甘肅省某公路大橋?yàn)r青面層泛堿原因分析及處理建議

高永博

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司/甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

近年來(lái)，甘肅省省內(nèi)已完建高速及一級(jí)公路瀝青面層橋面鋪裝部分出現(xiàn)的泛堿現(xiàn)象，表現(xiàn)形式多為在瀝青面層上成片的出現(xiàn)或者零散分布的白色或黃褐色的物質(zhì)[1-3]。作為橋面鋪裝層上的主要病害，其形成的原因、預(yù)防措施和后期成形后的治理方法有待分析探討，以便為現(xiàn)存泛堿病害處理及未來(lái)道路建設(shè)提供質(zhì)量控制依據(jù)。

本研究以甘肅省某公路段大橋?yàn)槔瑢?duì)其左幅段落出現(xiàn)泛堿病害處進(jìn)行成因分析，并對(duì)泛堿處形成鉆芯取樣進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，分析泛堿位置處的滲水系數(shù)、瀝青混合料的穩(wěn)定性及其體積指標(biāo)、芯樣壓實(shí)度，并通過(guò)分析論證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出相應(yīng)的泛堿病害控制方法。

2 瀝青路面泛堿成因分析

當(dāng)橋面鋪筑瀝青混合料面層時(shí)，如果瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致面層的空隙率超過(guò)規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)雨水滲入結(jié)構(gòu)層后，因?yàn)闉r青封層及橋面板的阻擋，滲水將會(huì)被滯留在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部且不被排除，在上部行車(chē)荷載的作用下，形成動(dòng)水壓力，在動(dòng)水壓力的驅(qū)動(dòng)下不斷沖刷黏結(jié)層，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失黏[4-8]。周長(zhǎng)紅[9]利用有限元算法計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青混合料中的空隙率在5%～8%時(shí)，最終在結(jié)構(gòu)層形成的動(dòng)水壓力可達(dá)到400～600 KPa；高俊啟等[10]在實(shí)地以20～80 m/s行車(chē)速度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著行車(chē)速度的增加，結(jié)構(gòu)層內(nèi)的動(dòng)水壓力也隨之增大。

橋上瀝青面層出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè)方面：一方面，在瀝青混合料拌和生產(chǎn)過(guò)程中，原材料的選用出現(xiàn)問(wèn)題，如選用的集料中含泥量、針片狀含量、軟弱碎石及花白料含量超標(biāo)，導(dǎo)致瀝青混合料的抗壓能力下降，表面層易受荷載壓力而破碎，且這些雜質(zhì)的存在導(dǎo)致集料與瀝青的裹覆能力下降，易使瀝青脫落，使得瀝青混合料中的空隙率增大，容易誘發(fā)泛堿現(xiàn)象；另一方面，在橋面上開(kāi)始鋪筑瀝青面層過(guò)程中，瀝青面層與橋面鋪裝層之間含有未清理干凈的殘留水，鋪筑完成后殘留水滯留在各面層之間發(fā)生凍融循環(huán)，在上部行車(chē)荷載的共同作用下，殘留水通過(guò)滲入集料與瀝青的界面，使得瀝青混合料的黏結(jié)力降低，易使瀝青脫落，使得瀝青混合料中的空隙率增大，容易誘發(fā)泛堿現(xiàn)象[11-14]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 路面滲水試驗(yàn)

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)甘肅省某公路段大橋左幅段出現(xiàn)泛堿的位置和未出現(xiàn)泛堿的位置分別選取5個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行了滲水系數(shù)試驗(yàn)，公路上面層選用瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13），根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（DB62/T 3136—2017）及設(shè)計(jì)文件的要求，公路全線上面層滲水系數(shù)需滿足≤60 mL/min的要求，具體各位置的滲水系數(shù)見(jiàn)表1—表2。

表1 大橋左幅部分泛堿處滲水系數(shù)

表2 大橋左幅部分未泛堿處滲水系數(shù)

