劉 攀,劉 洋,李 凱,全弘彬

(1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074;2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 401336)

0 引 言

縱觀我國鋼橋橋面鋪裝的現(xiàn)狀,環(huán)氧瀝青混合料、澆注式瀝青混合料和改性瀝青混合料(SMA)是常見的3種鋪裝材料[1-3]。其中,環(huán)氧瀝青混合料力學強度高、溫度敏感性低、高溫性能突出,不易發(fā)生車轍及推移等病害[4-8]。該材料先后應(yīng)用于南京長江二橋、黃岡長江大橋、寧波大榭二橋、滬通長江大橋、南沙大橋、五峰山長江大橋、舟岱跨海大橋、東江南支流港灣大橋等大跨徑鋼橋橋面鋪裝的工程中。

環(huán)氧瀝青是一種熱固性材料,包括熱拌環(huán)氧瀝青(如日本TAF、江蘇中路HRM、重慶智翔HDEA)、溫拌環(huán)氧瀝青(如美國ChemCo、句容寧武HLJ)和冷拌環(huán)氧瀝青(寧波天意RA)[9-13]。工程實踐表明:環(huán)氧瀝青類材料的生產(chǎn)施工工藝不同于普通的熱塑性瀝青混合料,其對施工溫度和施工時間的控制非常嚴格,溫度過高或過低都會影響混合料的施工效果[4,10,14,15];同時環(huán)氧瀝青早期強度偏低,攤鋪后必須封閉交通進行養(yǎng)護[16-18],若養(yǎng)護時間不夠就開放交通會造成鋪裝層的破壞,同時養(yǎng)護時間不宜過長。由于環(huán)氧瀝青混合料的生產(chǎn)施工工藝比較復(fù)雜,施工質(zhì)量可靠度相對較低,在工程中容易發(fā)生質(zhì)量事故及早期病害。因此,對環(huán)氧瀝青生產(chǎn)施工關(guān)鍵技術(shù)的研究就顯得尤為重要。

美國和日本的環(huán)氧瀝青施工特性的研究較為成熟,并能較好地指導(dǎo)工程施工。不同類型的環(huán)氧瀝青材料,其施工特性明顯不同;即便同一類型的環(huán)氧瀝青材料,其施工特性也不盡一致。針對每一種環(huán)氧瀝青材料,都應(yīng)著重研究其生產(chǎn)施工技術(shù)?；诖?筆者選取我國自主研發(fā)的高溫固化環(huán)氧瀝青混合料(屬于熱拌環(huán)氧瀝青類材料),重點研究了溫度對混合料施工可操作時間的影響;拌和工藝、拌和溫度、碾壓溫度、環(huán)境溫度等條件對混合料性能影響;混合料強度發(fā)展規(guī)律及影響因素;并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了國產(chǎn)高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的生產(chǎn)施工控制關(guān)鍵指標。

1 試驗材料

高溫固化環(huán)氧瀝青為3組分材料,包含了基質(zhì)瀝青、主劑和固化劑,其固化物的性能指標見表1。高溫固化環(huán)氧瀝青混合料采用玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉按油石比6.7%進行制備,其混合料性能指標見表2。

表1 高溫固化環(huán)氧瀝青固化物性能指標

表2 高溫固化環(huán)氧瀝青混合料性能指標

2 結(jié)果與分析

2.1 施工可操作時間

當各組分混合后,固化反應(yīng)隨即開始,若混合料未及時攤鋪,會導(dǎo)致攤鋪困難、碾壓不實,甚至直接廢料。因此,有必要研究高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的施工可操作時間。

高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的拌和時間為3 min,分別在160、170、180、190 ℃下放置一段時間后成型馬歇爾試件,試驗結(jié)果見圖1。

圖1 試驗結(jié)果

由圖1可看出:隨著反應(yīng)時間延長,高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的空隙率和流值逐漸增大,而馬歇爾穩(wěn)定度逐漸降低。當溫度為190 ℃時,反應(yīng)3 h后混合料的空隙率大幅增大,穩(wěn)定度也明顯下降,馬歇爾指標滿足技術(shù)要求,這說明在190 ℃下混合料的施工可操作時間宜控制在3 h內(nèi),在實際應(yīng)用中,應(yīng)盡量避免料溫超過190℃;當溫度為160 ℃時,反應(yīng)4 h后混合料的馬歇爾指標均滿足要求,反應(yīng)5 h后混合料依然能成型試件,但空隙率為3.7%,馬歇爾穩(wěn)定度為31.2 kN,流值為5.5 mm,已無法滿足技術(shù)要求,這說明在160 ℃下混合料施工可操作時間超過4 h,但不足5 h;當溫度為170、180 ℃時,混合料施工可操作時間進一步縮短,不超過4 h。高溫固化環(huán)氧瀝青的施工時間要求沒有溫拌環(huán)氧瀝青材料苛刻,對工程應(yīng)用具有重要意義。

