沥青路面新泛油病害及机理分析

沥青路面初期损坏现象在我国是一种多发、常见的路面病害，在潮湿多雨的南方地区更为突出，一直以来困扰着我国的道路建设。近年来，随着交通量、车辆荷载的日益增大以及新建快速路的大量修筑，路面初期损坏又出现了一些新的变化，其突出特点是损坏期提前，通常在建成通车后1年就发生损坏。本文把这类过早的早期损坏定义为初期损坏，并对其进行了路面实地调查。调查中发现了一种斑点状泛油现象，这种现象的出现具有越来越普遍的趋势。对提取芯样的试验分析进而揭示了这种新型泛油病害的产生机理和影响因素，包括车辆荷载、路面材料、路表和路面结构内的积水，以及水和高速行车的复合作用等等。

　　1、路面调查

　　路面调查为期1年,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。这些道路都地处东南沿海的潮湿多雨地区，年降水量在1 000 mm以上。道路类型主要包括国道、城市主干道和快速路，通车时间半年至4年不等。路面结构为半刚性基层上铺筑15 cm沥青面层,沥青面层又分为上、中、下3层。沥青表面层的沥青混合料类型包括细粒式抗滑磨耗层、SMA以及中粒式普通沥青混凝土；中面层一般采用中粒式沥青混凝土或粗粒式沥青混凝土；下面层一般采用粗粒式沥青混凝土或粗粒式沥青碎石。调查的主要内容包括路面损坏现象及其发展规律、损坏原因、路面材料性能以及它们之间的关系。调查过程中,首先对全路进行初步踏勘，纪录发生路面损坏的位置、类型、损坏区域和严重程度。针对损坏部位，间隔15m连续钻取芯样不少于3只，观察路面各结构层的状况，记录取样位置、路面状况，编号后拍摄照片存档。为了便于比较分析，同时对同一道路的非损坏部位也进行了取样和观察。

　　2、新型泛油病害

　　通过对多条沥青快速路的调查，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。

　　2·1传统泛油的表现和肇因

　　传统的泛油病害是指，过量的沥青在高温作用下膨胀，充满沥青混凝土中的空隙后溢出到路表的现象。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。这种传统的泛油通常整条路段地出现，路表如镜面光滑，雨天车辆易打滑。

　　由于设计或施工原因造成的沥青混凝土配比不当是传统泛油病害的主要原因。设计空隙率过小和沥青填隙率过高（存在过量的沥青）都可能导致泛油，受热膨胀的沥青充满十分局促的空隙后溢出到路表，泛油在所难免。可以说传统的泛油病害发生的内因是设计或材料不当，而诱发的直接外因是高温。

　　2·2新泛油现象

　　不同于传统的泛油，新泛油病害发生的范围仅限于在轮迹带上，通过观测发现其与温度和交通量无明显关系。新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。油斑型泛油发现于两条城市快速路上，建成通车仅1年。其面层结构为SMAl6和LKl5型沥青表面层,中下面层均为LH25和LH35型沥青混凝土。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1~2cm左右。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2~5cm不等，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。

　　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。泛油的主要原因在于路面压实不足或集料质量较差（形状、纹理）,矿料骨架易在车辆荷载的作用下发生错动而挤压沥青上泛，

　　形成泛油。由于这种原因发生的泛油常伴有车辙变形类病害。造成这种现象的原因除压实和集料因素外，混合料设计标准相对交通量而言较低可能也是重要因素。

　　3、试验分析

　　为了揭示这种斑状泛油现象的产生机理和影响因素，本文对损坏位置上所取的芯样和正常路段的芯样进行了对比试验分析,抽提试验结果如表1所示。

　　抽提试验12个样本的沥青含量平均值（%）表1

　　　　对比泛油路段和正常路段各层次实测沥青含量可知，两个路段的面层整体用油量大致相当，而泛油路段的表面层沥青量升高的同时，中面层的沥青量却在下降，由此可以推断沥青在面层结构中发生了自下向上的迁移。

