陳巧志

（天津城建設(shè)計(jì)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(hù)養(yǎng)，綜合經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在我國高速公路、城市道路、橋面鋪裝、機(jī)場(chǎng)跑道等工程。但我國鋪筑的試驗(yàn)路或?qū)嶓w工程的經(jīng)驗(yàn)表明，SMA路面的泛油現(xiàn)象是其不可避免的缺陷。國內(nèi)外道路工程界對(duì)此進(jìn)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(jìn)展，但SMA路面的泛油現(xiàn)象卻成為國內(nèi)外普遍遇到的問題。經(jīng)過多年努力，瀝青路面的泛油現(xiàn)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(xiàn)象依然常見，并且出現(xiàn)新的泛油型式。瀝青路面的泛油現(xiàn)象對(duì)路面的使用性能和行車安全構(gòu)成了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[1-9]。

1 瀝青路面泛油現(xiàn)象特征

傳統(tǒng)泛油現(xiàn)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(gòu)造深度也隨之逐步喪失。這種泛油通常在整條路段出現(xiàn),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(xiàn)象：張宏超等在先后調(diào)查了上海市和浙江省的9條瀝青路面,并對(duì)部分道路進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)后，發(fā)現(xiàn)了一些具有明顯不同于以往道路病害的新的損壞現(xiàn)象,新泛油現(xiàn)象就是其中之一。

新型泛油現(xiàn)象表現(xiàn)為兩種形式:一是點(diǎn)狀的油斑由小到大發(fā)展;另一種是沿輪跡帶分布的帶狀泛油。油斑型泛油的發(fā)展過程中,首先是某段輪跡帶上開始出現(xiàn)小塊油斑,直徑1～2 cm。當(dāng)泛油進(jìn)一步發(fā)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(xù)沿輪跡分布。在油斑發(fā)展的最后階段,油斑的直徑、面積和爆發(fā)密度進(jìn)一步增大,直至各塊油斑逐漸聯(lián)通成片。對(duì)損壞位置上采取的芯樣和正常路段的芯樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)分析,所得結(jié)果見表1。帶狀泛油現(xiàn)象是沿輪跡帶分布的,通過仔細(xì)觀察和對(duì)芯樣的抽提試驗(yàn)證明,發(fā)生此類泛油的路段瀝青用量正常,不存在過量瀝青。用傳統(tǒng)的泛油現(xiàn)象出現(xiàn)理論不能解釋這種現(xiàn)象，研究人員在進(jìn)行其他的理論試圖解決這個(gè)問題。

表1 抽提試驗(yàn)12個(gè)樣本的瀝青含量平均值 %

2 瀝青路面泛油現(xiàn)象出現(xiàn)的人為因素

2.1 盲目選擇設(shè)計(jì)參數(shù)

在我國引入SMA路面初期,由于對(duì)其缺乏必要的經(jīng)驗(yàn)與資料,造成照搬國外規(guī)范的現(xiàn)象比較普遍。因此,許多工程即使在做配合比設(shè)計(jì)時(shí)確定的油石比較低,但在施工時(shí)唯恐瀝青用量少,不敢貿(mào)然使用,紛紛將油石比調(diào)整到最小油石比以上,導(dǎo)致油石比偏高,為泛油留下禍根。沈大高速公路的SMA試驗(yàn)段泛油原因就在于此。

2002年發(fā)布的《公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南》將空隙率定為3%～4%,且注釋為：對(duì)高溫穩(wěn)定性要求較高的重交通路段或炎熱地區(qū),設(shè)計(jì)空隙率取高值,且允許放寬到4.5%。但是德國規(guī)定空隙率為2%～4%,有些地方就盲目照搬,或者是因?yàn)槭艿揭郧八藿ǖ臑r青路面水損壞嚴(yán)重的影響,人為地降低空隙率,以期達(dá)到不滲水,降低水損壞。而施工之后的通車會(huì)使SMA路面再次壓密致使空隙率進(jìn)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(dāng)使用有可能造成路面泛油的發(fā)生。

我國長期習(xí)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(dǎo)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(dǎo)致自由瀝青偏多,這樣就可能引起泛油。

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

2.3 行車荷載及環(huán)境因素的作用

瀝青從瀝青混凝土的內(nèi)部和下部向上移動(dòng),使表面有過多的瀝青,這是泛油的最基本現(xiàn)象。特別是在高溫季節(jié),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(jìn)一步密實(shí),更易導(dǎo)致瀝青上移。高溫季節(jié)的雨水侵入混凝土的內(nèi)部,如果瀝青與礦料的黏結(jié)力不足,瀝青會(huì)從集料表面剝落,自由瀝青增多,產(chǎn)生更嚴(yán)重的泛油現(xiàn)象。

