国产高温固化环氧沥青混合料生产施工关键技术研究

刘 攀,刘 洋,李 凯,全弘彬

(1.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司,重庆 401336)

0 引 言

纵观我国钢桥桥面铺装的现状,环氧沥青混合料、浇注式沥青混合料和改性沥青混合料(SMA)是常见的3种铺装材料[1-3]。其中,环氧沥青混合料力学强度高、温度敏感性低、高温性能突出,不易发生车辙及推移等病害[4-8]。该材料先后应用于南京长江二桥、黄冈长江大桥、宁波大榭二桥、沪通长江大桥、南沙大桥、五峰山长江大桥、舟岱跨海大桥、东江南支流港湾大桥等大跨径钢桥桥面铺装的工程中。

环氧沥青是一种热固性材料,包括热拌环氧沥青(如日本TAF、江苏中路HRM、重庆智翔HDEA)、温拌环氧沥青(如美国ChemCo、句容宁武HLJ)和冷拌环氧沥青(宁波天意RA)[9-13]。工程实践表明:环氧沥青类材料的生产施工工艺不同于普通的热塑性沥青混合料,其对施工温度和施工时间的控制非常严格,温度过高或过低都会影响混合料的施工效果[4,10,14,15];同时环氧沥青早期强度偏低,摊铺后必须封闭交通进行养护[16-18],若养护时间不够就开放交通会造成铺装层的破坏,同时养护时间不宜过长。由于环氧沥青混合料的生产施工工艺比较复杂,施工质量可靠度相对较低,在工程中容易发生质量事故及早期病害。因此,对环氧沥青生产施工关键技术的研究就显得尤为重要。

美国和日本的环氧沥青施工特性的研究较为成熟,并能较好地指导工程施工。不同类型的环氧沥青材料,其施工特性明显不同;即便同一类型的环氧沥青材料,其施工特性也不尽一致。针对每一种环氧沥青材料,都应着重研究其生产施工技术。基于此,笔者选取我国自主研发的高温固化环氧沥青混合料(属于热拌环氧沥青类材料),重点研究了温度对混合料施工可操作时间的影响;拌和工艺、拌和温度、碾压温度、环境温度等条件对混合料性能影响;混合料强度发展规律及影响因素;并在此基础上总结了国产高温固化环氧沥青混合料的生产施工控制关键指标。

1 试验材料

高温固化环氧沥青为3组分材料,包含了基质沥青、主剂和固化剂,其固化物的性能指标见表1。高温固化环氧沥青混合料采用玄武岩集料和石灰岩矿粉按油石比6.7%进行制备,其混合料性能指标见表2。

表1 高温固化环氧沥青固化物性能指标

表2 高温固化环氧沥青混合料性能指标

2 结果与分析

2.1 施工可操作时间

当各组分混合后,固化反应随即开始,若混合料未及时摊铺,会导致摊铺困难、碾压不实,甚至直接废料。因此,有必要研究高温固化环氧沥青混合料的施工可操作时间。

高温固化环氧沥青混合料的拌和时间为3 min,分别在160、170、180、190 ℃下放置一段时间后成型马歇尔试件,试验结果见图1。

图1 试验结果

由图1可看出:随着反应时间延长,高温固化环氧沥青混合料的空隙率和流值逐渐增大,而马歇尔稳定度逐渐降低。当温度为190 ℃时,反应3 h后混合料的空隙率大幅增大,稳定度也明显下降,马歇尔指标满足技术要求,这说明在190 ℃下混合料的施工可操作时间宜控制在3 h内,在实际应用中,应尽量避免料温超过190℃;当温度为160 ℃时,反应4 h后混合料的马歇尔指标均满足要求,反应5 h后混合料依然能成型试件,但空隙率为3.7%,马歇尔稳定度为31.2 kN,流值为5.5 mm,已无法满足技术要求,这说明在160 ℃下混合料施工可操作时间超过4 h,但不足5 h;当温度为170、180 ℃时,混合料施工可操作时间进一步缩短,不超过4 h。高温固化环氧沥青的施工时间要求没有温拌环氧沥青材料苛刻,对工程应用具有重要意义。

2.2 拌和工艺

笔者为研究拌和工艺对高温固化环氧沥青混合料性能的影响,拟定了7种拌和工艺(1#～7#)。1#:将环氧沥青三组分混合均匀后再与石料拌和;2#:三组分未混合,直接与石料拌和;3#:主剂和固化剂均匀混合后再直接与基质沥青和石料拌和;4#:基质沥青和固化剂均匀混合后再直接与主剂和石料拌和;5#:基质沥青和主剂均匀混合后再直接与固化剂和石料拌和;6#:100 L大桶(材料用量约60 kg)混合机械搅拌主剂和固化剂60 s,取出部分材料与基质沥青混合均匀后再与石料拌和;7#:大桶混合机械搅拌主剂和固化剂120 s,取出部分材料与基质沥青混合均匀后再与石料拌和。分别按上述7种工艺成型高温固化环氧沥青马歇尔试件,拌和温度170 ℃,拌和时间3 min,其结果见表3。

