车辙病害是沥青混凝土路面的早期主要病害,由于其维修周期长,维修费用高,往往影响正常交通运输。尽管车辙产生的原因是多方面的,如内部的因素:沥青种类和性质、集料的形状及表面纹理、沥青用量、矿料级配、粉胶比、沥青混合料残留空隙率等方面;外部因素如:持续的极端高温、重荷载、车流量、路面坡度等。但高速公路渠化交通的特点,车辙现象更为普遍和严重。
1、高速公路车辙形成的几个主要原因
通过现场调查并进行路面钻芯和切割取样分析,综合室内试验结果分析得出车辙产生的原因。
(1)高温对车辙的影响:荷载和温度是高速公路路面产生车辙的两个重要因素,路面车辙的发展过程实际上是沥青混合料在高温下的蠕变过程。温度越高,沥青混合料的劲度模量越低,抗车辙能力越小。
通过调查发现高速公路车辙的产生一般发生在每年的7、8月份中,尤其是连续两三天内出现高温天气时,车辙很容易出现。持续高温使得路面积聚的热量不能很快的释放出去,沥青混合料在持续高温环境下,粘聚力降低,抗剪强度降低导致了路面的破损。这种情况在北方尤其显著。因为北方降雨量次明显偏少,持续高温现象严重,车辙同样是高温的天气,在广东等地车辙却出现很少,究其原因是因为南方的雨水较多,对路面起到了降温的作用。
(2)轴载荷和车流量对车辙的影响:同轴载作用下沥青层内剪应力理论研究表明:车辙产生的主要原因之一是在车轮竖向和水平荷载作用下,沥青层内产生剪应力,致使沥青混合料产生剪切变形,不可恢复变形的不断累积形成车辙。
实验表明,随着车辙试验的轮压增大时,车辙次数降低,但是轮压与车辙次数并不是简单的线形关系,只是随着轮压的增加,车辙次数下降速度加快,当轮压小于设计压强时,车辙次数大幅提升。
(3)渠化交通的影响:高速公路渠化交通是产生车辙并进一步加剧的一个重要因素。车辙形成因素的几个外因中,按照分析及实际观测,温度与荷载影响最大,车速与交通渠化对车辙的影响位于其次。对于高速公路而言,渠化交通的特征,是导致车辙严重的重要原因。
高速公路车辙路面检测
预防车辙:提高混合料动稳定度
为研究荷载对动稳定度的量化性影响,选取一种沥青混合料AC-161,分别进行0.7Mpa、0.9Mpa、1.1Mpa三种压力下的车辙试验,发现在标准温度60°C下动稳定度与轮压成指数关系,1054,801和634;荷载对动稳定度的影响是非常大的。当荷载由0.7Mpa增加到1.1Mpa时,动稳定度几乎要降低一倍,按现在标准轴载设计的路面在重载车作用下,沥青混合料抗剪强度远远超过允许值,造成路面车辙。
因此,在既定的温度、轴载荷条件下,提高路面的抗车辙能力,就是要提高混合料的动稳定度。
3、温抗1号抗车辙剂对沥青混合料性能及拌和温度影响
温抗1号抗车辙剂(简称温抗剂)是一种提高混合料动稳定度,改善其高温性能的抗车辙剂。将温抗剂按不同比例(分别为沥青混合料质量的3‰、4‰和5‰)掺加到AC-20沥青混合料中,其中混合料拌和温度160℃,击实温度采用140℃条件下进行了沥青混合料高温性能试验,试验结果见表1。
表1 两种沥青混合料动稳定度对比
混合料类型 |
掺量 |
空隙率 |
稳定度 |
动稳定度 |
普通沥青混合料 |
0 |
4.1 |
12.9 |
1278 |
掺加WK-I号沥青混合料 |
3‰ |
4.0 |
13.2 |
3214 |
4‰ |
3.9 |
13.4 |
4672 |
|
5‰ |
3.8 |
14.1 |
6216 |
由表1可以看出,在沥青混合料相同拌和温度下,基准普通沥青混合料140℃成型温度下的动稳定度在1300以下,而添加3‰WK-I号抗车辙剂后,沥青混合料在130℃成型温度条件下,其动稳定度超过3000以上,完全满足现行《公路沥青路面施工技术规范》要求。不同掺量下沥青混合料动稳定度增长见图1。
图1不同掺量下沥青混合料动稳定度
由上图可以看出,沥青混合料随温抗1号抗车辙剂的增加而逐渐增加,3‰掺量下,沥青混合料动稳定度已超过3000以上,当掺量达到5‰时,动稳定度超过6000,是基准沥青混合料的4.8倍以上,增长效果显著。
添加温抗1号抗车辙剂后,沥青混合料与普通沥青混合料相比,二者各项生产及施工温度非常接近,添加温抗1号抗车辙剂后沥青混合料碾压温度甚至低于普通沥青混合料,但是混合料性能尤其是高温性能增加非常明显,与普通沥青混合料相比,添加3‰新型抗车辙剂后,沥青混合料动稳定度可以高达3000以上,为普通沥青混合料动稳定度的2.6倍,完全满足现行《公路沥青路面施工技术规范》要求。
与其他常规抗车辙剂相比,温抗1号抗车辙剂则可以大幅降低拌和及施工温度,表2为温抗1号抗车辙剂与国外抗车辙剂拌和及施工温度对比(国内多数抗车辙剂的使用方法与国外产品相似)。
表2 不同抗车辙剂拌和及施工温度对比
混合料类型 |
集料加热温度(℃) |
拌合温度(℃) |
摊铺碾压温度温度(℃) |
其他 |
普通沥青混合料 |
170 |
160 |
140 |
|
温抗1号抗车辙剂 |
170 |
160 |
130~140 |
抗车辙剂等量替代沥青 |
法国PRPLAST |
180~190 |
≥170 |
≥160 |
最佳油石比须适当增加 |
德国Duroflex |
185~195 |
170~180 |
160~170 |
最佳油石需比适当增加 |
路孚8000 |
190~200 |
≥170 |
≥160 |
|
由上表可以看出,对国外抗车辙剂产品,其使用时集料加热温度、混合料拌和温度乃至摊铺碾压温度均需要大幅度提高,而温抗1号抗车辙剂的相应温度皆明显低于其他抗车辙剂。
因此,温抗1号车辙剂在达到提高路面抗车辙能力的同时,还能有效的降低燃油消耗,具有明显的性能优势和经济优势,可广泛应用于高速公路的中面层混合料。