水泥混凝土橋面鋪裝抗泛白性能評(píng)價(jià)方法及影響因素研究

李寧博，郝培文*，王雨謹(jǐn)，胡小金

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710000；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；3.陜西路橋集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

中國(guó)目前水泥混凝土橋面鋪裝使用較多的是瀝青混合料。而水泥混凝土橋面鋪裝出現(xiàn)一種嚴(yán)重的早期病害泛白。瀝青混合料上面層施工完成后，在尚未通車階段，一場(chǎng)雨過后，能在面層觀察到明顯的泛白現(xiàn)象。針對(duì)泛白現(xiàn)象，張岱［1］認(rèn)為泛白物質(zhì)為水泥層中的堿性物質(zhì)被水溶解后，通過結(jié)構(gòu)層內(nèi)部連通空隙遷移至表面，并與空氣中的CO2反應(yīng)生成白色或黃色的碳酸鹽類物質(zhì)；汪印龍［2］從施工角度分析了泛白現(xiàn)象，并猜測(cè)其驅(qū)動(dòng)力為高溫造成水分蒸發(fā)所引起的氣壓差；張強(qiáng)［3］提出毛細(xì)遷移作用促使?jié){液唧出。采用ISAT 試驗(yàn)對(duì)比了泛白芯樣與未泛白芯樣毛細(xì)吸水情況，對(duì)比發(fā)現(xiàn)泛白芯樣毛細(xì)吸水能力明顯大于未泛白芯樣。通過CT 掃描發(fā)現(xiàn)芯樣的毛細(xì)吸水能力與其總空隙率并無直接關(guān)系，大空隙數(shù)量的增多將會(huì)阻斷毛細(xì)吸水路徑；芯樣的毛細(xì)吸水系數(shù)與毛細(xì)空隙比（毛細(xì)空隙率與大空隙率比值）線性相關(guān)性較好；常睿［4］針對(duì)未通車橋面泛白情況，采用Abaqus 有限元軟件模擬分析了水分-荷載-溫度耦合作用下橋面鋪裝與瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的毛細(xì)水壓力、孔隙水壓力，通過鼓泡加壓試驗(yàn)分析了不同壓實(shí)狀態(tài)下鋪裝層混合料的抗液壓性能，并與毛細(xì)吸水試驗(yàn)比較，進(jìn)一步分析不同因素對(duì)橋面鋪裝層混合料抗泛白性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：相比路面結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)溫差變化更大，溫度相對(duì)于路面更高，相對(duì)應(yīng)的毛細(xì)水壓力更大。并提出基于鼓泡加壓試驗(yàn)和毛細(xì)吸水試驗(yàn)（ISAT）的未通車瀝青鋪面泛白評(píng)價(jià)方法。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于水泥基飾面材料泛白性能評(píng)價(jià)已經(jīng)有了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)ASTM C67 標(biāo)準(zhǔn)［5］采用目視法作為泛白程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該方法規(guī)定了一個(gè)固定的尺寸距離和環(huán)境要求，觀察者如果在此條件下，觀察到表面色度差異，則判別為發(fā)生了泛白；英國(guó)［6］采用浸泡法對(duì)試件進(jìn)行加速泛白試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后采用目視法對(duì)泛白程度進(jìn)行判別，此外還要結(jié)合試件吸水量、可溶性鹽含量及水分遷移等參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)確定其抗泛白性能。

中國(guó)《墻體飾面砂漿》（JC/T 1024—2007）［7］中采用滴水法加速泛白，試驗(yàn)完成后采用目視進(jìn)行判別?！镀鰤Υu試驗(yàn)方法》（GB/T 2542—2012）［8］中采用浸沒法加速泛白，也采用目視法判別泛白性能，并將泛白程度分為四個(gè)等級(jí)。目視法判斷精準(zhǔn)性低，誤差大。此外，張星［9］基于圖像分析軟件Image-ProPlus6.0提取出了試件表面的泛白面積，采用了泛白面積占試件表面總面積的百分比作為泛白評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該方法操作簡(jiǎn)單，誤差較??；王培銘［10］定義了砂漿表面堿浸出率這一概念，并將此作為砂漿泛白程度評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)可準(zhǔn)確反映水泥基材料泛白性能，但該參數(shù)獲取困難，成本高；劉晉艷等［11］采用泛白物質(zhì)稱重法作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)普通水泥混凝土與高性能混凝土的泛白性能，該方法雖然比較直觀，但泛白物質(zhì)在刮取過程中影響因素多，結(jié)果誤差較大。

雖然有學(xué)者研究橋面鋪裝的泛白現(xiàn)象成因及其影響因素和評(píng)價(jià)方法。但是國(guó)內(nèi)外學(xué)者少有對(duì)通車狀況下，水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層泛白現(xiàn)象提出簡(jiǎn)便、有效并應(yīng)用于工程中的評(píng)價(jià)方法，亦少有對(duì)于未通車時(shí)水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層泛白現(xiàn)象提出工程施工的改進(jìn)措施。

