瀝青路面泛油病害研究

周關(guān)藝，唐 軍，孫 圣，徐利鑫

（1.中大檢測（湖南）股份有限公司，湖南 長沙 410205；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟南 250031）

引言

瀝青路面泛油是在溫度和行車荷載等因素作用下瀝青向路表面遷移的現(xiàn)象［1-5，8-9］。瀝青在一般使用情況下表現(xiàn)出來的是非牛頓體特性，在高溫作用下黏度降低，出現(xiàn)剪切變稀、爬桿及擠出脹大等現(xiàn)象，這是瀝青路面泛油的流變學(xué)及材料學(xué)機理［6-7］。根據(jù)泛油機理對路面施工過程中的孔隙率、壓實度等進行控制，對瀝青進行改性，增加其黏度及彈性模量來解決瀝青路面泛油問題［10-19］。

1 瀝青路面泛油

瀝青路面泛油是瀝青從瀝青混凝土層的內(nèi)部和下部向上移動，致使路面表層單位路段內(nèi)出現(xiàn)局部性甚至整體性瀝青過多現(xiàn)象，也稱瀝青遷移［1-3］，會導(dǎo)致路面滑溜，特別是雨天，對行車安全構(gòu)成嚴重威脅。瀝青往上面層遷移，直接損害中、下面層的低溫抗裂性能、抗疲勞性能。同時，會造成路面空隙率上小下大。中下面層空隙率的增大往往伴隨著負壓的產(chǎn)生及空隙的連通，路面的雨水極容易透過微觀裂紋或面層空隙進入基層，甚至擊穿上面層，形成水損害。

2 瀝青路面泛油的產(chǎn)生

2.1 瀝青路面泛油產(chǎn)生的主要原因

（1）空隙率過小［3-5］：在高溫季節(jié)，瀝青受熱膨脹，在填滿混合料中的空隙后溢出路表面形成泛油。（2）壓實度不足：瀝青混合料由于壓實度標準偏低或壓實度不足，路面開放交通后在重載車輛的再次壓密作用下，瀝青混合料內(nèi)的集料不斷嵌擠而空隙率減少，導(dǎo)致瀝青被擠壓到路表而發(fā)生泛油。（3）動壓水作用：集料表面的瀝青膜剝落成為自由瀝青，并在水的作用下被迫向上部遷移，從而導(dǎo)致面層上部泛油而底部松散。

2.2 泛油形成機理

2.2.1 高分子材料的基本流變學(xué)行為

高聚物熔體的彈性流變效應(yīng)會引起一些在牛頓流體活動中不曾見到的現(xiàn)象，如剪切變稀、爬桿、擠出脹大無管虹吸現(xiàn)象等，見圖1。

圖1 非牛頓流體的基本流變行為［6］

2.2.2 泛油形成的力學(xué)機理

在夏季高溫季節(jié)，瀝青路面中瀝青結(jié)合料發(fā)生一定程度的軟化，黏度降低，同時重載高速行駛車輛在瀝青路面中產(chǎn)生快速、強大的剪切力作用，使得瀝青結(jié)合料出現(xiàn)“剪切變稀”現(xiàn)象，黏度進一步降低，達到“蚯蚓效應(yīng)”發(fā)生的必要黏度；瀝青結(jié)合料在“蚯蚓效應(yīng)”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(fā)生“擠出脹大”現(xiàn)象；此外，輪胎在路面中產(chǎn)生的真空吸附作用會促使在“蚯蚓效應(yīng)”作用下“爬行”的瀝青進一步發(fā)生“無管虹吸”現(xiàn)象，加劇泛油現(xiàn)象，見圖2。瀝青結(jié)合料的這一連串基本流變學(xué)行為正是瀝青路面泛油現(xiàn)象的流變學(xué)原因［7］。

圖2 瀝青遷移“蚯蚓效應(yīng)”模型［7］

2.3 瀝青路面泛油主要影響因素

2.3.1 溫度

溫度很低時，瀝青表現(xiàn)為彈性體，溫度高時，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(xiàn)出明顯的法向力效應(yīng)等非牛頓體流變學(xué)行為特征［7］。瀝青在較高的路面使用溫度下軟化，導(dǎo)致上層的集料壓入下一層路面。這會將瀝青向上推，導(dǎo)致出油。TAESOON［8］對在利用現(xiàn)場熱再生技術(shù)的再生層上攤鋪一層25 mm 覆蓋層的路面出現(xiàn)嚴重泛油病害進行研究，發(fā)現(xiàn)過高瀝青含量的表面層是路面泛油的主要原因。

2.3.2 荷載大小及作用頻率

根據(jù)流變學(xué)原理，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變速率越大，瀝青的黏度降低的也越大，因此，重載高速行駛車輛越多的瀝青路面，往往越容易發(fā)生車轍和泛油現(xiàn)象。HAMED 等［9］利用X 射線CT 系統(tǒng)來獲取試樣高度上的空隙分布。試驗結(jié)果表明，車速（負載持續(xù)時間）對交流應(yīng)變的影響非常明顯。較高的速度（較高的頻率）產(chǎn)生較低的應(yīng)變。