由表1及表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以觀察得出：泛堿位置主要集中在橋的中間部位，橋頭兩邊部位未出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象；泛堿位置處的滲水系數(shù)均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中檢測(cè)點(diǎn)最大滲水系數(shù)為93.6 mL/min，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)56%，最小滲水系數(shù)66.3 mL/min，超出標(biāo)準(zhǔn)10.5%，滲水系數(shù)平均值79.8 mL/min，超出標(biāo)準(zhǔn)33%，泛堿處滲水系數(shù)方差為9.8，泛堿處滲水系數(shù)的變異系數(shù)為12.2；未泛堿位置的滲水系數(shù)在測(cè)點(diǎn)中均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，且其中最大滲水系數(shù)為32.2 mL/min，低于標(biāo)準(zhǔn)46.3%，最小滲水系數(shù)28.7 mL/min，低于標(biāo)準(zhǔn)52.2%，滲水系數(shù)平均值30.2 mL/min，低于標(biāo)準(zhǔn)49.7%，泛堿處滲水系數(shù)方差為1.6，泛堿處滲水系數(shù)的變異系數(shù)為5.4；泛堿位置處平均滲水系數(shù)是未泛堿位置處平均滲水系數(shù)的2.61倍，泛堿位置處平均滲水系數(shù)的方差值是未泛堿位置處平均滲水系數(shù)的方差值的5.96倍，泛堿位置處平均滲水系數(shù)的變異系數(shù)是未泛堿位置處平均滲水系數(shù)的變異系數(shù)的2.25倍。泛堿位置與未泛堿位置滲水總數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 泛堿位置與未泛堿位置滲水系數(shù)對(duì)比圖

故由上述數(shù)據(jù)可以得出泛堿位置處的滲水系數(shù)要遠(yuǎn)超《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（DB62/T 3136—2017）及設(shè)計(jì)文件的要求，泛堿位置部分的數(shù)據(jù)方差波動(dòng)較大，該位置部分在遇降雨或降雪等雨水天氣時(shí)，雨水容易通過(guò)這些部位進(jìn)入面層結(jié)構(gòu)層當(dāng)中并滯留其中，當(dāng)在上部行車(chē)荷載的作用下，發(fā)生松散、坑槽等路面病害。

3.2 面層芯樣馬歇爾試驗(yàn)

本研究分別通過(guò)對(duì)橋面上泛堿位置和未泛堿位置處進(jìn)行鉆芯取樣，得到橋上面層芯樣，將鉆取的芯樣用切割機(jī)進(jìn)行切割得到上面層芯樣和中面層芯樣，上面層瀝青混合料選用4 cm瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13），中面層瀝青混合料選用6 cm高性能瀝青混合料（SUP-20），其中橋上不同面層馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)指標(biāo)要求見(jiàn)表3—表4。

表3 SUP-20馬歇爾參數(shù)指標(biāo)表

表4 SMA-13馬歇爾參數(shù)指標(biāo)表

通過(guò)對(duì)鉆取的芯樣進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，得到表5和表6的各位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察圖2和圖3數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)規(guī)律可得出以下結(jié)論：通過(guò)鉆芯機(jī)鉆取的芯樣不論是上面層的SMA-13芯樣還是中面層的SUP-20的芯樣，其空隙率和劈裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)出泛堿處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不符合設(shè)計(jì)文件要求，而未泛堿處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)文件的要求；上述各上面層檢測(cè)泛堿位置處的空隙率的平均值為5.1%，超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的3%～4.5%的設(shè)計(jì)要求，上面層檢測(cè)泛堿位置處的空隙率的方差為0.3，上面層檢測(cè)泛堿位置部空隙率的變異數(shù)為6.6；未泛堿位置處的空隙率平均值為3.8%，符合設(shè)計(jì)要求，上面層檢測(cè)未泛堿位置處的空隙率的方差為0.2，上面層檢測(cè)未泛堿位置部的變異數(shù)為4.3；中面層檢測(cè)泛堿位置處的空隙率的平均值為6.2%，超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的4%～6%的設(shè)計(jì)要求，中面層檢測(cè)泛堿位置處的空隙率的方差為0.3，中面層檢測(cè)泛堿位置部的變異數(shù)為5.1；未泛堿位置處的空隙率平均值為4.5%，符合設(shè)計(jì)要求；中面層檢測(cè)未泛堿位置處的空隙率的方差為0.1，中面層檢測(cè)未泛堿位置部的變異數(shù)為2.5；上述各上面層檢測(cè)泛堿位置處的劈裂強(qiáng)度的平均值為0.9 kPa，方差0.1，變異系數(shù)8.7，其中劈裂強(qiáng)度的平均值小于設(shè)計(jì)要求1.2 kPa；未泛堿位置處的劈裂強(qiáng)度平均值為1.43 kPa，方差0.1，變異系數(shù)9.6，其劈裂強(qiáng)度的平均值符合設(shè)計(jì)要求，中面層檢測(cè)泛堿位置處的劈裂強(qiáng)度的平均值為1.1 kPa，方差0.1，變異系數(shù)8.5，其中劈裂強(qiáng)度的平均值小于設(shè)計(jì)要求1.2 kPa，未泛堿位置處的劈裂強(qiáng)度平均值為1.45 kPa，方差0.1，變異系數(shù)3.7，其劈裂強(qiáng)度的平均值符合設(shè)計(jì)要求。

