车辙对沥青路面的影响因素分析

影响车辙的因素可分为内因和外因，内因主要是指沥青路面结构设计和沥青混合料材料本身，外因主要是指气候、交通量、交通组成、施工等外界因素。

1.沥青混合料材料组成

由上述沥青路面车辙形成机理可知，流动性车辙主要表现为剪切破坏，所以路面抗车辙能力取决于沥青混合料抗剪强度τ，而τ主要由沥青混合料的黏聚力c和内摩擦角φ来确定。c反映了矿料颗粒之间的内黏聚力，其值取决于沥青性质及其用量；而φ体现了矿料的内摩擦力大小，取决于矿料及其级配特征。

（1）矿质材料性质的影响。矿质材料的性质对沥青混合料高温性能的影响，主要是从它与沥青的相互作用表现出来的。矿质材料颗粒表面粗糙，形状接近立方体，扁平状颗粒含量较低，集料易形成嵌挤结构，有利于沥青混合料抗车辙性能的提高。能够与沥青起化学吸附作用的矿质材料，可以提高沥青混合料的抗变形能力。集料的粗糙面和棱角性十分重要，在集料中掺加过多的破碎砾石对抵抗车辙是不利的，这是因为路面容易因集料缺乏棱角而变形。同样天然砂的用量过多，也将影响嵌挤作用。集料与沥青黏结性不好，不仅容易丧失水稳定性产生剥离，同时也将因黏结力减小而减弱高温稳定性，使车辙变形增大。

（2）沥青性质及其用量的影响。沥青黏度对混合料的抗车辙性能有较大影响，黏度越大，抗车辙能力越高。另外，沥青中含蜡量偏高，对沥青混合料车辙性能有不利影响。这是因为蜡在高温时融化，使沥青黏度降低，影响沥青的高温稳定性，同时，蜡使沥青与集料的亲和力变小，影响沥青的黏结力及抗水剥离性。对某一矿料级配，沥青用量对混合料的抗车辙能力有较大影响。当沥青用量低至不能裹覆每一种矿料表面积或裹覆沥青膜太薄时，沥青混合料中的粗细集料将不能很好地胶结在一起。矿料间的黏结力小，高温抗剪强度较低，随着沥青用量的增加，矿料之间的黏结力增大，抗剪强度增加。在某一用量，矿料之间的沥青膜厚合适时，由于矿料和沥青之间的相互作用强，所形成的结构沥青黏结力强，可以获得最大的抗剪强度，抗车辙性能最佳。当沥青用量继续增大，沥青膜厚度增大，与矿料颗粒相互作用弱的自由沥青量增大，一方面，自由沥青充当润滑隔离层，使矿料不易嵌紧，另一方面自由沥青本身黏聚力小，混合料的抗剪强度降低，再加上自由沥青膜温度敏感性大，因此，当沥青用量超过最佳用量时，温度的微小升高，也会使路面产生严重的车辙变形。

2.沥青混合料矿料级配

矿料级配时必须通过试验确定，不能以级配走向（如走下限“S形曲线”）来确定，也不能以级配的粗与细作为级配选择的依据。

矿料级配对沥青混合料的抗剪强度有重要影响，特别是混合料的内摩擦力。通过矿料级配设计可以使混合料具有较高的内摩擦力。内摩擦力由两部分构成：①沥青混合料矿料颗粒移动变位阻力，这取决于矿料的棱角性、颗粒的大小以及矿料颗粒搭配情况，棱角性越好、矿料颗粒越大，混合料发生移动所需的力越大，则混合料的抗剪强度越高；②矿料颗粒相对移动产生的摩擦阻力，这取决于矿料的质地和矿料颗粒接触程度，质地越坚硬、表面纹理越多，则摩擦阻力越大。另外，在相同体积下，空隙率一定时，随着混合料中颗粒粒径的减小，颗粒数量相对增加，颗粒之间的接触点增加，混合料的摩擦阻力增加。

