第5章车辙形成机理及预防对策

1、第5章 车辙形成机理分析及预防对策 5.1 车辙概述 车辙是车辆在路面上重复行车荷载作用下不可恢复的应变累计变形。它一般发生在高温季节，通常出现在车轮经常碾压的轮迹上。路面车辙是路面周期性评价及路面养护中的一个重要指标；路面车辙深度直接反映了车辆行驶的舒适度及路面的安全性和使用期限。 5.1.1 车辙的危害 车辙的出现使沥青混凝土路面的使用性能大大降低，严重影响了沥青混凝土路面的使用质量和服务寿命。车辙的危害性比沥青混凝土路面开裂、水损坏更大，直接威胁到交通安全，而且车辙损坏的维修最困难，因为车辙不仅在表面层发生，有时还会危及到中下面层。 车辙的危害表现为：车辙导致沥青混凝土路面变形，影响沥青

2、混凝土路面平整度，降低行车舒适性；轮迹处沥青厚度减薄，降低了沥青混凝土面层及路面结构的整体强度，易引起其他路面病害；雨天时沥青混凝土路表容易积水，影响行车的安全性；车辙较深路段，影响车辆的操纵稳定性。 5.1.2车辙标准 各国的交通量、荷载、气候等情况不同，所以各国检测车辙标准也不同，如表5-1所示。表5-1 各国车辙标准国家标准英国10mm临界状态20mm破坏状态美国613mm轻级1325mm中级>25mm严重级中国25mm界限值>25mm重度车辙25mm轻度车辙5.2 车辙形成过程车辙的形成过程主要分为最初的压密阶段、混合料的压密稳定阶段、剪切破坏阶段等三个阶段，其在车辆行车反

3、复荷载作用下的发展过程如图5-1所示。 图5-1 车辙形成过程5.2.1 最初的压密阶段在碾压成型前，沥青混合料是由石料、沥青和空气组成的松散混合物，在高温条件下经过碾压后，处于半流动状态的沥青以及由沥青与矿粉组成的胶浆被挤进石料间隙中，同时集料被强力作用排列成具有一定骨架的结构。当沥青路面铺筑完成并投入使用后，在行车荷载作用下这种密实过程还会进一步发展，如图5-1中I所示。 5.2.2混合料的压密稳定阶段 在高温条件下，沥青混合料处于以黏性为主的半固态状态，在汽车荷载的作用下，沥青及沥青胶浆便产生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。这部分半固态物质除部分填充混合料空隙外，还将随沥青混合料自

4、由流动，从而使路面受荷载作用处被压缩而变形，如图5-1中所示。 5.2.3剪切破坏阶段 在高温条件下，处于半固体状态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下首先流动，此时混合料的中粗、细集料组成的骨架成为了车辆荷载的主要承担者，再加上沥青的润滑作用，硬度较大的矿料颗粒在荷载直接作用下会沿矿料之间的接触面滑动，促使沥青及胶浆流向混合料的自由面，特别是当集料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显，如图5-1中所示。 从宏观变形特性看，在荷载作用下，沥青层又可分为密实流动和流动松胀两个区域，并以轮迹边缘厚度方向构成的圆柱面为界面，密实流动域内的混合料经界面流向松胀域，最终造成密实流动域下沉和流动松胀

5、域拱起，如图5-2 所示。图5-2 车辙变形分区图由以上分析可知：引起沥青混凝土永久变形的主要原因是剪切变形。所以沥青混合料的稳定性主要是沥青混合料在高温下抗流动变形的能力。5.3 车辙影响因素分析 沥青路面产生车辙的影响因素较多，归纳为内部影响因素和外在影响因素两个方面。 5.3.1 内部因素 沥青路面产生车辙的内部因素主要与集料特性、混合料级配设计、沥青胶结料性能、路面结构及层厚、路面施工质量等有关，其中沥青混合料级配和性能影响最大，是最显著的因素。 (1)集料性质 沥青混合料的高温抗车辙能力有60是依靠矿料的嵌挤力，而矿料的嵌挤作用主要取决于矿料级配和表面特征。集料的形状和表面粗糙度影响