本文針對(duì)橋面鋪裝瀝青混合料的抗泛白性能，采用自行設(shè)計(jì)“臨界氣壓差試驗(yàn)”評(píng)價(jià)瀝青混合料抗泛白性能并提出相應(yīng)抗泛白性能改善措施。其結(jié)果對(duì)于預(yù)防中國(guó)水泥混凝土橋面瀝青鋪裝的泛白早期病害具有重要的工程價(jià)值。

1 抗泛白性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

1.1 泛白物質(zhì)

對(duì)于水泥混凝土橋面鋪裝泛白現(xiàn)象，張岱［1］對(duì)收集泛白物質(zhì)并采用化學(xué)滴定發(fā)現(xiàn)，泛白物質(zhì)主要由水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2和Ca（OH）2與空氣中CO2產(chǎn)生的CaCO3組成。大量研究表明水泥基材料表面也會(huì)發(fā)生泛白現(xiàn)象，且泛白物質(zhì)主要是水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2和CaCO3。因此，判定泛白物質(zhì)來源為鋪面和防水黏結(jié)層下層的水泥混凝土層中的水化產(chǎn)物Ca（OH）2和Ca（OH）2與空氣中CO2產(chǎn)生的CaCO3。

1.2 泛白驅(qū)動(dòng)力

瀝青混合料結(jié)構(gòu)中，水以液態(tài)水和氣態(tài)水進(jìn)行遷移，液態(tài)水在多孔介質(zhì)中的遷移方式主要分為3 種：擴(kuò)散遷移、毛細(xì)作用遷移及滲透作用遷移，氣態(tài)水遷移驅(qū)動(dòng)力為蒸發(fā)作用。因此結(jié)合水分遷移途徑和水泥基材料泛白機(jī)理，提出以下4種瀝青混合料泛白機(jī)理。

（1）蒸發(fā)作用。當(dāng)水分滲入或流入瀝青混合料結(jié)構(gòu)底部時(shí)，水泥混凝土表面的Ca（OH）2、CaCO3等物質(zhì)溶解在水分中，并隨著水分蒸發(fā)至鋪裝層表面，氣態(tài)水冷凝，泛白物質(zhì)析出形成泛白。

（2）擴(kuò)散作用。當(dāng)水分充滿整個(gè)連通空隙時(shí)，在防水黏結(jié)層破壞或者薄弱區(qū)，底部的泛白物質(zhì)溶于水中，并在濃度差的驅(qū)動(dòng)下向上擴(kuò)散至瀝青混合料表面。表面水分蒸發(fā)后，泛白物質(zhì)析出殘留在表面，從而產(chǎn)生泛白。

（3）毛細(xì)作用遷移。當(dāng)水分未充滿連通空隙時(shí)，水分在連通空隙中發(fā)生毛細(xì)作用，從而攜帶泛白物質(zhì)遷移至表面，在表面蒸發(fā)后將泛白物質(zhì)殘留在瀝青混合料表面，形成泛白。

（4）氣壓差驅(qū)動(dòng)。水分未充滿連通空隙，由于雨后放晴，瀝青鋪裝層外部溫度、濕度等與結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同，從而產(chǎn)生內(nèi)外氣壓差，在氣壓差的驅(qū)動(dòng)下，液態(tài)水?dāng)y帶Ca（OH）2、CaCO3等物質(zhì)沿著內(nèi)部連通空隙遷移至瀝青鋪裝層表面，待液態(tài)水蒸發(fā)后形成泛白。

基于以上對(duì)瀝青混合料表面泛白機(jī)理的分析，本文設(shè)計(jì)4 種驅(qū)動(dòng)力下的泛白試驗(yàn)。

1.3 泛白驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)

1.3.1 蒸發(fā)作用下的泛白驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)

蒸發(fā)作用主要是氣態(tài)水在飽和蒸氣壓作用下蒸發(fā)，并攜帶泛白物質(zhì)遷移，本文選取空隙率為4%和8%的AC-13 馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，步驟如下：①采用環(huán)氧樹脂將試件側(cè)面進(jìn)行密封處理；②待表面環(huán)氧樹脂固化完成后放入40 ℃的烘箱中干燥24 h；③準(zhǔn)備一個(gè)直徑為60 cm、高度為50 mm 的金屬開口容器，內(nèi)部放置10 mL 飽和Ca（OH）2溶液；④將試件采用環(huán)氧樹脂黏結(jié)在容器上，并將試件表面采用馬克筆涂黑；⑤待環(huán)氧樹脂固化后將試件放置在設(shè)定溫度下進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，觀察表面泛白現(xiàn)象。

