改进型环氧沥青混凝土钢桥面铺装低温施工技术

乔 明

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710016）

0 引 言

沥青类材料最大的特点是物理、力学性能随温度的变化而改变。各种热拌沥青混合料在施工时，根据沥青材料品种的不同，混合料拌合温度在135℃～185℃之间，摊铺碾压温度在120℃～160℃之间，碾压终了的温度为60℃～90℃，其中改性沥青及热拌型环氧沥青的施工控制温度取高限。为了保证沥青混合料摊铺碾压温度，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求施工时的气温在10℃以上。当气温低于10℃时，由于沥青混合料降温太快会使得压实困难，可采用温拌剂降低混合料拌合温度，但要保证压实温度不能低于80℃［1－4］；而当气温低于5℃或接近0℃时，则不得施工。对于中国北方较寒冷地区来说，受工期等因素的影响，往往需要在较低气温条件下施工，这时常用的沥青类材料（包括热拌型和温拌型进口环氧沥青）的桥面铺装施工受到了很大限制。

太原市天龙山区域防火旅游通道（简称“天龙山区域道路”）的4座钢箱梁弯桥，由于地形复杂、施工难度大、工期紧张，钢桥面铺装在秋末冬初进行，最低气温接近0℃。如果采用常用的热拌型或温拌型环氧沥青材料，借鉴国内较为成熟的既有施工技术进行桥面铺装，施工质量存在很大的风险。

为了解决这个难题，设计、施工及材料研发三方联合攻关，通过材料配方调整解决了以往环氧沥青黏度增长快、不适宜低温施工等技术问题；采用山西华路祥交通科技有限公司生产的改进型温拌环氧沥青，通过调节、控制施工参数，在接近0℃的低温条件下，成功实施了环氧沥青混凝土钢桥面铺装。

1 改进型温拌环氧沥青的技术特性

环氧沥青与普通沥青的最大区别是具有显著的热固性，即当双组分材料在一定温度下混合后，开始发生固化反应，黏度随时间而变化，从初始的200 mPa·s左右逐渐增大到1 000、2 000、10 000mPa·s，直至形成不可逆的固体形态［5］。

改进后的温拌型环氧沥青同样具有这种特性。其黏度随时间变化的速率与温度有关，不同的温度条件有不同的固化反应速率。温度越高黏度增长越快，反之则黏度增长减缓。为了减小黏度随时间增大的速率，项目组经过反复研究试验，以降低施工温度为途径，选择恰当的材料配方，实现了延缓固化时间的技术目标。

1.1 适宜沥青混合料拌合与碾压的黏度

常用的石油沥青是一种经过调配、加工的石油副产品，是温度敏感性很强的有机黏稠物，其黏稠度随温度的不同而有较大的差异。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）规定，适宜于沥青混合料拌合的表观黏度为150～190mPa·s，适宜于压实的表观黏度为250～310mPa·s。根据黏温曲线推算其对应的施工温度，如表1所示。

上述要求是石油沥青的感温性所决定的，普通石油沥青的黏度与温度曲线关系式为y＝173.3e－0.0437x（y是黏度，x是温度）。在压实过程中，温度从150℃左右下降到100℃以下时，黏度很快从300mPa·s左右增加到2 000mPa·s以上［6］。聚合物改性沥青的黏温关系式为y＝571.28e－0.0397x，碾压温度在140℃以下时，沥青黏度也达到2 000mPa·s以上［7］。规范规定：70＃石油沥青及聚合物改性沥青的终压温度分别是70℃和90℃，相应的黏度分别达到8 134mPa·s和16 037mPa·s。由此可知，普通石油沥青混合料的沥青黏度在摊铺碾压过程中处于300～8 000mPa·s之间，聚合物改性沥青的黏度处于2 000～16 000mPa·s之间。

表1 石油沥青施工控制黏度与对应温度

1.2 改进型温拌环氧沥青的黏度变化规律

改进型温拌环氧沥青的黏度受温度变化的影响较小，而主要依赖于固化反应的时间（温度高低主要影响变化速率），当环氧沥青组分A和B混合以后，体系黏度随着时间的延续而不断增加，其黏度与时间的关系见表2、3及图1。

表2 改进型环氧沥青不同反应时间的黏度检测结果

表3 改进型环氧沥青黏度随时间变化的试验数据

图1 改进型环氧沥青的黏度-时间曲线

由试验数据可见：在环氧沥青双组分混合后开始的10min内，环氧沥青黏度小于200mPa·s，这是适合混凝土拌合的黏度；至60min时，黏度达到1 000mPa·s左右，适宜摊铺和初压；到120min时，黏度达到7 000mPa·s左右，基本达到碾压终了时的黏度条件，这个时间称为环氧沥青的最大容留时间［7］。应当注意到，这一组试验数据是在120℃条件下测得的体系黏度，在实际施工中，拌合温度是小于120℃的，而且一旦开始摊铺，混合料温度很快下降，固化反应的速度大大减缓。由表3的一组数据可以看出：在105℃温度下，环氧沥青黏度达到适宜摊铺和初压的黏度（1 000mPa·s）所对应的时间大约是80～90min；黏度接近5 000mPa·s时，所需要的时间为130min以上。如果考虑到摊铺碾压过程中混合料温度的继续下降（在完成压实之前为50℃左右），则黏度增长更加缓慢，终压时间大约可以延续至150min。

