瀝青路面車轍研究.ppt

瀝青路面車轍研究,長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 （教授 博士生導(dǎo)師） 王選倉(cāng) 2010.12,主要內(nèi)容,1.瀝青路面車轍現(xiàn)象及分類,1.1 車轍定義及現(xiàn)象 1.2 車轍損壞情況調(diào)查 1.3 瀝青路面車轍危害 1.4 車轍分類,在高溫和渠化交通的作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)的永久變形。這種變形主要發(fā)生在高溫季節(jié)。半剛性基層瀝青路面在重載交通條件下，車轍主要發(fā)生在瀝青面層。,1.1車轍定義及現(xiàn)象,上世紀(jì)70年代美國(guó)的調(diào)查表明：在州際和主要公路上車轍所致的路面損害約占30%；80年代日本的調(diào)查表明：由于車轍所引起的路面損害高達(dá)80%。 國(guó)內(nèi)隨著高速公路的建設(shè)，不同省份的瀝青路面都出現(xiàn)了車轍。,車轍產(chǎn)生的背景和現(xiàn)象,1998年通車的沈陽山海關(guān)高速公路2年后就出現(xiàn)了較嚴(yán)重車轍； 1999年10月通車的北京秦皇島高速公路，2000年7月份就出現(xiàn)了斷斷續(xù)續(xù)的車轍； 2000年通車的機(jī)荷高速公路，在2003年7月出現(xiàn)了嚴(yán)重車轍，車轍最大深度達(dá)8cm，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)要求的1.5cm； 2003年通車的鄭少高速公路，在通車不到半年就相繼出現(xiàn)了車轍，在上坡路段最大車轍深度達(dá)10cm。,1.2 路面結(jié)構(gòu)車轍損壞情況調(diào)查,1.3 瀝青路面車轍的危害,(1) 路面整體變形嚴(yán)重，平整度下降； (2) 雨天路表排水不暢，造成轍槽積水，影響高速行車的安全； (3) 路面結(jié)構(gòu)層減薄，削弱面層及路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，誘發(fā)其他病害； (4) 車輛在超車或更換車道時(shí)方向失控，影響車輛行駛的安全性。,路面平整度下降,轍槽積水,路面結(jié)構(gòu)層減薄,車輛操作失控,在車輪荷載作用下，瀝青層內(nèi)部材料橫向流動(dòng)，產(chǎn)生側(cè)向位移,失穩(wěn)型,路面結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下產(chǎn)生整體永久變形,結(jié)構(gòu)型,上面層在車輪磨耗和自然環(huán)境因素作用下持續(xù)不斷的損失而形成,磨耗型,1.4 車轍分類,當(dāng)路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，車輛行駛時(shí)，輪胎磨耗路表而產(chǎn)生此類車轍，車轍深度一般在5mm以內(nèi)。,1.4.1 磨耗型車轍,荷載作用超過路面層的強(qiáng)度，車轍主要發(fā)生在包括面層、基層及路基在內(nèi)的各結(jié)構(gòu)層的永久變形。,1.4.2 結(jié)構(gòu)型車轍,結(jié)構(gòu)型車轍的產(chǎn)生主要與路面的整體結(jié)構(gòu)變形有關(guān)： （1）路基施工過程中壓實(shí)度不足，道路運(yùn)營(yíng)期內(nèi)產(chǎn)生進(jìn)一步壓實(shí)； （2）粒料類基層嵌擠效果差； （3）面層施工時(shí)低溫碾壓，造成壓實(shí)度不足。,對(duì)于半剛性基層主要是由于瀝青混合料結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而致；含有柔性基層的瀝青路面也與基層和土基的不穩(wěn)定有關(guān)。因此，失穩(wěn)型車轍又可分為面層失穩(wěn)型、基層失穩(wěn)型和路基失穩(wěn)型。（車轍槽寬）,1.4.3 失穩(wěn)型車轍,（1）面層失穩(wěn)型,路面在高溫重載條件下瀝青以及瀝青與礦粉形成的膠漿流動(dòng)，促使混合料發(fā)生側(cè)向流動(dòng)，路面受載處被壓縮，厚度變薄。,（2）基層失穩(wěn)型,基層承載力不夠或水穩(wěn)性差，導(dǎo)致基層材料流動(dòng)變形，路面下陷。這類車轍的主要特征是車轍內(nèi)常伴有唧漿現(xiàn)象。,（3）路基失穩(wěn)型,路基壓實(shí)度不足或填料選擇不當(dāng)，導(dǎo)成不均勻沉降。這類車轍的主要特征是車轍內(nèi)有縱向裂縫。,2 瀝青路面車轍檢測(cè)評(píng)價(jià),2.1 瀝青路面車轍評(píng)價(jià)指標(biāo) 2.2 國(guó)外車轍性能試驗(yàn)方法 2.3 瀝青路面車轍現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法,2.1 瀝青路面車轍評(píng)價(jià)指標(biāo),2.1.1 動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)（DS） 2.1.2 變形量指標(biāo)(RD) 2.1.3 相對(duì)變形率指標(biāo)() 2.1.4 車轍率指標(biāo),動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)采用45 min的變形和60min的變形來計(jì)算，此時(shí)車轍發(fā)展曲線已基本進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展的直線階段，清楚地反映了瀝青混合料高溫條件下流動(dòng)變形的發(fā)展趨勢(shì)。