2.2 拌和工藝

筆者為研究拌和工藝對高溫固化環(huán)氧瀝青混合料性能的影響,擬定了7種拌和工藝(1#～7#)。1#:將環(huán)氧瀝青三組分混合均勻后再與石料拌和;2#:三組分未混合,直接與石料拌和;3#:主劑和固化劑均勻混合后再直接與基質(zhì)瀝青和石料拌和;4#:基質(zhì)瀝青和固化劑均勻混合后再直接與主劑和石料拌和;5#:基質(zhì)瀝青和主劑均勻混合后再直接與固化劑和石料拌和;6#:100 L大桶(材料用量約60 kg)混合機械攪拌主劑和固化劑60 s,取出部分材料與基質(zhì)瀝青混合均勻后再與石料拌和;7#:大桶混合機械攪拌主劑和固化劑120 s,取出部分材料與基質(zhì)瀝青混合均勻后再與石料拌和。分別按上述7種工藝成型高溫固化環(huán)氧瀝青馬歇爾試件,拌和溫度170 ℃,拌和時間3 min,其結(jié)果見表3。

表3 拌和工藝對混合料技術(shù)指標的影響

由表3可看出:拌和工藝對混合料的空隙率幾乎沒有影響,當級配及油石比均相同時,即使各組分混合不均也不會對空隙率產(chǎn)生較大影響;同時拌和工藝對混合料馬歇爾穩(wěn)定度及流值影響較小。采用不同的拌和工藝均可獲得良好的效果,說明高溫固化環(huán)氧瀝青的三組分與石料已基本混合均勻。在生產(chǎn)施工中,通常是先把環(huán)氧樹脂和固化劑機械混合攪拌均勻,再與基質(zhì)瀝青同時投入拌缸與石料一起攪拌。

2.3 生產(chǎn)施工溫度

環(huán)氧瀝青混合料溫度過高,其施工可操作時間相應(yīng)縮短,因此存在一個最高拌和溫度;相反,溫度過低則會使得混合料碾壓困難和壓實不密實,因此存在一個最低碾壓溫度。環(huán)境溫度也是影響碾壓和壓實的重要因素。

2.3.1 拌和溫度

成型高溫固化環(huán)氧瀝青馬歇爾試件,拌和溫度分別為190、180、170、160、150、140 ℃,拌和時間為3 min,成型馬歇爾試件,試驗結(jié)果見圖2。

圖2 拌和溫度對混合料技術(shù)指標的影響

由圖2可看出:當拌和溫度在140～190 ℃時,高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾指標均符合要求;當拌和溫度低于150 ℃時,馬歇爾試件略微偏高,混合料的空隙率和流值較大,而馬歇爾穩(wěn)定度較低。由此可確定:高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的較佳拌和溫度為160～180 ℃。

2.3.2 碾壓溫度

成型高溫固化環(huán)氧瀝青馬歇爾試件,拌和溫度為170 ℃,拌和時間為3 min,待料溫分別降至170、150、130、110、90 ℃后成型馬歇爾試件,試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可看出:碾壓溫度對高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾指標有著明顯影響。當碾壓溫度為130～170 ℃時,馬歇爾試件尺寸及技術(shù)指標均符合規(guī)范要求;當碾壓溫度降至110 ℃時,馬歇爾試件尺寸略微偏高,穩(wěn)定度和流值滿足要求,但空隙率不滿足要求;當碾壓溫度為90 ℃時,馬歇爾試件尺寸明顯偏高,且空隙率明顯增加,穩(wěn)定度下降明顯,流值也明顯升高。由此可確定:高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的最低碾壓溫度不應(yīng)低于110 ℃,且不宜低于130 ℃。

2.3.3 環(huán)境溫度

在170 ℃下拌和高溫固化環(huán)氧瀝青混合料,拌和時間為3 min,待料溫降至130 ℃時,在25、20、15、10、5 ℃下成型馬歇爾試件,試驗結(jié)果見圖4。

圖4 環(huán)境溫度對混合料技術(shù)指標的影響

由圖4可看出:當環(huán)境溫度高于10 ℃時,混合料的空隙率、穩(wěn)定度和流值均滿足要求;當環(huán)境溫度為5 ℃時,馬歇爾試件略微偏高,穩(wěn)定度能滿足要求,但空隙率和流值不滿足要求。因為環(huán)境溫度過低會導(dǎo)致料溫快速下降,當?shù)陀谧畹湍雺簻囟葧r,就會影響碾壓效果。由此可確定:高溫固化環(huán)氧瀝青混合料最低施工環(huán)境溫度不低于10 ℃。

