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城市道路沥青路面车辙治理分析更新时间:2016-04-12    浏览次数:

摘要:沥青路面车辙是城市道路病害之一。车辙的产生导致路面平整度降低,影响行车舒适性和安全性,严重的会破坏路面,降低城市道路的使用寿命。通过对济南市城市道路交叉口沥青路面车辙现象的分析,提出了调整优化矿料级配设计和外掺抗车辙剂,提高沥青混合料夏季高温抗变形能力、雨季防水损害能力、冬季低温抗裂能力,综合提升沥青路面的耐久性,实现沥青路面抗车辙性能的改善,以解决或降低城市道路交叉口沥青路面的车辙问题。

关键词:道路;路面;病害;车辙;分析

近年来,济南市城市道路建设飞速发展,极大地提高了车辆通行能力,改善了老百姓出行条件。但是,随着济南交通能力大幅提升,车流量日益加大,沥青路面的质量通病不断出现。尤其是道路交叉口,沥青路面在车辆荷载重复作用下轮迹处下陷,形成纵向带状凹槽的车辙现象就是典型的一种路面损坏,其通常随着交通量的增加、重载超载车辆比例上升而日趋严重。车辙现象不但严重影响了车辆行驶的舒适性和安全性,降低了城市道路使用寿命,加大了维护保养成本,还降低了道路使用的观赏性和老百姓的满意度,在一定程度上降低了政府的投资效果,影响了政府的形象。因此,研究分析车辙成因和对策,研发抗车辙型沥青混合料,尽快消除沥青道路的车辙现象,延长道路使用年限,为老百姓出行提供便捷舒适的道路环境是亟待开展的工作。

1  车辙分类及形成机理

沥青路面车辙的产生原因有内因和外因两方面。内因主要包括:路面的结构形式和结构组合、材料的性能与组成以及施工质量。外因则包括:气候条件(如持续的高温)、交通条件(如重载、超载、渠化交通和慢速交通、频繁刹车启动等)、路线状况(如长距离爬坡、急弯路段)等。引起车辙的根本原因是内因,也是我们要着力解决的问题。

车辙的形成过程可分为3个阶段:初始阶段的压密过程;沥青混合料的流动过程;骨料的重新排列及矿质骨架的破坏。

车分类和形成机理如下:

1)磨耗性车辙,是由于沥青混合料中大颗粒集料硬度及粗糙度不够,在轮胎的磨耗作用下产生的。

2)结构性车辙,主要是由于基层、垫层的竖向压密变形所致,当荷载作用超过路面各层的强度时,沥青面层以下包括路基在内的各结构层就会发生结构性车辙。

3)失稳性车辙,主要是由于沥青混合料高温稳定性不足而造成,即在高温、车轮辗压的反复作用下,荷载应力超过沥青混合料的稳定度极限,引起沥青混合料的侧向流动变形并不断累积而形成。

4)压密性车辙,是沥青面层本身施工时没有充分压实,通车后混合料继续受车辆进一步压实形成的。

济南城市道路多采用以半刚性材料为基层的沥青路面的结构形式,路基和基层产生的永久性变形占路面总永久变形的比例很低,沥青混合料面层的永久变形是半刚性基层沥青路面车辙产生的主要原因。通过对车辙路段现场调查、钻芯取样后发现,市区道路车辙主要为压密性车辙和失稳性车辙两种类型。

2  车辙防治

2.1  混合料材料设计

沥青混合料的性能尤其是高温稳定性对抵抗路面车辙的产生具有重要作用,因为高温稳定性不足是产生车辙的最直接内因。因此,在混合料材料设计中,应从优选取粗细集料和矿粉及沥青结合料,调整矿料级配,选用适宜的外掺剂等,以便全方位提高沥青混合料的高温稳定性,同时还要保证混合料的低温抗裂性、水稳定性和耐久性。

2.2  路面结构设计

研究表明,路面车辙的产生除了混合料本身的原因之外,还有结构因素,包括沥青路面的合理厚度和厚度匹配、沥青路面结构的整体性以及各结构层模量匹配等,因此结构设计不容忽视。

2.3  生产和施工工艺

沥青混合料的生产和施工工艺是否严格按规范要求操作,对保证沥青路面的质量和性能具有决定性作用。因此合理的生产和施工工艺及施工组织显得尤为重要,尤其应重视沥青混合料的温度控制和摊铺碾压的配套组合。

3  济南城市道路车辙病害调查与分析

济南市内道路的调查结果表明:流动型车辙是目前济南城市道路病害中急需解决的问题,其中公交车站、交叉路口等处是车辙多发地段,也是市区道路养护、维修的重点区域。

对出现车辙的部位进行钻孔取芯,通过芯样截面观察,变形主要发生在沥青混凝土的上2层。结合相关资料分析,济南市区车辙的形成主要受气候环境、路面结构、交通流量等因素的影响。

