SMA改性沥青路面泛油现象的流变学原理

陈巧志

（天津城建设计院有限公司，天津市 300121）

0 引言

SMA路面因其较好的耐久性，使用寿命长，少护养，综合经济效益和环境效益好等优势，广泛应用在我国高速公路、城市道路、桥面铺装、机场跑道等工程。但我国铺筑的试验路或实体工程的经验表明，SMA路面的泛油现象是其不可避免的缺陷。国内外道路工程界对此进行了长期的研究，依然没能彻底解决。近年各国在改性沥青路面去车辙方面取得了明显的进展，但SMA路面的泛油现象却成为国内外普遍遇到的问题。经过多年努力，沥青路面的泛油现象得到了一定程度的减轻，但在南方的高速重载沥青路面，泛油现象依然常见，并且出现新的泛油型式。沥青路面的泛油现象对路面的使用性能和行车安全构成了严重的挑战[1-9]。

1 沥青路面泛油现象特征

传统泛油现象：在泛油路段上,路面的表面纹理逐渐被溢出的沥青填充,直至填满甚至覆盖表面集料颗粒,构造深度也随之逐步丧失。这种泛油通常在整条路段出现,路表如镜面光滑,雨天车辆易打滑。是安全交通的巨大隐患。

新泛油现象：张宏超等在先后调查了上海市和浙江省的9条沥青路面,并对部分道路进行了跟踪观测后，发现了一些具有明显不同于以往道路病害的新的损坏现象,新泛油现象就是其中之一。

新型泛油现象表现为两种形式:一是点状的油斑由小到大发展;另一种是沿轮迹带分布的带状泛油。油斑型泛油的发展过程中,首先是某段轮迹带上开始出现小块油斑,直径1～2 cm。当泛油进一步发展后,轮迹带上的小块油斑逐渐增多、增大,油斑的直径增大到2～5 cm,继续沿轮迹分布。在油斑发展的最后阶段,油斑的直径、面积和爆发密度进一步增大,直至各块油斑逐渐联通成片。对损坏位置上采取的芯样和正常路段的芯样进行了对比试验分析,所得结果见表1。带状泛油现象是沿轮迹带分布的,通过仔细观察和对芯样的抽提试验证明,发生此类泛油的路段沥青用量正常,不存在过量沥青。用传统的泛油现象出现理论不能解释这种现象，研究人员在进行其他的理论试图解决这个问题。

表1 抽提试验12个样本的沥青含量平均值 %

2 沥青路面泛油现象出现的人为因素

2.1 盲目选择设计参数

在我国引入SMA路面初期,由于对其缺乏必要的经验与资料,造成照搬国外规范的现象比较普遍。因此,许多工程即使在做配合比设计时确定的油石比较低,但在施工时唯恐沥青用量少,不敢贸然使用,纷纷将油石比调整到最小油石比以上,导致油石比偏高,为泛油留下祸根。沈大高速公路的SMA试验段泛油原因就在于此。

2002年发布的《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》将空隙率定为3%～4%,且注释为：对高温稳定性要求较高的重交通路段或炎热地区,设计空隙率取高值,且允许放宽到4.5%。但是德国规定空隙率为2%～4%,有些地方就盲目照搬,或者是因为受到以前所修建的沥青路面水损坏严重的影响,人为地降低空隙率,以期达到不渗水,降低水损坏。而施工之后的通车会使SMA路面再次压密致使空隙率进一步减小,从而使沥青更易挤出造成路面的油斑和泛油。

2.2 材料不能满足要求

SMA被称为“三多一少”,即高含量粗集料、高含量矿粉、较大沥青用量、低含量中间粒径颗粒。材料的不当使用有可能造成路面泛油的发生。

我国长期习惯于表面处治和贯入式的喷洒施工工艺,要求沥青越稀越好,这导致我国的沥青使用普遍偏稀。而SMA路面的沥青用量多,如果黏度小了,将导致自由沥青偏多,这样就可能引起泛油。

此外我国石料生产落后,与国外先进国家的水平至少有几十年差距,它在一定程度上已经成为我国路面发展的软肋。粗集料的外观形状，石料质地坚硬致密程度,针片状含量多少,表面粗糙洁净与否也可以导致泛油。

2.3 行车荷载及环境因素的作用

沥青从沥青混凝土的内部和下部向上移动,使表面有过多的沥青,这是泛油的最基本现象。特别是在高温季节,新铺的沥青混凝土面层在大量行车,特别是在重型货车作用下进一步密实,更易导致沥青上移。高温季节的雨水侵入混凝土的内部,如果沥青与矿料的黏结力不足,沥青会从集料表面剥落,自由沥青增多,产生更严重的泛油现象。

3 沥青路面泛油现象的流变学机理（根本因素）

3.1 改性沥青路面泛油的流变学机理

SBS是一种应用最为广泛的聚合物，它由于具有与沥青相容性好、稳定、便于施工、价格合理等优点常被用于沥青改性剂。SBS改性沥青技能满足高温性能的要求又能满足低温性能的要求，故SBS改性沥青已成为高速公路最常用的改性沥青。下面将以SBS改性沥青作为范例介绍改性沥青的流变学机理。

