抗车辙沥青路面翻修方案设计

大量调查和研究表明，沥青路面车辙是剪切变形破坏。1987年Eisenman的报告指出，车辙的初期阶段主要是由压密造成的，后期主要由于混合料剪切流动引起，并且后期的流动变形是车辙的主要成因。SHRP的研究表明，车辙是一种剪切破坏，是重复荷载作用下的剪切永久变形的累积。因此，为了提高沥青路面的抗车辙能力，就需要提高沥青混合料的抗剪强度。对路面车辙严重的路段翻修时，应以提高沥青混合料高温性能为目标，结合路面车辙成因调查分析结果，针对具体病害成因，进行材料组成设计，并重点考虑材料选择、混合料类型和级配、混合料空隙率和设计方法等因素。

1.材料选择

沥青混合料属于分散体系，在较高温度域范围内，是由强度很高的矿质粒料和黏结力相对较弱的沥青结合料所构成的混合体。一般采用库仑的内摩擦理论分析沥青混合料在高温状态下的强度和稳定性。沥青混合料的抗剪强度根据式（3.2）计算。

式中：τ——沥青混合料的抗剪强度，MPa；

c——沥青混合料的黏结力，MPa；

σ——正应力，MPa；

φ——沥青混合料的内摩擦角，rad。

其中，内摩擦角取决于矿料及其级配特征，而内黏聚力取决于沥青及其数量，所以在路面车辙病害翻修过程中进行材料设计时，应设法提高沥青混合料的抗剪强度。选用优质的材料，并进行级配的优化与设计，以取得最大的内摩擦力；确定合适的沥青用量和粉胶比，以使混合料取得最大的黏聚力。

（1）集料。

集料是构成沥青混合料的主体。集料的规格、形状、质地等均对混合料高温性能有影响，在选择集料时，应选择质地坚硬、粗糙、棱角多且与沥青的黏附性强的集料。集料中的针片状颗粒易在施工碾压或在交通荷载作用下被压碎，从而诱发路面病害。因此必须限制粗集料针片状颗粒的含量，一般要求表面层不超过15%，其他层不超过18%。细集料的棱角性对混合料的高温性能也有影响。天然砂表面光圆，影响混合料的嵌挤作用，所以对天然砂的含量应该适当控制：一般热拌密级配沥青混合料不宜超过集料总量的20%；对重载交通及上坡路段，天然砂不宜超过10%；SMA和OGFC混合料不宜使用天然砂。为了提高细集料的棱角性，在路面车辙病害翻修过程中，应采用机制砂。机制砂与石屑不同，石屑含有大量不耐冲击的薄片和棱角；而机制砂则没有，其形状接近立方体，有助于提高混合料的嵌挤作用，从而提高混合料的高温稳定性。另外，集料本身性质与矿料级配交互作用也会影响混合料的性能。为了验证Superpave提出的以“限制区”和“控制点”为特征的混合料级配的合理性，美国NCHRP研究用3种集料与3组不同级配混合料进行了车辙试验。试验发现，不同组合混合料车辙试验的平均车辙深度除与级配有关外，还与矿料类型有关，并不是某种级配的混合料性能肯定就好。

（2）沥青结合料。

沥青结合料的质量和用量决定着沥青混合料黏聚力的大小，也影响着混合料的内摩擦力。因此，为了提高修复后沥青路面的抗车辙性能，在车辙病害翻修时应使用黏度大的沥青，且其用量要严加控制，如原路车辙病害比较严重，上、中面层沥青混合料应采用低标号、黏度大的沥青，例如采用50号沥青，甚至更低的标号，或者采用高模量沥青30号以及10号改性沥青。试验结果表明，同样级配的沥青混合料，采用改性沥青可使车辙试验动稳定度成倍增加，能显著提高混合料的高温抗车辙性能。在翻修方案的沥青混合料设计中，对车辙比较严重的路段，建议使用SBS等热塑性橡胶类改性沥青或PE、EVA等热塑性树脂类改性沥青。

近年来，为了防治沥青路面的车辙病害，涌现出了大量的改善沥青混合料高温抗车辙性能的产品，诸如各类抗车辙剂、纤维、高模量沥青、天然沥青等，但是各类产品改善效果不一，使用前应通过试验择优使用，并注意这些产品对其他路用性能的不利影响。有关研究认为，沥青含量对沥青混合料高温性能的影响很重要。对于细粒式或中粒式密级配沥青混合料，适当减少沥青用量有利于抵抗车辙。

