Superpave高性能瀝青混凝土路面泛油機理分析及防治對策

劉子于

摘要 文章首先介紹了兩種泛油類型，然后分析了泛油現(xiàn)象產(chǎn)生的機理，最后依托具體工程，針對Sup-13表面層泛油現(xiàn)象產(chǎn)生的內(nèi)在原因提出了相應(yīng)的防治對策。結(jié)果表明，瀝青的流變學(xué)行為正是瀝青路面泛油的材料學(xué)原因，高溫狀態(tài)下，瀝青產(chǎn)生了“剪切變稀”現(xiàn)象，導(dǎo)致瀝青從混合料之間的空隙向上遷移，引發(fā)路面泛油，通過調(diào)整瀝青用量和拌和溫度可以極大緩解路面攤鋪時泛油現(xiàn)象的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞 Superpave高性能瀝青混凝土路面；路面泛油；機理分析；防治對策

中圖分類號 U416.217文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0087-03

0 引言

截至2022年年底，我國公路通車總里程已達

5 350 000 km，巨大的公路交通網(wǎng)絡(luò)對于促進經(jīng)濟發(fā)展、加強區(qū)域一體化和提供便民出行等方面發(fā)揮著重要的作用。瀝青混合料作為公路路面的主要材料，直接承受車輪的磨耗，由于建設(shè)期間施工操作不當(dāng)以及車輛荷載的反復(fù)作用，大部分公路在通車1～2年后便出現(xiàn)了大面積的損壞。許多研究人員在調(diào)查后提出采用Superpave的混合料設(shè)計技術(shù)方法，通過模擬路面的實際施工情況來進行混合料的設(shè)計，Superpave的混合料設(shè)計技術(shù)在一定程度上改善了瀝青路面的質(zhì)量，但由于重載車輛和環(huán)境因素等的綜合作用，部分公路在建設(shè)和服役期間仍然出現(xiàn)了新的病害，如新型泛油現(xiàn)象等，泛油不僅影響了路面的摩擦系數(shù)和行車安全，還給公路養(yǎng)護帶來了額外的經(jīng)濟成本，且不同程度的泛油對道路性能的影響又大不一樣。因此，從Superpave瀝青路面泛油機理進行分析，能夠深入了解泛油產(chǎn)生的根本原因，并提出相應(yīng)的防治對策。

1 Superpave瀝青路面泛油現(xiàn)象類型及特征

根據(jù)相關(guān)研究表明，Superpave瀝青路面泛油的類型主要包括傳統(tǒng)泛油和新型泛油。

1.1 傳統(tǒng)泛油

傳統(tǒng)泛油現(xiàn)象中，路表面的瀝青在外力和環(huán)境因素等的作用下會逐漸流動和溢出，并填充到表面紋理構(gòu)造中，直至覆蓋表面集料顆粒，使路表面失去原有的結(jié)構(gòu)和紋理深度，最終形成光滑的表面[1]。傳統(tǒng)泛油通常出現(xiàn)在整條路段，出現(xiàn)泛油現(xiàn)象后，路表面會變得極其光滑，大幅降低了車輛行駛時的摩擦系數(shù)，增加了雨天道路行駛的危險性，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)打滑、失控等安全隱患。目前，部分道路在建設(shè)和運營期間常出現(xiàn)此種現(xiàn)象，究其原因，主要是瀝青混合料級配設(shè)計不合理，導(dǎo)致瀝青用量過多或細集料較少，從而使得混合料中的瀝青無法被充分包裹和吸附，出現(xiàn)過剩的自由瀝青，這些自由瀝青在路面服役過程中滲出并產(chǎn)生泛油現(xiàn)象。

1.2 新型泛油

目前，新型泛油現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式：一是由于路面細集料的聚集，導(dǎo)致細集料多的地方形成點狀的油斑，隨著車輛行駛和天氣變化，這些油斑可能會逐漸擴大，形成較大的泛油區(qū)域；點狀型油斑在發(fā)展過程中，首先是路表面部分區(qū)域出現(xiàn)的面積較小的油斑，直徑為2～3 cm，在行車荷載作用下，小塊油斑由小到大進行擴展，小塊油斑的面積逐漸增大，且油斑的分布走向與車輪帶重疊；在整個擴展過程中，各油斑會逐漸聚集并融合，從而擴大了油斑的尺寸和面積[2]。當(dāng)油斑之間的距離足夠接近時，它們會逐漸連通并形成一個更大的油斑片，且油斑區(qū)域瀝青用量偏大，底部瀝青會向頂部遷移，導(dǎo)致上層瀝青用量偏大，見圖1。二是在車輪荷載的反復(fù)作用下沿輪跡帶分布的帶狀泛油，對出現(xiàn)帶狀泛油現(xiàn)象的部位進行取芯和抽提，結(jié)果顯示帶狀泛油區(qū)域的瀝青用量均在設(shè)計要求范圍之內(nèi)，不存在過量瀝青的情況，這也說明沿輪跡帶的帶狀泛油現(xiàn)象很大一部分是由車輪荷載的反復(fù)作用所引起[3]。

