文/圖 江蘇省張家港市交通運(yùn)輸局 張宇 方瓏 東南大學(xué)交通學(xué)院 顧興宇 劉奇 于斌

江浙地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、交通運(yùn)輸需求大，其高溫多雨的氣候、山區(qū)重載的環(huán)境和荷載特點(diǎn)導(dǎo)致國(guó)省干線交叉口與長(zhǎng)大縱坡路段瀝青面層流動(dòng)性車轍嚴(yán)重；同時(shí)，由于路基建設(shè)材料緊缺，宕渣路基在浙江省國(guó)省干線中使用十分廣泛，宕渣路基壓實(shí)不足導(dǎo)致的瀝青路面整體性車轍也屢見不鮮。有關(guān)專家學(xué)者結(jié)合江浙及相鄰地區(qū)國(guó)省干線路基路面典型結(jié)構(gòu)與材料，研究次生鋼渣活性激發(fā)技術(shù)及灰土復(fù)配的路基增強(qiáng)技術(shù)緩解結(jié)構(gòu)性車轍，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢棄物的高效利用，從蠕變損傷與剪切疲勞的角度闡釋了瀝青路面的車轍形成與失穩(wěn)機(jī)理，建立了適用于江浙及相鄰地區(qū)的重載干線公路瀝青路面車轍機(jī)理與路基路面一體化處治技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“車轍一體化處治技術(shù)”），實(shí)現(xiàn)了車轍處治在“機(jī)理-預(yù)測(cè)-防治”全過程的關(guān)鍵技術(shù)突破。

車轍是國(guó)內(nèi)外瀝青路面的主要病害之一，我國(guó)半剛性基層瀝青路面以流動(dòng)性車轍為主，國(guó)外柔性基層瀝青路面則流動(dòng)性車轍與結(jié)構(gòu)性車轍兼具。由于我國(guó)高速公路收費(fèi)而國(guó)省干線不收費(fèi)的政策導(dǎo)向，致使國(guó)省干線交通重載化趨勢(shì)十分明顯。我國(guó)國(guó)省干線重載交通導(dǎo)致的車轍問題較為突出，且累積變形的突發(fā)性失穩(wěn)（車轍第三階段）難以預(yù)測(cè)，使得車轍預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念難以貫徹，只能采用事后高強(qiáng)度被動(dòng)養(yǎng)護(hù)措施。

車轍處治的主要問題和解決思路

國(guó)內(nèi)外針對(duì)車轍問題開展了廣泛而深入的研究，在路面車轍產(chǎn)生機(jī)理、車轍預(yù)估模型、車轍預(yù)防措施及車轍處治措施等方面形成了豐富的成果，但目前在車轍研究領(lǐng)域，還需要著重解決3個(gè)問題。

車轍失穩(wěn)時(shí)間判斷與車轍養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇

國(guó)內(nèi)外研究者充分認(rèn)識(shí)到瀝青混合料抗剪強(qiáng)度不足是路面車轍病害的重要原因之一，從瀝青混合料蠕變曲線的發(fā)展來看，車轍變形的快速增長(zhǎng)本質(zhì)上是混合料的失穩(wěn)，即材料處于第三階段時(shí)永久變形的指數(shù)式增長(zhǎng)。因此，有必要探究瀝青路面失穩(wěn)型車轍的發(fā)生時(shí)間，從而正確選擇處治車轍病害的時(shí)機(jī)。

車轍病害預(yù)防的路基路面一體化措施

路面車轍形成的影響因素眾多，既有路面自身結(jié)構(gòu)與材料因素，也有荷載、溫度、地形等影響。因此，需要考慮特定區(qū)域路面結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)，研究針對(duì)性的路基路面一體化車轍預(yù)防綜合措施。

車轍病害處治的快速性與經(jīng)濟(jì)性需求

國(guó)內(nèi)外目前車轍病害處治的主流做法是銑刨4厘米上面層后加鋪罩面層。銑刨、攤鋪、碾壓的工序眾多，病害處治耗時(shí)長(zhǎng)，交通管制壓力大；此外，銑刨4厘米上面層后加鋪的方式也造成了優(yōu)質(zhì)筑路材料的浪費(fèi)。

為系統(tǒng)提升重載國(guó)省干線車轍防治技術(shù)水平，有關(guān)專家學(xué)者以江浙地區(qū)國(guó)省干線為研究對(duì)象，在瀝青路面車轍形成與失穩(wěn)機(jī)理及預(yù)測(cè)研究基礎(chǔ)上，建立了車轍一體化處治技術(shù)。