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件蒸發(fā)試驗(yàn)之前，先將空隙率為4%和8%的試件放置在最高溫度為200 ℃的高溫電爐上進(jìn)行加速試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃。試驗(yàn)如圖1 所示，圖中a、b為試驗(yàn)開始前，c為試驗(yàn)剛結(jié)束的空隙率為4%的試件，d為表面水分蒸發(fā)后空隙率為8%的試件。

圖1 蒸發(fā)試驗(yàn)圖

從圖1 可以看出：空隙率為4%和8%的試件表面均觀察到泛白現(xiàn)象，且4%試件泛白處主要在試件外圍，而8%試件在表面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的泛白現(xiàn)象，其分布相對(duì)均勻。

在加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際鋪裝層溫度情況［8］，本文對(duì)AC-13 馬歇爾試件進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，將下端開口容器部分浸在40 ℃的水浴箱中進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，室溫為25 ℃。48 h 后，空隙率為4%和8%的試件組表面均未觀察到泛白現(xiàn)象。將試件放置在60 ℃烘箱中加熱至軟化，沿高度方向切開試件，觀察內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)中是否含有Ca2+，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 表明：對(duì)于不同空隙率的瀝青混合料，水分蒸發(fā)作用會(huì)導(dǎo)致泛白物質(zhì)在內(nèi)部向上遷移，但空隙率較小的試件內(nèi)部泛白物質(zhì)運(yùn)輸高度明顯小于空隙率較大的試件，說明空隙率越大，水分蒸發(fā)作用導(dǎo)致的物質(zhì)遷移越劇烈。

綜上所述，雖然在短時(shí)間內(nèi)水分蒸發(fā)試驗(yàn)中沒有觀察到表面泛白，但是水分蒸發(fā)作用可以攜帶泛白物質(zhì)向上遷移。

1.3.2 擴(kuò)散作用下的泛白驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)

制備空隙率為4%和8%的兩組AC-13 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，進(jìn)行泛白物質(zhì)擴(kuò)散試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：①準(zhǔn)備一個(gè)直徑14 cm、高度為15 cm 的開口容器，在底部中心鉆取直徑為8 cm 的孔；②將試件放于步驟①準(zhǔn)備的容器中，并保證試件底部中心與容器底部中心對(duì)齊，采用環(huán)氧樹脂將試件側(cè)面與容器黏結(jié)，防止水分和泛白物質(zhì)從試件側(cè)面流出，在25 ℃環(huán)境中放置24 h，待環(huán)氧樹脂完全固化；③采用瀝青混合料理論密度儀將試件進(jìn)行飽水處理；④將處理完畢的試件放置在Ca（OH）2飽和溶液中，水面高于試件底部1 cm，試件底部放置幾段剪開的膠條，保證底部與水分充分接觸；⑤在試件表面灑布10 mL 水，以確保試件處于充分飽水狀態(tài)，表面有足夠的水分用于測(cè)量pH 值；⑥將試件分別放置在25 ℃、40 ℃，濕度為60%的環(huán)境中48 h，采用pH 計(jì)觀察表面pH 值變化情況。

圖3 為空隙率為4.0%和8.0%試驗(yàn)前后表面pH變化圖。

由圖3 可知：在25 ℃、40 ℃情況下，空隙率為8%的試件觀察到表面pH 值變化，在時(shí)間一致的條件下，40 ℃變化程度大于25 ℃，說明水分?jǐn)U散程度隨溫度的升高而加大，但兩種溫度下待表面水分蒸發(fā)后均未觀察到泛白現(xiàn)象；圖3 中空隙率為4%的試件在溫度為25 ℃、40 ℃的情況下pH 值幾乎沒有變化，說明4%空隙率的瀝青混合料并不存在可供液態(tài)水遷移的連通空隙，Ca（OH）2無法向上遷移至表面。

以上試驗(yàn)表明：當(dāng)瀝青混合料具有供液態(tài)水遷移的連通空隙時(shí)，擴(kuò)散作用可以攜帶泛白物質(zhì)遷移至瀝青混合料表面，且溫度升高有利于泛白物質(zhì)在水分中的擴(kuò)散，空隙率大的瀝青混合料擴(kuò)散作用更劇烈。

1.3.3 毛細(xì)作用下的泛白驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)

制備空隙率為4%和8%的兩組AC-13 瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。將試件四周采用環(huán)氧樹脂密封，待環(huán)氧樹脂固化后，將試件放在40 ℃烘箱中烘干，之后取出試件冷卻至室溫，然后將試件表面采用馬克筆涂黑，放在裝有飽和Ca（OH）2溶液的盤中，溶液高出試件底部2 cm，底層鋪設(shè)幾段剪開的膠條，保證試件下表面可以充分地與Ca（OH）2溶液接觸。將試件放置在25 ℃、40 ℃，濕度為60%的環(huán)境箱中，觀察表面泛白現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)需要及時(shí)地更換Ca（OH）2溶液，保證溶液內(nèi)部Ca（OH）2濃度不變且溶液高度不變。