,2.1.1 動(dòng)穩(wěn)定度（DS）指標(biāo),計(jì)算公式如下：,式中： DS瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度（次/min） t荷載作用時(shí)間，一般為試驗(yàn)開始45min60min之間的15min； d 試件在荷載作用時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的變形（mm）； C1 試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)；C2 試件系數(shù)； N 試驗(yàn)輪往返碾壓速度，一般為42次/min 。,不足之處： 計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度利用車轍試驗(yàn)最后15min內(nèi)的微小形變，一些改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度很高，有的接近10000次/mm，15min內(nèi)產(chǎn)生0.06 mm左右的車轍，這樣微小的變形，對(duì)位移測(cè)量?jī)x器的精度要求很高，試驗(yàn)結(jié)果受傳感器精度的影響較大； 沒有考慮初始變形，有時(shí)用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)與60min時(shí)的車轍變形量指標(biāo)比較不同瀝青混合料的高溫性能時(shí)，會(huì)得出相反的結(jié)論，而初始變形本身就是一種車轍形式，且在車轍試驗(yàn)的總變形量中占有較大比例，不將車轍試驗(yàn)中的初始變形考慮在內(nèi)是不全面的。,在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)(一般為60min)產(chǎn)生的變形總量，單位為mm。 特點(diǎn)：直觀簡(jiǎn)單，考慮了試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的所有累積變形，但沒有反應(yīng)出車轍發(fā)展趨勢(shì)。 不足之處： 60min車轍試驗(yàn)的時(shí)間較短，荷載作用次數(shù)較少，此時(shí)的變形量并不能為瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性給出正確評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)車轍發(fā)展趨勢(shì)才是最重要的。,2.1.2 變形量指標(biāo)(RD),相對(duì)變形率指標(biāo)是指在規(guī)定作用次數(shù)、時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的變形與試件總厚度的比值，其試驗(yàn)次數(shù)根據(jù)實(shí)際交通荷載和瀝青混合料使用要求不同而不同。 適用于加速加載、大型環(huán)道、漢堡車轍等試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。,2.1.3 相對(duì)變形率指標(biāo)(),不足之處： 用于評(píng)價(jià)室內(nèi)1 h的車轍試驗(yàn)并不合適，車轍試驗(yàn)的目的是用較簡(jiǎn)單的試驗(yàn)方法和較短的試驗(yàn)時(shí)間，觀察瀝青混合料高溫條件下車轍的發(fā)展趨勢(shì)，相對(duì)變形率指標(biāo)無法反映出這一趨勢(shì)。,美國(guó)SHRP計(jì)劃中提出了車轍率指標(biāo)，瀝青混合料的高溫性能，這種評(píng)價(jià)指標(biāo)在變形率指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加了荷載輪與試塊間的接觸應(yīng)力參數(shù)，考慮了壓力的影響。 不足之處： 它將瀝青混合料的高溫抗車轍性能與壓力的關(guān)系看成線性關(guān)系，大量的室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐都已經(jīng)證明，這與實(shí)際情況是不符的。,2.1.4 車轍率指標(biāo),2.2 國(guó)外車轍性能試驗(yàn)方法,2.2.1 瀝青路面分析儀(APA) 2.2.2 漢堡試驗(yàn)機(jī) 2.2.3 法國(guó)車轍試驗(yàn)機(jī)(LCPC試驗(yàn)機(jī)),試驗(yàn)的加載方式為將445 N的荷載作用在氣壓為690kPa的壓力膠管上，壓力膠管壓在試件表面。施加在壓力膠管上的鋁制輪軸，試驗(yàn)時(shí)在膠管上前后循環(huán)作用8000次。,APA試驗(yàn)加載循環(huán)次數(shù)與車轍深度關(guān)系,APA車轍深度與WesTrack試驗(yàn)路車轍深度關(guān)系,2.2.1 瀝青路面分析儀(APA),APA試驗(yàn)儀器圖,西部環(huán)道研究項(xiàng)目測(cè)試了一些西部環(huán)道試驗(yàn)路瀝青混合料的性能。對(duì)比路面實(shí)際發(fā)生的車轍深度和相應(yīng)的APA試驗(yàn)預(yù)測(cè)的瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性令人滿意。 綜合來看APA試驗(yàn)方法很有希望在近期被采納為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。,2.2.1 瀝青路面分析儀(APA),漢堡試驗(yàn)機(jī)由德國(guó)漢堡的Helmut-Wind公司開發(fā)研制。在德國(guó)，漢堡試驗(yàn)機(jī)被用于評(píng)價(jià)交通量很大的瀝青路面抵抗車轍和剝落的能力。 