　　为了说明沥青在混合料中的迁移现象，可以作一个简单的估算。正常路段各层次的沥青含量与设计值相同，所以可以假设混合料的沥青没有发生迁移。与正常路段相比，泛油路段中面层部分沥青迁移到了表面层。因为中面层厚度为5 cm,所以中面层1·1个百分点的沥青迁移到表面层后，表面层的沥青含量为：

　　5·7+1·1×5÷4=7·075

　　可见该计算值与实测值吻合得非常好。所以,本实测结果揭示了这种迁移过程。

　　为了进一步探究这种沥青迁移的证据，我们将泛油的表面层从中部锯开分别测定沥青含量。多个样本的试验结果证明上层的平均沥青含量明显高于下层（上层为7·5%,下层为6·6%）,也就进一步证明沥青确实在结构内部发生了向上迁移，其分布如图1所示。

　　图1沥青在表面层内的迁移　　在油斑处提取的面层芯样中，无一例外的发现了沥青向上迁移的现象,并伴有中、下面层不同程度剥落甚至松散。由此可以推断结构层内的沥青总量保持基本不变的情况下，发生迁移的沥青是从面层底部的集料表面剥落后向上迁移的，而面层沥青的剥落必然是水作用的结果。　　实际上，路面沥青混合料经受着远比想象更为苛刻的水侵蚀，路表积水在高速行车轮胎下产生的动水压力可以直接贯穿沥青面层。由图2可知,动水压力随着车速的增加呈几何级数增长，当车速为40 km/n时，动水压为0·06 MPa，而车速提高到80 km/h时的动水压增大到原来的4倍,达到0·24MPa，足以贯穿沥青面层的表面空隙；而当车速达120km/h时，动水压力达0·56MPa，已接近于汽车轮胎的接地压力，其破坏作用更大。　　

　　图2路表积水在行车轮胎下动水压力理论计算图　　以前，由于道路等级较低等多方面原因,车辆的速度较低，一般平均时速约为30~50 km/h。随着近年来高等级道路和城市快速路的大量修筑，行车速度得到显著提高,达到70~90 km/h。在如此高的车速下的动水压力也增大到原来的4倍左右,而快速路上采用的开级配抗滑磨耗层本身的空隙率偏大，从而使南方多雨地区的快速路长期处于高动压水的冲击，最终导致水贯穿面层后长期积聚在沥青层底部。在行车荷载的揉搓作用下，沥青层底部处于浸泡状态的沥青逐渐剥落成为自由沥青，在水的作用下被挤压上泛，并逐渐积存于路表附近形成大块油斑。所以，大空隙率、高速行车和水的综合作用是新泛油病害的主要肇因，这种相互作用造成了沥青、集料粘附性的相对不足。

　　因此，沥青与集料的粘附性要求应随设计空隙率的变化而变化。在混合料设计上对不同空隙率的混合料使用相同的粘附性标准并不十分恰当，对沥青、集料的粘附性要求应随混合料设计空隙率的变化而变化。混合料的空隙率越大，其内部遭受水侵蚀的强度越大，沥青与集料的粘附性要求应越高，应使用高标准粘附性要求。

　　4、结论

　　通过路面调查，一种不同于传统道路病害的新泛油现象被发现。它表现为轮迹带上逐渐增大的斑点状泛油和带状泛油两种主要形式。跟踪观测和取样分析的结果进一步揭示了其发展规律和损坏机理。

　　大空隙率、高速行车和水的综合作用是新泛油病害的主要肇因，这种相互作用造成了沥青、集料粘附性的相对不足。路面积水在高速行驶的汽车轮胎下形成很高的动水压，这种动水压随车速的提高呈现几何级数增长，当车速较高时，所产生的动水压足以击穿表面层沥青混凝土，进入面层底部。所以,对不同空隙率的沥青混合料应有不同的粘附性要求；在中面层和下面层中，对集料与沥青的粘附性要求是同样的，不应有所降低。

　　路表水侵入面层内部并长期滞留在沥青层底部，在行车荷载的反复作用和动压水冲刷下，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，这种沥青迁移现象是新泛油病害产生和发展的机理。