車轍一體化處治技術(shù)研究總體思路

車轍失穩(wěn)發(fā)展機(jī)理層面

開發(fā)了模擬路面真實(shí)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的面層整體結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)的多序列動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)方法，研究了多種瀝青混合料中高溫域范圍內(nèi)的剪切流變失穩(wěn)規(guī)律，建立瀝青面層全厚度瀝青混合料的剪切流變失穩(wěn)預(yù)估模型，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)全厚度瀝青混合料剪切流變失穩(wěn)模型與真實(shí)瀝青路面結(jié)構(gòu)車轍失穩(wěn)的關(guān)聯(lián)，預(yù)測(cè)多重因素對(duì)路面車轍失穩(wěn)時(shí)間的影響。

車轍病害預(yù)防層面

研究了鋼渣石灰改良土的工程特性和改良辦法，通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，提出整套鋼渣石灰改良土在國(guó)省干線路基建設(shè)中的應(yīng)用策略和工藝，基于“鋼渣重構(gòu)”理念發(fā)明室溫下鋼渣活性激發(fā)技術(shù)，得到的鋼渣土強(qiáng)度最高可達(dá)到素鋼渣土強(qiáng)度的26倍；研究了玄武巖纖維瀝青混合料的路用性能及增強(qiáng)機(jī)理，提出了纖維用量和纖維類型的優(yōu)選方法，實(shí)現(xiàn)了纖維瀝青混合料增強(qiáng)增韌的抗車轍效果；面向海綿道路需求，設(shè)計(jì)了荷載-水-溫度多物理場(chǎng)耦合試驗(yàn)方法，研究了面向重載交通的國(guó)省干線排水瀝青路面材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，提升了排水瀝青路面的高溫性能和耐久性；從傳熱學(xué)角度出發(fā)，研發(fā)了瀝青路面水性環(huán)保高效路表降溫涂層，通過調(diào)控瀝青路面溫度場(chǎng)減緩路面車轍的形成。

車轍病害處治層面

基于浙江地材特點(diǎn)優(yōu)化了易密實(shí)瀝青混凝土ECA車轍修補(bǔ)技術(shù)并制定地方性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推廣應(yīng)用；通過共沉淀法和還原法兩種工藝手段對(duì)普通鋼渣進(jìn)行改性處理，取代瀝青混合料中的部分或全部細(xì)集料，大幅提升瀝青混合料微波加熱特性，實(shí)現(xiàn)車轍病害的高效微整形修復(fù)。

瀝青路面車轍失穩(wěn)機(jī)理與預(yù)測(cè)模型

從車轍變形的發(fā)展過程來看，經(jīng)歷了三個(gè)階段：初始?jí)好茈A段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段和加速失穩(wěn)階段。在加速失穩(wěn)階段，混合料結(jié)構(gòu)主體發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)變較大且應(yīng)變率增長(zhǎng)迅速。實(shí)際瀝青路面在車輛荷載的作用下，其內(nèi)部受力狀態(tài)與有圍壓的三軸動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)試件的受力狀態(tài)相類似，且大部分循環(huán)荷載作用下，材料內(nèi)部等效的應(yīng)力莫爾圓均處于破壞包絡(luò)線的下側(cè)。因此，設(shè)計(jì)能夠模擬路面真實(shí)受力狀態(tài)和溫度場(chǎng)的全瀝青面層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)方法，從路面不同層位在不同荷載作用下的循環(huán)壓剪破壞角度出發(fā)，研究瀝青混合料的蠕變失穩(wěn)是判斷路面車轍失穩(wěn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的有效途徑。

模擬及驗(yàn)證步驟

1.對(duì)瀝青混合料進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)，得到簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下瀝青混合料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，擬合試驗(yàn)結(jié)果以獲取材料模擬過程所需的本構(gòu)參數(shù)。

2.通過有限元模擬分析，利用已有室內(nèi)瀝青混合料失穩(wěn)預(yù)估模型，基于實(shí)際溫度場(chǎng)，建立單層、多層瀝青混合料貫入蠕變失穩(wěn)預(yù)估模型。

3.通過室內(nèi)實(shí)際貫入動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，驗(yàn)證模型預(yù)估結(jié)果。