試驗(yàn)時(shí)試件浸沒在2570的恒溫水浴中，其中50是比較常用的試驗(yàn)溫度。通過對(duì)一個(gè)可以在試件表面前后運(yùn)動(dòng)的寬度為47mm的鋼輪施加大小為705N的垂向作用力作為荷載。當(dāng)試件加載達(dá)到20000個(gè)加載循環(huán)或試件表面的車轍深度達(dá)到20mm時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中鋼輪的運(yùn)行速度為340m/s。,2.2.2 漢堡試驗(yàn)機(jī),漢堡車轍試驗(yàn)圖,漢堡車轍試驗(yàn)曲線,WesTrack試驗(yàn)路與漢堡試驗(yàn)車轍深度關(guān)系,西部環(huán)道研究項(xiàng)目在西部環(huán)道試驗(yàn)路上對(duì)粗級(jí)配瀝青混合料的抗車轍性能進(jìn)行了研究。瀝青混合料的實(shí)際路面車轍深度和實(shí)驗(yàn)室漢堡試驗(yàn)車轍深度，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.756,相關(guān)性很好。漢堡試驗(yàn)也很有希望被采納作為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。,FRT試驗(yàn)的加載通過對(duì)一個(gè)可以在試件表面來回運(yùn)動(dòng)的寬90mm、氣壓為600kPa的輪胎施加大小為5000N的垂向荷載來實(shí)現(xiàn)。 試驗(yàn)過程中輪胎每秒鐘在試件中心位置來回碾壓兩次。FRT試驗(yàn)的車轍深度定義為試件變形量占試件起始厚度的百分比。 在法國(guó),可以接受的瀝青混合料的車轍深度通常是經(jīng)過FRT試驗(yàn)機(jī)30000個(gè)加載循環(huán)碾壓之后車轍深度小于或等于試件原始厚度10%的瀝青混合料。,2.2.3 法國(guó)車轍試驗(yàn)機(jī)(LCPC試驗(yàn)機(jī)),法國(guó)LCPC 輪轍儀,有多種試驗(yàn)方法用于預(yù)測(cè)瀝青路面出現(xiàn)車轍的可能,現(xiàn)有的試驗(yàn)方法中APA、HWTD以及FRT共3種輪碾試驗(yàn)方法最有可能被廣泛采用作為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。 選擇這3種試驗(yàn)方法主要是基于以下幾點(diǎn)考慮： (1)設(shè)備的可操作性； (2)試驗(yàn)成本； (3)試驗(yàn)周期； (4)QC/QA標(biāo)準(zhǔn)的適用性； (5)歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的可靠性。 但是在使用這些試驗(yàn)方法之前還需要先確定一些適合當(dāng)?shù)貫r青路面材料特性的經(jīng)驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)。,2.3 瀝青路面車轍現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法,2.3.1 超聲波檢測(cè)技術(shù) 2.3.2 激光檢測(cè)技術(shù) 2.3.3 數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù) 2.3.4 車轍檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),利用橫斷面方向安裝的一定數(shù)量的超聲波傳感器完成車轍的檢測(cè)，路面檢測(cè)的寬度小于傳感器檢測(cè)梁的寬度。因超聲波傳感器集發(fā)射與接受于一體，傳感器的安裝要求嚴(yán)格，且傳感器易受環(huán)境影響。,超聲波檢測(cè)原理圖,2.3.1 超聲波檢測(cè)技術(shù),利用橫斷面方向按一定間距安裝的激光傳感器完成車轍的檢測(cè)，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的一種自動(dòng)車轍檢測(cè)技術(shù)。,激光傳感器檢測(cè)位移原理圖,2.3.2 激光檢測(cè)技術(shù),激光檢測(cè)技術(shù)的主要特點(diǎn)是非接觸、檢測(cè)速度快、精度高。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)車轍的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，主要采用了在橫斷面方向布設(shè)多個(gè)激光探頭的檢測(cè)技術(shù)和最新研制開發(fā)的激光轉(zhuǎn)鏡掃描技術(shù)，但通常設(shè)備的引進(jìn)費(fèi)用較高。對(duì)國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)而言，研究開發(fā)適合國(guó)內(nèi)行情的路面車轍檢測(cè)設(shè)備迫在眉睫。 近年來，國(guó)內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和高等院校相繼開展了路面橫斷面車轍快速檢測(cè)的研究開發(fā)工作，取得了一些研究成果。長(zhǎng)安大學(xué)自主開發(fā)了集裝傳感器組成的多探頭路面車轍檢測(cè)系統(tǒng)。,伸縮結(jié)構(gòu)車轍檢測(cè)系統(tǒng),車轍檢測(cè)車,多功能檢測(cè)車,數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)是近幾年國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快的一種車轍自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，受車輛振動(dòng)影響較小。