連續(xù)觀測(cè)48 h 后發(fā)現(xiàn)25 ℃和40 ℃溫度下兩組空隙率試件表面均未發(fā)現(xiàn)泛白。將試件放入60 ℃烘箱中加熱至軟化，沿高度方向切割，并觀察試件內(nèi)部是否含有Ca2+，5 d 后25 ℃情況下不同空隙率試件的內(nèi)部情況如圖4 所示，40 ℃情況下不同空隙率試件的內(nèi)部情況如圖5 所示。

圖4 5 d 后不同空隙率試件內(nèi)部情況（25 ℃）

圖5 5 d 后不同空隙率試件內(nèi)部情況（40 ℃）

圖4、5 表明：毛細(xì)作用可以攜帶泛白物質(zhì)在瀝青混合料內(nèi)部向上遷移，但25 ℃和40 ℃下4%空隙率的試件其泛白物質(zhì)上遷高度均小于8%空隙率的試件，且25 ℃下兩組空隙率試件的泛白物質(zhì)上遷高度均小于40 ℃下試件內(nèi)部泛白物質(zhì)的上遷高度，該現(xiàn)象說明水分可以通過毛細(xì)作用運(yùn)輸Ca2+，且其運(yùn)輸能力還受到內(nèi)部連通空隙、溫度等因素影響。

1.3.4 氣壓差作用下的泛白驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)

根據(jù)泛白現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，未通車前泛白產(chǎn)生時(shí)間為夏季時(shí)分，雨過天晴，溫度驟升的時(shí)候。相關(guān)氣象資料顯示大雨過后大氣壓通常高于正常狀況下氣壓，而隨著溫度急劇上升氣壓降低。因此本文推定由于雨天時(shí)水分進(jìn)入橋面結(jié)構(gòu)層中，水泥混凝土表面Ca（OH）2等泛白物質(zhì)溶解在其中，雨天后橋面結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓增大，當(dāng)溫度驟升后，鋪裝層表面氣壓隨大氣氣壓迅速降低，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓變化較慢，依然保持高氣壓的狀態(tài)，鋪裝層內(nèi)外形成氣壓差，漿液在內(nèi)外氣壓差的驅(qū)動(dòng)下沿著鋪裝層的連通孔道唧出，形成泛白現(xiàn)象。為了驗(yàn)證這一推論，本文對(duì)不同溫度、濕度下的氣壓進(jìn)行了測(cè)定。

采用傳感器測(cè)量西安夏季連續(xù)兩天大氣氣壓變化情況，每1 min 記錄一次，為使氣壓圖清楚，本文僅展示每30 min 一次的測(cè)試結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 氣壓時(shí)程圖

由圖6 可以看出：每天的氣壓呈現(xiàn)周期性變化，在晚上18：00—早晨08：00，氣壓呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，在08：00—09：00 氣壓最高，隨后，氣壓開始出現(xiàn)下降，17：00 左右氣壓最低，兩者之間相差最高達(dá)0.6 kPa。本文測(cè)試的兩天均未出現(xiàn)明顯的天氣變化，早晚氣溫相差10 ℃左右，在此種天氣情況下每天氣壓差高達(dá)0.6 kPa，在夏季暴雨前后氣壓差值會(huì)更大。因此，本文設(shè)計(jì)氣壓差試驗(yàn)研究氣壓差作用下的橋面鋪裝泛白現(xiàn)象。

1.4 氣壓差試驗(yàn)裝置

泛白試驗(yàn)裝置主要由氣泵、試驗(yàn)容器和控制表盤組成，裝置示意圖如圖7 所示。試驗(yàn)容器底部中心設(shè)有直徑為80 mm 的孔，頂部采用膠圈加有機(jī)玻璃密封，在頂部中心通過一條管子與真空泵連接，在容器頂部邊緣安裝壓力傳感器。采用環(huán)氧樹脂將試件黏結(jié)在容器內(nèi)部，保證試件與容器黏結(jié)處實(shí)現(xiàn)密封，將容器頂部蓋上，并施加一定壓力，實(shí)現(xiàn)上頂部密封。打開真空泵之后，容器內(nèi)部空氣被抽出，改變了試件上部的氣壓，而與外界相接區(qū)域氣壓不變，從而實(shí)現(xiàn)試件上下壓差。

圖7 試驗(yàn)裝置示意圖

1.4.1 試驗(yàn)步驟

（1）將試件四周采用環(huán)氧樹脂密封，確保水分不會(huì)從側(cè)面遷移。

（2）待環(huán)氧樹脂完全固化后，將試件用環(huán)氧樹脂黏結(jié)在容器底部，下表面對(duì)準(zhǔn)容器底部的孔，保證溶液只能通過試件向上遷移。