6、了沥青混合料的嵌挤作用强弱及内摩阻角的大小。不同集料技术指标如表5-2表5-5所示：表5-2 粗集料技术指标试验项目质量技术要求试验结果高速公路玄武岩(mm)石灰岩(mm)表面层其他层次10l55101020510石料压碎值()，不大于262810.212.1洛杉矶磨耗损失()，不大于28309.413.3表观相对密度，不小于2.602.502.9822.9642.8642.853吸水率()，不大于2.03.O0.830.760.170.40与沥青的黏附性，不小于4级4级4级4级坚固性()，不大于12120.20.30.20.3针片状颗粒含量，不大于混合料15184.212.97.96.1其中

7、粒径大于9.5mm12154.O2.27OO其中粒径小于9.5mm18208.313.211.86.2<0.075mm颗粒含量()，不大于110.30.30.20.5软石含量()，不大于350.10.40.20.3磨光值(BPN)，不小于4048表5-3 细集料规格规格公称粒径(mm)通过下列孔筛(方孔筛，mm)的质量百分比()9.54.752.361.180.60.30.150.075S150510090l00609040752055740420010S16031001008010050802550103041508表5-4 细集料技术指标试验项目质量技术要求试验结果高速公路机制砂表观

8、相对密度，不小于2.502.806坚固性()，不大于121<0.075mm颗粒含量()，不大于3砂当量()，不小于6086亚甲蓝值(gkg)，不大于251.3棱角性(流动时间，s)，不小于3053.2表5-5 填料技术指标试验项目质量技术要求试验结果高速公路矿粉表观密度(tm3)，不小于2.502.815含水量()，不大于10.1粒度范围()<0.6mm100100<0.15mm90100100<0.075mm7510099.5外观无团粒结块合格亲水系数<10.94塑性指数()<43.7加热安定性实测记录加热后颜色无明显变化 由上表可以看出，坚硬、纹理粗糙、

9、多棱角、颗粒接近正方体的集料，其相应的沥青混合料具有较好的高温稳定性。填料的颗粒尺寸、形状和聚散程度都影响了沥青胶浆的性能，从而影响沥青混合料的高温稳定性。 (2)混合料级配沥青混合料级配是沥青混合料最重要的设计指标，影响着沥青混合料的所有性能。沥青混合料级配决定了矿料颗粒间嵌挤作用的大小以及混合料的密实程度，直接影响了混合料的高温抗车辙能力。对不同类型沥青混合料级配进行车辙试验，结果如表5-6、图5-3所示。表5-6 车辙试验结果 (次mm) 沥青品种级配类型KLMHXLMMNLALAC-1314621125558489AC-2018901352783766AC-25122081454943

10、5图5-3 不同级配车辙试验结果 从图5-3中可以看出：AC-25型沥青混合料的动稳定度比AC-13型和AC-20型都小，说明中粒型混合料的抗车辙性能比粗粒型的好，因为太粗的集料在混合料中处于不稳定的状态，在汽车荷载的揉搓作用下反而容易变形和粤动。因此，选择合理的沥青混合料级配至关重要，如果级配设计不合理，沥青混凝土路面就会因不适交通条件产生损害，成为早期损害的先天因素。 沥青用量的确定在沥青混合料级配设计中占有重要的地位，其对沥青混合料的高温稳定性有显著影响。沥青用量过低，混合料不易压实，使其抗车辙能力差；沥青用量过高，其润滑作用强，使沥青混合料的高温稳定性差。表5-7、图5-4为不同油石比

11、的沥青混合料的马歇尔试验结果。表5-7 马歇尔试验结果油石比4.44.54.64.74.8规范值马歇尔稳定度MS(kN)11.3715.7419.3014.9411.298流值FL(mm)2.272.742.433.232.621.54.5图5-4 不同油石比的试验结果 由图5-4可见：随着沥青混合料油石比的增大，沥青混合料的马歇尔稳定度先由小增大，当油石比为4.6时达到最大，然后又逐渐减小；然而沥青混合料的流值变化不大，并且都在规范值的范围之内。因此在沥青混合料的级配设计中，要合理确定最佳油石比。 (3)沥青胶结料 沥青胶结料的黏度是影响混合料抗车辙性能的主要因素。沥青胶结料所提供的粘结力大