2.3.3 級配

混合料級配是影響瀝青混合料空隙率大小的直接因素，空隙分布及空隙率大小與泛油有著緊密的聯(lián)系。HAMED 等［9］通過檢測低溫、中等溫度及高溫情況下不同瀝青混合料級配在車輛荷載作用時的空隙率變化情況，發(fā)現(xiàn)較細的級配或過級配的混合料更容易受到永久變形的影響，隨著空隙的減少，重交通荷載下的路面更容易泛油。

3 瀝青路面泛油的解決措施

3.1 路面施工過程控制措施

3.1.1 控制空隙率、保證足夠壓實度

嚴格檢測相關(guān)材料的熱漲性變系數(shù)，同時采取科學(xué)的路面養(yǎng)護維修管理，減少瀝青路面在高溫下發(fā)生膨脹性泛油［10］。嚴格控制施工集料的性能選擇，提高路面結(jié)構(gòu)的空隙率穩(wěn)定性。同時實行施工過程中的在線監(jiān)測，保證壓實強度。

3.1.2 布置路面排水

保障路面結(jié)構(gòu)空隙率彈性形變穩(wěn)定性值域，布置防水、排水設(shè)施，避免自然雨水在路面積水侵入瀝青結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成水損害［10］。

3.2 改善瀝青材料性能

3.2.1 提高瀝青黏度和彈性模量

使瀝青接近彈性體是減輕瀝青遷移可行的材料學(xué)方法［11］。鄧文廣［12］在基質(zhì)瀝青中加入相容劑、聚合物改性劑、特種增黏劑、穩(wěn)定劑等制備了一種高黏高彈改性瀝青。高黏高彈瀝青抗剪性能及變形恢復(fù)能力均表現(xiàn)良好，特別是高溫時的抗剪性能明顯優(yōu)于普通瀝青。SPSC 改性劑的由熱塑性橡膠、增黏劑、增塑劑、膠連劑等按比例組合而成。劉永偉等［13］發(fā)現(xiàn)當 SPSC 改性劑的摻量＞3%時，改性瀝青的軟化點＞90 ℃，滿足高黏度改性瀝青的特征標準，同時，樣本瀝青的 60 ℃動力黏度在 SPSC 改性劑的含量水平增加情況下迅速增大，說明經(jīng) SPSC 改性后的樣本瀝青高溫穩(wěn)定性較好，而且強度較高，產(chǎn)生永久變形概率較小，見圖3。

圖3 SPSC 含量水平與60 ℃動力黏度關(guān)系［13］

高模量瀝青混凝土與普通的瀝青混凝土路面或改性瀝青路面相比，具有模量高、空隙率小、高溫穩(wěn)定性和抗疲勞性好等優(yōu)點，可以有效提高瀝青路面的抗泛油性。王超［14］對添加了PR MODULE 高模量添加劑提高了瀝青混合料的抗永久變形能力，對改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有顯著作用。李純等［15］采用采用脫油瀝青（DOA）、聚合物改性劑（SBS）對70#瀝青進行復(fù)合改性制備高模量瀝青。高模量瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr極低，表現(xiàn)出良好的高溫性能，且應(yīng)力敏感系數(shù)Jnr-diff較低，對應(yīng)力敏感性小，MSCR 試驗結(jié)果見表1。

表1 三種瀝青的多重應(yīng)力蠕變MSCR 試驗結(jié)果［16］

3.2.2 硅藻土改性瀝青

高溫時，硅藻土能夠吸附較多瀝青，防止路面泛油；同時硅藻土改性瀝青路面具有隔熱和阻熱的特性，在高溫條件下，可阻止路面溫度升溫過高，對防止路面產(chǎn)生車轍和泛油具有較好的作用。劉家俊［16］采用室內(nèi)SHRP 旋轉(zhuǎn)黏度、動態(tài)剪切流變（DSR）試驗對藻土改性瀝青材料的性能進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土可增大瀝青材料的黏度。劉盛輝［17］也得出了硅藻土材料能夠有效改善瀝青材料高溫性能的試驗結(jié)果。呂虎娃［18］、錢璞和李俊［19］研究發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中摻加硅藻土，可以改善瀝青混合料的高溫性能，摻加硅藻土后動穩(wěn)定度提高了約2.5 倍。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)泛油范圍的不同可以將瀝青路面泛油病害分為傳統(tǒng)泛油及新型泛油。（2）泛油病害導(dǎo)致路面摩擦力系數(shù)下降，具有較大的安全隱患，同時瀝青遷移會降低中、下面層的低溫抗裂性能、抗疲勞性能，還會造成水路面的水損害。（3）空隙率過小、壓實度不足、動壓水作用及施工不當是泛油產(chǎn)生的原因，可以從流變學(xué)角度分析泛油產(chǎn)生的原因。（4）提高瀝青膠結(jié)料的黏度和彈性模量，加入含有大量的SiO2成分硅藻土，可以提高路面抗泛油性能。