由此可见，矿料颗粒的粗细对移动变位阻力和摩擦阻力的影响是相互矛盾的。同时，通过计算具体混合料的能量指数就会发现：压实时更多的能量消耗在集料间的摩擦上，而不是混合料的体积改变上，即只有小部分能量真正用来有效地改变混合料的体积。这表明，在混合料矿料粗细相差不够大的情况下，移动变位阻力相差不大，而颗粒间的摩擦阻力相差较大，即细级配沥青混合料抗变形能力更大。

以上说明，当混合料的矿料级配较粗，且矿料颗粒没有形成有效嵌挤时，沥青混合料的荷载抗变形能力很可能不如细级配混合料。

通过以上研究表明，级配设计相当重要，在设计时可初选2～3种不同级配的沥青混合料进行优选，不能想当然地认为粗级配混合料的抗变形能力好。

3.混合料矿粉用量

研究认为，填料在沥青混合料中有两方面的作用，即填料对较粗颗粒间隙的填充作用以及与沥青混合形成胶浆的胶结作用。矿粉与沥青结合，引起沥青的硬化，硬化程度与填料的物理性质（如粒子形状、大小及分布等）有关。由体积增强作用和物理化学作用形成的沥青胶浆具有较大的黏聚力，能把沥青混合料中的粗、细集料牢牢胶结为一体，从而形成更稳定的结合料，大大改善沥青混合料的物理力学性能，对沥青混合料的热稳定性也有显著提高。

另外，矿粉及其粉胶比影响着混合料的工作性、水稳性以及混合料的老化特性。实际上，在混合料中起胶结作用的是胶浆，所以粉胶比大小对抗车辙性能有很大影响。为使混合料有好的高温稳定性，必须使矿粉有足够的数量，以减少起润滑作用的游离沥青的比例。

一般情况下，随着粉胶比增大，结构沥青数量增多，抗车辙能力增强，但粉胶比过大，沥青胶浆变得干涩，反而会使胶结强度降低，抗车辙能力降低。在沥青混合料配合比设计中，必须将粉胶比控制在合理的范围内。

4.沥青混合料残余空隙率及矿料间隙率(www.xing528.com)

路面现场空隙率过大或过小，均易产生车辙。路面现场空隙率过大，开放交通后，后续压实会使混合料产生压密变形。混合料的残余空隙率太小也容易出现车辙，因为到夏季，如果沥青混合料内部没有足够的空隙供沥青结合料热膨胀的话，必然会引起泛油和流动，并引起流动性车辙。美国Westrack环道实验结果表明，4%的现场空隙率是最小空隙率的临界值，如果施工时发现残余空隙率小于3%或者4%，路面可能会形成车辙。

5.结构因素

结构因素包括沥青面层厚度与组合、基层类型和厚度、层间结合情况，各因素均对沥青路面车辙的产生有影响。传统观点认为，沥青层越厚，车辙发生率越高；柔性基层路面产生车辙的可能性更大。所以我国一直采用“强基薄面”设计理念，并以半刚性基层沥青路面为主。但大量实践表明，我国沥青路面车辙病害依然是一个严峻的问题，目前研究认为，在其他条件不变的情况下，当沥青层厚度小于某一临界厚度时，车辙量随着沥青层厚度的增加而相对增大，当超过此临界厚度时，沥青层厚度的增加不会使车辙无限制增大，无须担心由于沥青层厚度的增加而使车辙量变大。

研究也表明，在荷载作用下，半刚性基层沥青路面结构内产生的最大剪应力在路面深度4～6 cm处，该深度刚好处在沥青路面的沥青层厚度范围内，因此可以认为半刚性基层沥青路面的车辙变形主要局限于沥青层内，这也被大量调查所证实。另外力学分析表明，车载作用下引起的路面结构内最大剪应力的大小也与层间模量比有关。面层与基层之间模量差别太大，路面结构内的剪应力增大，反而易出现车辙，这可能也是我国半刚性基层沥青路面车辙变形较大的原因之一。