沥青作为一种高分子聚合物的混合物，在一定条件下将遵守非牛顿流体的基本流变行为。物理改性不改变沥青的分子结构，对沥青的流变学行为基本无影响，此处仅探讨化学改性对沥青流变学行为的影响。根据上述SBS化学改性机理，化学改性使得SBS成为连续相，沥青分散在SBS网络中。即使是这样，SBS仍然是弹性体，模量比较低。由于沥青基体也是低模量的，故整个改性体仍然是低模量的，其受力后变形仍然较大。但由于SBS的作用，其变形回复能力比较大，所以改性沥青道路的抗车辙能力得到增强。实际上，SBS改性沥青微观结构更可能是沥青基体为连续相，SBS为分散相，类似于橡胶增韧塑料的结构。在软化点以前，沥青表现为硬相，SBS表现为增韧作用；软化点以后，SBS表现为增稠增强作用，降低流动性。两种情况都不能明显提高混合体的模量。如果SBS与沥青呈现完全相容，成为均相物质，则可以从高分子材料分子量分布对流变性能的影响作进一步分析。高分子材料分子量分布宽，高分子流动时容易产生更大的可回复弹性变形，从而表现出更加明显的弹性行为。聚合物改性沥青就是增大材料的分子量分布，可以推测，改性沥青变形中的可回复变形成分会有所增大。

总之，SBS改性沥青基本不提高沥青的模量，但提高了沥青变形时的可回复成分，即弹性效应，这是改性沥青抗车辙能力提高的原因之一，也应该是沥青泛油不能得到改善的流变学原因。

3.2 实际工况下沥青的流变学行为分析

高分子材料法应力效应的方向是与最大剪应力方向垂直的。沥青路面在车轮荷载作用下会产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）的方向与垂直方向有一小夹角α，由此推断沥青法向力效应的理论迁移方向 (垂直于最大剪力方向）为斜向上，与水平方向的夹角也是α，见图1。实际工况下，沥青路面受到车轮荷载的重复作用，车轮的每次作用都会在沥青路面中产生很大的剪应力和剪切变形，相应区域的沥青结合料由于法向力效应而向路面“拱起”，沥青结合料的这一前一后的“剪切变形”、“法向力拱起变形”犹如蚯蚓爬行，见图2。陈富坚等将这种现象命名为“蚯蚓效应”。车轮的重复作用，将导致沥青结合料在“蚯蚓效应”的作用下不断向路表面拱起，最终产生泛油现象。

图1 “爬杆效应”方向

图2 沥青迁移的“蚯蚓效应”模型

3.3 沥青路面泛油的流变学机理

综上分析，刘立新提出的沥青路面泛油的流变学机理可以这样叙述：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，粘度降低，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，使得沥青结合料发生“剪切变稀”现象，粘度进一步降低，达到“蚯蚓效应”发生的必要粘度；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，加剧了泛油现象。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。

4 沥青路面泛油现象流变学影响因素

4.1 路面温度对泛油的影响

温度是影响沥青流变学行为的主要外因。温度很低时(如0℃），沥青表现为弹性体，温度高时(如路施工温度），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。但沥青是否发生“蚯蚓效应”取决于法向力效应的法向应力差是否大到能克服沥青的粘阻力。高温季节沥青粘度较低，粘阻力也小，较容易满足“蚯蚓效应”的发生条件，沥青路面泛油都是在夏季高温季节发生就是这个原因。

4.2 路面中的剪应力和剪应变速率对泛油的影响

沥青具有触变性，即“剪切变稀”现象。沥青的这种性质，既会造成路面车辙变形(失稳型车辙），也会使沥青粘度变稀而在剪切作用下产生“蚯蚓效应”。根据流变学原理，剪应力和剪应变速率越大，沥青的粘度降低的也越大，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。

4.3 改性沥青路面层间沥青浓度差异对泛油的影响

对沥青进行改性掺加的SBS等外加剂的含量约占沥青重量的5%。一般的改性沥青路面结构：改性沥青表面层（3～5 cm）+普通沥青中面层（5～8 cm）+普通沥青底面层（5～10 cm）。根据物质扩散原理：不同浓度的两种物质相互接触时会产生扩散现象，物质从高浓度物体向低浓度物体扩散，这种现象在液体存在，在固体也存在。在改性沥青路面中，中面层沥青的浓度比表面层改性沥青的浓度高，沥青会从高浓度的中面层向表面层扩散，从而加剧表面层泛油。当然，由于这种浓度差异一般只有5%，所以其影响是很有限的。

5 结论

（1）SMA改性沥青路面泛油现象普遍，新的泛油现象迫使我们进行新的机理探索，从高分子材料流变学入手分析沥青路面的泛油原因和机理。

（2）沥青化学改性有双重效果：既增加了沥青高温抗车辙能力，也提高了沥青的弹性效应，条件合适时会加剧沥青路面泛油。

（3）沥青路面泛油现象从流变学角度来讲，其影响因素主要在路面温度、路面中的剪应力和剪应变速率、泛油时间、改性沥青路面层间沥青浓度差异这几方面。

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