12、小与沥青混合料本身的性质、沥青用量及沥青与矿料之间相互作用密切相关，沥青混合料在高温条件下的粘结力与沥青本身在高温条件下的粘结力有关。为此，在混合料级配相同的情况下，对比SBS改性沥青混合料和AH-70沥青混合料的马歇尔试验和车辙试验结果，如表5-8、图5-5、图5-6所示。表5-8 试验结果沥青类型 马歇尔稳定度MS(kN)流值FL(mm)动稳定度(次,mm)SBS19O73.585833AH-7014.843.331304规范值SBS81.54.52400AH-7081.54.5800图5-5 马歇尔试验结果图5-6 车辙试验结果 从图5-5及图5-6可以看出：SBS改性沥青混合料和AH-

13、70沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳定度均达到公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004) 的要求，但SBS改性沥青混合料的马歇尔稳定度和动稳定度均比AH-70沥青混合料的大，其动稳定度是AH-70的4.5倍，高达5800次mm，抗车辙能力明显高于AH-70沥青混合料，因此沥青的性质对沥青混合料抗车辙性能有重要影响。 (4)路面结构及层厚 高速公路半刚性基层沥青路面具有以下优点：板体性强，承载能力和抗变形能力高；抗冻性好，能有效治理季节性冰冻地区的翻浆；可以充分利用地方性材料，造价低。我国普遍采用半刚性基层沥青路面，其车辙主要产生在沥青面层。通过沥青面层厚度对于车辙深度的影响试验，结果如表

14、5-9所示，车辙深度与沥青面层厚度关系曲线如图5-7所示。表5-9 沥青面层厚度对车辙深度影响的试验结果面层厚度(cm)101316192124车辙深度(mm)9.511.413.014.314.915.7图5-7 车辙深度与面层厚度的关系曲线图 又上图可见：当沥青层厚度小于180mm时，增加沥青层厚度会使车辙快速增大；大于180mm时增加沥青厚度对车辙增大速率就小了。可见沥青层厚度是影响混合料抗车辙性能的重要因素。 (5)路面施工质量 沥青路面施工是路面铺筑的重要环节，不同的碾压顺序，碾压次数和方向等都对路面压实度、离析程度及层间粘结状况等沥青路面施工质量有较大的影响。尤其是压实施工，它是影

15、响沥青路面的使用质量及寿命的关键环节。 5.3.2外在因素 沥青混凝土路面产生车辙的外在因素主要包括温度、湿度、重荷载、渠化交通、交通量等方面。 (1)温度 高温是造成车辙的直接原因，温度越高，沥青混合料的劲度模量越小，抗车辙能力越小。当环境气温低于30时，通常不会产生大的车辙；环境气温高于30时，车辙就会快速增长。因为沥青路面的温度比环境气温要高1530，车辆在这样的高温条件下行驶，沥青混凝土路面很容易形成车辙。以AC-20型沥青混合料为例进行的车辙试验，得到了温度与动稳定度之间的关系如表5-10、图5-8所示。表5-10 温度对动稳定度的影响温度()2030405060动稳定度DS(次mm

16、)10500393833162032763lgDS4.023.63.523.3l2.88图5-8 温度与动稳足度的关系图 由图5-8可得温度与动稳定度成反比关系，其关系式为： lgDS=4.494-0.0257T (5-1) 通过实际调查河北廊坊的气象资料，经统计分析得到气象日分为晴天、阴天和雨天的最高和最低温度月分布，以及夏季不同时段的路表温度，如图5-9图5-11所示。图5-9 最高气温分析图图5-10 最低气温分析图图5-11 路表温度变化曲线 由图5-9和5-10可见夏季68月，当地最高气温都超过了30，即使最低气温也在20左右。 图5-11可见某高速公路夏天的路表温度，在中午12点l