4.分析添加劑、溫度、荷載、坡度等因素對(duì)瀝青混合料失穩(wěn)壽命的影響。

測(cè)溫試件制作與加載

表1 各層材料溫度、受力狀態(tài)及預(yù)估結(jié)果

表1 各層材料溫度、受力狀態(tài)及預(yù)估結(jié)果

表2 以率值控制試驗(yàn)初步設(shè)計(jì)方案

表2 以率值控制試驗(yàn)初步設(shè)計(jì)方案

車轍處治一體化技術(shù)研究還建立了模擬真實(shí)應(yīng)力與溫度場(chǎng)的瀝青面層混合料室內(nèi)貫入動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)及失穩(wěn)模型，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

基于室內(nèi)貫入試驗(yàn)的真實(shí)應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)，車轍處治一體化技術(shù)研究利用已建立的單一瀝青混合料中高溫度范圍的失穩(wěn)預(yù)估模型，得到包括上中下多種瀝青混合料的瀝青面層失穩(wěn)流變次數(shù)。

各層位受力狀態(tài)及溫度均不同，因此各層位失穩(wěn)壽命也有所差異。研究認(rèn)為50%及以上的層位發(fā)生失穩(wěn)，應(yīng)被認(rèn)定為混合料發(fā)生失穩(wěn)破壞。依據(jù)路面各層材料的失穩(wěn)預(yù)測(cè)模型，可推測(cè)失穩(wěn)可能發(fā)生的年限。

次生鋼渣及鋼渣灰土路基的車轍預(yù)防技術(shù)

通過分析鋼渣化學(xué)成分和礦物成分發(fā)現(xiàn)，鋼渣與高爐礦渣、?；姞t磷渣類似，是一種具有潛在水硬性能的摻合料。但是鋼渣與粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣相比，其礦物晶體生長(zhǎng)發(fā)育較大、晶粒致密、晶格穩(wěn)定、水化緩慢，因此其活性相對(duì)較低。為了提升鋼渣的應(yīng)用價(jià)值，需要激發(fā)鋼渣的活性。

現(xiàn)有鋼渣重構(gòu)技術(shù)均為在高溫爐中直接向二次處理的鋼渣中摻入添加劑，這種方法能夠生產(chǎn)出強(qiáng)度較高的類水泥的鋼渣產(chǎn)物，但是對(duì)于已經(jīng)堆放在料場(chǎng)的鋼渣并不適用。因此，提出在室溫情況下，依據(jù)水泥參數(shù)和化學(xué)激發(fā)原理，重構(gòu)出有一定強(qiáng)度的鋼渣基材，并開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以及不同激發(fā)劑及其摻量的效果評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，相比于素鋼渣，重構(gòu)鋼渣的強(qiáng)度提升了約9倍；在室溫下重構(gòu)鋼渣能夠大幅度提高鋼渣強(qiáng)度，具有深遠(yuǎn)利用價(jià)值。

重構(gòu)鋼渣無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

不同激發(fā)劑下無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

瀝青面層的車轍預(yù)防技術(shù)

瀝青面層車轍預(yù)防技術(shù)主要包括玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混凝土技術(shù)和瀝青路表的車轍預(yù)防技術(shù)-熱阻涂層材料技術(shù)。

玄武巖纖維增強(qiáng)瀝青混凝土技術(shù)

通過纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土的比較，探究纖維摻入瀝青混凝土中對(duì)其膠漿、砂漿和混凝土層面流變性能的影響，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)纖維瀝青混凝土。通過數(shù)字圖像處理技術(shù)（DIP）處理瀝青混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步模擬纖維增強(qiáng)瀝青混凝土機(jī)理。開展了多種纖維增強(qiáng)瀝青混凝土高溫性能的實(shí)驗(yàn)研究，包括半圓彎曲（SCB）蠕變?cè)囼?yàn)、間接拉伸（IDT）蠕變?cè)囼?yàn)等。分析各影響因素下細(xì)觀組分對(duì)混合料力學(xué)性能的變化規(guī)律，以便闡明纖維瀝青砂漿與混合料之間內(nèi)在聯(lián)系。

某時(shí)刻SCB及IDT細(xì)觀結(jié)構(gòu)試件豎向蠕變?cè)茍D

AC13級(jí)配加纖維SCB試件黏彈變形

研究表明，加入纖維后試件的黏彈變形明顯降低，表明高溫抗車轍能力顯著提升。同時(shí)通過纖維瀝青膠漿、纖維瀝青砂漿及纖維瀝青混凝土的機(jī)理與性能研究，建立了三者之間的定性和定量聯(lián)系。

瀝青路表的車轍預(yù)防技術(shù)-熱阻涂層材料技術(shù)