,數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)原理圖,2.3.3 數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù),高速公路的發(fā)展，對(duì)路面檢測(cè)手段提出了更高的要求，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為瀝青路面車轍的自動(dòng)檢測(cè)提供了重要的手段。瀝青路面車轍自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)趨于明朗，其未來發(fā)展必將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)： （1）快速、實(shí)時(shí)化； （2）高精度、高穩(wěn)定性； （3）經(jīng)濟(jì)性、人性化； （4）多功能、集成化； （5）智能化、標(biāo)準(zhǔn)化,2.3.4 車轍檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),3 瀝青路面車轍的形成機(jī)理,瀝青路面的車轍起因于瀝青混合料的粘滯流動(dòng)、土基與基層的變形，并包括一定程度的壓實(shí)作用和材料磨耗。在壓實(shí)良好的半剛性基層瀝青路面中車轍主要來源于瀝青面層材料的磨損和粘性流動(dòng)變形。,面層材料磨損,混合料流動(dòng)變形,瀝青混凝土路面在行車反復(fù)作用下的車轍發(fā)展,車轍的形成過程動(dòng)態(tài)演示,車轍的形成機(jī)理，可從以下幾個(gè)方面分析。 3.1 材料組成 3.2 荷載條件 3.3 溫度因素,3.1 材料組成,3.1.1 混合料組成 3.1.2 混合料類型,（1）瀝青用量,3.1.1混合料組成,瀝青在車轍的形成過程中起著至關(guān)重要的作用，瀝青用量過大會(huì)使路面極易出現(xiàn)車轍，因此要嚴(yán)格控制混合料瀝青用量。如上圖所示，瀝青用量不得超過最佳設(shè)計(jì)用量的0.5%,但對(duì)于SMA或聚酯纖維瀝青混合料這類摻加纖維的混合料，則應(yīng)適當(dāng)提高混合料的瀝青用量。,（2）瀝青膜厚度,為保證瀝青混合料粒料之間的粘結(jié)，集料顆粒表面必須要存在一定厚度的瀝青膜，但是瀝青用量過大時(shí)，集料之間無發(fā)有效嵌擠，形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，因此瀝青膜厚度必須滿足規(guī)定。,（3）集料級(jí)配,混合料內(nèi)部集料的流動(dòng)是導(dǎo)致車轍發(fā)生的重要原因，級(jí)配不合理，特別是細(xì)集料偏多，材料的流變特性明顯。 在集料級(jí)配中，4.75mm以上粒徑的集料在抵抗車轍的過程中發(fā)揮主要作用，因此在配合比設(shè)計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格控制粒徑在475mm以上的集料用量，同時(shí)限制粒徑在0.075mm以下礦粉的用量。,密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)級(jí)配曲線,（4）主骨料粒徑,混合料的抗車轍性能主要來源于粗集料之間的嵌擠作用形成骨架，再由細(xì)料填充孔隙，主骨料作為混合料中的主要骨架，其粒徑大小對(duì)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度影響明顯。,室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，不同主骨料粒徑動(dòng)穩(wěn)定度變化規(guī)律如下：,（1）懸浮密實(shí)性 這種結(jié)構(gòu)通常按密實(shí)級(jí)配原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，其密實(shí)度與強(qiáng)度較高，水穩(wěn)定性、低溫抗型性能、耐久性都比較好，是最普遍使用的瀝青混合料。但由于受瀝青材料的性質(zhì)和物理狀態(tài)的影響較大，故高溫穩(wěn)定性較差。我國(guó)規(guī)范規(guī)定的型密級(jí)配瀝青混凝土是典型的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，型及抗滑表層瀝青混合料雖然基本上也是按照連續(xù)級(jí)配的原則設(shè)計(jì)的，但空隙率大都大于5，實(shí)際上是一種懸浮的半密實(shí)式瀝青混合料。,3.1.2 混合類型料,（2）骨架空隙型,瀝青混合料的粗顆粒集料彼此緊密相接，石料與石料能夠形成互相嵌擠的骨架。當(dāng)較細(xì)粒料數(shù)量較少，不足以充分填充骨架空隙時(shí)，混合料中形成的空隙較大，這種結(jié)構(gòu)是按嵌擠原則構(gòu)成的。在這種結(jié)構(gòu)中，粗集料之間內(nèi)摩擦力與嵌擠力起著決定性作用。其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受擴(kuò)青的性質(zhì)和物理狀態(tài)影響較小，因而高溫穩(wěn)定性較好。但由于空隙率較大，其透水性、耐老化性能、低溫抗裂性能、耐久性較差。我國(guó)規(guī)范中的半開式瀝青碎石混合料及排水性瀝青混合科(OGFC)是典型的骨架空隙結(jié)構(gòu)。,（3）密實(shí)骨架型,綜合前面兩種方式組成的結(jié)構(gòu)，一方面混合科中有足夠數(shù)量的粗集料形成骨架。又根據(jù)粗集料骨架的空隙的多少加入足夠的較細(xì)的瀝青填科，形成較大的密實(shí)度和較小的殘余空隙率，因此礦科級(jí)配是一種非連續(xù)的間斷級(jí)配。