1)气候环境因素。

济南气候区属夏热冬冷地区。夏季高温时间持续时间长,雨季降水量大,在持续高温作用下,沥青软化,体积膨胀,沥青混合料的粘结性能随温度升高而急剧下降,导致结构破坏,路面严重变形。

2)路面结构因素。

城市道路因美观、排水等需要,常常选择密实级配细集料面层。其密实性好,空隙率小,路表面光滑,防水效果佳,但骨架之间嵌挤力较小,抗车辙能力较弱。

3)交通流量因素。

随着城市交通流量增加,车辆荷载越来越集中地分布于道路行车线区分的轮迹带处,引起交通渠化,特定区域车辆的频繁启停,剪切应力对交叉路口红绿灯处与公交站台沥青路面的影响较大,因而容易产生车辙现象。

4  车辙治理措施

4.1  对稳定车辙的治理措施

对车辙深度不大的压密性、磨耗性等稳定车辙,可以采取微表处修复技术。采用该技术进行车辙修复与传统的铣刨、热摊铺罩面相比,具有施工方便、快速、路面性能优良、开放交通快等特点,可以有效避免二次车辙的出现。

4.2  对失稳性车辙的治理措施

发生失稳性车辙时,说明结构强度已被破坏。对于车辙深度较大的路面,最常用的治理措施为铣刨一定深度后重新加铺沥青层。新加铺的沥青路面结构一般为2-3层抗车辙沥青混合料,该材料能明显提高道路行车质量,大大延长道路使用寿命。

5  市区道路车辙治理施工特点

1)车辙多出现于城市干路的交叉口、公交车站处,白天受交通影响无法占路施工,只能在夜间进行。

2)济南市交管部门批复的夜间占路施工时间一般从夜间12点到次日凌晨5点,除去施工前的准备和完工后的清理时间,有效施工时间很短。

3)为降低对社会交通的影响,交管部门提出“无痕化施工”的要求,即:道路夜间施工后,在第二天开放交通前达到路面平整的标准。

总的来说,与新建道路施工相比,济南市区车辙治理存在夜间有效施工时间短,无痕化施工要求高等特殊性,在此条件下,如何保证道路车辙治理的质量,是需要各方认真研究的课题。除了要科学合理的安排,细致严密的组织、做好各方面协调工作以外,还必须采取有针对性的措施,使清扫、喷洒粘结材料、摊铺、碾压等环节满足技术规范要求,最大限度地降低对工程质量的不利影响。

6  存在的问题

1)治理车辙结构厚度的确定。

一般来说,设计单位通过实地取芯目测判断车辙发生的程度。结合原有道路沥青结构,确定铣刨和加铺沥青结构的厚度。这里存在两个问题:一是对于可能处于发展中的沥青层车辙没有进行科学预估,未对车辙发展趋势进行判断,有可能造成加铺的沥青结构和原有半刚性基层之间存在车辙发展中的沥青夹层,影响治理效果;二是对已处于稳定阶段的压密性车辙进行铣刨处理,造成经济上的浪费。

2)层间粘结。

目前我国现行的沥青路面设计规范是以层状弹性体系为基础,假定沥青路面各结构层之间的接触面完全连续。这种情况下层间剪应力是不大的。道路各结构层由连续转为半滑动接触再转为滑动将使路面内最大剪应力,特别是中下面层内的剪压力成倍增加,从而引起路面产生较大的流动性车辙。

铣刨后路面的清扫是个不难控制却易被忽视的环节。沥青结构层铣刨后,地面遗留下难以清除干净的松散小颗粒,大大削弱了粘结材料的粘结效果。路面与路缘石相交的三角区易形成散料聚集区,成为粘结薄弱带,导致日后地面自由水渗入沥青层或基层,对道路性能造成严重影响。

另一方面,普通的乳化沥青破乳时间较长,短时间内渗透深度较小,在抗车辙沥青层加铺前很难达到规范要求的5mm渗透深度,同样造成的层间粘结力的不足。

3)实际情况与设计的偏离。

尽管近些年国内外在沥青路面结构和混合料材料组成设计上进行了深入的研究,试验表明具有良好的综合性能,但是许多实体工程中路面车辙等损坏问题依然十分严重。愈来愈多的工程实践表明:在拌和、运输、摊铺、压实等过程发生离析现象,就会导致沥青混合料各个指标发生变化,使路面的使用性能与设计初衷发生偏离。

7  针对上述问题的建议

1)采取RLWT车辙仪评价沥青路面抗车辙性能,预测变形发展趋势,指导确定车辙维修方案,是一种值得推广的方法。

2)加强铣刨后对松散颗粒的清扫,可以保证透层油撒布在密实、干净的道路表面上。

3)通过对普通乳化沥青、SBR和SBS改性乳化沥青的性能对比试验发现,SBS改性乳化沥青可以提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗缩裂能力,可以提高粘结力、抗水剥落能力,破乳快、早期强度更优,适用于车辙治理工程。