1.3 影响环氧沥青混合料压实的因素

改进型环氧沥青混合料和其他沥青混合料一样，需要在适当的条件下经过充分的压实才能获得满意的物理力学性能，其中最主要的技术指标是混合料密度。影响环氧沥青混合料压实的主要因素是：混合料的和易性（与环氧沥青黏度有关）、压路机的质量、压路机的类型及压实方法（顺序、遍数）［8］。其中，有别于常规沥青混合料的是和易性的控制，环氧沥青混合料的和易性不仅和温度有关，更与固化反应时间密切相关。如前所述，环氧沥青A、B组分混合以后固化反应便开始进行，随着时间推移，体系黏度不断增加，压实作业应该在黏度适宜的状态下进行，也就是需要在一定的时间内进行碾压。混合料温度的大小也影响混合料的和易性，但不是主要因素。表4是不同的温度及时间成型的环氧沥青混合料试件密度。

表4 不同温度不同时间成型的环氧沥青混合料试件密度

由以上数据可以看出，在3种温度条件下保持50min或60min击实成型的环氧沥青混合料试件密度基本没有差别，而115℃温度下保持到70min击实的试件密度有明显下降，到90min时密度降低较多，105℃温度下保持90min的密度基本不变。这说明，在较低温度下环氧沥青混合料的和易性可以延续较长的时间，反之温度越高则和易性损失较大。因此，环氧沥青混合料温度和保持时间是影响压实的关键因素。

2 改进型环氧沥青混合料低温施工技术参数

2.1 改进型环氧沥青混合料的拌合温度

一般认为，集料的烘干温度应大于105℃，为了确保集料达到充分的干燥状态，常用的控制温度最好在110℃以上。由于矿粉不加热，当矿粉用量占到矿料总质量的10%左右时，混凝土的温度会降低5℃～10℃左右。因此，当集料温度为110℃时，混凝土温度约为100℃～105℃。由此，可以确定环氧沥青混合料的拌合温度宜控制在（105±5）℃，集料加热温度控制在（110±5）℃。

2.2 改进型环氧沥青混合料的摊铺碾压温度

如前所述，沥青混合料宜在结合料黏度为1 000～10 000mPa·s之间进行压实，对于改进型环氧沥青而言，与这个黏度范围所对应的反应时间是60～150min。如果混合料出料温度为105℃，摊铺温度约100℃左右（运输过程中温度基本不变），则初压温度为90℃，这个时间点处于拌合后60～80min，环氧沥青的黏度在1 000mPa·s以下，温度、时间都处于开始碾压的最佳点。随着碾压工序的推进，温度逐渐下降，黏度继续增加，时间控制在90min以内。温度大于40℃的情况下，环氧沥青黏度不大于2 000mPa·s，压实过程很容易完成（表5）。

由表5的数据可以看出，桥面铺装层的碾压遍数及压实度均达到了预期的效果，说明这个碾压条件是可行也是可靠的。

表5 钢桥面铺装环氧沥青混合料摊铺碾压时间与温度

2.3 改进型环氧沥青混凝土钢桥面铺装施工的气温条件

从常规来讲，较高的气温条件对沥青混合料的摊铺碾压较为有利，因此规范要求气温应在10℃以上，目的是保证混合料摊铺碾压温度不至于降低太快。对于改进型温拌环氧沥青而言，虽然气温高一点有利于快速成型，减少封闭交通的时间；但气温太高（夏季钢桥面可达到70℃以上）会加快固化反应速度，使得摊铺碾压时间过于紧张。相反，气温低一点有利于放缓施工节奏，有从容摊铺碾压的时间。因此，正常的施工气温以20℃～30℃最宜。中国北方地区秋末冬初季节的气温大多在10℃上下，夜间往往接近0℃。在这种条件下，热拌沥青混合料（包括热拌型环氧沥青）已经不适宜施工，而改进型温拌环氧沥青则可以适应这种苛刻条件。天龙山区域道路于2018年10月中、下旬施工，由于施工难度大和工期安排等原因，钢桥面铺装需要昼夜不停地施工，在气温低至0℃～5℃的情况下，改进型环氧沥青混凝土钢桥面铺装成功实施，取得了满意的效果。

3 结 语

温拌型环氧沥青的黏度不仅与温度有关，更与固化时间密切相关。改进型温拌环氧沥青具有较低的温度适应性和缓和的黏度增长速率，混合料拌合温度控制在100℃～110℃范围内，达到适合压实的黏度范围时，容留时间可达到80～150min。开始碾压的温度为90℃，碾压终了的温度为40℃。施工时的气温可低至0℃。在轮胎压路机初压2遍、双钢轮压路机复压2遍、轮胎压路机复压2遍、双钢轮压路机终压2遍后，压实度达到98%以上。这种新型环氧沥青材料既有优良的技术性能，又可适应其他同类材料不能适应的施工条件，是钢桥面铺装的优质材料。

改进型温拌环氧沥青混合料可以在较低的气温下施工，打破了传统的施工条件，很好地解决了施工工期短的问题，为确保工程进度和质量提供了可靠的技术保证，是对传统材料和施工工艺的重大突破。