這種結(jié)構(gòu)兼?zhèn)渖鲜鰞煞N結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的結(jié)構(gòu)類型。瀝青瑪蹄脂碎石混合科(SMA)是典型的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。,3.2 荷載條件,3.2.1 荷載等級(jí) 3.2.2 荷載作用時(shí)間,由于高溫剪應(yīng)力產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍，說明隨著軸載的增加，剪應(yīng)力峰值的分布范圍由表面層向中面層轉(zhuǎn)移，使產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍的深度增加，中面層更容易產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍，其次為表面層，再次為下面層。因此，承受重載慢速交通要求瀝青混凝土有較好的抗車轍能力，即車速愈慢，要求瀝青混凝土的抗車轍能力愈大。,3.2.1 荷載等級(jí),根據(jù)時(shí)間-溫度換算效應(yīng)，瀝青混合料作為一種粘彈性材料,遵從流變學(xué)的一般規(guī)律,按照流變學(xué)的波茲曼(Boltzmann)疊加原理,每次汽車荷載通過的作用可以按荷載作用時(shí)間疊加,每一輛車的荷載不同也需疊加,相當(dāng)于提高了路面的瞬時(shí)溫度,從而導(dǎo)致車轍的出現(xiàn);同時(shí)輪胎與路面之間的摩擦熱亦將增大路面溫度,導(dǎo)致瀝青混合料的勁度模量降低,加速了車轍的產(chǎn)生。,3.2.2 荷載作用時(shí)間,3.3 溫度影響,3.3.1 高溫 3.3.2 溫度持續(xù)時(shí)間 3.3.3 路面溫度影響因素,高溫條件下瀝青混合料內(nèi)的瀝青結(jié)合料呈流動(dòng)狀態(tài)，在骨料空隙間起到潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致混合料內(nèi)部材料的流動(dòng)，引起路面結(jié)構(gòu)變形，形成車轍。,3.3.1 高溫,瀝青混合料變形隨溫度的變化規(guī)律,瀝青路表高溫很容易與大氣發(fā)生熱交換，高溫持續(xù)時(shí)間短，而瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)小，內(nèi)部高溫不易與大氣發(fā)生熱交換，內(nèi)部的高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于具有粘彈塑性的瀝青混合料，其形變與高溫持續(xù)時(shí)間成正比，因此長(zhǎng)時(shí)間的高溫持續(xù)作用更容易導(dǎo)致車轍的發(fā)生。,3.3.2 溫度持續(xù)時(shí)間,瀝青混合料變形隨時(shí)間的變化規(guī)律,（1）氣溫 （2）光照條件 （3）風(fēng)速 （4）粒料類型 （5）基礎(chǔ)導(dǎo)熱條件,3.3.3 路面溫度影響因素,3.4 車轍變形力學(xué)分析,3.4.1 瀝青混合料力學(xué)模型 3.4.2 車轍變形預(yù)估,在外荷載作用下，瀝青混合料的應(yīng)力、應(yīng)變特性比較復(fù)雜它的變形大多數(shù)處于粘彈性狀態(tài)，可以用Burgers模型來描述它的這種應(yīng)力、應(yīng)變行為。 Burgers模型是由一組Maxwell模型E1,1及一組Kelvin模型E2,2串連組成 。,Burgers模型,3.4.1 瀝青混合料力學(xué)模型,徐變方程：,瀝青混合料的蠕變勁度模量：,車轍試驗(yàn)試件在經(jīng)受加載和卸載的過程中，其應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖如下所示：,3.4.2 車轍變形預(yù)估,通過對(duì)試件的不斷加載和卸載試驗(yàn)，得到車轍試驗(yàn)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，當(dāng)采用Burgers模型計(jì)算車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度與1接近正比關(guān)系，與試件厚度、輪載應(yīng)力成反比關(guān)系，動(dòng)穩(wěn)定度預(yù)估公式如下：,4 瀝青路面車轍影響因素,4.1 交通條件 4.2 路面溫度 4.3 路面材料 4.4 路面結(jié)構(gòu),4.1 交通條件,4.1.1 行車荷載 4.1.2 交通量 4.1.3 交通渠化程度 4.1.4 荷載作用時(shí)間和水平力,軸載次數(shù)1000,車轍深度隨輪壓、軸載的變化規(guī)律,4.1.1 行車荷載,不同比例超重車作用下的車轍,根據(jù)車轍預(yù)估公式，對(duì)半剛性基層瀝青路面車轍深度進(jìn)行預(yù)估，得上表結(jié)果。車輛中若含有超重車，將對(duì)路面車轍產(chǎn)生較大的影響。超重車超重量及含量的增加都會(huì)引起車轍量的加大，增加量隨超重車軸重的增加而增加。,渠化交通引起車轍顯著增長(zhǎng),而混合料交通車轍增加較慢是因?yàn)榛旌辖煌ㄐ问?荷載作用面較寬,變性面較大,從而產(chǎn)生的車轍就較少。而渠化交通則相反,因而產(chǎn)生的車轍就較多。,4.1.3交通渠化程度,4.1.2 交通量,位于重載交通的長(zhǎng)大縱坡和交叉口路段，由于車速緩慢以及車輛的頻繁制動(dòng)，會(huì)延長(zhǎng)車輛荷載作用時(shí)間，增大路面結(jié)構(gòu)承受的水平力，極易引起路面結(jié)構(gòu)層間推移，改變路面結(jié)構(gòu)的原有受力狀態(tài)，產(chǎn)生車轍變形。