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广肇高速公路沥青路面车辙病害成因分析吴晓龙1,吴传海2,曾小军2(1.广东汕揭高速公路有限公司,广东 揭阳?515556;2.广东华路交通科技有限公司,广东 广州?510420)摘?要:沥青路面的车辙是当前主要的路面结构破坏形式之一。通过对广肇(广州?肇庆)高速公路车辙病害的调查,结合现场检测及室内试验,从路面基层强度、路面施工质量控制及施工变异性、沥青面层混合料高温稳定性等方面,分析了广肇高速公路沥青路面车辙病害成因。关键词:公路;沥青路面;车辙;试验分析中图分类号:U418.6?文献标志码:A?文章编号:1671-2668(2010)01-0112-06?广肇(广州?肇庆)高速公路通车几年以来,局部路段沥青路面出现了较为严重的病害,其中车辙病害尤为严重,一定程度上影响了路面的服务质量,也给道路的营运安全带来了一定的隐患。该文选取广肇高速公路三个典型车辙病害路段即广州方向K23+000?K24+000 段(A 标车辙严重段)、K45+700?K46+700段(C 标车辙严重段)以及 K50+800?K51+800 段(车辙轻微对比段),通过对其进行路面钻芯和开挖,结合室外检测及室内试验查找路面车辙病害的成因,分析其形成机理。1?路面车辙病害分布情况在重载车辆和夏季高温的综合作用下,广肇高速公路通车以来沥青路面出现了严重的车辙破坏。采用美国威林克公司生产的 DYNAT EST MKII B数字式多功能道路检测车中的激光车辙测量系统(LRMS)对全线主车道左、右轮迹的路面车辙情况进行检测(每 2 m 采集一个数据),按每 100 m 统计一个结果。全线主车道和典型路段主车道的路面车辙统计结果如表 1 所示。表 1?主车道路面车辙检测结果路段行车方向轮迹位置百米平均车辙深度(mm)分布长度/km、比例/%1515 2020 25!25车辙深度/mm平均值最大值标准差全线主车道肇庆左轮右轮20.0(63.3)6.7(21.2)4.0(12.7)0.9(2.9)13.347.03.715.659.25.3广州左轮右轮14.4(45.6)10.8(34.2)5.3(16.8)1.1(3.5)13.042.04.413.654.34.9K23+000?K24+000广州左轮0.2(20.0)0.6(60.0)0.2(20.0)0.0(0.0)17.134.23.5右轮0.1(10.0)0.3(30.0)0.4(40.0)0.2(20.0)20.639.64.9K45+700?K46+700广州左轮0.1(10.0)0.7(70.0)0.2(20.0)0.0(0.0)17.232.12.4右轮0.0(0.0)0.0(0.0)0.9(90.0)0.1(10.0)22.636.02.2K50+800?K51+800广州左轮1.0(100.0)0.0(0.0)0.0(0.0)0.0(0.0)11.527.31.4右轮0.7(70.0)0.3(30.0)0.0(0.0)0.0(0.0)13.733.01.8?注:括号内数值为百米平均车辙深度所占的长度比例。112?公?路?与?汽?运?H ighways&Automotive App lications?第 1期2010 年 1 月?由表 1 可知:广肇高速公路全线主车道的总体车辙深度较大,无论上下行方向左、右轮迹带的车辙平均深度都大于 10 mm,其中肇庆方向全线车辙深度平均值达 15.6 mm,局部路段最大车辙深度达到59.2 mm,而广州方向局部车辙最大值也达到 54.3mm;从主车道不同车辙深度路段所占的比例来看,百米平均车辙深度大于 15 mm 的路段的比例,肇庆方向为 36.8%,广州方向为 54.5%;较多路段的车辙深度超出了公路沥青路面养护技术规范#(JTJ073.2-2001)的要求(不大于 15 mm)。2?路面基层强度为查清广肇高速公路路面车辙与路面基层强度间的关系,对所选典型路段的路面基层进行钻芯取样,进行基层芯样无侧限抗压强度试验,试件尺寸为?10 cm 10 cm 的圆柱体,试验结果见表2。表 2?基层无侧限抗压强度试验结果取样桩号试件编号试件位置芯样描述无侧限抗压强度/MPa实测值换算值平均值标准差变异系数/%K23+000?K24+000K23+610-1主左轮迹完整8.476.86K23+610-2主中间完整6.545.30K23+610-3主靠路肩完整6.425.20K23+610-4路肩完整10.658.636.501.6124.8K45+700?K46+700K46+400-1主左轮迹完整3.703.00K46+400-2主中间完整3.522.85K46+400-3主靠路肩完整4.083.31K46+400-4路肩完整4.823.913.270.4714.4K50+800?K51+800K51+615-1主靠路肩完整6.755.47K51+625-1路肩完整6.725.44K51+645-1主靠路肩完整8.767.106.000.9515.8?注:无侧限抗压强度实测值指试件尺寸为?10 cm 10 cm 的圆柱体试验结果;换算值是指根据尺寸效应换算为设计状况下?15 cm 15 cm 圆柱体的无侧限抗压强度,换算系数取 0.81。?