稳定度极限, 使流动变形不断累积形成车辙。一方面是车轮作用部位下凹, 另一方面车轮作用的车道两侧向上隆起。在弯道处还明显向外推挤, 车道线及停车线因此可能成为变形的曲线。无疑这部分车辙将主要取决于沥青混合料的流动特性。
(3) 施工性车辙。它是由于沥青面层本身的压密造成的。在我国, 有些高速公路施工时没有很充分的压实, 也有的过分追求平整度, 在降低温度后碾压, 造成压实不足, 致使通车后的第一个高温季节混合料继续压密, 在交通车辆的反复作用下, 空隙率不断减小, 达到极限的残余空隙率后才趋于稳定。它一方面产生压密变形, 同时平整度迅速下降, 甚至形成明显的车辙, 这种车辙两侧没有隆起, 只有下凹。2 车辙产生的原因
沥青路面的车辙是在一定的高温环境下, 因荷载的反复作用, 沥青混合料粘塑性变形累积的结果; 也是外因(包括
收稿日期:2007-12-19
作者简介:蔡明智(1973-), 工程师, 河北工业大学土木工程系交通土建专业。
荷载、环境) 与内因(包括材料、工艺与结构等多因素) 相互作用综合的结果。一般认为沥青对车辙的贡献率为40%, 其中主要因素是沥青的高温黏度和沥青用量。占贡献率60%的非沥青因素, 主要是沥青混合料的组成结构, 它是原材料、级配和工艺的函数, 关键在于骨架结构的稳定性。2 1 荷载
车辆荷载作用下沥青路面产生的变形包括弹性的、粘弹性的和粘塑性的三类。渠化交通使不可恢复的粘塑性变形和来不及恢复的粘弹性变形得以累积而形成车辙。交通荷载对车辙的影响包括大小、作用次数、还有作用间歇时间。这也就是为什么车辙预估要从静态蠕变试验发展到动载的原因。荷载影响程度一般来说比交通量的影响还要大。2 2 温度
我国采用七月份平均气温来表征影响车辙的温度。而S HRP 采用一年中最热的7d 气温平均值来表征影响车辙的温度。因为荷载应力产生的粘性变形包括粘弹和粘塑两部分。正是大小不同的粘性变形的累积形成车辙, 所以更适宜以平均高温而不是以最高温度表达环境温度的影响。中国广大地区与世界同纬度的地区如欧洲、美国、日本相比, 夏季炎热, 冬季寒冷, 气温差大的特点更为显著。2 3 沥青
沥青稠度对车辙具有显著的影响, 所以南方习惯上采用的沥青标号要小一些, 标号不同于北方, 针入度要差1~2个等级。由于针入度是条件粘度, 所以同样标号的沥青抗车辙的能力并不相同。在经验指标体系中用软化点来补充针入度的不足, 一般路用沥青波动范围在40~50 的软化点是条件温度指标。石蜡基沥青由于蜡的影响, 铺的路面在夏天到了一定温度以上, 路面会出现软化、泛油。随着科学技术的发展, 掺入橡胶、塑料、树脂三大类添加剂的改性沥青技术
6
第2期蔡明智:沥青路面车辙问题浅析总第168期
正进入工程应用阶段, 在提高抗车辙方面效果显著。
沥青对车辙的另一个显著影响表现为沥青用量。过多的沥青用量将在沥青混合料中形成游离的自由沥青, 在高温条件下因荷载的作用发生明显的粘性流动变形。必须严格准确的控制混合料的配合比, 因为粗细集料级配变异过大, 由于比表面积不同, 即使同样的沥青用量控制精度, 用油量相对波动也十分明显。应特别注意的是矿粉, 矿粉用量对混合料的比表面积影响大。当沥青用量一定时, 直接影响沥青膜的厚度, 集料之间的滑动变形将因粉胶比而变化, 而矿粉的质量将显著影响沥青膜的粘结力, 因此必须严格按配比控制矿粉的用量和质量。2 4 集料
(1) 集料的形状。针片状含量偏大不仅难以形成稳定的嵌挤骨架结构, 而且使沥青混合料的VM A 增大, 实现不了设计的组成结构。根本原因在于石料大多采用颚式碎石机加工, 而不是针对岩石的加工工艺特性, 采用相应的最佳工艺加工成棱角性优良的立方体。
(2) 集料的规格。尽管沥青路面施工规范给出的粗细集料规格要求已考虑了工艺操作的变异, 但筛分工序不严, 不合格现象仍然常有。
(3) 供应的稳定性。多数小料场供料易造成集料规格、形状等质量的不稳定, 就是一家生产的料质量也不稳定。小生产供应集料的组织模式固然是上述问题的管理原因, 然而潜在的原因还是对集料重要性缺乏应有的认识。集料规格的变异, 供应的不稳定改变了沥青混合料的组成, 加上集料形状不够理想, 改变了沥青混合料的组成结构, 而组成结构恰恰是决定沥青混合料使用性能的内因。大量实验数据证明, 组成结构微小的变异, 会导致使用性能较大幅度变化, 可以说高昂投资的自动化拌和设备的优势, 因此而得不到应有的效益。2 5 级配
