浅析沥青混合料的永久变形

浅析沥青混合料的永久变形

摘要：本文根据沥青路面的永久变形产生原因的不同对其进行了类别的划分，并且分析了半刚性基层下沥青混合料永久变形的形成，以及提出了永久变形的形成机理。为沥青混合料的高温稳定性研究奠定了基础。

关键词：沥青混合料永久变形半刚性基层车辙

引言

在高温条件下，沥青路面在车辆荷载的反复作用下，在轮迹处路面各结构层将会出现不可恢复变形，随着变形的不断积累导致车辙产生。ASTM标准E867将永久变形定义成“一种由横向交叉斜面和纵剖面限定的偏离水平面的相邻竖向凹陷”。

沥青混合料永久变形分类

在沥青路面的各种破坏现象中，车辙问题显得尤为重要。因为它除了降低行车舒适性外，还会对交通安全产生直接影响。路面车辙会增加司机变换车道的难度，阴雨天导致的车辙内的路面积水极易使高速行驶的汽车产生漂移，在恶劣气候条件下造成制动距离不足等问题。国际上通常将沥青路面车辙分为以下五种类型：

1. 结构型车辙

主要是基层等路面结构层或路基强度不足，即施加在路面上的行车荷载超出路面结构层的总强度，故发生在沥青面层以及路基在内的永久变形，称为结构型车辙。该类车辙宽度较大，两侧无隆起现象，横断面为浅盆状的U形[1]。

2. 失稳型车辙

也就是沥青混合料的侧向流动变形，在高温及车轮反复碾压作用下，交通荷载产的应力超过沥青混合料自身的抗剪强度，即稳定度极限。此种情况下，沥青混合料中的自由沥青以及沥青与矿料之间的胶浆将会首先产生流动，促成沥青混合料产生流动变形，流动变形的不断积累形成车辙，叫做沥青的流动型车辙即失稳型车辙。

失稳型车辙的特点是车轮荷载作用处下凹，然而车轮荷载作用较少的行车道两侧则会向上隆起，内外侧成非对称状态。主要发生在车速慢、车胎接地时间较长、横向应力较大的地方，如爬坡路段、道路交叉口附近等，其横断面呈W型[2]。失稳型车辙在我国发生的较多，对于此类车辙目前并未有有效的维修方法，唯有将路面车辙受损部位刨除再用新的混合料进行修补，是当今研究的主要对

象。

3. 再压实型车辙

在沥青路面碾压不足的情况下，开放交通后经历车轮荷载的再碾压，使路面受到再压实，导致沥青路面厚度的减薄，在车轮荷载集中的地方出现凹陷，形成车辙。在这样的路段下，只有在交通车辆反复碾压作用下，沥青层孔隙率不断减小，达到极限的残余孔隙率后才能稳定。这类车辙一般两侧没有隆起，只有下凹。

4. 磨耗型车辙

在车辆轮胎磨损和环境的综合作用下，路面出现磨损，面层内集料颗粒逐渐脱落，形成车辙。在冬季路面铺撒防滑料时，磨损型车辙则加速发展。此类车辙在北欧国家较常见，而在我国几乎是没有的，研究过程中暂不考虑。

5. 水损害型车辙

由于沥青路面的中下层产生明显的水损害继而失去了沥青膜的粘结作用，因此在荷载的作用下出现了因变形累积而形成的车辙。

二、沥青混合料永久变形的形成机理

1.国内半刚性基层沥青路面

在我国，基层基本上采用半刚性材料，使得基层、路基产生的永久变形极小。据道路使用的实际情况调查和研究表明，半刚性基层高等级沥青路面的永久变形，90%产生在沥青面层[3] ，由基层变形导致的车辙变形所占比例较小，因此发生在沥青路面面层的沥青混合料永久变形成为研究的重点。

沥青混合料是松散的矿料骨架和沥青结合料共同构成的。沥青混合料的力学强度主要来自矿料颗粒之间的互相摩擦与嵌挤作用以及沥青对矿料的胶结力。在车辆荷载的不断作用下，在沥青膜粘结力不足的区域，就会出现微观粒子的流动，从而引发部分团粒之间的相互错动现象。外来荷载的不间断碾压作用，促使团粒之间的错动范围在更深、更广的范围继续传播，引起路面结构的微变形，经过一段时间的积累形成宏观的永久变形。带来的直接后果就是沥青面层混合料向车轮两侧流动，从而产生推移、拥抱以及波浪等路面病害[4]。

2.国外对永久变形的分析

国外对于沥青混合料永久变形的研究较早，总体上来说，对沥青路面的车辙形成机理主要有两种见解：沥青路面在外来荷载作用下的剪切变形和压密变形。

①剪切变形

路面的剪切变形是由于作用在路面上的车辆荷载对路面施压而产生的剪应力超过了沥青路面自身的抗剪切能力而产生的变形，长此以往，形成车辙。

②压密变形

Patterson研究表明，在建立沥青路面永久变形预估模型时，需要同时考虑沥青混合料的压密和塑性流动变形。压密主要包括材料的体积变化，由于压密，引起了材料颗粒之间更紧密的排列；塑性流动则是由材料的迁移产生的，不包括材料的体积变化，一旦荷载作用超过材料的剪切强度或者承受了足够的蠕变，永久变形就会发生。压密和流动变形是绝大多数路面遭遇的变形行为。

3.永久变形的形成过程

在行车荷载的反复作用下，永久变形的形成过程可简单地分为以下三个阶段：

①开始阶段的后续压实：道路开放的初期，沥青混合料内部存在空隙，沥青层在车辆荷载反复碾压作用下，空隙将不断减小，沥青面层厚度减薄，甚至在荷载集中部位出现凹槽，其中不可恢复的部分成为永久变形。在空隙率不断减少的情况下，集料在外力作用下排列成具有一定骨架的结构，以至于压密变形不再发生。

②沥青混合料的流动：由沥青混合料自身的粘弹性可知，在高温季节，沥青路面在外来荷载的反复作用下，沥青混合料变成以粘性为主的半固体，在外来荷载对路面施力形成的剪应力超过了沥青混合料各结构层总的抗剪强度的情况下，沥青混合料将产生流动变形，经不断积累形成永久变形。这种变形主要表现为车轮部位下凹的同时并伴有两侧隆起现象。

③矿质骨料的重排和破坏：高温条件下，沥青混合料将处于半固态，在车辆荷载的不断碾压下，沥青混合料中的自由沥青以及沥青胶浆将会继续流动，在这样的情况下，就会导致沥青混合料组分的不均匀分布。沥青混合料中矿料相互嵌挤组成的骨架结构就会出现松动，再加上其中沥青的润滑作用，松动就会愈演愈烈，再加上外来荷载的施力，部分矿料就会出现滑移，这时候沥青及沥青胶浆就会不断地流向其富集区域，最后流向沥青混合料的自由面。

三、总结

沥青混合料的永久变形，可以根据产生原因的不同，划分为结构型车辙、失稳型车辙等几类。通过对沥青混合料永久变形形成机理的分析，可知，需从两个方面来分析永久变形：首先是路面铺筑过程中压实度的控制上，开放交通前是否达到了要求的压实度；另一方面则是，开放交通后，路面使用过程中的高温作用下，沥青混合料的流动以及混合料骨架结构的稳定性，所以沥青合料高温稳定性的研究将集中在沥青混合料在高温下抗流动变形的能力上。