从基层钻芯结果来看,各典型路段的路面基层芯样全部为完整胶结状态,其无侧限抗压强度平均值均大于 3 MPa(公路路面基层施工技术规范#对高速公路水泥稳定类基层强度的要求),而车辙轻微对比段路肩基层反而有断裂现象。说明广肇高速公路路面车辙的产生与基层强度没有很好的关联性,这从车辙严重段开挖后的基层断面没有出现明显的结构性变形也能得到验证。对两个典型车辙严重路段按每 10 cm 的间距对开挖后的断面进行厚度测试,结果如表 3、表 4、图 1和图 2 所示。从表3和图1可知:广州方向K23+595车辙表 3?广州方向 K23+595 主车道开挖断面各面层厚度统计结果层位主车道横断面各位置(从左往右)的平均厚度/mm左肩左隆左轮中间右轮右隆右肩各层变形比例/%左轮右轮平均纯压密变形/mm原厚现厚压密上层40.743.033.441.030.239.342.660595941.638.03.6中层55.561.050.659.752.260.056.340193055.956.2-0.3下层55.058.755.060.447.851.352.50221153.854.5-0.7总厚151.2162.7139.0161.1130.2150.7151.4100100100151.3148.72.6?注:假定主车道两侧的路肩位置没有出现任何变形,两路肩厚度均值代表原路面平均厚度,而横断面各位置厚度的平均值代表目前各层平均厚度;各层变形比例以主车道左侧路肩厚度为参考值;下同。113?公?路?与?汽?运?总第 136期?H ighways&Automotive App lications?表 4?广州方向 K46+300 主车道开挖断面各面层厚度统计结果层位主车道横断面各位置(从左往右)的平均厚度/mm左肩左隆左轮中间右轮右隆右肩各层变形比例/%左轮右轮平均纯压密变形/mm原厚现厚压密上层45.042.031.243.033.046.740.078355642.539.43.1下层60.064.056.066.057.073.370.022654465.063.21.8总厚105.0106.087.2109.090.0120.0110.0100100100107.5102.64.9图 1?广州方向 K23+595主车道(三层结构)开挖断面各面层厚度变化情况?图 2?广州方向 K46+300 主车道(两层结构)开挖断面各面层厚度变化情况典型断面(左、右轮迹最大车辙深度分别为 29 mm、30 mm)主车道上、中、下各面层的变形占总变形的比例分别为 59%、30%、11%,表明车辙主要发生在中上面层;纯粹由于沥青混合料的二次压密导致的变形平均仅为 2.6 mm,并且压密变形主要发生在上面层。从表 4 和图 2 可知:广州方向 K46+300 车辙典型断面(左、右轮迹最大车辙深度分别为 21 mm、28 mm)主车道上、下各面层的变形占总变形的比例分别为 56%、44%,表明车辙在上、下面层均有发生;纯粹由于沥青混合料的二次压密导致的变形平均为4.9 mm,且压密变形主要发生在上面层。3?路面施工质量控制及施工变异性沥青路面压实度、空隙率以及混合料的矿料级配和沥青含量等指标是反映路面施工质量控制好坏的几个重要参数。不同的施工方法、工艺水平和管理水平下建成的路面结构,从材料参数到结构厚度都不是一个定值,均具有明显的变异性,而且在一个较大的范围内变化。对所选典型路段(车辙严重与轻微)沥青路面进行现场钻芯、开挖取样以及室内试验分析,试验结果如表 5 所示。表 5?沥青面层体积参数试验结果取样桩号层位实测相对密度/(g%cm-3)实测最大理论密度/(g%cm-3)空隙率/%矿料间隙率/%沥青饱和度/%广州方向 K23+635主车道左轮迹上面层2.4602.4690.3713.497.2中面层2.4512.4811.2012.890.7下面层2.4452.4660.8711.292.3广州方向 K23+635主车道中间上面层2.4362.4691.3514.290.5中面层2.4382.4811.7313.387.0下面层2.4292.4661.4911.887.4广州方向 K23+635主车道靠路肩上面层2.3832.4693.4616.178.5中面层2.4312.4812.0313.685.0下面层2.4412.4661.0111.491.1广州方向 K23+635路肩上面层2.3142.4696.2618.566.2中面层2.3872.4813.7915.174.9下面层2.3902.4663.0913.276.6114?公?路?与?汽?运?H ighways&Automotive App lications?第 1期2010 年 1 月?从表 5 可以看出:在车辙严重的 K23+635 断面,各层沥青砼的空隙率都有明显的减小,其中主车道的左、右轮迹带位置的路面空隙率减小较为明显(假定路肩位置代表原始路面状况),其次为主车道中间位置。可见,车辙严重路段的各层沥青混合料均有不同程度的二次压密,特别是上面层压密明显。另外,由沥青混合料饱和度可知,车辙严重路段上面层沥青饱和度大都在 90%以上,因此路面产生车辙病害时往往会伴随着泛油病害的出现。为进一步了解广肇高速公路路面施工及通车后路面的均匀性,采用无核密度仪对不同典型路段的主车道和路肩上面层进行纵、横断面密度测试。测试时,横断面纵向间距为 50 m,每个横断面主车道布置 3 个点(左、右轮迹和车道中间),路肩均匀布置2 个点。