沥青路面养护方案：抗车辙翻修设计

车辙是沥青路面结构在交通和高温环境作用下引起的永久变形，翻修方案要结合路面结构在行车荷载与高温条件下的响应进行设计，沥青路面车辙变形是各层永久变形的总和，而各层的永久变形与该结构层处的温度以及所受到的剪应力有关。沥青路面由于受辐射的影响，路面内部的温度要高于外部气温，且在表面下一定深度范围内，不同位置处的温度随气温变化呈现出周期性的变化，但是峰值是逐渐滞后的。由此可知，温度和行车荷载对沥青路面的车辙具有重要影响，如何采取适当的翻修方案是方案设计时应考虑的重点之一，一般可以从以下几方面入手。

1.优选抗车辙性能好的混合料类型

沥青路面面层材料可选用密级配沥青混凝土，如SMA和OGFC。

（1）连续密级配混合料。

连续密级配混合料可以获得最佳的密实度和较大的黏结力，密实性、防渗性、耐久性好，施工控制简单，是我国沥青路面常用的面层材料。但由于采用最大密实理论的连续级配，矿料不能构成最大的内摩阻力，其强度主要受黏结力左右，在现代重型汽车交通荷载作用下，路面可能因热稳性不足而产生车辙、波浪、推移等变形，从而影响路面的正常使用。因此我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）对级配进行了较大的调整，使级配范围变大，根据4.75 mm通过量将混合料划分成粗、细两种类型，该规范建议对于重载、高温地区沥青路面采用粗型级配，并采用改性沥青（如SBS改性沥青）和高模量沥青混合料，或者在沥青混合料中添加抗车辙剂。

（2）SMA混合料。

SMA是由改性沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的马蹄脂填充间断级配的粗集料碎石骨架间隙的混合料，或者说是由互相嵌挤的粗集料骨架和沥青马蹄脂两部分组成的。在SMA中掺加纤维增强剂，对材料要求高，初期投资较大。SMA的组成中，粗集料骨架占70%以上，混合料中粗集料相互之间的接触面（或支撑点）很多，细集料很少，玛蹄脂仅仅填充了粗集料之间的空隙，交通荷载主要由粗集料骨架承受。由于粗集料颗粒之间互相良好的嵌挤作用，沥青混合料能够产生非常好的抵抗荷载变形的能力，即使在高温条件下，沥青玛蹄脂的黏度下降，对这种路面抵抗能力的影响也不会太大，因而有较强的高温抗车辙能力。因此，充分利用集料嵌挤作用提高沥青路面高温抗车辙能力是极其重要的。

另外，由于SMA采用了优质材料和间断级配，混合料的使用性能全面提高，除高温抗车辙能力强之外，还有良好的低温抗裂性能和疲劳耐久性，也具有良好的表面功能，是沥青路面面层首选材料。SMA结构能全面提高沥青混合料和沥青路面的使用性能，减少维修养护费用，延长路面的使用寿命。澳大利亚规范认为其可以延长路面使用寿命50%，欧洲一般认为可延长30%以上。美国佐治亚州使用了SMA面层后，车辙问题减少了40%左右。如果同时使用改性沥青，沥青玛蹄脂的性能将会进一步改善，再使用优质石料，集料的嵌挤作用增强，各种性能会更加优良，尽管初期投资有所增加，总体上却会产生较高的经济效益，但要注意SMA设计与施工控制较难，需要精心设计，在施工过程中需加强施工管理与控制，否则易出现泛油或离析现象。

（3）OGFC混合料。

OGFC混合料采用开级配形式，粗集料能够形成骨架结构，且为了保证矿料之间的黏结性和抗老化性能，一般要求采用高黏度改性沥青，使混合料具有较高的黏结力和内摩擦力，具有显著的高温抗车辙能力。另外，由于该种路面设计空隙率高，地表降水可透过多孔排水沥青表层沿下面层排至两侧泄走，因此使用这种面层不仅有效降低了表面积水引起的雨雾、溅水及眩光，还能使气流顺利消散，使噪声降低3 dB左右。

OGFC沥青路面的耐久性比一般沥青混合料路面要低，主要表现为：OGFC路面在使用一定时间后，空隙会由于灰尘、污物堵塞而减少，排水、吸声效果降低，产生老化、剥落的现象较早。这些问题使得OGFC路面的使用品质下降。

OGFC沥青路面在具有许多优点的同时，也有相应的缺陷，但如果在选料、设计、养护方面采取专门措施，在某种程度上，可消除或弥补这些不足。比如聚合物改性沥青OGFC路面的耐久性比普通沥青OGFC路面的高，这是因为改性沥青可增加沥青膜的厚度，延缓沥青的老化，同时也可改善沥青与矿料间的黏结力。再如高压注水吸出法或过氧化氢发泡清洗污染等工艺可消除空隙堵塞，保持路面排水、吸声等功能。这些措施都可以提高OGFC路面的耐久性。