（3）待環(huán)氧樹脂固結(jié)后，將容器放在底座的開口容器中，開口容器內(nèi)裝有一定量的Ca（OH）2飽和溶液，底部放置幾段膠條，保證容器底部一直與溶液完全接觸，液面高出容器底部2 cm，溶液暴露在大氣中。

（4）封閉容器頂部，開始抽氣，并觀察試件表面，記錄試件頂?shù)撞繅毫Σ?、試件吸水量、唧漿時(shí)間和唧漿量等。

（5）對(duì)試件進(jìn)行工業(yè)CT 掃描，觀察空隙結(jié)構(gòu)。

1.4.2 12 h 泛白現(xiàn)象

實(shí)際工程中，瀝青鋪面水分遷移驅(qū)動(dòng)力隨著溫度、濕度等外界因素的變化而變化，因此本文研究了12 h 實(shí)際環(huán)境變化下空隙率為4%、6%、7%的瀝青混合料泛白現(xiàn)象。試驗(yàn)從早上07：00 開始，持續(xù)至晚上19：00。通過氣壓傳感器連接電腦記錄大氣氣壓，并參考前一天氣壓變化范圍設(shè)置容器內(nèi)部氣壓為97.5 kPa 恒定值，每隔1 h 測(cè)定一次試件吸水量。12 h 大氣壓如圖8 所示，各組試件吸水量如圖9 所示，待試驗(yàn)完成后，將試件放置于40 ℃烘箱中，12 h 后取出，各組試件表面泛白情況如圖10 所示，從左至右試件空隙率依次為4%、6%、7%。

圖8 12 h 內(nèi)氣壓時(shí)程圖

圖9 吸水量時(shí)程圖

圖10 不同空隙率瀝青混合料泛白情況

從圖9 中可以看出：空隙率為4%的瀝青混合料試件吸水量很小，且在試驗(yàn)過程中并未觀察到任何泛白現(xiàn)象，試驗(yàn)完成后表面也無泛白；6%空隙率的試件總體吸水量較小，在09：30—11：00 時(shí)間段吸水量持續(xù)增加，出現(xiàn)泛白現(xiàn)象，此外，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣壓差減小時(shí)水分存在下滲現(xiàn)象；當(dāng)氣壓差減小至某一值時(shí)，7%空隙率的瀝青混合料表面出現(xiàn)泛白的位置均存在不同程度的漿液下滲現(xiàn)象，且下滲現(xiàn)象在最早出現(xiàn)泛白的位置處最明顯。這是由于當(dāng)空隙率增加到一定程度，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了大孔徑連通孔道，導(dǎo)致唧出的水量很容易從這些大孔徑連通孔道中下滲。

全天候的瀝青混合料泛白試驗(yàn)表明：氣壓差、蒸發(fā)作用、擴(kuò)散作用、毛細(xì)作用四者綜合影響下，瀝青混合料會(huì)在不受行車荷載作用下產(chǎn)生泛白現(xiàn)象，即水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層泛白為鋪裝層上下氣壓差、水分蒸發(fā)作用、離子濃度擴(kuò)散作用、水分毛細(xì)作用共同導(dǎo)致，且主要驅(qū)動(dòng)力為氣壓差。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)吸水量并不能很好地表征瀝青混合料的抗泛白性能，例如4%空隙率的試件存在吸水量，但并未發(fā)現(xiàn)泛白現(xiàn)象，這是由于各因素綜合作用并未達(dá)到該空隙率出現(xiàn)泛白現(xiàn)象所需的唧出條件，所驅(qū)動(dòng)的水分只運(yùn)輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)內(nèi)部，并未遷移至表面。綜上所述，還需對(duì)氣壓差泛白試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步研究，提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.4.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

