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，然后分析了泛油現象產生的機理，最后依托具體工程，針對Sup-13表面層泛油現象產生的內在原因提出了相應的防治對策。結果表明，瀝青的流變學行為正是瀝青路面泛油的材料學原因，高溫狀態下，瀝青產生了“剪切變稀”現象，導致瀝青從混合料之間的空隙向上遷移，引發路面泛油，通過調整瀝青用量和拌和溫度可以極大緩解路面攤鋪時泛油現象的產生。

關鍵詞 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，巨大的公路交通網絡對于促進經濟發展、加強區域一體化和提供便民出行等方面發揮著重要的作用。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，由于建設期間施工操作不當以及車輛荷載的反復作用，大部分公路在通車1～2年后便出現了大面積的損壞。許多研究人員在調查后提出采用Superpave的混合料設計技術方法，通過模擬路面的實際施工情況來進行混合料的設計，Superpave的混合料設計技術在一定程度上改善了瀝青路面的質量，但由于重載車輛和環境因素等的綜合作用，部分公路在建設和服役期間仍然出現了新的病害，如新型泛油現象等，泛油不僅影響了路面的摩擦系數和行車安全，還給公路養護帶來了額外的經濟成本，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生的根本原因，并提出相應的防治對策。

1 Superpave瀝青路面泛油現象類型及特征

根據相關研究表明，Superpave瀝青路面泛油的類型主要包括傳統泛油和新型泛油。

1.1 傳統泛油

傳統泛油現象中，路表面的瀝青在外力和環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造中，直至覆蓋表面集料顆粒，使路表面失去原有的結構和紋理深度，最終形成光滑的表面[1]。傳統泛油通常出現在整條路段，出現泛油現象后，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，增加了雨天道路行駛的危險性，導致車輛出現打滑、失控等安全隱患。目前，部分道路在建設和運營期間常出現此種現象，究其原因，主要是瀝青混合料級配設計不合理，導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生泛油現象。

1.2 新型泛油

目前，新型泛油現象主要有兩種表現形式：一是由于路面細集料的聚集，導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，形成較大的泛油區域；點狀型油斑在發展過程中，首先是路表面部分區域出現的面積較小的油斑，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，且油斑區域瀝青用量偏大，底部瀝青會向頂部遷移，導致上層瀝青用量偏大，見圖1。二是在車輪荷載的反復作用下沿輪跡帶分布的帶狀泛油，對出現帶狀泛油現象的部位進行取芯和抽提，結果顯示帶狀泛油區域的瀝青用量均在設計要求范圍之內，不存在過量瀝青的情況，這也說明沿輪跡帶的帶狀泛油現象很大一部分是由車輪荷載的反復作用所引起[3]。

2 Superpave瀝青路面泛油現象機理分析

高分子聚合物在熔融狀態下的基本流變行為見圖2。

2.1 剪切變稀現象

剪切變稀現象是指在施加剪切力的情況下，高分子聚合物（瀝青）的黏度降低并表現出較低的黏度，從而變得更加流動的現象[4]。當瀝青受到外力作用時，分子間的相互作用會減弱，導致瀝青流動性增強，使得瀝青呈現出較低的黏度。剪切變稀現象在道路工程中的表現形式：在高溫季節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，瀝青會發生“剪切變稀”現象，這種現象可能導致路面泛油、降低路面的抗滑性能，甚至影響行車安全。

2.2 爬桿現象

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

2.3 擠出脹大現象

擠出脹大現象導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，內部分子鏈的推擠力相對較小，而外部分子鏈受到較大的剪切應力推擠，使得熔體在擠出過程中發生膨脹，擠出脹大現象是瀝青路面泛油的內在原因。

2.4 無管虹吸現象

無管虹吸現象表現為在低變形速率下，高分子聚合物的分子鏈在流動過程中容易發生卡滯，導致流動阻力增大[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，卡滯現象減弱，從而使得拉伸黏度逐漸增加，無管虹吸現象在道路工程中的表現形式：當行車速度較快時，滯留在空隙中的瀝青會逐漸向上遷移。

3 工程應用

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

3.1 生產配合比設計

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

3.2 試驗段的攤鋪

經項目部與檢測單位確定施工工藝和面層混合料相關參數后，施工單位組織相關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，檢測結果見表2，體積指標檢測結果見表3。經檢測，所檢指標均滿足規范要求，攤鋪碾壓完成后現場出現了大面積的泛油，見圖3。

3.3 路面泛油現象分析

試驗段出現泛油現象后，項目部與檢測單位一起對現場泛油部位進行取樣檢測，經檢測芯樣空隙率在4.6%～5%之間，壓實度在95%～95.4%之間，所檢指標均滿足規范要求。從現場壓實后的情況來看，整個攤鋪路段出現了大面積泛油，路表面有明顯“反光”現象且多余的自由瀝青填充了路表面紋理，降低了路面構造深度；泛油現象發生后，車輛行駛時有明顯黏輪現象，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。從取樣情況來看，芯樣從底部至頂面均表現出泛油現象，且芯樣側面也出現了反光，因此根據泛油機理可判斷此次泛油現象主要原因：高溫使瀝青流動性增強，同時導致混合料出現了一定的熱脹現象，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，高溫使瀝青內部分子間的相互作用減弱，導致瀝青分子結構的重排和流動性增強，當壓路機在碾壓過程中對路面產生剪切力時，使瀝青產生了“剪切變稀”現象，導致瀝青從混合料之間的空隙向上遷移，造成了路面泛油現象。

3.4 路面泛油現象的防治對策

泛油是瀝青路面特有的病害，泛油現象會降低路面的構造深度，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險。泛油現象的防治應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象，主要是因為路面成型后空隙率過大導致水分滯留在空隙內，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，最終出現泛油現象，針對此類情況，在瀝青路面施工過程中，應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范要求；對于二次壓實造成的泛油現象，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致的碾壓不實，在開放交通后，由于車輛荷載的反復作用導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泛油，針對此類情況，施工過程中應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的泛油現象，主要是高溫和瀝青用量過大所引起的。針對該項目中出現的泛油現象，經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整，具體調整對策見表4，其他參數和施工工序保持不變，經調整后現場攤鋪效果見圖4。

從圖4中可以看出，調整瀝青用量和拌和溫度后，現場攤鋪效果較好，未出現泛油現象，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生“剪切變稀”現象。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，并未出現多余的自由瀝青，從而防止了泛油現象的發生。

4 結語

該文通過對Superpave高性能瀝青路面泛油機理進行分析，得出如下結論：

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

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

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

參考文獻

[1]周彧. 瀝青路面典型病害的機理及其防治措施研究[J]. 價值工程， 2023（4）： 124-126.

[2]魏景明. 瀝青路面泛油的分型機理及防治[J]. 交通世界（運輸. 車輛）， 2013（5）： 188-189.

[3]陳富堅， 鐘世云. 高速公路瀝青路面泛油現象的流變學機理[J]. 桂林工學院學報， 2008（4）： 497-502.

[4]朱元磊. 瀝青路面泛油現象的分析及防治[J]. 科技創新與應用， 2012（5）： 127.

[5]白丹陽. Superpave病害機理分析及處治[J]. 交通企業管理， 2010（1）： 47-48.