,4.1.4 荷載作用時(shí)間和水平力,高速公路坡度與貨車速度關(guān)系調(diào)查表,超重載貨車在上坡路段的速度一般為20km/h，車輛如果以100 km/h速度行使，對(duì)路面瀝青層的作用時(shí)間約為0.02s，如果行使速度只有20 km/h，則對(duì)路面瀝青層的作用時(shí)間約為0.1s。過長(zhǎng)的作用時(shí)間對(duì)瀝青路面產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。,4.2 路面溫度,車轍對(duì)溫度很敏感，溫度升高，瀝青路面的高溫穩(wěn)定性大大降低，車轍將十分嚴(yán)重。在夏季，炎熱的南方地區(qū)路面中的瀝青面層混合料容易顯示不穩(wěn)定，而涼爽的北方地區(qū)同樣的混合料就存在這類問題。,溫度由40上升至60，動(dòng)態(tài) 蠕變?cè)囼?yàn)變形量5增大近1倍,4.3 路面材料,4.3.1 瀝青材料對(duì)車轍的影響 4.3.2 礦料組成及級(jí)配 4.3.3 混合料類型,（1）瀝青軟化點(diǎn)、粘度,瀝青粘度大，軟化點(diǎn)越高， 混合料抗剪切變形能力越強(qiáng)， 混合料抗車轍能力越好。,4.3.1 瀝青材料對(duì)車轍的影響,（2）零剪切粘度,102,103,104,105,106,107,108,101,102,零剪切粘度0，（Pa s）,非改性瀝青 改性瀝青,零剪切粘度（40）與永久變形的關(guān)系,永久變形（mm）,（3）蠟含量,瀝青中蠟的含量對(duì)瀝青的性能有非常大的影響，含蠟量高的瀝青，當(dāng)溫度接近軟化點(diǎn)時(shí)，蠟的熔融會(huì)引起瀝青粘度的明顯降低而使混合料失穩(wěn)。,根據(jù)瀝青混合料的強(qiáng)度理論，瀝青混合料的強(qiáng)度由兩部分組成:瀝青與礦料之間的粘結(jié)力和礦料之間內(nèi)摩擦力。內(nèi)摩擦力主要通過嵌擠形成的。通常認(rèn)為，瀝青混合料的高溫抗車轍能力60%是依靠集料的嵌擠能力。因此，集料的級(jí)配對(duì)瀝青路面的車轍有重大影響。,4.3.2 礦料組成及級(jí)配,密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)為連續(xù)型密級(jí)配，細(xì)料多，粗料少且相互之間未接觸，不能形成骨架 ，粘結(jié)力較高而內(nèi)摩阻力小，受瀝青性質(zhì)影響較大，高溫穩(wěn)定性差，路面易產(chǎn)生車轍。,骨架空隙結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)為連續(xù)型開級(jí)配，空隙率較大，粗料多，可以 形成骨架，但殘余空隙率較大，粗料骨架作用明顯，受 瀝青性質(zhì)影響較小，高溫穩(wěn)定性強(qiáng)。,4.3.3 混合料類型,密實(shí)骨架結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)采用間斷級(jí)配，有一定量的粗集料形成骨 架，又根據(jù)殘余空隙的多少加入細(xì)集料，故其密實(shí)度 較高粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力都比較高，高溫穩(wěn)定性好。,車轍主要是由于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足引起的，而混合料的高溫穩(wěn)定性主要是依靠骨料之間的摩阻力來保證的，當(dāng)細(xì)料含量過多，未形成骨架時(shí)，混合料的高溫性能就受到嚴(yán)重影響。,4.4 路面結(jié)構(gòu),4.4.1 路面結(jié)構(gòu)組合 4.4.2 層間結(jié)合條件,（1）瀝青層厚度,瀝青層厚度(mm),車 轍 率 (mm/msa),0,100,200,300,400,0.1,1,10,100,1000,瀝青層厚度對(duì)車轍率的影響,當(dāng)瀝青層厚度小于18cm時(shí)，隨瀝青厚度的增加，瀝青路面車轍率顯著增加,當(dāng)瀝青層厚度超過18cm時(shí)，車轍率與瀝青厚度之間的關(guān)系不再明顯,由上圖可知,4.4.1 路面結(jié)構(gòu)組合,（2）基層類型,不同的基層類型影響瀝青面層的受力、變形等，基層頂面不同的壓應(yīng)力對(duì)車轍的影響也有所差異。,典型路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 不同層間接觸狀態(tài)路面結(jié)構(gòu)層最大剪應(yīng)力排序?yàn)椋?完全連續(xù)部分連續(xù)完全光滑。,4.4.2 層間結(jié)合條件,路面結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度與車轍變形的關(guān)系，如下圖所示。,5 瀝青路面車轍綜合防治技術(shù),5.1 車轍預(yù)防 5.1.1 設(shè)計(jì)方面 5.1.2 施工方面 5.1.3 管理方面 5.2 車轍治理,5.1.1 設(shè)計(jì)方面,（1）材料組成設(shè)計(jì) （2）路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 規(guī)范規(guī)定的車轍指標(biāo) 瀝青選擇 級(jí)配設(shè)計(jì) 混合料選擇,（1）材料組成設(shè)計(jì),規(guī)范規(guī)定的車轍指標(biāo) 各國(guó)根據(jù)本國(guó)的氣候、交通等具體條件，提出了各自的容許車轍標(biāo)準(zhǔn)，如下表所示 。,（1）材料組成設(shè)計(jì),我國(guó)公路瀝青路面施工規(guī)范（JTG F40-2004）規(guī)定了公路瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的技術(shù)要求。