甘肅省某公路大橋瀝青面層泛堿原因分析及處理建議

高永博

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司/甘肅省道路材料工程實驗室，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

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

本研究以甘肅省某公路段大橋為例，對其左幅段落出現泛堿病害處進行成因分析，并對泛堿處形成鉆芯取樣進行相關的試驗，分析泛堿位置處的滲水系數、瀝青混合料的穩定性及其體積指標、芯樣壓實度，并通過分析論證實驗結果，提出相應的泛堿病害控制方法。

2 瀝青路面泛堿成因分析

當橋面鋪筑瀝青混合料面層時，如果瀝青混合料的級配設計不合理，導致面層的空隙率超過規定的設計標準，當雨水滲入結構層后，因為瀝青封層及橋面板的阻擋，滲水將會被滯留在結構層內部且不被排除，在上部行車荷載的作用下，形成動水壓力，在動水壓力的驅動下不斷沖刷黏結層，最終導致結構的失黏[4-8]。周長紅[9]利用有限元算法計算發現當瀝青混合料中的空隙率在5%～8%時，最終在結構層形成的動水壓力可達到400～600 KPa；高俊啟等[10]在實地以20～80 m/s行車速度檢測發現，隨著行車速度的增加，結構層內的動水壓力也隨之增大。

橋上瀝青面層出現泛堿現象的主要原因有兩個方面：一方面，在瀝青混合料拌和生產過程中，原材料的選用出現問題，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，導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，且這些雜質的存在導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，容易誘發泛堿現象；另一方面，在橋面上開始鋪筑瀝青面層過程中，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生凍融循環，在上部行車荷載的共同作用下，殘留水通過滲入集料與瀝青的界面，使得瀝青混合料的黏結力降低，易使瀝青脫落，使得瀝青混合料中的空隙率增大，容易誘發泛堿現象[11-14]。

3 試驗驗證與分析

3.1 路面滲水試驗

本試驗通過對甘肅省某公路段大橋左幅段出現泛堿的位置和未出現泛堿的位置分別選取5個位置點進行了滲水系數試驗，公路上面層選用瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13），根據《公路瀝青路面施工技術規范》（DB62/T 3136—2017）及設計文件的要求，公路全線上面層滲水系數需滿足≤60 mL/min的要求，具體各位置的滲水系數見表1—表2。

表1 大橋左幅部分泛堿處滲水系數

表2 大橋左幅部分未泛堿處滲水系數

由表1及表2試驗數據可以觀察得出：泛堿位置主要集中在橋的中間部位，橋頭兩邊部位未出現泛堿現象；泛堿位置處的滲水系數均超過標準要求，其中檢測點最大滲水系數為93.6 mL/min，超過標準56%，最小滲水系數66.3 mL/min，超出標準10.5%，滲水系數平均值79.8 mL/min，超出標準33%，泛堿處滲水系數方差為9.8，泛堿處滲水系數的變異系數為12.2；未泛堿位置的滲水系數在測點中均滿足設計標準要求，且其中最大滲水系數為32.2 mL/min，低于標準46.3%，最小滲水系數28.7 mL/min，低于標準52.2%，滲水系數平均值30.2 mL/min，低于標準49.7%，泛堿處滲水系數方差為1.6，泛堿處滲水系數的變異系數為5.4；泛堿位置處平均滲水系數是未泛堿位置處平均滲水系數的2.61倍，泛堿位置處平均滲水系數的方差值是未泛堿位置處平均滲水系數的方差值的5.96倍，泛堿位置處平均滲水系數的變異系數是未泛堿位置處平均滲水系數的變異系數的2.25倍。泛堿位置與未泛堿位置滲水總數對比見圖1。

圖1 泛堿位置與未泛堿位置滲水系數對比圖

故由上述數據可以得出泛堿位置處的滲水系數要遠超《公路瀝青路面施工技術規范》（DB62/T 3136—2017）及設計文件的要求，泛堿位置部分的數據方差波動較大，該位置部分在遇降雨或降雪等雨水天氣時，雨水容易通過這些部位進入面層結構層當中并滯留其中，當在上部行車荷載的作用下，發生松散、坑槽等路面病害。

3.2 面層芯樣馬歇爾試驗

本研究分別通過對橋面上泛堿位置和未泛堿位置處進行鉆芯取樣，得到橋上面層芯樣，將鉆取的芯樣用切割機進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參數指標要求見表3—表4。