2.根据具体情况选择是使用柔性基层还是组合式基层

传统观点认为，车辙是路面各结构层永久变形的总和，由于半刚性基层几乎不发生塑性变形，故而半刚性基层沥青路面产生的车辙变形小，但大量实际调查结果和研究成果表明情况并非如此。

20世纪90年代中期，孟书涛等人结合“八五”国家重点攻关项目“半刚性基层沥青路面加速加载试验研究”，对半刚性路面的永久变形进行了研究，发现半刚性基层沥青路面变形主要发生在沥青层内，雨水是导致车辙变形的重要因素。因此，应重视沥青混凝土的组成设计。21世纪初，重庆公路科研所利用室内环道设备对三种不同路面结构进行了加速加载试验，其结果表明，无论是半刚性基层还是柔性基层，车辙变形主要局限于沥青层内，并且柔性基层路面的永久变形略小于半刚性基层路面。

理论分析和计算表明，在荷载作用下沥青路面结构内产生的最大剪应力在路面深度4～6 cm处，同时最大剪应力的大小也与层间模量比有关，若面层与基层之间模量差别太大，路面结构内的剪应力也随之增大，即基层模量增大。因此，路面中最大剪应力增大，反而易出现车辙。现在有的研究者提出柔化半刚性基层的思路，以减小车辙。所以在翻修方案设计时，可根据情况选择使用柔性基层（如沥青稳定碎石基层、级配稳定碎石基层），而底基层仍可使用半刚性基层，形成组合式基层的沥青路面。因此，建议可先铺筑试验路段，总结经验，逐渐扩大使用范围。

3.根据沥青路面受力特性安排结构层次(www.xing528.com)

行车荷载和气候环境对沥青路面上、中、下面层的作用和影响各不同，应力和温度在路面结构内的分布状况的差异使沥青路面各层次处于不同状态，因此在沥青路面翻修设计中，应根据沥青路面受力特性，结合各层混合料的特点进行设计，以提高修复后路面的抗车辙能力。

上面层在沥青路面的表面，与车轮直接接触，主要承受压应力的作用，剪应力值较小。因此，上面层应依据层厚与粒径的关系选择适宜的集料粒径，可以选用粗集料含量较少、细集料含量较大、沥青用量较高的松排骨架结构或内摩阻力较大的悬浮密实结构。由于面层集料粒径较小、压实度易于实现，在保证良好密水性能的基础上，可设计出具有较高抗压回弹模量的路面结构层。中面层是剪应力值最大、分布最集中的区域。同时路面结构层内部温度最高值出现在路表4～9 cm处，中面层正处于该温度最高的区域，而且中面层在上面层的覆盖下热量散失慢，长时间处于高温不利状态，所以中面层是更易发生车辙的结构层。中面层宜选用中粒式沥青混合料（如AC-16），再依据层厚和粒径的关系确定层厚。一般宜选择粗集料含量较多、细集料含量较少、沥青含量较少的骨架密实结构（如SMA-16），应在保证具有较高抗剪强度的基础上设计空隙率较小、施工时不易离析的路面结构层。

下面层所承受的荷载和气候条件较上面层和中面层有所缓解，处于两向拉伸区，因此必须具有良好的抗疲劳开裂性能，可采用连续密级配混合料，要求空隙率小和密水性高，以保证混合料的疲劳耐久性，防止水分下渗至基层。另外，在一些特殊路段，需要注意根据具体情况进行分析，比如在长陡坡路段，或在道路上行驶的车辆轴重大、车速慢时，也需要对下面层进行改性。这是因为轴重加大（超载车辆），路面结构内剪应力就会增大且下移，有可能引起下面层的剪切变形；同样，如果车速慢，荷载作用时间长，传递彻底，也会引起下面层内较大的应力值和较长的作用时间，所以在山区公路的长陡坡路段或超载车辆多、行驶速度慢的道路，其路面结构的下面层也建议采用改性沥青。

4.加强路面结构层间接触

调查发现，沥青路面车辙大小也和沥青层与基层的接触条件有关。20世纪70年代中期，英国曾对表面层滑移进行广泛调查。英国运输研究试验室（TRL）研究了导致滑移破坏的因素。研究结果表明，滑移多发生在碾压时表面层温度较高、基层温度较低且路基强度不足的情况。1980年，北爱尔兰环保局在一些新近罩面的路面上发现了由于早期层间接触不良而造成的破坏。

半刚性基层沥青路面是我国高等级公路路面结构的主要形式。我国现行的《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中只考虑了层间接触为完全连续状态。实际上，根据材料特性和施工质量的不同，一般路面结构的层间结合条件都处于完全连续和完全滑动状态之间。层间界面处的连接情况对应力分布的影响非常大。

当上层界面从完全光滑变成完全粗糙时，第一层底面的径向拉应变变大，而第二层顶面的径向拉应变变成了压应变。这表明接触界的特性显著影响着应力-应变分布。Brown和Brunton对不同路面结构进行了层间不良接触对路面寿命影响的研究，认为两界面中的任一界面为部分连续，都会显著缩短路面寿命。Al Hakim对承载力较弱、中等、较强、很强的典型路面结构进行研究，考察表面层和黏结层之间的层间接触对路面寿命的影响。结果表明，当剪切反应模量值接近10M N/m3时，路面寿命平均缩短20%；当层间完全滑动时，路面寿命会进一步缩短至50%。