2.4 養(yǎng)護條件

環(huán)氧瀝青混合料強度隨著環(huán)氧瀝青固化反應(yīng)的進行而增長。筆者通過研究其強度增長規(guī)律,來確定高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的開放交通時間及最終養(yǎng)護時間。

成型高溫固化環(huán)氧瀝青馬歇爾試件,拌和溫度為170 ℃,拌和時間為3 min,成型馬歇爾試件,分別在15、25、40、50、60 ℃下養(yǎng)護,試驗結(jié)果見圖5。

圖5 養(yǎng)護時間及溫度對混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響

由圖5可看出:高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的養(yǎng)護時間主要受養(yǎng)護溫度影響。溫度升高,環(huán)氧瀝青的固化反應(yīng)速率加快,混合料所需的養(yǎng)護時間也隨之縮短。文獻[19]指出:當環(huán)氧瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度大于40 kN時方可開放交通。當溫度為15、25、40、50、60 ℃時,高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的開放交通時間分別為10、7、4、3、2 d,形成最終強度時間分別為20、13、9、5、4 d。

實橋鋪裝養(yǎng)護期間的氣溫與室內(nèi)恒溫養(yǎng)護并非一致,故有必要進行自然條件下的養(yǎng)護,以對高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的強度增長規(guī)律進行分析。

成型高溫固化環(huán)氧瀝青馬歇爾試件,拌和溫度為170 ℃,拌和時間為3 min,分別在春、夏、秋、冬季下進行養(yǎng)護,試驗結(jié)果見圖6。其中,春季養(yǎng)護時氣溫為15～25 ℃,夏季養(yǎng)護時氣溫為25～40 ℃,秋季養(yǎng)護時氣溫為10～20 ℃,冬季養(yǎng)護時氣溫為0～15 ℃。春、夏季節(jié)由于太陽光照緣故,馬歇爾試件的實際溫度會更高。

圖6 養(yǎng)護時間及季節(jié)對混合料馬歇爾穩(wěn)定度影響

在不同的季節(jié)下,高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的養(yǎng)護時間長短順序為:冬季>秋季>春季>夏季,氣溫越高的季節(jié),其養(yǎng)護時間越短,見表4。其中:夏季僅需3 d即可開放交通,6 d就能形成最終強度;冬季則需15 d方可開放交通,形成最終強度時間超過一個月。高溫固化環(huán)氧瀝青混合料不宜在氣溫低于10 ℃的冬季施工,這不僅可能會影響攤鋪碾壓質(zhì)量,還會影響?zhàn)B護時間。

表4 不同季節(jié)下混合料養(yǎng)護時間

3 結(jié) 論

為了保證高溫固化環(huán)氧瀝青混合料在鋼橋橋面鋪裝工程中的順利實施,筆者研究了混合料在生產(chǎn)施工過程中的控制關(guān)鍵節(jié)點,得出如下結(jié)論:

1)高溫固化環(huán)氧瀝青混合料是一種時溫依賴性材料,需要嚴格控制施工溫度和施工時間。隨著反應(yīng)時間延長,混合料性能會逐漸衰減;溫度越高,固化反應(yīng)越快,在160～180 ℃的施工溫度下,可操作時間可達3～4 h,完全能夠滿足施工要求;

2)拌和工藝對高溫固化環(huán)氧瀝青混合料空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度的影響較小。實際生產(chǎn)施工中,通常是先把環(huán)氧樹脂和固化劑混合均勻,在與基質(zhì)瀝青以及石料一起攪拌;

3)當拌和溫度在160～190 ℃時,高溫固化環(huán)氧瀝青混合料的空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度均符合要求,確定其最高拌和溫度不應(yīng)超過190 ℃;當碾壓溫度為130～170 ℃時,馬歇爾試件尺寸、空隙率和穩(wěn)定度均符合要求,確定其最低碾壓溫度不宜低于130 ℃;當環(huán)境溫度高于10 ℃時,混合料馬歇爾試件尺寸及指標均滿足要求,建議其施工環(huán)境溫度不宜低于10 ℃。高溫固化環(huán)氧瀝青混合料施工時應(yīng)保證各環(huán)節(jié)溫度在上述范圍內(nèi);

4)養(yǎng)護溫度和養(yǎng)護時間是影響高溫固化環(huán)氧瀝青混合料強度增長的主要因素。隨著養(yǎng)護時間延長,混合料強度隨之增大,養(yǎng)護溫度越高,混合料強度形成越快。通常情況下,混合料養(yǎng)護3～10 d即可開放交通,實現(xiàn)鋼橋橋面鋪裝快速通車。