6.气候条件

气候条件主要包括气温、日照、热流、辐射、风、雨等。其中除了湿度对沥青混合料高温性能的影响机理不同外，其他因素归结起来都反映在温度上，而这也是影响最为显著的因素。当然日照造成的沥青老化也会影响沥青混合料的高温性能。黑褐色的沥青混合料具有较强的吸热能力，而整个路面又构成了一个巨大的温度场，由于热量的大量聚集、蓄积，使得路面温度不断升高，这也是在夏季沥青路面的温度远高于气温的重要原因。

由于热量难以从沥青路面中散出，沥青路面长时间处于高温状态，在外部荷载的作用下就很容易产生流动变形，从而形成拥包、车辙。有资料表明，在40～60℃范围内，沥青混合料的温度上升5℃，其变形将增加2倍。尤其是在钢箱梁的桥面铺装上，由于箱内空气的流通性很差，箱内温度比箱外可能要高30℃，使沥青层的温度达到70℃以上，极易出现车辙。因此应采取可能的措施，降低路面温度。例如，用浅色的石料、种植行道树、改善路面的通风等，将有利于提高沥青路面的高温稳定性。研究表明，路面在潮湿状态下，沥青混合料的水敏感性增大，同时高温稳定性降低。尽管下雨能使路面温度下降5℃左右，但有水状态比干燥状态更容易产生车辙。

7.交通条件

交通条件对沥青路面高温性能的影响可以归结为荷载轮胎气压、行车速度、车流渠化等。荷载对沥青路面高温车辙的影响是不言而喻的，车辆荷载越大，车辙产生的可能性越大，特别是重载车、超载车对沥青路面的变形起到了加速作用。根据美国AASHTO环路试验，车辆对路面的破坏作用与载重的n次方成正比。

有研究表明，对常见的典型沥青路面结构，当轮载增加50%时，所产生的车辙为正常荷载作用下（0.7 MPa）的2倍。按此规律推算，在超载的条件下，仅需要正常轴载作用下累计轴次的50%左右，就可使路面达到塑性变形的极限状态。随着进一步研究发现，超载的破坏作用还与荷载作用时间、车辆加减速及制动时的水平力有关。据有关资料分析，超载作用时间由0.01 s延长至0.02 s，路面塑性变形将在超载引起增量的基础上再增加30%左右；车辆在沥青路面正常行驶过程中，摩擦系数一般为0.01～0.05，而在制动或驱动过程中则增至0.5～1.0，即水平摩擦力增加了几十倍，在路面中引起更大的剪应力，进而造成“马蹄形”推移裂缝。

行车速度对沥青路面永久变形的影响，主要反映在荷载的持续时间上。车辆行车速度越慢，荷载作用时间越长，黏弹性的沥青混合料不可恢复的黏性变形越大，相同交通量所引起的路面永久变形越大。这种情况主要出现在停车场、车站、交叉路口、爬坡车道、收费站以及其他交通拥挤的地方。在同一条公路上，严重车辙往往发生在纵坡较大的路段，这有两个方面的原因：①汽车行驶在长大纵坡路段处，车辆行驶速度降低，荷载作用时间长；②汽车荷载自重引起的面层内部的剪切分量随着纵坡的增大而增大，导致路面出现严重的永久变形。

渠化交通使车辆荷载反复作用于轮迹带上，加速沥青路面凹陷变形，形成与轮距相近的两个辙槽。这也是渠化交通特点明显的高速公路车辙比较严重的原因。

8.其他因素

目前，国内高速公路沥青混凝土路面施工基本上全部采用大型设备，质量有较好的保证，但在施工过程中，仍然有许多地方存在问题，导致出现质量隐患。各种原因引起的路面压实不足，如片面追求平整度，导致路面压实度降低；混合料运输距离过长或运输时未覆盖，温度离析等，致使混合料难以压实。路面压实不足会在交通荷载作用下产生压实性车辙。