3 瀝青路面泛油現(xiàn)象的流變學(xué)機(jī)理（根本因素）

3.1 改性瀝青路面泛油的流變學(xué)機(jī)理

SBS是一種應(yīng)用最為廣泛的聚合物，它由于具有與瀝青相容性好、穩(wěn)定、便于施工、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)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(xué)機(jī)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?yōu)r青的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)瀝青的流變學(xué)行為基本無影響，此處僅探討化學(xué)改性對(duì)瀝青流變學(xué)行為的影響。根據(jù)上述SBS化學(xué)改性機(jī)理，化學(xué)改性使得SBS成為連續(xù)相，瀝青分散在SBS網(wǎng)絡(luò)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(gè)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(fù)能力比較大，所以改性瀝青道路的抗車轍能力得到增強(qiáng)。實(shí)際上，SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)更可能是瀝青基體為連續(xù)相，SBS為分散相，類似于橡膠增韌塑料的結(jié)構(gòu)。在軟化點(diǎn)以前，瀝青表現(xiàn)為硬相，SBS表現(xiàn)為增韌作用；軟化點(diǎn)以后，SBS表現(xiàn)為增稠增強(qiáng)作用，降低流動(dòng)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(xiàn)完全相容，成為均相物質(zhì)，則可以從高分子材料分子量分布對(duì)流變性能的影響作進(jìn)一步分析。高分子材料分子量分布寬，高分子流動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生更大的可回復(fù)彈性變形，從而表現(xiàn)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(cè)，改性瀝青變形中的可回復(fù)變形成分會(huì)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(shí)的可回復(fù)成分，即彈性效應(yīng)，這是改性瀝青抗車轍能力提高的原因之一，也應(yīng)該是瀝青泛油不能得到改善的流變學(xué)原因。

3.2 實(shí)際工況下瀝青的流變學(xué)行為分析

高分子材料法應(yīng)力效應(yīng)的方向是與最大剪應(yīng)力方向垂直的。瀝青路面在車輪荷載作用下會(huì)產(chǎn)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(yīng)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(shí)際工況下，瀝青路面受到車輪荷載的重復(fù)作用，車輪的每次作用都會(huì)在瀝青路面中產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力和剪切變形，相應(yīng)區(qū)域的瀝青結(jié)合料由于法向力效應(yīng)而向路面“拱起”，瀝青結(jié)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(jiān)等將這種現(xiàn)象命名為“蚯蚓效應(yīng)”。車輪的重復(fù)作用，將導(dǎo)致瀝青結(jié)合料在“蚯蚓效應(yīng)”的作用下不斷向路表面拱起，最終產(chǎn)生泛油現(xiàn)象。

圖1 “爬桿效應(yīng)”方向

圖2 瀝青遷移的“蚯蚓效應(yīng)”模型

3.3 瀝青路面泛油的流變學(xué)機(jī)理

綜上分析，劉立新提出的瀝青路面泛油的流變學(xué)機(jī)理可以這樣敘述：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，粘度降低，同時(shí)重載高速行駛車輛在瀝青路面中產(chǎn)生快速、強(qiáng)大的剪切力作用，使得瀝青結(jié)合料發(fā)生“剪切變稀”現(xiàn)象，粘度進(jìn)一步降低，達(dá)到“蚯蚓效應(yīng)”發(fā)生的必要粘度；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(jìn)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(huì)促使在“蚯蚓效應(yīng)”作用下“爬行”的瀝青進(jìn)一步發(fā)生“無管虹吸”現(xiàn)象，加劇了泛油現(xiàn)象。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。

4 瀝青路面泛油現(xiàn)象流變學(xué)影響因素

4.1 路面溫度對(duì)泛油的影響

溫度是影響瀝青流變學(xué)行為的主要外因。溫度很低時(shí)(如0℃），瀝青表現(xiàn)為彈性體，溫度高時(shí)(如路施工溫度），瀝青為牛頓流體；當(dāng)路面溫度在瀝青軟化點(diǎn)附近時(shí)，瀝青會(huì)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。但瀝青是否發(fā)生“蚯蚓效應(yīng)”取決于法向力效應(yīng)的法向應(yīng)力差是否大到能克服瀝青的粘阻力。高溫季節(jié)瀝青粘度較低，粘阻力也小，較容易滿足“蚯蚓效應(yīng)”的發(fā)生條件，瀝青路面泛油都是在夏季高溫季節(jié)發(fā)生就是這個(gè)原因。

4.2 路面中的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變速率對(duì)泛油的影響

瀝青具有觸變性，即“剪切變稀”現(xiàn)象。瀝青的這種性質(zhì)，既會(huì)造成路面車轍變形(失穩(wěn)型車轍），也會(huì)使瀝青粘度變稀而在剪切作用下產(chǎn)生“蚯蚓效應(yīng)”。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(fā)生車轍和泛油現(xiàn)象。

4.3 改性瀝青路面層間瀝青濃度差異對(duì)泛油的影響

對(duì)瀝青進(jìn)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(jié)構(gòu)：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(jù)物質(zhì)擴(kuò)散原理：不同濃度的兩種物質(zhì)相互接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散現(xiàn)象，物質(zhì)從高濃度物體向低濃度物體擴(kuò)散，這種現(xiàn)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(huì)從高濃度的中面層向表面層擴(kuò)散，從而加劇表面層泛油。當(dāng)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(jié)論

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

（2）瀝青化學(xué)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(yīng)，條件合適時(shí)會(huì)加劇瀝青路面泛油。

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

[1]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]劉立新.瀝青混合料粘彈性力學(xué)及材料學(xué)原理[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]張宏超,孫立軍,黃進(jìn)堂.瀝青路面新泛油病害及其機(jī)理分析[J].公路交通科技,2002,19（6）:32-34.

[4]張肖寧.瀝青及瀝青混合料粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2006.

[5]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]呂偉民.SMA路面的泛油及其空隙率[J].石油瀝青,2001,15（2）:22-24.

[7]SMA路面泛油原因分析[J].山西交通科技,2005,1（2）:32-36.

[8]瀝青路面泛油現(xiàn)象的材料學(xué)原理[J].公路交通科技,2009,26（1）:104-110.

[9]寧高高速公路泛油原因分析研究[J].北方交通,2009.3（1）:47-49.