定氣壓差泛白試驗(yàn)主要用于研究瀝青混合料在定氣壓差下的實(shí)際泛白情況，其適用范圍較小，僅可用于評(píng)價(jià)可產(chǎn)生泛白現(xiàn)象的瀝青混合料抗泛白性能，且主要采用實(shí)際的泛白現(xiàn)象數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，與實(shí)際工程中瀝青混合料抗泛白性能更為貼合?！伴_始唧漿時(shí)間”可以很好地表征試件最易泛白的連通空隙泛白難易程度，而“唧漿量”可用于表征試件整體連通空隙泛白嚴(yán)重程度。對(duì)比不同氣壓差下瀝青混合料泛白試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在實(shí)際極端氣壓差下，試件表面雖可以觀察到明顯的泛白現(xiàn)象，但出現(xiàn)泛白的時(shí)間較長(zhǎng)，而2 kPa 氣壓差下各試件之間開始唧漿時(shí)間與唧漿量對(duì)比明顯，誤差較小，更易獲取，縮短了試驗(yàn)時(shí)間，且取3 min 的唧漿量可以一定程度上減小開始唧漿時(shí)間對(duì)唧漿量的影響，當(dāng)空隙率較大時(shí)也可以獲取。因此設(shè)定氣壓差泛白試驗(yàn)的氣壓差為2 kPa，唧漿量獲取時(shí)間為3 min。不同壓實(shí)度下瀝青混合料具有不同的空隙率，其內(nèi)部連通空隙率、孔徑大小、彎曲程度等均有所差異。在氣壓差等作用驅(qū)動(dòng)下對(duì)水分遷移的阻隔能力不盡相同，因此產(chǎn)生泛白現(xiàn)象所需氣壓差也不同。本文將30 s 內(nèi)產(chǎn)生泛白現(xiàn)象所需的氣壓差定義為泛白臨界氣壓差，判斷瀝青混合料在某一氣壓差下是否會(huì)產(chǎn)生泛白現(xiàn)象。

綜上所述，本文在25 ℃下采用瀝青混合料“臨界氣壓差試驗(yàn)和“3 min 內(nèi)2 kPa 定壓差泛白試驗(yàn)”，并采用“臨界氣壓差”檢測(cè)是否會(huì)產(chǎn)生泛白現(xiàn)象，采用“2 kPa 下開始唧漿時(shí)間”檢測(cè)瀝青混合料泛白難易程度，采用“2 kPa 下、3 min 唧漿量”作為瀝青混合料泛白嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 抗泛白性能試驗(yàn)材料指標(biāo)

2.1 原材料

本文采用SBS 改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求。集料采用10～20 mm、5～10 mm、3～5 mm 三檔粗集料和0～3 mm 細(xì)集料，其中10～20 mm 和5～10 mm 兩檔粗集料為閃長(zhǎng)巖，3～5 mm粗集料和0～3 mm 細(xì)集料為玄武巖，所采用的填料為石灰?guī)r礦粉。集料與礦粉符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）要求。

2.2 級(jí)配

參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）［12］，AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13 瀝 青 混 合料級(jí)配曲線如圖11 所示。

圖11 級(jí)配曲線

2.3 最佳油石比

采用馬歇爾擊實(shí)法，各級(jí)配體積指標(biāo)如表1 所示，其中SMA-13 最佳纖維摻量為0.3%。

表1 AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13 體積參數(shù)

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案如表2 所示。

表2 試驗(yàn)方案

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 不同級(jí)配類型的抗泛白性能

張強(qiáng)［3］采用ISAT 試驗(yàn)對(duì)比了泛白芯樣與未泛白芯樣毛細(xì)吸水情況，發(fā)現(xiàn)泛白芯樣毛細(xì)吸水能力明顯大于未泛白芯樣。通過CT 掃描發(fā)現(xiàn)芯樣的毛細(xì)吸水能力與其總空隙率并無直接關(guān)系。大空隙數(shù)量的增多將會(huì)阻斷毛細(xì)吸水路徑。從細(xì)觀上說明毛細(xì)吸水能力與泛白現(xiàn)象有一定關(guān)聯(lián)，與空隙率的關(guān)系不大。但是，雨天后橋面結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓增大，當(dāng)溫度驟升后，鋪裝層表面氣壓隨大氣氣壓迅速降低，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓變化較慢，依然保持高氣壓的狀態(tài)，鋪裝層內(nèi)外形成氣壓差。所以，從宏觀上，由于氣壓差的作用，瀝青混合料的空隙率與泛白現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

選取AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13 四種級(jí)配類型的標(biāo)準(zhǔn)小型馬歇爾試件，對(duì)比其抗泛白性能并采用控制壓實(shí)度控制空隙率，各級(jí)配類型瀝青混合料的空隙率與臨界氣壓差關(guān)系如圖12、13 所示，空隙率與開始唧漿時(shí)間關(guān)系如圖14 所示，空隙率與唧漿量關(guān)系如圖15 所示。

圖12 不同級(jí)配類型空隙率與臨界氣壓差關(guān)系圖

圖13 不同級(jí)配類型空隙率與臨界氣壓差關(guān)系圖（4.0%～9.0%局部放大）

圖14 不同級(jí)配類型空隙率與開始唧漿時(shí)間關(guān)系圖

圖15 不同級(jí)配類型空隙率與唧漿量關(guān)系圖

由圖12～15 的試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）隨 著 空 隙 率 增 大，AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13 瀝青混合料臨界氣壓差逐漸減小，開始唧漿時(shí)間縮短，唧漿量增大。

