关于同三公路佳哈段部分路段车辙问题的思考.docx
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关于同三公路佳哈段部分路段车辙问题的思考
关于同三公路佳哈段部分路段车辙问题的思考
车辙是目前国内外沥青路面三大病害(车辙、开裂、水损害)之首,是目前沥青路面面临亟待解决的技术难题之一。
近二十年,随着交通运输状况的发展以及高等级公路沥青路面的建设,使车辙问题日趋严重,车辙已成为一些道路决定其维修周期的重要因素。
根据本人多年的调查与研究,就我省沥青路面车辙问题谈一点自己的理解与建议,供有关领导参考,不当之处,敬请批评指正。
一、沥青路面车辙产生的主要影响因素分析
沥青路面车辙是沥青路面在车辆荷载反复作用下产生的不可恢复的永久变形的累积。
这种变形就沥青面层而言主要包括:
沥青混合料的压密和沥青混合料的剪切变形。
对于半刚性基层而言,压密变形一般只占车辙深度的10%,而90%是由沥青混合料剪切变形产生的。
大量的调查研究表明车辙的产生与以下几方面因素有关:
(一)荷载因素
荷载对沥青路面车辙的作用主要体现在以下几个方面:
1、荷载的大小
重载和超载是沥青路面产生车辙和其他高温病害的重要因素之一。
国内外的调查资料表明:
在交通量组成中,重载占有较大比例的路段上,车辙较其它路段要严重得多。
2、轮胎压力
轮胎压力的增大对路面车辙的产生往往比重载和超载本身还要严重。
增大轮胎压力就相当于增加了沥青路面所受的压应力荷载,从而增加了沥青路面永久变形占路面总变形的比例。
3、荷载作用时间
车辆荷载对路面的作用时间主要表现在车辆的行驶速度上。
速度越快,作用时间越短;速度越慢,作用时间越长。
由于沥青混合料的流变学性能,在较长的荷载作用时间下,沥青混合料会产生较大的流动变形,进而产生车辙,这是交通拥挤路段,大长坡路段、停车场以及收费站附近等路段沥青路面产生车辙的主要原因。
4、交通渠化程度
渠化交通是现代高等级公路的必然要求,然而它也是高速公路、一级公路沥青路面产生车辙的重要因素之一。
研究表明,交通渠化程度的提高使沥青路面车辙显著增加。
这是高速公路、一级公路比一般二级公路车辙问题更突出、更严重的主要原因。
比如:
哈大高速公路一期15.2Km沥青路面,在哈大二期通车之前的几年里,并没有明显的车辙,但二期通车后一年,虽然交通量有所减少,但仍然出现了明显的车辙,主要原因就是渠化程度的提高。
(二)路面温度
路面温度对车辙的影响是通过沥青路面混合料的力学性能来起作用的。
由于沥青路面是一种典型的感温性很强的材料,在不同的温度条件下,表现出明显不同的材料特性。
当温度提高时,沥青混合料的劲度模量和抗剪能力显著下降,从而使路面在荷载作用下而产生车辙病害。
1、气候因素
气候因素直接影响着路面温度。
这里包括:
气温、气温持续的时间、日照情况、降雨情况等。
由于路面结构温度分布状况与气温持续时间关系很大。
因此,持续高温对路面车辙的影响往往比绝对温度来的更大,是我们道路工作者应当引起高度重视的因素。
2、环境状况
这里所说的环境状况主要是指道路所经过地区的小气候状况。
是沿河线、还是越岭线、道路两侧是否有高大的树木等状况。
一般来讲,道路两侧的高大树木可以有效地改善路面的日照状况,进而影响路面温度环境,从而减轻车辙的发生。
3、人为因素
人为因素主要是指在持续高温、少雨的状况下,道路管养部门是否可以有效地控制重载或超载车辆的通行,在易发生车辙的路段采取洒水降温等应急措施,从而减轻车辙发生的程度与可能性。