,我國(guó)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D502004 ）規(guī)定了C級(jí)及C級(jí)以上公路的表面層和中面層的動(dòng)穩(wěn)定度 。,橡膠（粉）瀝青混合料高溫性能要求,廢胎膠粉瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南規(guī)定了橡膠（粉）瀝青混凝土高溫性能要求。,瀝青選擇,各類瀝青路面選用的瀝青標(biāo)號(hào),熱區(qū)選用稠度高、60粘度大的瀝青，寒區(qū)選用稠度低、低溫延度大的瀝青。 表面層選用高溫、低溫性能均好，并耐老化的瀝青；中面層選用熱穩(wěn)性好的瀝青，底面層選用抗疲勞，熱穩(wěn)性好的瀝青或選用稠度高一級(jí)的瀝青。 當(dāng)交通量為D級(jí)及D級(jí)以上時(shí)，可適當(dāng)提高瀝青的技術(shù)要求。,改性瀝青技術(shù)指標(biāo), 級(jí)配設(shè)計(jì),瀝青混合料的高溫抗車轍能力有60%依賴于礦料級(jí)配的嵌擠作用，瀝青結(jié)合料則提供40%的抗車轍能力。 因此將面層集料向形成緊密嵌擠骨架結(jié)構(gòu)靠近，采用“抬頭平尾”的骨架密實(shí)型級(jí)配，它不僅有較高的抗車轍能力和較小的空隙率，而且構(gòu)造深度大，能滿足抗滑的需要。, 混合料選擇,瀝青面層內(nèi)部高溫剪應(yīng)力沿路面豎向的分布規(guī)律最大剪應(yīng)力發(fā)生在路面表面以下70-90mm處 ，即路面結(jié)構(gòu)的中、下面層處。 針對(duì)最大剪應(yīng)力發(fā)生的位置，可通過改變中、下面層材料類型，提高瀝青路面的抗車轍能力。,以下三種混合料類型經(jīng)本課題組通過室內(nèi)試驗(yàn)并經(jīng)試驗(yàn)路鋪筑驗(yàn)證： a.SEAM改性瀝青混合料 b.聚酯纖維改性瀝青混合料 c.Domix改性瀝青混合料,a. SEAM瀝青混合料,由上述數(shù)據(jù)可知，SEAM（替換量40%）改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與普通瀝青混合料相比有顯著提高。,b. 聚酯纖維瀝青混合料,從車轍試驗(yàn)結(jié)果可看出,聚酯纖維（摻量0.225%）混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯大于無纖維的瀝青混合料,是其動(dòng)穩(wěn)定度的1.6倍,c. Domix 瀝青混合料,從車轍試驗(yàn)結(jié)果可看出, Domix（摻量0.3%）瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯大于不摻抗車轍劑的瀝青混合料,接近其動(dòng)穩(wěn)定度的3倍。,c. Domix 瀝青混合料,硅藻土改性瀝青混合料對(duì)比車轍試驗(yàn)結(jié)果,其他改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果,MAC瀝青SMA混合料對(duì)比車轍試驗(yàn)結(jié)果,環(huán)氧瀝青混合料對(duì)比車轍試驗(yàn)結(jié)果,不同巖瀝青摻量條件車轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,不同瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果匯總表：,（2）路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),重載車轍當(dāng)量計(jì)算 對(duì)于超重載道路，其損壞評(píng)價(jià)指標(biāo)有 ： 路表彎沉指標(biāo) 面層底部拉應(yīng)力指標(biāo) 基底拉應(yīng)力指標(biāo) 車轍指標(biāo) 進(jìn)行重載道路路面設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用多指標(biāo)體系，包括路表彎沉、半剛性基層層底彎拉應(yīng)力及車轍指標(biāo)。,a.以路表彎沉值為設(shè)計(jì)指標(biāo)的軸載換算方法 推薦對(duì)于重載瀝青路面的彎沉等效換算指數(shù)取為5.5；對(duì)于常規(guī)道路仍按規(guī)范取值為4.35。,b.以基層層底彎拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)的軸載換算方法 當(dāng)車輛超載時(shí)，彎拉等效指數(shù)近似為9.0；當(dāng)車輛非超載時(shí)，彎拉等效指數(shù)仍取規(guī)范值為8.0。,c.以車轍為設(shè)計(jì)指標(biāo)的軸載換算方法 對(duì)假定不同軸載對(duì)相同的路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了相同深度的車轍，此時(shí)的加載次數(shù)等效，推薦以車轍為設(shè)計(jì)指標(biāo)的軸載換算指數(shù)為4.5。,當(dāng)軸重小于15t時(shí)，兩種軸載換算方法所得軸載換算系數(shù)的差別很小，兩種方法可以互換。當(dāng)軸重大于15t以后，隨著軸重的增加，兩種軸載換算公式軸載換算系數(shù)的差距越來越大，規(guī)范公式換算系數(shù)要小于本文公式換算系數(shù)，后者平均約為前者的1.5倍。也即，對(duì)于重載道路，若按規(guī)范方法進(jìn)行軸載換算則低估了重載對(duì)路面的疲勞損壞作用。因此，進(jìn)行重載道路路面設(shè)計(jì)時(shí)，推薦用本文換算方法進(jìn)行軸載。