沥青路面泛油病害研究

周关艺，唐 军，孙 圣，徐利鑫

（1.中大检测（湖南）股份有限公司，湖南 长沙 410205；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）

引言

沥青路面泛油是在温度和行车荷载等因素作用下沥青向路表面迁移的现象［1-5，8-9］。沥青在一般使用情况下表现出来的是非牛顿体特性，在高温作用下黏度降低，出现剪切变稀、爬杆及挤出胀大等现象，这是沥青路面泛油的流变学及材料学机理［6-7］。根据泛油机理对路面施工过程中的孔隙率、压实度等进行控制，对沥青进行改性，增加其黏度及弹性模量来解决沥青路面泛油问题［10-19］。

1 沥青路面泛油

沥青路面泛油是沥青从沥青混凝土层的内部和下部向上移动，致使路面表层单位路段内出现局部性甚至整体性沥青过多现象，也称沥青迁移［1-3］，会导致路面滑溜，特别是雨天，对行车安全构成严重威胁。沥青往上面层迁移，直接损害中、下面层的低温抗裂性能、抗疲劳性能。同时，会造成路面空隙率上小下大。中下面层空隙率的增大往往伴随着负压的产生及空隙的连通，路面的雨水极容易透过微观裂纹或面层空隙进入基层，甚至击穿上面层，形成水损害。

2 沥青路面泛油的产生

2.1 沥青路面泛油产生的主要原因

（1）空隙率过小［3-5］：在高温季节，沥青受热膨胀，在填满混合料中的空隙后溢出路表面形成泛油。（2）压实度不足：沥青混合料由于压实度标准偏低或压实度不足，路面开放交通后在重载车辆的再次压密作用下，沥青混合料内的集料不断嵌挤而空隙率减少，导致沥青被挤压到路表而发生泛油。（3）动压水作用：集料表面的沥青膜剥落成为自由沥青，并在水的作用下被迫向上部迁移，从而导致面层上部泛油而底部松散。

2.2 泛油形成机理

2.2.1 高分子材料的基本流变学行为

高聚物熔体的弹性流变效应会引起一些在牛顿流体活动中不曾见到的现象，如剪切变稀、爬杆、挤出胀大无管虹吸现象等，见图1。

图1 非牛顿流体的基本流变行为［6］

2.2.2 泛油形成的力学机理

在夏季高温季节，沥青路面中沥青结合料发生一定程度的软化，黏度降低，同时重载高速行驶车辆在沥青路面中产生快速、强大的剪切力作用，使得沥青结合料出现“剪切变稀”现象，黏度进一步降低，达到“蚯蚓效应”发生的必要黏度；沥青结合料在“蚯蚓效应”作用下沿着混合料空隙“爬”出路面；迁移到路表面的沥青进一步发生“挤出胀大”现象；此外，轮胎在路面中产生的真空吸附作用会促使在“蚯蚓效应”作用下“爬行”的沥青进一步发生“无管虹吸”现象，加剧泛油现象，见图2。沥青结合料的这一连串基本流变学行为正是沥青路面泛油现象的流变学原因［7］。

图2 沥青迁移“蚯蚓效应”模型［7］

2.3 沥青路面泛油主要影响因素

2.3.1 温度

温度很低时，沥青表现为弹性体，温度高时，沥青为牛顿流体；当路面温度在沥青软化点附近时，沥青会表现出明显的法向力效应等非牛顿体流变学行为特征［7］。沥青在较高的路面使用温度下软化，导致上层的集料压入下一层路面。这会将沥青向上推，导致出油。TAESOON［8］对在利用现场热再生技术的再生层上摊铺一层25 mm 覆盖层的路面出现严重泛油病害进行研究，发现过高沥青含量的表面层是路面泛油的主要原因。

2.3.2 荷载大小及作用频率

根据流变学原理，剪应力和剪应变速率越大，沥青的黏度降低的也越大，因此，重载高速行驶车辆越多的沥青路面，往往越容易发生车辙和泛油现象。HAMED 等［9］利用X 射线CT 系统来获取试样高度上的空隙分布。试验结果表明，车速（负载持续时间）对交流应变的影响非常明显。较高的速度（较高的频率）产生较低的应变。