(三)结构因素
沥青路面的结构因素对车辙的影响主要表现为基层的类型与沥青层的厚度。
1、基层的类型
基层的类型对沥青路面车辙的影响主要有以下几个方面应当引起我们的注意。
第一是基层的整体刚度,基层的刚度越大,沥青面层在车辆荷载的作用下、所承受的冲击应力就越大,使路面更易发生车辙;第二是基层的热传导性能,不同的基层热传导性能会影响沥青面层的温度场,从而影响面层的力学性能,影响路面车辙情况。
基层类型对车辙的影响应当引起路面设计者的高度重视。
2、沥青层厚度
以往我们认为沥青层厚度对车辙的影响是沥青层越厚,车辙越严重。
反之,则车辙越轻。
其实这个问题并不这样简单,调查表明很多厚的沥青路面(25cm以上)车辙问题并不严重,而一些较薄的路面(15cm以下)确发生了严重的车辙。
分析原因可以这样理解,一般车辙主要发生在沥青面层的上部12cm左右。
之下的沥青层不产生车辙或占很少的比例,厚的沥青层下面的部分给上面的部分提供了一个荷载缓冲,减少了上面沥青层所受的冲击应力,从而减轻了上面沥青层车辙的产生。
而薄的沥青面层下面的半刚性基层不能给其提供荷载缓冲,使其更易产生车辙。
(四)沥青层材料因素
车辙既然主要发展在沥青面层之中,那么,沥青混合料的性能对路面产生车辙的问题至关重要,影响沥青混合料力学性能的因素主要包括以下几个方面:
1、原材料性能方面
组成沥青混合料的原材料包括:
沥青胶结料、碎石、砂、矿粉以及外掺剂等。
(1)沥青的性能
沥青可以分为基质沥青和改性沥青。
沥青是多种碳氢化合物的混合物,是无定型物质,所以它没有明确的熔点,其性质随着温度的升高,而发生明显的变化,这种性质称其为沥青的感温性。
影响沥青性质的因素主要有沥青组份的比例,沥青中蜡含量等。
沥青的性质直接影响着沥青路面混合料的高、低温性质。
为了改善沥青的高、低温路用性能,人们开发了各种改性沥青并且大量使用,明显改善了沥青混合料的高、低温性能,进而,改善了沥青路面的抗车辙能力。
目前,我省主要采用SBS改性沥青用于高等级公路沥青路面的上面层。
(2)集料
集料构成沥青路面的骨架,集料的性质将直接影响沥青路面的高温稳定性。
碎石:
碎石的强度、压碎值、针片状含量、软石含量等指标都对沥青路面的抗车辙能力有着直接而显著的影响。
砂:
砂可分为天然砂和机制砂。
由于目前石料加工技术和成本的限制,目前我省尚无机制砂资源,必须在沥青混合料细集料部分使用一定比例的天然砂。
但天然砂颗粒形状接近于圆形,内磨阻力很小,严重影响沥青混合料的高温稳定性,即抗车辙能力。
因此,我国现行规范提出了天然砂的使用,不宜超过集料总量的20%。
美国superpave也提出了限制区理论,限制细集料的使用。
矿粉:
矿粉在沥青混合料中主要起填充空隙和吸附沥青胶结料的作用。
因此,矿粉的质量与用量对沥青混合料的高、低温性能有着比较显著的影响。
矿粉用量偏多时,沥青用量增大,孔隙率偏小,高温性能下降。
矿粉用量偏少时,沥青用量减少,孔隙率偏大,路面易透水,出现水损害,路面出现坑槽、脱粒。
所以矿粉用量一定要适中。
2、沥青混合料组成配比方面
沥青混合料组成配比对其高温抗车辙能力的影响十分巨大,主要包括:
矿料级配、各类材料用量比例(如:
天然砂用量、矿粉用量等),自由沥青的多少(即:
沥青用量),空隙率,饱和度等等。
沥青混合料的级配可以分为连续级配和间断级配,按照空隙率的大小不同可分为密级配、开级配和半开级配等。
不同级配的沥青混合料有着不同的高、低温路用性质。
比如:
