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文章学习

Superpave高性能沥青混凝土路面 泛油机理分析及防治对策

时间:2024/6/13 8:41:37   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:26   评论:0
内容摘要:刘子于(江苏智科交通工程咨询监理有限公司,江苏 徐州 221000)摘要 文章首先介绍了两种泛油类型,然后分析了泛油现象产生的机理,最后依托具体工程,针对Sup-13表面层泛油现象产生的内在原因提出了相应的防治对策。结果表明,沥青的流变学行为正是沥青路面泛油的材料学原因...
刘子于
(江苏智科交通工程咨询监理有限公司,江苏 徐州 221000)
摘要 文章首先介绍了两种泛油类型,然后分析了泛油现象产生的机理,最后依托具体工程,针对Sup-13表面层泛油现象产生的内在原因提出了相应的防治对策。结果表明,沥青的流变学行为正是沥青路面泛油的材料学原因,高温状态下,沥青产生了“剪切变稀”现象,导致沥青从混合料之间的空隙向上迁移,引发路面泛油,通过调整沥青用量和拌和温度可以极大缓解路面摊铺时泛油现象的产生。
关键词 Superpave高性能沥青混凝土路面;路面泛油;机理分析;防治对策
中图分类号 U416.217  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)05-0087-03
0 引言
截至2022年年底,我国公路通车总里程已达
5 350 000 km,巨大的公路交通网络对于促进经济发展、加强区域一体化和提供便民出行等方面发挥着重要的作用。沥青混合料作为公路路面的主要材料,直接承受车轮的磨耗,由于建设期间施工操作不当以及车辆荷载的反复作用,大部分公路在通车1~2年后便出现了大面积的损坏。许多研究人员在调查后提出采用Superpave的混合料设计技术方法,通过模拟路面的实际施工情况来进行混合料的设计,Superpave的混合料设计技术在一定程度上改善了沥青路面的质量,但由于重载车辆和环境因素等的综合作用,部分公路在建设和服役期间仍然出现了新的病害,如新型泛油现象等,泛油不仅影响了路面的摩擦系数和行车安全,还给公路养护带来了额外的经济成本,且不同程度的泛油对道路性能的影响又大不一样。因此,从Superpave沥青路面泛油机理进行分析,能够深入了解泛油产生的根本原因,并提出相应的防治对策。
1 Superpave沥青路面泛油现象类型及特征
根据相关研究表明,Superpave沥青路面泛油的类型主要包括传统泛油和新型泛油。
1.1 传统泛油
传统泛油现象中,路表面的沥青在外力和环境因素等的作用下会逐渐流动和溢出,并填充到表面纹理构造中,直至覆盖表面集料颗粒,使路表面失去原有的结构和纹理深度,最终形成光滑的表面[1]。传统泛油通常出现在整条路段,出现泛油现象后,路表面会变得极其光滑,大幅降低了车辆行驶时的摩擦系数,增加了雨天道路行驶的危险性,导致车辆出现打滑、失控等安全隐患。目前,部分道路在建设和运营期间常出现此种现象,究其原因,主要是沥青混合料级配设计不合理,导致沥青用量过多或细集料较少,从而使得混合料中的沥青无法被充分包裹和吸附,出现过剩的自由沥青,这些自由沥青在路面服役过程中渗出并产生泛油现象。
1.2 新型泛油