（2）由圖13 可以發(fā)現(xiàn)：集料最大公稱粒徑增大，臨界氣壓差出現(xiàn)下降，說明集料最大公稱粒徑越大，越容易出現(xiàn)泛白現(xiàn)象；各級(jí)配類型對(duì)應(yīng)的臨界空隙率 轉(zhuǎn) 折 點(diǎn) 分 別 是4.5%（AC-13）、4.4%（AC-16）、4.2%（AC-20）、6.5%（SMA-13），得出集料最大公稱粒徑越大，瀝青混合料內(nèi)部越易出現(xiàn)連通空隙，SMA類瀝青混合料比AC 類更難出現(xiàn)連通空隙；當(dāng)空隙率小于7.5%時(shí)，相同空隙率下SMA-13 的臨界氣壓差大于AC-13 的臨界氣壓差，但當(dāng)空隙率大于7.5%時(shí)，SMA-13 臨界氣壓差更小，說明當(dāng)空隙率較小時(shí)，骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生泛白現(xiàn)象，但空隙率較大時(shí)，骨架密實(shí)型具有更多的連通空隙；SMA 類的臨界氣壓差隨空隙率變化幅度大于AC 類瀝青混合料，且AC-13、AC-16、AC-20 的臨界氣壓差隨空隙率變化幅度差別不大，說明在空隙率較大時(shí)，SMA 類瀝青混合料的泛白難易程度對(duì)壓實(shí)度變化更敏感，而泛白難易程度對(duì)壓實(shí)度的敏感性與瀝青混合料結(jié)構(gòu)類型更相關(guān)。

（3）當(dāng)集料最大公稱粒徑增大時(shí)，開始唧漿時(shí)間縮短，瀝青混合料泛白難易程度越??；SMA-13 的開始唧漿時(shí)間隨空隙率變化幅度明顯大于AC 類。

（4）相同空隙率下，隨著集料最大公稱粒徑的增大，唧漿量增大；集料最大公稱粒徑越大，唧漿量隨空隙率變化的幅度越大，泛白嚴(yán)重程度越大；SMA-13 唧漿量隨空隙率增長(zhǎng)幅度大于AC-13，內(nèi)部更易出現(xiàn)連通空隙。

4.2 不同成型方式對(duì)抗泛白性能影響

對(duì)比分析旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、輪碾壓實(shí)、馬歇爾擊實(shí)3 種成型方式下瀝青混合料（AC-13）的抗泛白性能。圖16 為不同成型方式下試件空隙率與臨界氣壓差的關(guān)系圖，圖17 為不同成型方式下不同壓實(shí)度試件空隙率與開始唧漿時(shí)間的關(guān)系圖，圖18 為不同成型方式下不同壓實(shí)度試件空隙率與唧漿量的關(guān)系圖。

圖16 不同成型方式下臨界氣壓差與空隙率關(guān)系圖

圖17 不同成型方式下開始唧漿時(shí)間與空隙率關(guān)系圖

圖18 不同成型方式下唧漿量與空隙率關(guān)系圖

由圖16～18 可得：

（1）3 種壓實(shí)方式下空隙率與瀝青混合料抗泛白性能各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系趨勢(shì)相同，均為隨著空隙率在3.5%～8%范圍內(nèi)增大，臨界氣壓差逐漸減小，開始唧漿時(shí)間縮短，唧漿量增大。

（2）對(duì)比3 種成型方式對(duì)臨界氣壓差的影響發(fā)現(xiàn)：3 種成型方式下相同空隙率試件的臨界氣壓差大小為：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)＞馬歇爾擊實(shí)＞輪碾壓實(shí)。

（3）對(duì)比3 種成型方式下開始唧漿時(shí)間發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空隙率小于6%時(shí)，3 種成型方式下瀝青混合料的開始唧漿時(shí)間相差不大，但當(dāng)空隙率大于6%時(shí)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)下的開始唧漿時(shí)間明顯大于其他兩種成型方式，而馬歇爾擊實(shí)與輪碾成型下的開始唧漿時(shí)間相差較小。

（4）對(duì)比3 種成型方式下唧漿量發(fā)現(xiàn)，相同空隙率下唧漿量大小排序?yàn)椋狠喣雺簩?shí)＞馬歇爾擊實(shí)＞旋轉(zhuǎn)壓實(shí)；在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件在空隙率大于7%時(shí)，漿液唧出的位置較多，且在試件表面分布較不均勻［圖19（a）］。輪碾壓實(shí)試件漿液唧出位置分布比較隨機(jī)［圖19（b）］，而馬歇爾擊實(shí)試件泛白位置較少，且周圍居多［圖19（c）］。3 種成型方式下瀝青混合料的泛白狀態(tài)表明，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)連通空隙位置及孔徑分布較為均勻，輪碾壓實(shí)下的連通空隙位置分布并無規(guī)律，馬歇爾連通空隙多分布在四周，且連通空隙孔徑分布不均勻。