国内的研究人员也计算分析了不同层间界面条件下沥青路面的力学行为。计算分析如下。

①半刚性路面的面层、基层间的接触状态由连续变为滑动时，面层剪切应力和剪切应变将明显增加；由常温季节的连续状态到高温季节的滑动状态时，计算点剪应变增加160.4%。因此，高温季节滑动状态对路面是极为不利的，在此状态下，路面更易产生因剪应变过大而出现的流动性车辙。

②半刚性路面的面层、基层间接触状态由连续变为滑动时，路表压应变将明显增大，常温季节增大26.5%，高温季节时增加13.2%；由常温季节的连续状态到高温季节的滑动状态时，计算点的竖向压应变增加198.6%。因此，高温季节滑动状态对路面是极为不利的，在此状态下，路面易产生压密型车辙。考虑到交通荷载引起的水平力不可避免，表面层与黏结层的层间接触就显得尤为重要。如果层间接触不良，拉应变将显著增大。所以，加强层间接触是防止车辙病害的一个重要方面。

在路面方案设计时，应对基层与面层以及面层之间的层间处治提出明确的材料类型及技术要求，加强层间的结合，提高路面结构的整体性能。一般沥青路面施工时，可采用喷洒黏层的方式提高层间的接触状态。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2017）的规定，黏层油宜采用快裂或中裂乳化沥青、改性乳化沥青，或快、中凝液体石油沥青。这些沥青虽然起到了一定的黏结作用，但温度稳定性和黏结能力难以满足使用要求，尤其是对大交通和重载多的高速公路。研究和应用表明，采用稀浆封层、SBS改性沥青、胶粉改性沥青和环氧改性沥青作为层间黏结层或沥青桥面铺装的防水黏结层，将会显著提高路面的使用性能。

5.适当增加结构层厚度

沥青层厚度是影响沥青路面车辙的重要因素，但是究竟如何影响，国内曾经一度认为厚度越大，车辙越严重，所以为了防治车辙，认为必须采用薄的沥青层，甚至把减薄沥青层作为抵抗重载交通的一种技术措施。但是，近年来国内外研究人员通过对实际道路的调查研究表明，当沥青层厚度为50～200 mm时，车辙变形的差别其实并不太明显，最大车辙深度一般出现在10 mm左右。美国的罗杰斯等人对美国道路性能进行调查，发现全厚式沥青路面的车辙深度的平均值为0.18 in，即4.6 mm，并不比薄层沥青路面大。Hofstra还指出，沥青路面的变形在路表面最大，越向下越小，一方面是由于下部抵抗塑性流动变形的能力强，另一方面是下部的剪切应力小。根据对AASHTO试验路的测定，车辙量随沥青层厚度的增加而增加，但当厚度为20～25 cm时就达到了极限，沥青面层再加厚，车辙深度也不再增加。

1997年TRL报告（Design of Long-life Flexible Pavements for Heavy Traffic）对英国的干线公路M6等51条道路的柔性路面进行开挖调查，发现当沥青层厚度大于180 mm时，车辙的发生速率迅速降低，其车辙主要集中在沥青层上面部分。同时，对45条密级配沥青碎石基层的柔性路面调查后认为，沥青层厚度为180～360 mm时，车辙深度与沥青层厚度之间并不存在显著的相关关系。此外，Nunn等人对沥青混凝土层厚度超过200 mm的路面的车辙进行分析，发现厚沥青混凝土层路面车辙仅限于表面层几厘米内，即没有出现结构性的永久变形，Jacob Uzan的研究也表明，在采用稳定类沥青混凝土材料的情况下，所有路面结构层都对抵抗永久变形有贡献。

因此，增加沥青层的厚度可以增加沥青路面的整体劲度，从而减少路面车辙。相同基层条件下，沥青层厚度由100 mm增加至190 mm，累积永久变形由14 mm降低到小于11 mm。

我国对沥青路面使用情况的调查也发现沥青层厚并不一定会导致严重车辙。京津塘高速公路和广深珠高速公路是目前我国沥青层最厚的两条高速公路，京津塘高速公路沥青层厚度达25 cm，广深珠高速公路的沥青层更厚达30 cm。这两条高速公路并没有使用改性沥青，沥青层也是极为普通的密级配沥青混凝土，当地的气温和荷载状况也同样苛刻，但是这两条高速公路使用十余年来并未出现严重的车辙。目前研究认为，车辙与沥青层厚度的关系为：在其他条件不变的情况下，在小于某一临界厚度时，随着沥青层厚度的增加，车辙增大；在超过此临界厚度时，沥青层厚度的增加不会使车辙无限制增大，因此无须担心因沥青层厚度增加导致的车辙量变大。