表5 大橋左幅部分泛堿位置空隙率及劈裂強(qiáng)度表

表6 大橋左幅部分未泛堿位置空隙率及劈裂強(qiáng)度表

圖2 泛堿位置與未泛堿位置空隙率對(duì)比圖

圖3 泛堿位置與未泛堿位置劈裂強(qiáng)度對(duì)比圖

故由上述數(shù)據(jù)可得出上面層泛堿位置處的瀝青混合料的平均空隙率是未泛堿處平均空隙率的1.34倍；中面層泛堿位置處的瀝青混合料的平均空隙率是未泛堿處平均空隙率的1.37倍；上面層泛堿位置處的瀝青混合料的平均劈裂強(qiáng)度是未泛堿處平均空隙率的0.65倍；中面層泛堿位置處的瀝青混合料的平均劈裂強(qiáng)度是未泛堿處平均空隙率的0.77倍；故隨著泛堿處瀝青混合料的空隙率變大，劈裂強(qiáng)度降低，泛堿位置處容易誘發(fā)松散、露骨及坑槽等病害發(fā)生。

3.3 面層芯樣壓實(shí)度檢測(cè)

將鉆取的芯樣做壓實(shí)度檢測(cè)，得到泛堿位置與非泛堿位置處的壓實(shí)度統(tǒng)計(jì)表，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表7和圖4。

表7 大橋左幅部分泛堿與未泛堿位置壓實(shí)度統(tǒng)計(jì)表

圖4 泛堿位置與未泛堿位置壓實(shí)度對(duì)比圖

由圖4數(shù)據(jù)分布規(guī)律及表7計(jì)算數(shù)據(jù)可以得出：與未泛堿位置處的壓實(shí)度相比，泛堿處的壓實(shí)度普遍要低；中面層泛堿處壓實(shí)度平均值為96.0%，方差0.7，變異系數(shù)0.8，在測(cè)點(diǎn)中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足理論最大相對(duì)密度控制壓實(shí)度的要求，但位置1、位置2及位置5處不能滿足室內(nèi)試驗(yàn)密度控制壓實(shí)度的雙控要求，中面層未泛堿位置處壓實(shí)度平均值為98.8%，方差0.3，變異系數(shù)0.3滿足雙控的要求；上面層泛堿處壓實(shí)度平均值為95.4%，方差1.2，變異系數(shù)1.3，在測(cè)點(diǎn)中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均滿足理論最大相對(duì)密度控制壓實(shí)度的要求，但其均不滿足室內(nèi)試驗(yàn)密度控制壓實(shí)度的要求，上面層未泛堿位置處壓實(shí)度平均值為99.1%，方差0.3，變異系數(shù)0.3，滿足雙控的要求。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)提出橋面泛堿成因的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示了橋面泛堿的原因在于，瀝青混合料施工初期的設(shè)計(jì)配合比時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的瀝青混合料的級(jí)配不合理，拌合過(guò)程中及攤鋪過(guò)程中瀝青混合料的離析導(dǎo)致，使得殘留污水或者雨水殘漬在上部荷載的作用下通過(guò)混合料之間的空隙泛出到面層。

