SMA改性瀝青路面泛油現象的流變學原理

陳巧志

（天津城建設計院有限公司，天津市 300121）

0 引言

SMA路面因其較好的耐久性，使用壽命長，少護養，綜合經濟效益和環境效益好等優勢，廣泛應用在我國高速公路、城市道路、橋面鋪裝、機場跑道等工程。但我國鋪筑的試驗路或實體工程的經驗表明，SMA路面的泛油現象是其不可避免的缺陷。國內外道路工程界對此進行了長期的研究，依然沒能徹底解決。近年各國在改性瀝青路面去車轍方面取得了明顯的進展，但SMA路面的泛油現象卻成為國內外普遍遇到的問題。經過多年努力，瀝青路面的泛油現象得到了一定程度的減輕，但在南方的高速重載瀝青路面，泛油現象依然常見，并且出現新的泛油型式。瀝青路面的泛油現象對路面的使用性能和行車安全構成了嚴重的挑戰[1-9]。

1 瀝青路面泛油現象特征

傳統泛油現象：在泛油路段上,路面的表面紋理逐漸被溢出的瀝青填充,直至填滿甚至覆蓋表面集料顆粒,構造深度也隨之逐步喪失。這種泛油通常在整條路段出現,路表如鏡面光滑,雨天車輛易打滑。是安全交通的巨大隱患。

新泛油現象：張宏超等在先后調查了上海市和浙江省的9條瀝青路面,并對部分道路進行了跟蹤觀測后，發現了一些具有明顯不同于以往道路病害的新的損壞現象,新泛油現象就是其中之一。

新型泛油現象表現為兩種形式:一是點狀的油斑由小到大發展;另一種是沿輪跡帶分布的帶狀泛油。油斑型泛油的發展過程中,首先是某段輪跡帶上開始出現小塊油斑,直徑1～2 cm。當泛油進一步發展后,輪跡帶上的小塊油斑逐漸增多、增大,油斑的直徑增大到2～5 cm,繼續沿輪跡分布。在油斑發展的最后階段,油斑的直徑、面積和爆發密度進一步增大,直至各塊油斑逐漸聯通成片。對損壞位置上采取的芯樣和正常路段的芯樣進行了對比試驗分析,所得結果見表1。帶狀泛油現象是沿輪跡帶分布的,通過仔細觀察和對芯樣的抽提試驗證明,發生此類泛油的路段瀝青用量正常,不存在過量瀝青。用傳統的泛油現象出現理論不能解釋這種現象，研究人員在進行其他的理論試圖解決這個問題。

表1 抽提試驗12個樣本的瀝青含量平均值 %

2 瀝青路面泛油現象出現的人為因素

2.1 盲目選擇設計參數

在我國引入SMA路面初期,由于對其缺乏必要的經驗與資料,造成照搬國外規范的現象比較普遍。因此,許多工程即使在做配合比設計時確定的油石比較低,但在施工時唯恐瀝青用量少,不敢貿然使用,紛紛將油石比調整到最小油石比以上,導致油石比偏高,為泛油留下禍根。沈大高速公路的SMA試驗段泛油原因就在于此。

2002年發布的《公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術指南》將空隙率定為3%～4%,且注釋為：對高溫穩定性要求較高的重交通路段或炎熱地區,設計空隙率取高值,且允許放寬到4.5%。但是德國規定空隙率為2%～4%,有些地方就盲目照搬,或者是因為受到以前所修建的瀝青路面水損壞嚴重的影響,人為地降低空隙率,以期達到不滲水,降低水損壞。而施工之后的通車會使SMA路面再次壓密致使空隙率進一步減小,從而使瀝青更易擠出造成路面的油斑和泛油。