目前,新型泛油现象主要有两种表现形式:一是由于路面细集料的聚集,导致细集料多的地方形成点状的油斑,随着车辆行驶和天气变化,这些油斑可能会逐渐扩大,形成较大的泛油区域;点状型油斑在发展过程中,首先是路表面部分区域出现的面积较小的油斑,直径为2~3 cm,在行车荷载作用下,小块油斑由小到大进行扩展,小块油斑的面积逐渐增大,且油斑的分布走向与车轮带重叠;在整个扩展过程中,各油斑会逐渐聚集并融合,从而扩大了油斑的尺寸和面积[2]。当油斑之间的距离足够接近时,它们会逐渐连通并形成一个更大的油斑片,且油斑区域沥青用量偏大,底部沥青会向顶部迁移,导致上层沥青用量偏大,见图1。二是在车轮荷载的反复作用下沿轮迹带分布的带状泛油,对出现带状泛油现象的部位进行取芯和抽提,结果显示带状泛油区域的沥青用量均在设计要求范围之内,不存在过量沥青的情况,这也说明沿轮迹带的带状泛油现象很大一部分是由车轮荷载的反复作用所引起[3]。
2 Superpave沥青路面泛油现象机理分析
高分子聚合物在熔融状态下的基本流变行为见图2。
2.1 剪切变稀现象
剪切变稀现象是指在施加剪切力的情况下,高分子聚合物(沥青)的黏度降低并表现出较低的黏度,从而变得更加流动的现象[4]。当沥青受到外力作用时,分子间的相互作用会减弱,导致沥青流动性增强,使得沥青呈现出较低的黏度。剪切变稀现象在道路工程中的表现形式:在高温季节或车辆通行频繁的路段,由于车辆轮胎与路面之间的剪切作用,沥青会发生“剪切变稀”现象,这种现象可能导致路面泛油、降低路面的抗滑性能,甚至影响行车安全。
2.2 爬杆现象
爬杆现象是指高聚物熔体在受到剪切应力的作用下,导致熔体内部的高分子链沿受力方向向上推挤,并产生向上的推挤力,使熔体沿转轴向上爬升。在高速剪切下,高分子材料的分子结构可能会发生较大的变化,导致非线性的流变行为。在这种情况下,由于材料内部分子的重新排列和受力方式的改变,法向应力可能会增大,并且可能超过剪切应力。爬杆现象在道路工程中的表现形式:当车辆产生较大的法向应力时,路面内部的沥青会沿矿料表面向上迁移,进而引发泛油现象。
2.3 挤出胀大现象
挤出胀大现象导致挤出物的截面积比挤出口模的截面积大,这是因为在挤出口模处,熔体的流动速度变慢,内部分子链的推挤力相对较小,而外部分子链受到较大的剪切应力推挤,使得熔体在挤出过程中发生膨胀,挤出胀大现象是沥青路面泛油的内在原因。
2.4 无管虹吸现象
无管虹吸现象表现为在低变形速率下,高分子聚合物的分子链在流动过程中容易发生卡滞,导致流动阻力增大[5]。随着变形速率的增加,高分子聚合物的分子链流动更加顺畅,卡滞现象减弱,从而使得拉伸黏度逐渐增加,无管虹吸现象在道路工程中的表现形式:当行车速度较快时,滞留在空隙中的沥青会逐渐向上迁移。
3 工程应用
该文依托2023年徐州市国省干线公路养护大中修工程G310-2023DX-SG7标段进行研究,其中上面层采用Sup-13沥青混合料进行铺设。
3.1 生产配合比设计
经室内旋转压实试验确定Sup-13最佳沥青用量为4.7%,并对最佳沥青用量进行了验证,结果表明在最佳沥青用量下混合料各项试验结果均满足设计要求,各热料仓比例及设计沥青用量见表1。
3.2 试验段的摊铺
经项目部与检测单位确定施工工艺和面层混合料相关参数后,施工单位组织相关力量进行试验段的摊铺,同时对摊铺过程中的混合料进行级配筛分检测,检测结果见表2,体积指标检测结果见表3。经检测,所检指标均满足规范要求,摊铺碾压完成后现场出现了大面积的泛油,见图3。