4 瀝青路面泛堿控制建議

實(shí)際工程中，如果對(duì)于日常面層施工后表現(xiàn)的泛堿現(xiàn)象不重視的話，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致對(duì)混合料離析現(xiàn)象的誤判，倘若現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)該情況，且沒(méi)有及時(shí)針對(duì)路面泛堿現(xiàn)象做出一定改進(jìn)措施的話，將會(huì)導(dǎo)致隨著交通荷載量的增多，其泛堿周邊位置首先暴露出病害，然后導(dǎo)致該局部路段的抗水損的能力降低，從而引起后續(xù)路面抵抗交通荷載的疲勞裂縫的能力下降，最終形成在交通日益增長(zhǎng)的當(dāng)今大環(huán)境下路面因?yàn)榉簤A緣由導(dǎo)致嚴(yán)重病害的風(fēng)險(xiǎn)增高，故為了減少及抑制瀝青路面泛堿現(xiàn)象的發(fā)生，在日常施工過(guò)程中要求對(duì)泛堿源頭及瀝青路面攤鋪均勻性嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)[15-16]。

（1）原材料控制方面：選擇針入度小，黏稠度高的瀝青，確保其在拌和時(shí)與集料充分包裹，增強(qiáng)瀝青混合料表面的抗磨性能，且防止骨料外露。選擇粗細(xì)集料時(shí)，要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，控制粗細(xì)集料中的含泥量、軟弱顆粒、針片狀含量等，選擇強(qiáng)硬度高的堿性塊狀集料[17-18]。

（2）級(jí)配設(shè)計(jì)方面：應(yīng)設(shè)計(jì)貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的級(jí)配，嚴(yán)格把控礦粉的摻配比例和瀝青用量，確保路面的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)符合要求。

（3）運(yùn)輸過(guò)程中的離析控制：混合料運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的重力離析是離析的主要原因，在裝料時(shí)，必須按照規(guī)范要求的裝料方式嚴(yán)格執(zhí)行，運(yùn)料車(chē)的數(shù)量和運(yùn)載量必須滿足規(guī)定要求[19]。

（4）在鋪筑上面層前，必須要清潔路面，保持中面層表面干凈無(wú)積水，對(duì)鋪筑路段實(shí)行車(chē)輛管控，嚴(yán)禁非運(yùn)料進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，確保面層間各結(jié)構(gòu)層及功能層的施工質(zhì)量和使用功能，排水設(shè)施齊全，確保結(jié)構(gòu)層內(nèi)部黏結(jié)和防水[20]。

（5）攤鋪時(shí)的溫度離析控制。對(duì)鋪筑時(shí)的瀝青混合料的溫度進(jìn)行全過(guò)程的監(jiān)控，確保鋪筑時(shí)的溫度不能低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，防止出現(xiàn)到場(chǎng)的瀝青混合料溫度不達(dá)標(biāo)且監(jiān)管不到位直接鋪筑的現(xiàn)象發(fā)生[21]。

（6）若瀝青路面泛堿現(xiàn)象已發(fā)生，可采取布灑改性乳化瀝青的方式，填充泛堿處較大的空隙，使之空隙率減小，但乳環(huán)瀝青的灑布量需要控制的一定的合理范圍內(nèi)，超量會(huì)降低瀝青路面的抗滑性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，提出了橋上瀝青路面泛堿現(xiàn)象出現(xiàn)的成因，然后對(duì)針對(duì)泛堿部位進(jìn)行了滲水系數(shù)試驗(yàn)，鉆芯取樣，同時(shí)在橋面正常部位選取了部分點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，然后根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，論證了泛堿的成因，并對(duì)瀝青路面如何防范及泛堿現(xiàn)象發(fā)生時(shí)如何處理給出了若干建議，最后總結(jié)全文如下：

（1）瀝青路面泛堿的實(shí)質(zhì)是對(duì)泛堿源頭的把控不嚴(yán)和瀝青混合料在運(yùn)輸過(guò)程中、攤鋪過(guò)程中等存在的離析所造成。

（2）橋面泛堿部位與未泛堿部位相比，主要體現(xiàn)出了高滲水性、高空隙率及較低的壓實(shí)度和強(qiáng)度。

（3）橋面泛堿后需要加強(qiáng)對(duì)原材料的抽檢頻率，確保相關(guān)參數(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和施工要求。