级配是决定混合料结构的最重要因素。对于抗车辙, 级配并不单一是偏粗一点比偏细一点好的问题, 而是需要一个高温下即使沥青处于完全粘性流动状态下也能保持稳定的骨架结构。
3 预防车辙的措施
尽管车辙容易发生, 但合理的路面结构层次及粒料配合比设计, 正确的施工方法以及合理的养护都会成为预防车辙的有效手段。
3 1 合理设计路面结构
尽可能减薄沥青面层厚度。由于以下原因, 高速公路路面厚度可酌情减薄, 控制在9~12c m 之内。第一是半刚性基层沥青路面结构的承载能力可由半刚性材料层(基层和底基层) 来承担, 无需用增厚面层来提高承载能力。第二是提高沥青路面使用性能不是用厚的沥青面层, 而是用优质沥青。第三, 一般来说厚的沥青面层易导致车辙的产生。沙庆林院士在京石试验路上采用了4c m 厚的面层, 其强度与9~15cm 面层厚的路段没有明显的差异, 也证明了这一结论的可行性。
3 2 加强沥青路面原材料控制和混合料级配设计
严格控制沥青混合料的质量, 沥青应选取具有良好的高低温性能、抗老化性能、含蜡量低、高粘度的优质国产或进口沥青。在条件许可的情况下, 可在沥青中掺加各种类型的改性剂, 以提高其性能指标。
骨料应选用表面粗糙、石质坚硬、耐磨性强、嵌挤作用好、与沥青粘附性能好的集料。如果骨料呈酸性则应添加一定数量的抗剥落剂或石灰粉, 确保混合料的抗剥落性能, 同时应尽量降低骨料的含水量。
混合料级配应综合考虑沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳性能、低温抗裂性。混合料配合比设计, 实际上是在各种路用性能之间搞平衡或最优化设计。集料级配细对抗裂有利, 但不利于抗车辙; 集料级配偏粗, 对抗裂不利, 但对抗车辙有利。设计时应综合考虑。其一是改善沥青结合料, 采用改性沥青。其二是改善矿料级配, 采用新型结构型式。例如:多碎石沥青混凝土(SAC) 是一种骨架密实结构, 用做表面层可较好解决传统的∀型、#型混凝土都不能满足路面使用性能的问题, 克服了传统级配的缺点。国内研究统计资料显示, SAC-16混凝土的稳定性可达到AC -25-∀型混凝土的2. 67倍, 表面构造深度一般在0. 8~1. 1mm 之间。由于其良好的抗车辙和密水性能, 也可用于中面层和底面层, 在河北石黄高速的使用中取得了良好的效果。3 3 严格控制施工质量
施工质量控制不严, 早期破损必然出现。所以沥青路面施工必须按全面质量管理的要求, 建立健全有效的质量保证体系, 实行目标管理、工序管理, 明确责任, 对施工全过程, 每道工序的质量要进行严格的检查、控制、评定, 以保证其达到质量标准。
严格控制沥青混合料的拌和质量, 拌和过程中发现∃糊料%或∃离析%等异常情况应立即进行处理; 加大马歇尔试验频率, 严格控制沥青混合料的油石比、稳定度、流值等指标, 必要时对混合料进行特殊配合比设计。
保证基层顶面粗糙度。改善基层材料级配, 增加粗骨料, 提高大中粒径集料含量; 控制最佳含水量, 改进碾压方法, 避免过振过湿, 不能使基层顶面形成灰浆硬壳, 不能用细料进行压实后找平。对细粒土类的半刚性基层, 必要时可以采用顶面栽钉等办法加强基层顶面粗糙度。
提高面层摊铺质量。在摊铺混合料时, 运距不能过远, 摊铺温度按实验段数据严格控制, 摊铺厚度均匀, 压实设备数量应配套, 速度控制在2m /min 左右, 碾压遍数不能太少, 以免混合料孔隙过大; 一般不能进行补料, 尤其是下面层; 基层雨后潮湿未干, 不得摊铺, 更不得冒雨摊铺; 纵向、横向接缝应紧密、平顺, 各幅之间重叠的混合料应用人工铲走。3 4 加强养护
养护方面也很重要。例如搞好路基路面排水工程, 对于车辙内的积水积雪及时清除有利于防止车辙的进一步扩大。
总之, 路面车辙破损已成为沥青路面的主要危害之一, 各级公路管理部门都应引起足够的重视, 并根据其成因从路面设计、原材料进场到具体施工, 有针对性采取一系列预防和改善措施。同时, 必须建立健全质量保证体系, 从管理部门、设计部门到施工部门, 层层重视、层层控制、层层落实。只有这样, 才能从根本上减少沥青路面的车辙现象发生。
参考文献:
[1] 沈金安 沥青及沥青混合料路用性能[M] 北京:人民交用出
版社, 2001 [2]
J TGF40-2004公路沥青路面施工技术规范 交通部公路科学研究所