國產高溫固化環氧瀝青混合料生產施工關鍵技術研究

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工程有限公司,重慶 401336)

0 引 言

縱觀我國鋼橋橋面鋪裝的現狀,環氧瀝青混合料、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,不易發生車轍及推移等病害[4-8]。該材料先后應用于南京長江二橋、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。

環氧瀝青是一種熱固性材料,包括熱拌環氧瀝青(如日本TAF、江蘇中路HRM、重慶智翔HDEA)、溫拌環氧瀝青(如美國ChemCo、句容寧武HLJ)和冷拌環氧瀝青(寧波天意RA)[9-13]。工程實踐表明:環氧瀝青類材料的生產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];同時環氧瀝青早期強度偏低,攤鋪后必須封閉交通進行養護[16-18],若養護時間不夠就開放交通會造成鋪裝層的破壞,同時養護時間不宜過長。由于環氧瀝青混合料的生產施工工藝比較復雜,施工質量可靠度相對較低,在工程中容易發生質量事故及早期病害。因此,對環氧瀝青生產施工關鍵技術的研究就顯得尤為重要。

美國和日本的環氧瀝青施工特性的研究較為成熟,并能較好地指導工程施工。不同類型的環氧瀝青材料,其施工特性明顯不同;即便同一類型的環氧瀝青材料,其施工特性也不盡一致。針對每一種環氧瀝青材料,都應著重研究其生產施工技術。基于此,筆者選取我國自主研發的高溫固化環氧瀝青混合料(屬于熱拌環氧瀝青類材料),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、環境溫度等條件對混合料性能影響;混合料強度發展規律及影響因素;并在此基礎上總結了國產高溫固化環氧瀝青混合料的生產施工控制關鍵指標。

1 試驗材料

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

表1 高溫固化環氧瀝青固化物性能指標

表2 高溫固化環氧瀝青混合料性能指標

2 結果與分析

2.1 施工可操作時間

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

高溫固化環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,試驗結果見圖1。

圖1 試驗結果

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

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瀝青和石料拌和;4#:基質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氧瀝青馬歇爾試件,拌和溫度170 ℃,拌和時間3 min,其結果見表3。

表3 拌和工藝對混合料技術指標的影響

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生較大影響;同時拌和工藝對混合料馬歇爾穩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,說明高溫固化環氧瀝青的三組分與石料已基本混合均勻。在生產施工中,通常是先把環氧樹脂和固化劑機械混合攪拌均勻,再與基質瀝青同時投入拌缸與石料一起攪拌。

2.3 生產施工溫度

環氧瀝青混合料溫度過高,其施工可操作時間相應縮短,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,試驗結果見圖2。

圖2 拌和溫度對混合料技術指標的影響

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,而馬歇爾穩定度較低。由此可確定:高溫固化環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,試驗結果見圖3。

由圖3可看出:碾壓溫度對高溫固化環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指標均符合規范要求;當碾壓溫度降至110 ℃時,馬歇爾試件尺寸略微偏高,穩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,穩定度下降明顯,流值也明顯升高。由此可確定:高溫固化環氧瀝青混合料的最低碾壓溫度不應低于110 ℃,且不宜低于130 ℃。

2.3.3 環境溫度

在170 ℃下拌和高溫固化環氧瀝青混合料,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,試驗結果見圖4。

圖4 環境溫度對混合料技術指標的影響

由圖4可看出:當環境溫度高于10 ℃時,混合料的空隙率、穩定度和流值均滿足要求;當環境溫度為5 ℃時,馬歇爾試件略微偏高,穩定度能滿足要求,但空隙率和流值不滿足要求。因為環境溫度過低會導致料溫快速下降,當低于最低碾壓溫度時,就會影響碾壓效果。由此可確定:高溫固化環氧瀝青混合料最低施工環境溫度不低于10 ℃。

2.4 養護條件

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

成型高溫固化環氧瀝青馬歇爾試件,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 ℃下養護,試驗結果見圖5。

圖5 養護時間及溫度對混合料馬歇爾穩定度影響

由圖5可看出:高溫固化環氧瀝青混合料的養護時間主要受養護溫度影響。溫度升高,環氧瀝青的固化反應速率加快,混合料所需的養護時間也隨之縮短。文獻[19]指出:當環氧瀝青混合料馬歇爾穩定度大于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。

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

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

圖6 養護時間及季節對混合料馬歇爾穩定度影響

在不同的季節下,高溫固化環氧瀝青混合料的養護時間長短順序為:冬季>秋季>春季>夏季,氣溫越高的季節,其養護時間越短,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量,還會影響養護時間。

表4 不同季節下混合料養護時間

3 結 論

為了保證高溫固化環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施工過程中的控制關鍵節點,得出如下結論:

1)高溫固化環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。隨著反應時間延長,混合料性能會逐漸衰減;溫度越高,固化反應越快,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氧瀝青混合料空隙率、馬歇爾穩定度的影響較小。實際生產施工中,通常是先把環氧樹脂和固化劑混合均勻,在與基質瀝青以及石料一起攪拌;

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

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