目前国内外大量使用的SMA沥青混合料就是一种间断级配的骨架密实结构沥青混合料,它具有很高的抗车辙能力,它的抗车辙能力主要由单一粒径的粗集料形成的骨架提供的。
再比如:
目前我省沥青路面上面层使用的AC-16黑龙江调整型级配,是一种连续级配的准骨架密实结构的沥青混合料,它的抗车辙能力远好于悬浮结构的AC-16I型,但又次于SMA结构。
另外沥青用量对沥青路面的抗车辙能力影响十分显著,沥青用量过多,过少都会降低路面的抗车辙能力,必须合理确定最佳沥青用量。
3、沥青路面施工质量控制方面
沥青路面施工质量控制对沥青路面性能的影响主要包括:
原材料的质量控制,拌和质量以及摊铺、压实质量。
(1)原材料的质量控制
主要是指施工企业进场原材料(如:
沥青、碎石、砂、矿粉等)是否达到要求,堆放、保管,使用是否满足有关要求,确保在使用时,材料性质未发生明显变化。
(2)拌和时的质量控制
主要包括:
拌和出来的混合料是否达到设计的配合比要求。
出料温度是否合适,出料是否均匀,有无花白料和离析问题等。
这些问题都可能会影响到路面的性质和抗车辙能力。
(3)运输、摊铺与压实的质量控制
沥青混合料在运输、摊铺与压实过程中的质量控制都会对沥青路面的质量产生一定的影响,比如:
运输过程中沥青混合料的温度下降、温度离析(温度的不均匀)以及颗粒离析(级配的不均匀),在摊铺过程中,摊铺机会造成沥青混合料的颗粒离析以及摊铺机夯锤与熨平板对沥青混合料的夯实程度等,在压实过程中,压路机的初压温度、终压温度、碾压方式、压路机的振幅、振频等等都会对沥青路面压实度、压实的均匀性、石料的压碎率有较大的影响。
进而影响沥青路面的抗车辙能力。
二、同三公路佳哈段部分路段车辙问题的思考
从前面的分析我们可以知道,影响沥青路面产生车辙的因素是多方面的,并且十分复杂,应当具体问题具体分析。
(一)同三公路佳哈段沥青路面修建过程
同三公路佳哈段沥青路面主要是利用三年时间分四段修建:
第一段:
2004年9月完工的方正至哈尔滨段扩建工程。
第二段:
2005年9月完工的佳木斯至方正段扩建工程。
这两段扩建工程的路面结构基本相同:
第三段:
结构比较复杂,基本分两大段。
K584+500(常安)至K512+655为水泥混凝土加铺沥青层
K512+655至K560+000为旧沥青混凝土路面大修
第四段:
2006年9月完工的佳木斯至常安段旧路大修工程。
路面结构基本与第三段相同。
(二)车辙发生的路段与产生车辙原因分析
哈同高速公路全线325公里。
车辙主要集中发生在哈尔滨至常安段宾县附近的几个大长坡段出。
其它路段基本无明显的车辙现象。
从原材料上看,全线所用的重交沥青和改性沥青的技术指标是一致的。
所用碎石,虽然料场不同,但技术指标要求,无论是强度、针片状含量、软石含量、还是与沥青的粘附性等方面也是一致的。
而且,哈尔滨至常安段的碎石总体要好于方正至佳木斯段的石料。
从沥青路面材料配比上看,无论是扩建还是大修,哈同全线上面层均采用AC-16黑龙江调整型级配,SBS成品改性沥青,沥青混合料的动稳定度大于2400(次/mm)。
中面层采用AC-20黑龙江调整型级配,A级110#重交通道路沥青,沥青混合料动稳定度大于1000(次/mm)。
底面层采用AC-25I型,A级110#重交通道路沥青,沥青混合料的动稳定度大于800(次/mm)。
各标段沥青混合料高温稳定性试验结果基本一致,无大差异。
从施工控制水平上看,从施工队伍到施工管理等各方面看,应当说四段工程基本无明显差异。
那么,为什么有些路段会出现明显车辙,而有的路段却无车辙呢?