2.2 材料不能滿足要求

SMA被稱為“三多一少”,即高含量粗集料、高含量礦粉、較大瀝青用量、低含量中間粒徑顆粒。材料的不當使用有可能造成路面泛油的發生。

我國長期習慣于表面處治和貫入式的噴灑施工工藝,要求瀝青越稀越好,這導致我國的瀝青使用普遍偏稀。而SMA路面的瀝青用量多,如果黏度小了,將導致自由瀝青偏多,這樣就可能引起泛油。

此外我國石料生產落后,與國外先進國家的水平至少有幾十年差距,它在一定程度上已經成為我國路面發展的軟肋。粗集料的外觀形狀，石料質地堅硬致密程度,針片狀含量多少,表面粗糙潔凈與否也可以導致泛油。

2.3 行車荷載及環境因素的作用

瀝青從瀝青混凝土的內部和下部向上移動,使表面有過多的瀝青,這是泛油的最基本現象。特別是在高溫季節,新鋪的瀝青混凝土面層在大量行車,特別是在重型貨車作用下進一步密實,更易導致瀝青上移。高溫季節的雨水侵入混凝土的內部,如果瀝青與礦料的黏結力不足,瀝青會從集料表面剝落,自由瀝青增多,產生更嚴重的泛油現象。

3 瀝青路面泛油現象的流變學機理（根本因素）

3.1 改性瀝青路面泛油的流變學機理

SBS是一種應用最為廣泛的聚合物，它由于具有與瀝青相容性好、穩定、便于施工、價格合理等優點常被用于瀝青改性劑。SBS改性瀝青技能滿足高溫性能的要求又能滿足低溫性能的要求，故SBS改性瀝青已成為高速公路最常用的改性瀝青。下面將以SBS改性瀝青作為范例介紹改性瀝青的流變學機理。

瀝青作為一種高分子聚合物的混合物，在一定條件下將遵守非牛頓流體的基本流變行為。物理改性不改變瀝青的分子結構，對瀝青的流變學行為基本無影響，此處僅探討化學改性對瀝青流變學行為的影響。根據上述SBS化學改性機理，化學改性使得SBS成為連續相，瀝青分散在SBS網絡中。即使是這樣，SBS仍然是彈性體，模量比較低。由于瀝青基體也是低模量的，故整個改性體仍然是低模量的，其受力后變形仍然較大。但由于SBS的作用，其變形回復能力比較大，所以改性瀝青道路的抗車轍能力得到增強。實際上，SBS改性瀝青微觀結構更可能是瀝青基體為連續相，SBS為分散相，類似于橡膠增韌塑料的結構。在軟化點以前，瀝青表現為硬相，SBS表現為增韌作用；軟化點以后，SBS表現為增稠增強作用，降低流動性。兩種情況都不能明顯提高混合體的模量。如果SBS與瀝青呈現完全相容，成為均相物質，則可以從高分子材料分子量分布對流變性能的影響作進一步分析。高分子材料分子量分布寬，高分子流動時容易產生更大的可回復彈性變形，從而表現出更加明顯的彈性行為。聚合物改性瀝青就是增大材料的分子量分布，可以推測，改性瀝青變形中的可回復變形成分會有所增大。

總之，SBS改性瀝青基本不提高瀝青的模量，但提高了瀝青變形時的可回復成分，即彈性效應，這是改性瀝青抗車轍能力提高的原因之一，也應該是瀝青泛油不能得到改善的流變學原因。

3.2 實際工況下瀝青的流變學行為分析

高分子材料法應力效應的方向是與最大剪應力方向垂直的。瀝青路面在車輪荷載作用下會產生水平方向和垂直方向的剪力，由于垂直方向剪力一般比水平剪力大得多，合力(路面最大剪力）的方向與垂直方向有一小夾角α，由此推斷瀝青法向力效應的理論遷移方向 (垂直于最大剪力方向）為斜向上，與水平方向的夾角也是α，見圖1。實際工況下，瀝青路面受到車輪荷載的重復作用，車輪的每次作用都會在瀝青路面中產生很大的剪應力和剪切變形，相應區域的瀝青結合料由于法向力效應而向路面“拱起”，瀝青結合料的這一前一后的“剪切變形”、“法向力拱起變形”猶如蚯蚓爬行，見圖2。陳富堅等將這種現象命名為“蚯蚓效應”。車輪的重復作用，將導致瀝青結合料在“蚯蚓效應”的作用下不斷向路表面拱起，最終產生泛油現象。