图3 Sup-13上面层泛油现象

3.3 路面泛油现象分析
试验段出现泛油现象后,项目部与检测单位一起对现场泛油部位进行取样检测,经检测芯样空隙率在4.6%~5%之间,压实度在95%~95.4%之间,所检指标均满足规范要求。从现场压实后的情况来看,整个摊铺路段出现了大面积泛油,路表面有明显“反光”现象且多余的自由沥青填充了路表面纹理,降低了路面构造深度;泛油现象发生后,车辆行驶时有明显黏轮现象,且由于路表面变得极其光滑,大幅降低了车辆行驶时的摩擦系数。从取样情况来看,芯样从底部至顶面均表现出泛油现象,且芯样侧面也出现了反光,因此根据泛油机理可判断此次泛油现象主要原因:高温使沥青流动性增强,同时导致混合料出现了一定的热胀现象,原本在压路机的碾压作用下,混合料的体积会逐渐减小,但由于高温的作用,导致材料体积增大,混合料之间的空隙无法容纳膨胀增加的体积,使得液化的沥青从空隙溢出。此外,高温使沥青内部分子间的相互作用减弱,导致沥青分子结构的重排和流动性增强,当压路机在碾压过程中对路面产生剪切力时,使沥青产生了“剪切变稀”现象,导致沥青从混合料之间的空隙向上迁移,造成了路面泛油现象。
3.4 路面泛油现象的防治对策
泛油是沥青路面特有的病害,泛油现象会降低路面的构造深度,使路表面变得光滑,降低车辆的附着力,增加制动距离和打滑的风险。泛油现象的防治应针对不同成因采取不同的防治措施,对于动水压力引起的泛油现象,主要是因为路面成型后空隙率过大导致水分滞留在空隙内,车辆荷载作用下引起的动水压力使沥青从集料表面剥落,同时内部剥落的自由沥青在动水压力的作用下会向路表面迁移,最终出现泛油现象,针对此类情况,在沥青路面施工过程中,应严格控制混合料级配,并保证摊铺碾压效果,确保沥青路面空隙率符合规范要求;对于二次压实造成的泛油现象,主要是因为碾压时沥青混合料温度过低或压路机吨位过小导致的碾压不实,在开放交通后,由于车辆荷载的反复作用导致路表面的空隙率减小,在夏季高温条件下,液化的沥青流出路表面而出现泛油,针对此类情况,施工过程中应严格控制好压路机吨位和沥青混合料温度;对于施工过程中出现的泛油现象,主要是高温和沥青用量过大所引起的。针对该项目中出现的泛油现象,经项目部与检测单位讨论后,决定将沥青用量与拌和温度进行调整,具体调整对策见表4,其他参数和施工工序保持不变,经调整后现场摊铺效果见图4。

表4 部分参数调整前后对比表
调整项目 调整前 调整后
沥青用量/% 4.8 4.7
拌和温度/℃ 180~185 175~178



图4 部分参数调整后现场摊铺效果

从图4中可以看出,调整沥青用量和拌和温度后,现场摊铺效果较好,未出现泛油现象,这是因为适宜的温度在减小沥青黏度的同时也降低了沥青的流动性,在压路机的碾压作用下并不会使沥青产生“剪切变稀”现象。此外,随着沥青用量的减少,原本多余的自由沥青也逐渐减少,混合料中的沥青在被集料所吸附之后,并未出现多余的自由沥青,从而防止了泛油现象的发生。
4 结语
该文通过对Superpave高性能沥青路面泛油机理进行分析,得出如下结论:
(1)Superpave高性能沥青路面泛油的类型主要有两种表现形式:传统型泛油和新型泛油。
(2)从Superpave高性能沥青路面泛油机理分析结果来看,泛油机理主要表现为4种非牛顿流体的基本流变行为:剪切变稀现象、爬杆现象、挤出胀大现象、无管虹吸现象。
(3)从工程应用情况来看,Sup-13表面层出现泛油的原因是高温和车辆荷载使沥青发生了“剪切变稀”现象,通过调整拌和温度和沥青用量,避免了泛油现象的产生,从而改善了表面层的摊铺效果。

参考文献
[1]周彧. 沥青路面典型病害的机理及其防治措施研究[J]. 价值工程, 2023(4): 124-126. 
[2]魏景明. 沥青路面泛油的分型机理及防治[J]. 交通世界(运输. 车辆), 2013(5): 188-189. 
[3]陈富坚, 钟世云. 高速公路沥青路面泛油现象的流变学机理[J]. 桂林工学院学报, 2008(4): 497-502. 
[4]朱元磊. 沥青路面泛油现象的分析及防治[J]. 科技创新与应用, 2012(5): 127. 
[5]白丹阳. Superpave病害机理分析及处治[J]. 交通企业管理, 2010(1): 47-48. 

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