经过调查分析,我们认为有几个不利因素的叠加造成了这些路段车辙的发生。
首先是环境条件不利,产生车辙的路段均为大长坡段,重、超载车辆在这些路段上行驶困难,车速极慢。
而且这些路段两侧无高大树木为路面遮荫,在炎热天气时,使沥青路面长时间在阳光下直接照射,使路面温度达到60~70℃,而且高温时间很长。
其次是行车条件不利,以扩建工程方正至哈尔滨段为例。
2004年竣工通车后,2005年由于哈尔滨至常安段大修工程施工,使车辆在高温季节全部引到这条路上,而且,道路严格渠化,车辆只能在一条车道上慢速行驶。
从产生车辙的角度来看,这个夏季车辆对路面的作用,可以相当于正常年份几个夏季车辆的作用。
2005年10月底我们对这段路进行了车辙检测,发现部分坡段已产生了初步车辙,但很轻微,一般只有0.3~0.5cm,各别处最大有2cm。
第三是2007年夏秋不利年份。
2007年夏秋季我省最大气候特点是高温、少雨。
这一气候不仅使我省的农业受到了巨大的灾害。
同时,也使我省的沥青路面大量地产生了较严重的车辙问题。
例如:
碾北公路冯屯收费站至齐齐哈尔段,自2001年竣工通车至2006年始终没有明显车辙。
2007年夏季发生了严重车辙,最大车辙深度可达十公分左右。
再以哈同扩建工程方正至哈尔滨段为例,虽然,2005年由于交通分流,使部分路段产生了较轻的车辙;但经过2006年夏季,这些车辙基本没有进一步发展,保持稳定。
然而经过2007年夏秋季,这些车辙有了明显的进一步发展。
经检测车辙一般为1~2cm。
最大已达5cm。
第四是基层刚度因素,进一步分析发现,产生车辙的路段与基层刚度有关,以大修工程为例,产生车辙的路段基层均为半刚性基层,而旧水泥混凝土板,由于采用冲击破碎方案,使用旧水泥混凝土板整体刚度一般低于半刚性基层的水平,在旧水泥混凝土板上加铺的沥青混凝土路面基本没有产生明显的车辙病害。
三、减轻我省沥青路面车辙病害的几点建议
1.线形设计时应尽可能减少大长坡段,降低坡度、减少坡长,使重载车易于通过。
2.结构设计时,在满足结构强度要求的前提下,通过改善基层材料的配比,尽量减少基层的水泥用量,从而降低基层的刚度。
在大长坡段应进行特殊设计、提高大长坡段的抗车辙能力。
3.材料设计时,应加大沥青混合料的抗车辙因素的考虑,在原材料选择上、级配选择上、沥青用量等方面,偏重高温稳定性考虑。
4.沥青路面施工控制方面、应加强原材料的质量控制,加强拌和站沥青混合料配比和出料温度的控制,加强运输,摊铺,碾压各环节在温度、温度离析和颗粒离析的控制,确保压实度、压实均匀性以及控制骨料的压碎率。
5.交通管理方面要注意,在炎热少雨季节,严格控制重载、超载车辆的通行。
6.道路管理与养护方面要注意道路分隔带与道侧高大树木的绿化,改善路面的局部温度环境。
在炎热少雨季节对大长坡段等易发生车辙的路段进行人工洒水,降低路面温度、减少车辙的产生。
结束语:
虽然,我们对车辙产生的原因分析不一定能做到全面、准确和透彻,也不一定能对这些车辙治理有所帮助,但我们希望通过分析对今后我省沥青路面的设计、施工和管理有所帮助,在今后我省沥青路面的建设中减少这些路面发生车辙的可能性。
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