沥青路面铣刨时,在铣刨齿轮强力作用下,铣刨后的结构层表面难以避免部分骨料的松动,进而增大了对粘结材料的需求量。另外在在一定的洒布量范围内,随着粘结材料洒布量的增大其渗透深度加大。因此,粘结材料洒布量宜在不形成表面残留油膜的前提下适当增大。

另外,建议推广使用掺加了高渗透剂的SBS改性乳化沥青,其高渗透性更有利于短时间内的渗透效果。

4)在沥青层与半刚性基层之间设置橡胶沥青防水粘层或热SBS改性沥青防水粘结,从而使面层与基层有效地连成一体,达到提高路面整体强度的目的,这是一种已被证明行之有效的对路用性能具有多项保护的措施。

5)混合离析主要发生在拌和、装车、摊铺过程中,它改变了混合料的级配和沥青含量,导致混合料抗剪强度降低,这是车辙产生的重要原因之一。因此,在保证集料、沥青结合料和外掺剂质量满足规范要求的前提下,严格遵循拌和工艺要求,在装车过程中采用正确的装车方式,就能基本解决拌和及装车过程的离析问题。

在协调好运输车辆数量,保证连续摊铺,正确地向摊铺机倒料的基础上,合理确定摊铺机摊铺宽度(当摊铺宽度超过7m时,易造成两端混合料的离析),在一定程度上也能控制混合料的离析。

6)温度离析是沥青混合料在运输、摊铺、压实过程中不同区域混合料出现温度差异而引起的。沥青混合料的温度决定了施工和易性,影响着路面压实性能,是路面施工质量控制的关键。而抗车辙沥青混合料性能对温度变化更敏感,对拌和温度、摊铺温度、初压终压、开放交通温度都有着明确的要求。如果混合料温度较低或温度变化较大,出现温度离析,将出现达不到规定的压实度或过碾的情况而影响工程质量。

运输过程中的温度离析现象也比较明显,因此运输车辆除顶部有防止温度过快流失的棉被外,车辆周边也需要采取保温,这在气温较低,运输时间较长时尤为重要。

另外,要以摊铺设备能力为核心,将拌和设备、运输设备和压实设备和与之相匹配的机械设备进行组合,以保证摊铺的连续性。摊铺过程发生等料的现象,或者大量沥青混合料在现场等待摊铺同样会导致温度发生波动。压实设备的选型和组要合理,才能确保初压终压满足温度要求。

7)沥青混合料的密实度决定着混合料中空隙率的大小。一定程度上,密实度越大,空隙率越小,混合料的抗车辙能力也越强。过大的空隙率会在日后引起明显的压密型车辙;同时,众多研究表明,混合料的残余空隙率也不能太小,因为到夏季,沥青混合料内部没有足够的孔隙供沥青结合料热膨胀,必然会引起泛油和流动。

在采用经验压实设备组合和压实方案时,首先,可以通过调整摊铺机振动参数,产生高效的压实效果,达到提高预压实度的目的,摊铺初始压实度愈高,路面最终的压实度愈高,所用的碾压遍数就愈少;其次,采用带有即实密实度显示的压实设备,随时掌握压实效果,并相应调整碾压方式,就能使作业面全部达到规定压实度要求。

8)根据多项车辙治理工程施工经验可知:铣刨后加铺2层沥青结构的作业时间基本可以控制在交管局批准的时间内;加铺3层时间就显得非常紧张,而且在半刚性基层上设置防水粘结层相当于增加了1层沥青加铺工序,也容易造成施工单位为了抢时间而忽视清扫质量,在粘结材料未破乳或未达到渗透深度就开始摊铺,摊铺速度过快,碾压密实度不足,势必不利于完工后的路面使用性能。

8  结语

通过济南市城市道路车辙现象的处理说明,调整优化沥青混合料矿料级配设计和添加抗车辙剂,可以提高沥青混合料夏季高温抗变形能力、雨季防水损害能力、冬季低温抗裂能力,综合提升沥青路面的耐久性能,改善沥青路面抗车辙性能,以解决或降低城市道路沥青路面的车辙问题。由此,济南道路设计和施工时,对交通流量大、反复荷载作用较多的区域(公交站台、交叉口等),要尽量考虑采用抗车辙材料,合理有效地采用抗车辙沥青混凝土设计,保障与延长沥青路面的使用寿命,为老百姓出行提供便捷、舒适的道路环境。

抗车辙一门系统技术,包括结构设计、材料设施支及生产、施工质量控制。抗车辙路面的生产和施工是连续设计和应用的桥梁,是保证路面性能的重要环节。结合北京市车辙治理的特点,只有经过合理的生产和施工,才能实现设计的目标,取得预期的效果。