因此，当用马歇尔法进行混合料设计，且主要考虑高温性能时，沥青用量选择范围为OAC×（1-0.5%）～OAC，其中OAC表示最佳沥青用量。但对于粗粒式或开级配沥青混合料，在考虑抗车辙性时应综合考虑级配集料对沥青的吸收性、集料与沥青间的黏结力、混合料的空隙率等，不能简单地采用减少沥青用量的方法来改善混合料的抗车辙性。

2.混合料类型和级配

混合料类型和级配也是影响沥青混合料高温性能的重要因素。国内外对集料级配的研究比较多，通常认为沥青混合料的高温抗车辙能力有60%是依靠集料的嵌挤力。合理的级配可以使集料形成骨架嵌挤结构，增加内摩阻力，提高沥青混合料的高温抗车辙性能。集料粒径对沥青混合料的高温稳定性有相当大的影响。传统的观点认为，集料越粗，对抗车辙越有利，因此我国的路面结构中集料粒径一般比较大。例如，沥青路面表面层集料经常为13 mm公称粒径，而我国则常用16 mm公称粒径，中、下面层集料的公称粒径更大。但是车辙试验表明，对AC-13、AC-16、AC-25沥青混合料，公称粒径越大并不意味着动稳定度越高。

美国在验证Superpave配合比设计成果的西部环道试验中，将集料分为粗、中、细3种级配。该试验表明，热拌沥青混合料在选用最佳沥青用量、空隙率为8%时，粗级配的车辙深度最大，细级配次之，中级配最小。我国交通运输部公路科学研究院的试验结果也表明，在选用最佳沥青用量时，中粒式沥青混凝土的高温抗车辙能力最好，细粒式次之，粗粒式最差。所以不能一味追求通过增大粒径来提高抗车辙性能。

另外，传统观点认为，粗级配混合料的抗车辙性能好，即在最大公称粒径一定的前提下，粗级配（级配范围下限）的混合料高温性能要优于细级配（级配范围上限）。SHRP在最初的设计指南中建议采用通过“限制区”下缘的粗级配，但在西部环道的现场试验却发现，出现车辙最早、修补次数最多的恰恰是粗级配混合料，细级配混合料反而表现出较好的抗车辙能力。同样在NCAT足尺试验路中，根据SHRP方法设计了多组混合料，包括限制区之上（ARZ）的细级配、限制区之下（BRZ）的粗级配、通过限制区（TRZ）的级配，铺筑了共46个试验段。研究发现，不论是ARZ还是BRZ都没有表现出显著突出的或优于对方的抗车辙性能，而且试验段混合料的抗车辙性能与所采用的矿料类型有很大的关系。后续的大量室内试验也证明了这一点。(www.xing528.com)

所以说根据级配曲线位置所定义的粗细级配不能作为选择和确定矿料级配的依据。从级配方面提高混合料的高温稳定性关键在于设计，应保证矿料粗细搭配合适，既有粗集料所提供的抵抗移动变位的能力，也有细集料提供的点接触的摩擦阻力，从而形成嵌挤密实级配。

3.空隙率

空隙率表征沥青结合料填充集料间隙后剩余的空间，是影响沥青路面路用性能的重要因素，对沥青路面高温抗车辙性能的影响也特别大。例如，我国规范规定在夏季炎热区中、轻交通量条件下，密级配沥青混合料设计空隙率为3%～5%；而对于重载交通的情况，空隙率宜为4%～6%，以减小沥青用量，再通过合理的碾压工艺来提高沥青路面的抗车辙性能。根据我国压实度指标大于98%的要求，现场空隙率一般为5%～8%。

目前国内外一般要求现场空隙率为3%～8%，但实际路面调查结果表明，现场空隙率离散性非常大，分布范围为2%～18%，过小和过大的空隙率都将导致多种路面病害的发生。大量的研究表明，沥青混合料的残余空隙率不能太小，因为在夏季如果其内部没有足够的空隙供沥青结合料热膨胀，必然会引起泛油和流动，从而在行车荷载的作用下发生失稳性车辙。美国WesTrack环道试验的结果表明，4%的现场空隙率是最小空隙率的临界值。德国专家Gauer从沥青的热膨胀解释德国对最小空隙率的要求，认为最小现场空隙率不得小于3%。

4.混合料设计方法

采用不同的混合料设计方法设计出的混合料，由于设计参数、指标限值和技术要求不同，设计结果也各不相同，因此沥青混合料抗车辙性能也不同。沥青混合料主要由沥青胶结料、集料和空隙三要素构成。沥青混合料设计的任务就是确定三要素在沥青混合料中的体积比例适宜。沥青混合料的常规设计过程一般包括三个主要内容：确定适宜集料级配、确定最佳沥青用量、工程性能评价。现行的沥青混合料的设计方法主要有马歇尔设计方法、Superpave设计方法和GTM设计方法等。