17、3点时温度最高达60，全白天地表温度都在42以上。 由图5-9图5-11可看出：廊坊市夏季的平均最高气温是33左右，此时路表温度将达到61；即使平均最低气温也达23左右，路表温度依然达到40左右；另外当12：0013：00时路表温度达到最高61时，高温已超过重交沥青的软化点温度，即使改性沥青，其软化点温度必须足够高才能保证沥青混合料不处于黏流状态，所以高温影响着沥青混合料性能，将导致沥青混合料在车辆荷载反复作用下出现变形破环。 (2)湿度 沥青混凝土路面在潮湿的状态下，混合料的水敏感性增大，降低了混合料的高温稳定性。虽然下雨可使路面温度下降5左右，但是当路面积水增加时，沥青和矿料之间的粘结力在

18、行车荷载和水分的联合作用下会明显降低，从而导致沥青混凝土路面产生较大的车辙病害。所以潮湿沥青路面比干燥路面更易产生车辙。表5-11为沥青混合料在不同荷载条件下浸水和非浸水两种车辙试验结果，据表5-11绘制其关系图如图512所示。表5-11 浸水和非浸水车辙试验结果(次mm)试验0.7(MPa)0.8(MPa)0.9(MPa)1(MPa)非浸水车辙试验19861220963806浸水车辙试验1513862496362图5-12 车辙试验结果折线图 由图5-12可看出：在其他条件相同的情况下，非浸水条件下沥青混合料的动稳定度比浸水条件下的高出约30，可见路面在潮湿情况下，抗车辙能力降低。 (3)重

19、荷载 行车荷载是影响沥青混凝土路面高温车辙的重要因素，重载车、超载车辆加快了沥青混凝土路面车辙的产生。荷载越大则轮胎气压越高，车辆超载必然引起轮胎接地比压增加，使得车辙形成加快。 表5-12所示为对比分析满载、超载30、超载60、超载100情况下的路面结构使用寿命的数据表，图5-13是荷载与使用寿命之间的关系图。表5-12 某高速公路沥青路面结构使用寿命对比轴载累计轴次一定时的使用寿命(年)满载15.00超载307.10超载603.40超载1001.40图5-13 超载与使用寿命之间的关系 由图5-13可看出：随着超载率的增加，路面使用寿命明显降低，而且当车辆超载率达到100时，道路使用寿命仅

20、为2年；超载率是60时，道路使用寿命仅为4年；超载率为30时，道路使用寿命仅为7年，即高速公路道路设计使用寿命的一半，所以超载对沥青路面使用寿命影响极大。 (4)渠化交通和交通量渠化交通是影响车辙深度的重要因素，在渠化交通形式和混合交通形式路段铺设相同厚度的面层，做重复荷载试验(试验温度25和40)，试验结果表明：70kN的HVS双轮载作用了116000次后，25时，渠化交通段车辙深度为4mm，混合交通段为3mm；40时，前者车辙深度为13mm，后者为7mm，可以看出渠化交通可使车辙深度显著增加。交通量越大，对路面的作用次数也越多，沥青混凝土层内产生的应力应变越大，不可恢复变形的累积也越多。5

21、.4 车辙形成机理 车辙的形成是沥青混凝土路面在汽车荷载重复作用下产生不可恢复变形的累积。包括沥青混合料的黏滞流动、土基与基层的形变和一定程度的压实作用及材料磨耗。 5.4.1不同车辙类型的成因分析 (1)失稳型车辙 失稳型车辙形成的原因主要是在交通荷载产生的剪切应力作用下，沥青混凝土路面面层材料失稳，凹陷和横向位移形成的。此类车辙的外观特点是沿车辙两侧可见混合料失稳横向蠕变位移形成的凸缘。一般出现在车辆轮迹的区域内，当经碾压的路面材料的强度不足以抵抗交通荷载作用于它上面的应力、特别是重载车辆高频率通过，沥青混凝土路面反复承受高频重载时，极易产生此类车辙。失稳型车辙示例如图5-14所示。图5-14 失稳型车辙(2)结构型车辙结构型车辙形成的原因主要是基层等沥青混凝土路面结构层或路基