高速公路病害治理研究

孟繁宏    侯子义

编者的话：高速公路道路养护技术课题是04年交通部立项，由河北、山东、黑龙江承担研究，到2007年11月通过鉴定，历时4年，涉及3个省，参研人员有哈工大，河北工业大学、河北保津高速公路等17个单位，两个211工程高水平的研究院校共有200多人参与。研究投资600多万元，技术投资14.2亿。研究的高速公路车辙、水损坏、道路纵横裂缝、桥面损坏达到了国际先进水平。现在在五省每一个养护周期为国家节省养护经费30.8亿元，该研究的病害治理技术已在北方地区大范围推广，取的了很好的效益，现将这一课题的主要研究内容做一介绍，请高速公路的技术管理人员多提意见。

第一章 高速公路车辙病害成因分析及养护对策
高速公路车辙病害调查概况
根据课题实施计划课题组对河北省、黑龙江省、吉林省、山东省的数条高速公路车辙情况进行了调查研究。
1.1通过对对京石高速公路、保津高速公路、京沈高速公路等的调查，车辙病害主要发生在行车道。调查结果最大处为83mm，车辙＞40mm的路段占调查路段的30%，切割断面显示沥青路面三层都发生了较明显的车辙，同时在京石高速切割断面显示，中、下面层也发生较严重车辙。
1.2高速公路车辙分级
本课题根据近年来河北省车辙处理的经验，根据车辙的深度分为轻微车辙、轻度车辙、重度车辙等三种类型，并根据车辙种类不同，分别制定不同的养护对策。
表2-1  车辙等级划分表  
车辙等级    车辙深度
轻微车辙    小于15mm
轻度车辙    15mm-45mm
重度车辙    4 5mm以上
1.3高速公路车辙成因综合分析
通过对现场沥青路面车辙的调查及路面钻芯和切割取样分析以及室内
试验结果分析得出产生车辙的原因。总体来说车辙产生的因素可以分为外部影响因素和内因两个方面：
1.3.1外部因素分析
外部因素主要包括高温、重荷载、渠化交通、车流量、路面坡度的影响，其中高温和重荷载是两个影响最大、最普遍的因素。
（1）高温对车辙的影响
荷载和温度是路面产生车辙的两个重要的因素，路面车辙的发展过程实际上是沥青混合料在高温下的蠕变过程。
温度越高，沥青混合料的劲度模量越低，抗车辙能力越小，研究发现，当路表温度从35℃升高到65℃时，表面层沥青混合料的劲度模量从700Mpa下降为不足100Mpa；中面层温度从28℃升高到55℃，中面层劲度模量从900Mpa下降到不足200Mpa；下面层温度从25℃升高到50℃时，下面层劲度模量从1000Mpa降到不到200Mpa，都是成5-7倍下降，在相同车辆和在同等荷重作用下，同一种沥青混合料高温时模量低，更易产生较大的蠕变变形，形成车辙，因此，高温对车辙的影响非常显著。
通过调查发现高速公路车辙的产生一般发生在每年的7、8月份中，尤其是在连续两三天内出现高温天气时，车辙很容易出现。一般连续的高温使得路面积聚的热量不能很快的释放出去，沥青混合料在持续高温环境下，粘聚力降低，抗剪强度降低导致了路面的破损，同样是高温的天气，在广东等地车辙却出现很少，究其原因是因为南方的雨水较多，对路面起到了降温的作用。对河北省的天气温度与路面温度的关系进行了测定。测试结果其如下图1-1。 
 
图1-1 实际测定的路表温度、沥青层温度与气温的关系图
时间是2001年7月1日早晨8：00到晚上7：00的12h观测结果。面层内部温度大部分时间段低于路表温度，但是随着气温的降低，路表温度随之降低很快，而沥青层内部温度下降趋势较缓，并且距离路表越深的沥青层，温度越不易散发，距离路表15cm处的沥青层温度趋于平缓，并未随气温的下降而下降，所以说，高温时间一旦持续且环境干燥无雨，就会快速在沥青层内积聚热量，使得整个沥青层都处在高温环境中，很容易导致车辙病害的发生。
根据我国对气温与车辙关系的直接观测结果发现，当气温低于35℃时，路表温度一般低于55℃，这时车辙不会有太大发展，能够限制在8mm以内，当路表温度达到60℃，气温这时一般已超过38℃，车辙就会明显发展，如果气温持续高达38℃以上，就会发生严重的车辙病害。
根据河北省气温变化的不同，课题组拟定了54℃、57℃、60℃、63℃、66℃、69℃ 六种不同环境温度进行同种级配不同沥青的动稳定度试验，试验结果如下：表1-2  AH-70沥青混合料不同温度的动稳定度值   
试验温度（℃）    54    57    60    63    66    69
DS（次/mm）    1764    1342    908    625    473    321
表2-3  SBS改性沥青混合料不同温度的动稳定度值
试验温度（℃）    54    57    60    63    66    69
DS（次/mm）    4325    4028    3875    3710    3564    3346
如表1-2，1-3所示，在相同荷载作用下，温度升高，沥青混合料的动稳定下降，这也相当于在高温时采用了低动稳定度的材料。采用SBS改性沥青的动稳定度明显好于AH-70石油沥青的动稳定度，下降趋势较缓。
    （2） 超载和车流量对车辙的影响
a．不同轴载作用下沥青层内剪应力理论研究
车辙产生的主要原因之一是在车轮竖向和水平荷载作用下，沥青层内产生剪应力，致使沥青混合料产生剪切变形，不可恢复变形的不断累积形成车辙。以半刚性基层沥青混凝土路面作为典型结构，采用有限元力学计算分析方法分析了不同轴载对沥青路面车辙的影响。
对计算结果的分析，无论在平坡还是在上坡路段车辆轴重越大，剪应力越大。车辆在平坡路段行驶时，如图1-2所示，当车辆轴重从100kN增加到150kN、200kN时，最大剪应力由0.157MPa增加为0.232MPa、0.308MPa，分别增加了48%和96%，在深度4~6cm范围内剪应力较大。当车辆在上坡路段行驶时，以4%坡度为例，剪应力曲线的形态与平坡路段时基本相同，当车辆轴重从100kN增加到150kN和200kN时，最大剪应力由0.274MPa增加为0.400MPa和0.527MPa，分别增加了46%和92%，当坡度为6%时最大剪应力分别增加了48%和96%。