（1）马歇尔设计方法。

这是目前我国规范推荐使用的混合料设计方法。这种方法通过室内试验，根据稳定度与流值（荷载-变形关系）、密度与空隙率（体积特性）的分析得出混合料最佳沥青用量（配合比）。马歇尔设计方法适用于密实型沥青混合料的设计。现在研究普遍认为，由于马歇尔设计方法采用的是体积参数和经验性参数，难以保证沥青混合料路用性能，特别是马歇尔稳定度、流值与沥青混合料的高温性能相关性不好。但马歇尔设计方法所需设备价格低廉，便于携带，受到设计和施工单位的欢迎，在我国有较长时间的应用，是目前沥青混合料配合比设计和施工质量检测的主要方法，今后一段时间仍将大量应用。

（2）Superpave设计方法。

Superpave沥青混合料的体积设计过程分成以下几个部分。①原材料的选择。②集料结构的选择和设计。③最佳沥青含量的选择。④沥青混合料水稳定性分析。

与现行的密级配沥青混合料马歇尔设计方法相比，Superpave设计方法有以下几个重要不同之处。①Superpave设计方法采用了更加接近实际路面压实状况的旋转压实成型方式。②增加了混合料短期老化，更适合于大粒径（25～50 mm）的集料。③加大了试件尺寸（直径150 mm），更适合于大粒径（25～50 mm）的集料。④实时测量高度与旋转次数，并绘制压实曲线，从而能够评价混合料的压实特性。⑤在最大压实次数时规定了一个最大密度，使混合料的抗车辙能力更有保障。⑥在初始压实次数时规定了一个最大密度，避免了不稳定混合料的产生。⑦将混合料结构的选择作为设计过程的主要部分，使混合料的结构更为合理。

运用该法设计的沥青用量接近或略小于马歇尔设计方法的设计结果，由于该法具有诸多优点，我国越来越多的高速公路借鉴该法设计混合料，是未来混合料设计方法的一个发展方向。

（3）GTM设计方法。

美国工程兵旋转压实剪切试验机（GTM）是美国工程兵团20世纪60年代发明的用于重载交通情况下柔性路面设计的工具，1978年被列入美国ASTM规范。它是在对试件旋转揉搓成型的同时测出材料的抗剪强度及剪应力，并确定出最佳的沥青用量。GTM方法确定沥青混合料最佳沥青用量的方法与传统马歇尔设计方法确定最佳沥青用量的方法不同，它主要依靠三个指标：密度、应变比（GSI）和抗剪安全系数（GSF）。

GTM设计方法的优点如下。①能够模拟路面实际受力情况，采用应力应变原理进行设计。②拥有三种不同直径试模，可以对大粒径混合料进行试验。③针对不同接触压强进行设计，与路面实际情况更接近。④设计的沥青混合料基本上不会产生剪切变形。⑤可以进行级配优化。

国内有不少研究人员对上述三种常用的混合料设计方法的设计结果进行了比较。①从混合料体积指标比较可知：在级配完全相同的情况下，马歇尔设计方法确定的最佳油石比最大，Superpave设计方法次之，GTM设计方法确定的最佳油石比最小。采用GTM设计方法和Superpave设计方法设计的沥青混合料拥有较大的相对密度，而马歇尔设计方法设计的混合料密度最小。②通过采用上述三种方法设计的AC-20C型混合料车辙试验结果可知：在级配完全相同的情况下，GTM设计方法设计的沥青混合料车辙动稳定度最高，Superpave设计方法设计的次之，马歇尔设计方法设计的沥青混合料车辙动稳定度最低。

通过分析认为，由于马歇尔设计方法设计的混合料沥青用量偏大，相对密度偏小。一方面，较多的沥青致使混合料抗剪强度较低，荷载作用下容易产生侧向流动，不利于提高沥青混合料的高温稳定性。另一方面，偏小的密度在施工时用较小的压实力就可以达到，致使沥青混合料在开放交通后被继续压密的可能性增加，从而使沥青路面出现较大的车辙。采用GTM或Superpave设计方法设计的沥青混合料具有较大的相对密度和最小的沥青用量，这就要求在施工过程中施加较大的压实力，提高混合料矿料颗粒间的嵌挤锁结作用，使混合料的抗剪强度得到提高，从而使沥青路面表现出良好的抗车辙性能。