无核密度仪测试结果(已根据沥青混合料的最大理论密度换算成空隙率)如表 6 所示。表 6?典型路段路面无核密度仪密度测试结果路段测试位置无核密度仪测试密度/(g%cm-3)最大值最小值平均值路面空隙率/%标准差变异系数/%K23+000?K24+000主车道左轮2.5152.3822.4431.10.0401.6主车道中间2.5222.1962.4122.30.0783.2主车道右轮2.5512.3572.4441.00.0461.9路肩靠主车道2.4602.3432.4102.40.0351.4路肩靠路缘石2.4562.2722.3873.30.0512.1K50+800?K51+800主车道左轮2.4302.3512.3863.40.0210.9主车道中间2.4032.3302.3694.10.0210.9主车道右轮2.4632.3342.3873.30.0311.3路肩靠主车道2.3972.3162.3534.70.0231.0路肩靠路缘石2.4002.2382.3524.70.0381.6?若以各点路面空隙率变异系数表征路面均匀性,从表 6 可知:车辙轻微对比路段无论是路面的纵向或横向均匀性均比车辙病害路段的好;另外,典型路段路肩位置的空隙率无论最大值或平均值都大于相应的主车道,而主车道中间和左轮位置的路面空隙率又高于相应的右轮迹,这表明除施工控制外,车辆的荷载作用一定程度上造成了路面的压密变形,也是导致路面横向不均匀性的一个重要原因。如果假定沥青砼在压密过程中没有出现流动变形,对于面层厚度为 15 cm 的沥青路面,现场平均空隙率从5%压密到 1%产生的车辙变形约为 6.0 mm。因此,对于广肇高速公路车辙严重的路段(局部断面车辙最大值达 59 mm),混合料的压密变形仅仅占很小的一部分(1 000 次/mm),但相对比较,仅为车表 8?沥青路面混合料车辙试验结果取样位置试件编号变形/mmT1时(45 min)T2时(60 min)动稳定度/(次%mm-1)单值试件平均值 路段平均值K23+595上面层13.1703.2705 04012.7702.9902 2913 66624.5304.8401 62624.6104.9601 4401 53333.3403.5902 01633.3903.6801 7381 8772 359116?公?路?与?汽?运?H ighways&Automotive App lications?第 1期2010 年 1 月?续表 8取样位置试件编号变形/mmT1时(45 min)T2时(60 min)动稳定度/(次%mm-1)单值试件平均值 路段平均值K23+595中面层17.4908.53048518.0909.17046747629.10010.62033229.29010.83032733038.93010.87026038.1909.220489375394K46+300上面层14.8605.2101 44014.9005.3001 2601 35024.1804.5601 32623.7304.0401 6261 47632.5702.7502 80034.9905.1303 6003 2002 009K46+300下面层14.0204.2702 01615.2005.5801 3261 67126.2507.24050924.8205.2001 32691835.5806.14090037.5608.5305207101 100K51+600上面层12.0602.2702 40011.2901.4004 5823 49121.9502.0903 60022.2602.3804 2003 90031.4101.5403 87731.8101.9204 5824 2303 874K51+600中面层11.0701.1605 60011.0601.1505 6005 60021.9402.0703 87721.1801.3004 2004 03932.0102.1105 04031.4001.4905 6005 3204 986?注:车辙试验采用现场路面切割制作的长 300 mm 宽 150 mm 厚 50 mm 板块试件。辙轻微对比段的(3 874 次/mm)一半左右。车辙严重的 K23+595 段 中面 层 动稳 定 度 仅为 394次/mm,60 min 变形最高达 10.87 mm;而 K46+300 段(只有两层)下面层平均动稳定度虽有1 100次/mm(最小为 710 次/mm),但其60 min 最大变形也高达8.53 mm;相反,车辙轻微的 K51+600 段中面层动稳定度高达 4 986 次/mm,而 60min 最大车辙变形仅为 2.110 mm。由此可见,广肇高速公路K23+595(三层)和 K46+300 段(两层)上、中面层混合料的高温稳定性较差,这也是导致这些路段车辙病害严重的重要原因之一。参考文献:1?JT J 073.2-2001,公路沥青路面养护技术规范 S.2?JT G F40-2004,公路沥青路面施工技术规范S.3?JT J052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程 S.收稿日期:2009-11-11117?公?路?与?汽?运?总第 136期?H ighways&Automotive App lications?