表3 SUP-20馬歇爾參數指標表

表4 SMA-13馬歇爾參數指標表

通過對鉆取的芯樣進行馬歇爾試驗和劈裂強度試驗，得到表5和表6的各位置試驗數據及觀察圖2和圖3數據，呈現規律可得出以下結論：通過鉆芯機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，其空隙率和劈裂強度均呈現出泛堿處的試驗數據不符合設計文件要求，而未泛堿處的試驗數據符合設計文件的要求；上述各上面層檢測泛堿位置處的空隙率的平均值為5.1%，超過設計標準的3%～4.5%的設計要求，上面層檢測泛堿位置處的空隙率的方差為0.3，上面層檢測泛堿位置部空隙率的變異數為6.6；未泛堿位置處的空隙率平均值為3.8%，符合設計要求，上面層檢測未泛堿位置處的空隙率的方差為0.2，上面層檢測未泛堿位置部的變異數為4.3；中面層檢測泛堿位置處的空隙率的平均值為6.2%，超過設計標準的4%～6%的設計要求，中面層檢測泛堿位置處的空隙率的方差為0.3，中面層檢測泛堿位置部的變異數為5.1；未泛堿位置處的空隙率平均值為4.5%，符合設計要求；中面層檢測未泛堿位置處的空隙率的方差為0.1，中面層檢測未泛堿位置部的變異數為2.5；上述各上面層檢測泛堿位置處的劈裂強度的平均值為0.9 kPa，方差0.1，變異系數8.7，其中劈裂強度的平均值小于設計要求1.2 kPa；未泛堿位置處的劈裂強度平均值為1.43 kPa，方差0.1，變異系數9.6，其劈裂強度的平均值符合設計要求，中面層檢測泛堿位置處的劈裂強度的平均值為1.1 kPa，方差0.1，變異系數8.5，其中劈裂強度的平均值小于設計要求1.2 kPa，未泛堿位置處的劈裂強度平均值為1.45 kPa，方差0.1，變異系數3.7，其劈裂強度的平均值符合設計要求。

表5 大橋左幅部分泛堿位置空隙率及劈裂強度表

表6 大橋左幅部分未泛堿位置空隙率及劈裂強度表

圖2 泛堿位置與未泛堿位置空隙率對比圖

圖3 泛堿位置與未泛堿位置劈裂強度對比圖

故由上述數據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，劈裂強度降低，泛堿位置處容易誘發松散、露骨及坑槽等病害發生。

3.3 面層芯樣壓實度檢測

將鉆取的芯樣做壓實度檢測，得到泛堿位置與非泛堿位置處的壓實度統計表，具體數據見表7和圖4。

表7 大橋左幅部分泛堿與未泛堿位置壓實度統計表

圖4 泛堿位置與未泛堿位置壓實度對比圖

由圖4數據分布規律及表7計算數據可以得出：與未泛堿位置處的壓實度相比，泛堿處的壓實度普遍要低；中面層泛堿處壓實度平均值為96.0%，方差0.7，變異系數0.8，在測點中，試驗數據均滿足理論最大相對密度控制壓實度的要求，但位置1、位置2及位置5處不能滿足室內試驗密度控制壓實度的雙控要求，中面層未泛堿位置處壓實度平均值為98.8%，方差0.3，變異系數0.3滿足雙控的要求；上面層泛堿處壓實度平均值為95.4%，方差1.2，變異系數1.3，在測點中，試驗數據均滿足理論最大相對密度控制壓實度的要求，但其均不滿足室內試驗密度控制壓實度的要求，上面層未泛堿位置處壓實度平均值為99.1%，方差0.3，變異系數0.3，滿足雙控的要求。

通過對現場實地勘測提出橋面泛堿成因的試驗驗證，試驗數據的分析結果顯示了橋面泛堿的原因在于，瀝青混合料施工初期的設計配合比時出現錯誤，導致現場實際使用的瀝青混合料的級配不合理，拌合過程中及攤鋪過程中瀝青混合料的離析導致，使得殘留污水或者雨水殘漬在上部荷載的作用下通過混合料之間的空隙泛出到面層。

4 瀝青路面泛堿控制建議

實際工程中，如果對于日常面層施工后表現的泛堿現象不重視的話，勢必會導致對混合料離析現象的誤判，倘若現場出現該情況，且沒有及時針對路面泛堿現象做出一定改進措施的話，將會導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，然后導致該局部路段的抗水損的能力降低，從而引起后續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的當今大環境下路面因為泛堿緣由導致嚴重病害的風險增高，故為了減少及抑制瀝青路面泛堿現象的發生，在日常施工過程中要求對泛堿源頭及瀝青路面攤鋪均勻性嚴格把控質量關[15-16]。

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

（2）級配設計方面：應設計貼合現場實際施工的級配，嚴格把控礦粉的摻配比例和瀝青用量，確保路面的各項參數指標符合要求。

（3）運輸過程中的離析控制：混合料運輸過程中發生的重力離析是離析的主要原因，在裝料時，必須按照規范要求的裝料方式嚴格執行，運料車的數量和運載量必須滿足規定要求[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積水，對鋪筑路段實行車輛管控，嚴禁非運料進入施工現場，確保面層間各結構層及功能層的施工質量和使用功能，排水設施齊全，確保結構層內部黏結和防水[20]。

（5）攤鋪時的溫度離析控制。對鋪筑時的瀝青混合料的溫度進行全過程的監控，確保鋪筑時的溫度不能低于設計標準，防止出現到場的瀝青混合料溫度不達標且監管不到位直接鋪筑的現象發生[21]。

（6）若瀝青路面泛堿現象已發生，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，但乳環瀝青的灑布量需要控制的一定的合理范圍內，超量會降低瀝青路面的抗滑性能。

5 結語

本研究首先通過現場實地勘察，提出了橋上瀝青路面泛堿現象出現的成因，然后對針對泛堿部位進行了滲水系數試驗，鉆芯取樣，同時在橋面正常部位選取了部分點進行了對比試驗，然后根據對比試驗數據，論證了泛堿的成因，并對瀝青路面如何防范及泛堿現象發生時如何處理給出了若干建議，最后總結全文如下：

（1）瀝青路面泛堿的實質是對泛堿源頭的把控不嚴和瀝青混合料在運輸過程中、攤鋪過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，主要體現出了高滲水性、高空隙率及較低的壓實度和強度。

（3）橋面泛堿后需要加強對原材料的抽檢頻率，確保相關參數指標滿足設計規范和施工要求。