2 Superpave瀝青路面泛油現(xiàn)象機理分析

高分子聚合物在熔融狀態(tài)下的基本流變行為見圖2。

2.1 剪切變稀現(xiàn)象

剪切變稀現(xiàn)象是指在施加剪切力的情況下，高分子聚合物（瀝青）的黏度降低并表現(xiàn)出較低的黏度，從而變得更加流動的現(xiàn)象[4]。當(dāng)瀝青受到外力作用時，分子間的相互作用會減弱，導(dǎo)致瀝青流動性增強，使得瀝青呈現(xiàn)出較低的黏度。剪切變稀現(xiàn)象在道路工程中的表現(xiàn)形式：在高溫季節(jié)或車輛通行頻繁的路段，由于車輛輪胎與路面之間的剪切作用，瀝青會發(fā)生“剪切變稀”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致路面泛油、降低路面的抗滑性能，甚至影響行車安全。

2.2 爬桿現(xiàn)象

爬桿現(xiàn)象是指高聚物熔體在受到剪切應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致熔體內(nèi)部的高分子鏈沿受力方向向上推擠，并產(chǎn)生向上的推擠力，使熔體沿轉(zhuǎn)軸向上爬升。在高速剪切下，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致非線性的流變行為。在這種情況下，由于材料內(nèi)部分子的重新排列和受力方式的改變，法向應(yīng)力可能會增大，并且可能超過剪切應(yīng)力。爬桿現(xiàn)象在道路工程中的表現(xiàn)形式：當(dāng)車輛產(chǎn)生較大的法向應(yīng)力時，路面內(nèi)部的瀝青會沿礦料表面向上遷移，進而引發(fā)泛油現(xiàn)象。

2.3 擠出脹大現(xiàn)象

擠出脹大現(xiàn)象導(dǎo)致擠出物的截面積比擠出口模的截面積大，這是因為在擠出口模處，熔體的流動速度變慢，內(nèi)部分子鏈的推擠力相對較小，而外部分子鏈?zhǔn)艿捷^大的剪切應(yīng)力推擠，使得熔體在擠出過程中發(fā)生膨脹，擠出脹大現(xiàn)象是瀝青路面泛油的內(nèi)在原因。

2.4 無管虹吸現(xiàn)象

無管虹吸現(xiàn)象表現(xiàn)為在低變形速率下，高分子聚合物的分子鏈在流動過程中容易發(fā)生卡滯，導(dǎo)致流動阻力增大[5]。隨著變形速率的增加，高分子聚合物的分子鏈流動更加順暢，卡滯現(xiàn)象減弱，從而使得拉伸黏度逐漸增加，無管虹吸現(xiàn)象在道路工程中的表現(xiàn)形式：當(dāng)行車速度較快時，滯留在空隙中的瀝青會逐漸向上遷移。

3 工程應(yīng)用

該文依托2023年徐州市國省干線公路養(yǎng)護大中修工程G310-2023DX-SG7標(biāo)段進行研究，其中上面層采用Sup-13瀝青混合料進行鋪設(shè)。

3.1 生產(chǎn)配合比設(shè)計

經(jīng)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實試驗確定Sup-13最佳瀝青用量為4.7%，并對最佳瀝青用量進行了驗證，結(jié)果表明在最佳瀝青用量下混合料各項試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求，各熱料倉比例及設(shè)計瀝青用量見表1。

3.2 試驗段的攤鋪

經(jīng)項目部與檢測單位確定施工工藝和面層混合料相關(guān)參數(shù)后，施工單位組織相關(guān)力量進行試驗段的攤鋪，同時對攤鋪過程中的混合料進行級配篩分檢測，檢測結(jié)果見表2，體積指標(biāo)檢測結(jié)果見表3。經(jīng)檢測，所檢指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，攤鋪碾壓完成后現(xiàn)場出現(xiàn)了大面積的泛油，見圖3。