, 考慮重載的設(shè)計(jì)方法,現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范適用于單軸軸載小于130KN，雙軸軸載小于220KN的常規(guī)荷載。 在交通特性、荷載圖式及軸載換算方法等研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的提出適合于重載道路的重載瀝青路面設(shè)計(jì)方法。,a.路面設(shè)計(jì)指標(biāo),根據(jù)重載瀝青路面的受力及損壞特點(diǎn)，建議仍以設(shè)計(jì)彎沉值作為路面厚度設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)，以半剛性基層層底彎拉應(yīng)力及車轍(RD)作為檢驗(yàn)指標(biāo)來進(jìn)行，同時(shí)，根據(jù)重載作用下的瀝青路面受力特點(diǎn)，建議對(duì)最大軸載進(jìn)行彎拉應(yīng)力驗(yàn)算。 。,(1)超載汽車為了提高效益，大量采用高強(qiáng)輪胎，并加厚鋼簧，這樣就使得貨車輪胎壓力普遍超過0.7Mpa。 (2) 現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中所使用的計(jì)算荷載圖式為雙輪雙圓、圓中心距等于3倍接地半徑、接地壓力為0.7Mpa的標(biāo)準(zhǔn)荷載圖式。 (3)由重載車輛的作用特點(diǎn)可知，該計(jì)算荷載圖式不可以代表超重載車輛對(duì)路面的作用。,b.重載瀝青路面荷載圖式,不同荷載圖式：,(1)K圖式：雙輪雙圓，圓中心距等于3倍接地半徑，接地壓力為0.7 Mpa（現(xiàn)規(guī)范所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載圖式）。 (2)I圖式：輪壓和接地面積均隨軸載的增加而增加，圓中心距保持不變。 (3)L圖式：接地半徑與圓中心距保持不變，輪壓隨軸重等比例增減。 (4)M圖式：輪壓與圓中心距保持不變，接地半徑隨軸重增加而增加。,根據(jù)我國(guó)道路的實(shí)際情況，采用如下形式： A=0.008P+152 A輪胎接地面積（cm2）； P每一個(gè)輪胎的荷載（N）。,建議荷載圖示：,考慮車轍為指標(biāo)的的路面設(shè)計(jì)方法,對(duì)于半剛性基層瀝青路面，選用車轍和彎沉作為路面設(shè)計(jì)的綜合指標(biāo)體系，并初步確定路面設(shè)計(jì)方法: a. 通過調(diào)查和預(yù)測(cè)，確定道路等級(jí)、使用年限、近期交通量、交通組成和交通量年增長(zhǎng)率； b.選定標(biāo)準(zhǔn)軸載，根據(jù)軸載換算公式，計(jì)算使用末期的累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)； 車轍等效:,4.5,彎沉等效及瀝青面層疲勞等效： 半剛性基層疲勞等效： c.通過室內(nèi)外試驗(yàn)測(cè)出土基、基層和面層材料的回彈模量值。測(cè)定基層、面層材料的斷裂韌度，進(jìn)行瀝青混合料的車轍試驗(yàn)，得到不同荷載作用次數(shù)下的混合料變形量；,5.5,8,d.初擬路面結(jié)構(gòu)；按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以設(shè)計(jì)彎沉為指標(biāo)進(jìn)行瀝青路面厚度計(jì)算，初步確定各結(jié)構(gòu)層厚度； e.根據(jù)所確定的路面疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算路面的疲勞壽命，并與設(shè)計(jì)的累積軸載作用次數(shù)進(jìn)行比較，確定路面結(jié)構(gòu)是否符合要求； f.根據(jù)車轍等效的軸載換算公式計(jì)算得到的累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)，由瀝青混合料車轍試驗(yàn)得到的參數(shù)，按照車轍預(yù)估模型進(jìn)行車轍深度預(yù)估，檢查瀝青混合料是否滿足抗車轍要求；,g.根據(jù)路面疲勞破壞模型和車轍預(yù)估模型，結(jié)合其它路用性能指標(biāo)，分析在路面使用壽命周期可能的路面大修方案，進(jìn)行相應(yīng)的費(fèi)用分析； h.選用不同路面結(jié)構(gòu)組合方案，進(jìn)行路面全壽命周期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，確定最終路面結(jié)構(gòu)方案。,路面結(jié)構(gòu)組合,由分析計(jì)算可知，就路面結(jié)構(gòu)組合而言，影響高等級(jí)道路半剛性路面車轍的主要原因?yàn)闉r青層的厚度以及瀝青層的抗車轍能力。,車轍參數(shù) Wp,10,12.5,15,17.5,20,22.5,10,12,14,瀝青層的厚度H,瀝青層的粘性勁度S,車轍參數(shù) Wp,層間處治措施,加強(qiáng)層間粘結(jié)，可以有效地避免結(jié)構(gòu)層間的推移，保證結(jié)構(gòu)層理想的受力狀態(tài)，防止車轍的產(chǎn)生。本課題組曾在邯武快速通道課題中采用以下處治措施 a.透層油選用PS-P高滲透乳化瀝青； b.下封層采用“兩油一料”處治方案； c.粘層油選用高粘瀝青。,a.透層油滲透效果對(duì)比,PS-P高滲透乳化瀝青的滲透 深度、抗剪強(qiáng)度以及抗拉 強(qiáng)度均優(yōu)于煤油稀釋瀝青,b.下封層效果對(duì)比,“兩油一料”的下封層抗 剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于 “一油一料”和稀漿封