圖1 “爬桿效應”方向

圖2 瀝青遷移的“蚯蚓效應”模型

3.3 瀝青路面泛油的流變學機理

綜上分析，劉立新提出的瀝青路面泛油的流變學機理可以這樣敘述：在夏季高溫季節，瀝青路面中瀝青結合料發生一定程度的軟化，粘度降低，同時重載高速行駛車輛在瀝青路面中產生快速、強大的剪切力作用，使得瀝青結合料發生“剪切變稀”現象，粘度進一步降低，達到“蚯蚓效應”發生的必要粘度；瀝青結合料在“蚯蚓效應”作用下沿著混合料空隙“爬”出路面；遷移到路表面的瀝青進一步發生“擠出脹大”現象；此外，輪胎在路面中產生的真空吸附作用會促使在“蚯蚓效應”作用下“爬行”的瀝青進一步發生“無管虹吸”現象，加劇了泛油現象。瀝青結合料的這一連串基本流變學行為正是瀝青路面泛油現象的流變學原因。

4 瀝青路面泛油現象流變學影響因素

4.1 路面溫度對泛油的影響

溫度是影響瀝青流變學行為的主要外因。溫度很低時(如0℃），瀝青表現為彈性體，溫度高時(如路施工溫度），瀝青為牛頓流體；當路面溫度在瀝青軟化點附近時，瀝青會表現出明顯的法向力效應等非牛頓體流變學行為特征。但瀝青是否發生“蚯蚓效應”取決于法向力效應的法向應力差是否大到能克服瀝青的粘阻力。高溫季節瀝青粘度較低，粘阻力也小，較容易滿足“蚯蚓效應”的發生條件，瀝青路面泛油都是在夏季高溫季節發生就是這個原因。

4.2 路面中的剪應力和剪應變速率對泛油的影響

瀝青具有觸變性，即“剪切變稀”現象。瀝青的這種性質，既會造成路面車轍變形(失穩型車轍），也會使瀝青粘度變稀而在剪切作用下產生“蚯蚓效應”。根據流變學原理，剪應力和剪應變速率越大，瀝青的粘度降低的也越大，因此，重載高速行駛車輛越多的瀝青路面，往往越容易發生車轍和泛油現象。

4.3 改性瀝青路面層間瀝青濃度差異對泛油的影響

對瀝青進行改性摻加的SBS等外加劑的含量約占瀝青重量的5%。一般的改性瀝青路面結構：改性瀝青表面層（3～5 cm）+普通瀝青中面層（5～8 cm）+普通瀝青底面層（5～10 cm）。根據物質擴散原理：不同濃度的兩種物質相互接觸時會產生擴散現象，物質從高濃度物體向低濃度物體擴散，這種現象在液體存在，在固體也存在。在改性瀝青路面中，中面層瀝青的濃度比表面層改性瀝青的濃度高，瀝青會從高濃度的中面層向表面層擴散，從而加劇表面層泛油。當然，由于這種濃度差異一般只有5%，所以其影響是很有限的。

5 結論

（1）SMA改性瀝青路面泛油現象普遍，新的泛油現象迫使我們進行新的機理探索，從高分子材料流變學入手分析瀝青路面的泛油原因和機理。

（2）瀝青化學改性有雙重效果：既增加了瀝青高溫抗車轍能力，也提高了瀝青的彈性效應，條件合適時會加劇瀝青路面泛油。

（3）瀝青路面泛油現象從流變學角度來講，其影響因素主要在路面溫度、路面中的剪應力和剪應變速率、泛油時間、改性瀝青路面層間瀝青濃度差異這幾方面。

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