采用具有高折光系數(shù)的金紅石型二氧化鈦為顏料，以具有中空結(jié)構(gòu)的漂珠、擁有阻熱性能的橡膠粉體及能將紅外線反射到大氣外層的云母粉等為功能型填料，制備出一種滲透型水性環(huán)保涂層使其具有反射隔熱的性能，以達(dá)到阻止熱量傳遞，降低物體表面溫度的效果。

反射隔熱涂層示意圖

開展成型試件降溫涂層效果試驗(yàn)研究，分別把其中的一個(gè)涂上隔溫涂料，另一個(gè)不涂隔溫涂料，并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。其結(jié)果顯示，沒有加涂層的試件表面的最高溫度為69.6攝氏度，加涂層的試件表面最高溫度為53.4攝氏度，表面最高溫整整降低了16.2攝氏度，降溫效果明顯。在道路實(shí)際應(yīng)用時(shí)，路表溫度最高可降低6攝氏度至8攝氏度。

瀝青路面車轍快速經(jīng)濟(jì)處治技術(shù)

瀝青路面車轍快速經(jīng)濟(jì)處治技術(shù)主要包括易密實(shí)瀝青混凝土ECA車轍修補(bǔ)技術(shù)和磁化鋼渣瀝青混合料車轍整形處治技術(shù)。

易密實(shí)瀝青混凝土ECA車轍修補(bǔ)技術(shù)

針對(duì)過往車轍修復(fù)多采用銑刨重鋪方案的不足，研發(fā)人員針對(duì)性地開發(fā)了易密實(shí)瀝青混凝土ECA車轍修補(bǔ)技術(shù)，并形成了地方性標(biāo)準(zhǔn)。ECA瀝青混合料具有密實(shí)、抗滑、耐久的品質(zhì)，并具有高溫抗車轍、低溫抗開裂，以及良好的抗水損害能力，進(jìn)行車轍填補(bǔ)修復(fù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)老路車轍深度銑刨相應(yīng)厚度，采用合適類型ECA進(jìn)行填補(bǔ)，類型選擇應(yīng)結(jié)合混合料適宜填補(bǔ)厚度及單層填補(bǔ)為原則。ECA-6.7適宜填補(bǔ)厚度為15毫米至30毫米，ECA-10適宜填補(bǔ)厚度為25毫米至40毫米。

改性前鋼渣瀝青混合料紅外熱像儀成像結(jié)果

共沉淀法改性后鋼渣瀝青混合料紅外熱像儀成像結(jié)果

活性炭改性后鋼渣瀝青混合料紅外熱像儀成像結(jié)果

磁化鋼渣瀝青混合料車轍整形處治技術(shù)

通過共沉淀法和還原法兩種工藝手段對(duì)含鐵量較高的普通鋼渣進(jìn)行磁化處理，并用其取代傳統(tǒng)瀝青混合料中的部分或全部細(xì)集料，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)瀝青混合料微波吸熱特性。

根據(jù)瀝青混合料紅外熱成像儀成像結(jié)果可知，經(jīng)共沉淀法和活性炭改性后的鋼渣瀝青混合料在微波加熱兩分鐘后，溫度由20攝氏度上升到將近80攝氏度；改性前鋼渣瀝青混合料在微波加熱升溫兩分鐘后溫度提高了40攝氏度；普通瀝青混合料在微波加熱升溫兩分鐘后溫度提高了30攝氏度。由此可見，改性后的鋼渣瀝青混合料微波加熱效率有了明顯的提高，幾乎是普通瀝青混合料的兩倍。

因此，通過車轍處治一體化技術(shù)研究瀝青混凝土磁化方案，可大大提高瀝青混合料的微波吸收效率，提升微波加熱技術(shù)在公路養(yǎng)護(hù)（現(xiàn)場(chǎng)熱再生、車轍處治、裂縫修補(bǔ)）中的效率，尤其是對(duì)于車轍變形的微整形具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)調(diào)查，江蘇省2006年至2010年通車的高速公路和干線公路面臨的典型病害為車轍和裂縫，整體路面狀況較好。2011年至2017年通車的高速公路和國(guó)省干線路面整體狀況均較好，未來面臨的典型病害主要為車轍，目前養(yǎng)護(hù)工作的首要任務(wù)是制定基于車轍處治的養(yǎng)護(hù)技術(shù)方案。因此車轍防治技術(shù)將長(zhǎng)期具有穩(wěn)定的市場(chǎng)需求。