2.3.3 级配

混合料级配是影响沥青混合料空隙率大小的直接因素，空隙分布及空隙率大小与泛油有着紧密的联系。HAMED 等［9］通过检测低温、中等温度及高温情况下不同沥青混合料级配在车辆荷载作用时的空隙率变化情况，发现较细的级配或过级配的混合料更容易受到永久变形的影响，随着空隙的减少，重交通荷载下的路面更容易泛油。

3 沥青路面泛油的解决措施

3.1 路面施工过程控制措施

3.1.1 控制空隙率、保证足够压实度

严格检测相关材料的热涨性变系数，同时采取科学的路面养护维修管理，减少沥青路面在高温下发生膨胀性泛油［10］。严格控制施工集料的性能选择，提高路面结构的空隙率稳定性。同时实行施工过程中的在线监测，保证压实强度。

3.1.2 布置路面排水

保障路面结构空隙率弹性形变稳定性值域，布置防水、排水设施，避免自然雨水在路面积水侵入沥青结构内部形成水损害［10］。

3.2 改善沥青材料性能

3.2.1 提高沥青黏度和弹性模量

使沥青接近弹性体是减轻沥青迁移可行的材料学方法［11］。邓文广［12］在基质沥青中加入相容剂、聚合物改性剂、特种增黏剂、稳定剂等制备了一种高黏高弹改性沥青。高黏高弹沥青抗剪性能及变形恢复能力均表现良好，特别是高温时的抗剪性能明显优于普通沥青。SPSC 改性剂的由热塑性橡胶、增黏剂、增塑剂、胶连剂等按比例组合而成。刘永伟等［13］发现当 SPSC 改性剂的掺量＞3%时，改性沥青的软化点＞90 ℃，满足高黏度改性沥青的特征标准，同时，样本沥青的 60 ℃动力黏度在 SPSC 改性剂的含量水平增加情况下迅速增大，说明经 SPSC 改性后的样本沥青高温稳定性较好，而且强度较高，产生永久变形概率较小，见图3。

图3 SPSC 含量水平与60 ℃动力黏度关系［13］

高模量沥青混凝土与普通的沥青混凝土路面或改性沥青路面相比，具有模量高、空隙率小、高温稳定性和抗疲劳性好等优点，可以有效提高沥青路面的抗泛油性。王超［14］对添加了PR MODULE 高模量添加剂提高了沥青混合料的抗永久变形能力，对改善沥青混合料的高温稳定性具有显著作用。李纯等［15］采用采用脱油沥青（DOA）、聚合物改性剂（SBS）对70#沥青进行复合改性制备高模量沥青。高模量沥青的不可恢复蠕变柔量Jnr极低，表现出良好的高温性能，且应力敏感系数Jnr-diff较低，对应力敏感性小，MSCR 试验结果见表1。

表1 三种沥青的多重应力蠕变MSCR 试验结果［16］

3.2.2 硅藻土改性沥青

高温时，硅藻土能够吸附较多沥青，防止路面泛油；同时硅藻土改性沥青路面具有隔热和阻热的特性，在高温条件下，可阻止路面温度升温过高，对防止路面产生车辙和泛油具有较好的作用。刘家俊［16］采用室内SHRP 旋转黏度、动态剪切流变（DSR）试验对藻土改性沥青材料的性能进行研究。研究发现，硅藻土可增大沥青材料的黏度。刘盛辉［17］也得出了硅藻土材料能够有效改善沥青材料高温性能的试验结果。吕虎娃［18］、钱璞和李俊［19］研究发现在沥青混合料中掺加硅藻土，可以改善沥青混合料的高温性能，掺加硅藻土后动稳定度提高了约2.5 倍。

5 结语

（1）根据泛油范围的不同可以将沥青路面泛油病害分为传统泛油及新型泛油。（2）泛油病害导致路面摩擦力系数下降，具有较大的安全隐患，同时沥青迁移会降低中、下面层的低温抗裂性能、抗疲劳性能，还会造成水路面的水损害。（3）空隙率过小、压实度不足、动压水作用及施工不当是泛油产生的原因，可以从流变学角度分析泛油产生的原因。（4）提高沥青胶结料的黏度和弹性模量，加入含有大量的SiO2成分硅藻土，可以提高路面抗泛油性能。