圖19 試件表面泛白現(xiàn)象

相關(guān)學(xué)者采用工業(yè)CT 掃描得到［13-14］旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，連通空隙率最小，且連通空隙位置和孔徑分布較為均勻，不易出現(xiàn)大孔徑連通空隙；輪碾壓實(shí)成型的瀝青混合料內(nèi)部水分流動(dòng)通道較為簡(jiǎn)單，連通空隙率較大且位置分布隨機(jī)；馬歇爾擊實(shí)成型的瀝青混合料內(nèi)部連通通道彎曲度等與輪碾法差別不大，但連通空隙率大，多在四周分布，較易出現(xiàn)大孔徑連通空隙。

結(jié)合不同成型方式下CT 掃描結(jié)果分析其泛白結(jié)果，主要是由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)將細(xì)集料更多地聚集在試件中部，雖然整體測(cè)量的空隙率較大，但中部細(xì)集料多，連通空隙少，將上下之間的連通空隙阻隔開，導(dǎo)致從上至下的連通空隙并不多，且彎曲度大；此外，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)為揉搓壓實(shí)，壓實(shí)度沿橫向較為均勻，且橫向上細(xì)集料在粗集料內(nèi)部鑲嵌較為均勻，因此連通空隙位置和孔徑都比較均勻；輪碾壓實(shí)試件為車轍板中心鉆芯取樣，中心與四周壓實(shí)度相差不大，但細(xì)集料鑲嵌均勻度不及旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，導(dǎo)致連通空隙分布較為隨機(jī)；馬歇爾擊實(shí)為錘擊，四周壓實(shí)度不及中心，因此四周連通空隙分布較多。

5 瀝青鋪裝層抗泛白性能改善措施

根據(jù)對(duì)不同級(jí)配類型瀝青混合料抗泛白性能的研究，提出SMA-13 瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)空隙率不應(yīng)大于7.0%，AC-13 瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)空隙率不應(yīng)大于6%，AC-16 瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)空隙率不應(yīng)大于5.5%，AC-20 瀝青混合料現(xiàn)場(chǎng)空隙率不應(yīng)大于5%。而且SMA 類瀝青混合料相比AC 類具有更優(yōu)的抗泛白性能，且在空隙率相對(duì)較大的情況下也不會(huì)產(chǎn)生泛白現(xiàn)象，因此在結(jié)構(gòu)選取時(shí)應(yīng)盡量采用SMA 類瀝青混合料。隨著集料最大公稱粒徑的增大，抗泛白性能變差，因此橋面瀝青鋪裝應(yīng)盡量選取小粒徑混合料，但還應(yīng)注意與其他使用性能綜合考慮。

此外，根據(jù)不同成型方式下瀝青混合料的抗泛白性能研究發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)下的瀝青混合料具有更好的抗泛白性能。由于橋面結(jié)構(gòu)的特殊性，在面層初次壓實(shí)時(shí)不可采用大振幅振動(dòng)壓路機(jī)，而振蕩壓路機(jī)在工作時(shí)滾輪與瀝青混合料之間為連續(xù)接觸，不離開瀝青混合料，自身振動(dòng)也較小，因此不會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及瀝青混合料造成破壞。振蕩壓路機(jī)在碾壓時(shí)采用的是振動(dòng)與揉搓相結(jié)合的壓實(shí)方式，由于其揉搓作用使得滾輪與瀝青混合料之間形成一個(gè)剪應(yīng)力，從而對(duì)瀝青混合料起到揉壓的作用，具備膠輪壓路機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。因此，在實(shí)際瀝青鋪裝層施工時(shí)推薦采用振蕩壓路機(jī)對(duì)瀝青混合料層進(jìn)行初次碾壓，采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行復(fù)壓及終壓。此外，對(duì)于壓實(shí)機(jī)械的參數(shù)選擇還需根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行確定。

6 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)“臨界氣壓差”試驗(yàn)并提出“2 kPa下開始唧漿時(shí)間”“2 kPa 下、3 min 唧漿量”指標(biāo)。

（2）對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行分析得出：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型下的瀝青混合料抗泛白性能最優(yōu)；其次是馬歇爾擊實(shí)成型的瀝青混合料，輪碾成型的瀝青混合料抗泛白性能最差。

（3）分析級(jí)配對(duì)抗泛白性能的影響得出：集料公稱最大粒徑越大，瀝青混合料抗泛白性能越差。SMA 類瀝青混合料抗泛白性能優(yōu)于AC 類。

（4）在瀝青鋪裝層施工中，推薦采用振蕩壓路機(jī)對(duì)瀝青混合料層進(jìn)行初壓，采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行復(fù)壓及終壓。在瀝青混合料材料設(shè)計(jì)上，推薦選取小粒徑瀝青混合料。