3.3 路面泛油現(xiàn)象分析

試驗段出現(xiàn)泛油現(xiàn)象后，項目部與檢測單位一起對現(xiàn)場泛油部位進行取樣檢測，經(jīng)檢測芯樣空隙率在4.6%～5%之間，壓實度在95%～95.4%之間，所檢指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。從現(xiàn)場壓實后的情況來看，整個攤鋪路段出現(xiàn)了大面積泛油，路表面有明顯“反光”現(xiàn)象且多余的自由瀝青填充了路表面紋理，降低了路面構(gòu)造深度；泛油現(xiàn)象發(fā)生后，車輛行駛時有明顯黏輪現(xiàn)象，且由于路表面變得極其光滑，大幅降低了車輛行駛時的摩擦系數(shù)。從取樣情況來看，芯樣從底部至頂面均表現(xiàn)出泛油現(xiàn)象，且芯樣側(cè)面也出現(xiàn)了反光，因此根據(jù)泛油機理可判斷此次泛油現(xiàn)象主要原因：高溫使瀝青流動性增強，同時導(dǎo)致混合料出現(xiàn)了一定的熱脹現(xiàn)象，原本在壓路機的碾壓作用下，混合料的體積會逐漸減小，但由于高溫的作用，導(dǎo)致材料體積增大，混合料之間的空隙無法容納膨脹增加的體積，使得液化的瀝青從空隙溢出。此外，高溫使瀝青內(nèi)部分子間的相互作用減弱，導(dǎo)致瀝青分子結(jié)構(gòu)的重排和流動性增強，當(dāng)壓路機在碾壓過程中對路面產(chǎn)生剪切力時，使瀝青產(chǎn)生了“剪切變稀”現(xiàn)象，導(dǎo)致瀝青從混合料之間的空隙向上遷移，造成了路面泛油現(xiàn)象。

3.4 路面泛油現(xiàn)象的防治對策

泛油是瀝青路面特有的病害，泛油現(xiàn)象會降低路面的構(gòu)造深度，使路表面變得光滑，降低車輛的附著力，增加制動距離和打滑的風(fēng)險。泛油現(xiàn)象的防治應(yīng)針對不同成因采取不同的防治措施，對于動水壓力引起的泛油現(xiàn)象，主要是因為路面成型后空隙率過大導(dǎo)致水分滯留在空隙內(nèi)，車輛荷載作用下引起的動水壓力使瀝青從集料表面剝落，同時內(nèi)部剝落的自由瀝青在動水壓力的作用下會向路表面遷移，最終出現(xiàn)泛油現(xiàn)象，針對此類情況，在瀝青路面施工過程中，應(yīng)嚴格控制混合料級配，并保證攤鋪碾壓效果，確保瀝青路面空隙率符合規(guī)范要求；對于二次壓實造成的泛油現(xiàn)象，主要是因為碾壓時瀝青混合料溫度過低或壓路機噸位過小導(dǎo)致的碾壓不實，在開放交通后，由于車輛荷載的反復(fù)作用導(dǎo)致路表面的空隙率減小，在夏季高溫條件下，液化的瀝青流出路表面而出現(xiàn)泛油，針對此類情況，施工過程中應(yīng)嚴格控制好壓路機噸位和瀝青混合料溫度；對于施工過程中出現(xiàn)的泛油現(xiàn)象，主要是高溫和瀝青用量過大所引起的。針對該項目中出現(xiàn)的泛油現(xiàn)象，經(jīng)項目部與檢測單位討論后，決定將瀝青用量與拌和溫度進行調(diào)整，具體調(diào)整對策見表4，其他參數(shù)和施工工序保持不變，經(jīng)調(diào)整后現(xiàn)場攤鋪效果見圖4。

從圖4中可以看出，調(diào)整瀝青用量和拌和溫度后，現(xiàn)場攤鋪效果較好，未出現(xiàn)泛油現(xiàn)象，這是因為適宜的溫度在減小瀝青黏度的同時也降低了瀝青的流動性，在壓路機的碾壓作用下并不會使瀝青產(chǎn)生“剪切變稀”現(xiàn)象。此外，隨著瀝青用量的減少，原本多余的自由瀝青也逐漸減少，混合料中的瀝青在被集料所吸附之后，并未出現(xiàn)多余的自由瀝青，從而防止了泛油現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語

該文通過對Superpave高性能瀝青路面泛油機理進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）Superpave高性能瀝青路面泛油的類型主要有兩種表現(xiàn)形式：傳統(tǒng)型泛油和新型泛油。

（2）從Superpave高性能瀝青路面泛油機理分析結(jié)果來看，泛油機理主要表現(xiàn)為4種非牛頓流體的基本流變行為：剪切變稀現(xiàn)象、爬桿現(xiàn)象、擠出脹大現(xiàn)象、無管虹吸現(xiàn)象。

（3）從工程應(yīng)用情況來看，Sup-13表面層出現(xiàn)泛油的原因是高溫和車輛荷載使瀝青發(fā)生了“剪切變稀”現(xiàn)象，通過調(diào)整拌和溫度和瀝青用量，避免了泛油現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而改善了表面層的攤鋪效果。

參考文獻

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