表3 拌和工艺对混合料技术指标的影响

由表3可看出:拌和工艺对混合料的空隙率几乎没有影响,当级配及油石比均相同时,即使各组分混合不均也不会对空隙率产生较大影响;同时拌和工艺对混合料马歇尔稳定度及流值影响较小。采用不同的拌和工艺均可获得良好的效果,说明高温固化环氧沥青的三组分与石料已基本混合均匀。在生产施工中,通常是先把环氧树脂和固化剂机械混合搅拌均匀,再与基质沥青同时投入拌缸与石料一起搅拌。

2.3 生产施工温度

环氧沥青混合料温度过高,其施工可操作时间相应缩短,因此存在一个最高拌和温度;相反,温度过低则会使得混合料碾压困难和压实不密实,因此存在一个最低碾压温度。环境温度也是影响碾压和压实的重要因素。

2.3.1 拌和温度

成型高温固化环氧沥青马歇尔试件,拌和温度分别为190、180、170、160、150、140 ℃,拌和时间为3 min,成型马歇尔试件,试验结果见图2。

图2 拌和温度对混合料技术指标的影响

由图2可看出:当拌和温度在140～190 ℃时,高温固化环氧沥青混合料的马歇尔指标均符合要求;当拌和温度低于150 ℃时,马歇尔试件略微偏高,混合料的空隙率和流值较大,而马歇尔稳定度较低。由此可确定:高温固化环氧沥青混合料的较佳拌和温度为160～180 ℃。

2.3.2 碾压温度

成型高温固化环氧沥青马歇尔试件,拌和温度为170 ℃,拌和时间为3 min,待料温分别降至170、150、130、110、90 ℃后成型马歇尔试件,试验结果见图3。

由图3可看出:碾压温度对高温固化环氧沥青混合料的马歇尔指标有着明显影响。当碾压温度为130～170 ℃时,马歇尔试件尺寸及技术指标均符合规范要求;当碾压温度降至110 ℃时,马歇尔试件尺寸略微偏高,稳定度和流值满足要求,但空隙率不满足要求;当碾压温度为90 ℃时,马歇尔试件尺寸明显偏高,且空隙率明显增加,稳定度下降明显,流值也明显升高。由此可确定:高温固化环氧沥青混合料的最低碾压温度不应低于110 ℃,且不宜低于130 ℃。

2.3.3 环境温度

在170 ℃下拌和高温固化环氧沥青混合料,拌和时间为3 min,待料温降至130 ℃时,在25、20、15、10、5 ℃下成型马歇尔试件,试验结果见图4。

图4 环境温度对混合料技术指标的影响

由图4可看出:当环境温度高于10 ℃时,混合料的空隙率、稳定度和流值均满足要求;当环境温度为5 ℃时,马歇尔试件略微偏高,稳定度能满足要求,但空隙率和流值不满足要求。因为环境温度过低会导致料温快速下降,当低于最低碾压温度时,就会影响碾压效果。由此可确定:高温固化环氧沥青混合料最低施工环境温度不低于10 ℃。

2.4 养护条件

环氧沥青混合料强度随着环氧沥青固化反应的进行而增长。笔者通过研究其强度增长规律,来确定高温固化环氧沥青混合料的开放交通时间及最终养护时间。

成型高温固化环氧沥青马歇尔试件,拌和温度为170 ℃,拌和时间为3 min,成型马歇尔试件,分别在15、25、40、50、60 ℃下养护,试验结果见图5。

图5 养护时间及温度对混合料马歇尔稳定度影响

由图5可看出:高温固化环氧沥青混合料的养护时间主要受养护温度影响。温度升高,环氧沥青的固化反应速率加快,混合料所需的养护时间也随之缩短。文献[19]指出:当环氧沥青混合料马歇尔稳定度大于40 kN时方可开放交通。当温度为15、25、40、50、60 ℃时,高温固化环氧沥青混合料的开放交通时间分别为10、7、4、3、2 d,形成最终强度时间分别为20、13、9、5、4 d。

实桥铺装养护期间的气温与室内恒温养护并非一致,故有必要进行自然条件下的养护,以对高温固化环氧沥青混合料的强度增长规律进行分析。

成型高温固化环氧沥青马歇尔试件,拌和温度为170 ℃,拌和时间为3 min,分别在春、夏、秋、冬季下进行养护,试验结果见图6。其中,春季养护时气温为15～25 ℃,夏季养护时气温为25～40 ℃,秋季养护时气温为10～20 ℃,冬季养护时气温为0～15 ℃。春、夏季节由于太阳光照缘故,马歇尔试件的实际温度会更高。

图6 养护时间及季节对混合料马歇尔稳定度影响

在不同的季节下,高温固化环氧沥青混合料的养护时间长短顺序为:冬季>秋季>春季>夏季,气温越高的季节,其养护时间越短,见表4。其中:夏季仅需3 d即可开放交通,6 d就能形成最终强度;冬季则需15 d方可开放交通,形成最终强度时间超过一个月。高温固化环氧沥青混合料不宜在气温低于10 ℃的冬季施工,这不仅可能会影响摊铺碾压质量,还会影响养护时间。

表4 不同季节下混合料养护时间

3 结 论

为了保证高温固化环氧沥青混合料在钢桥桥面铺装工程中的顺利实施,笔者研究了混合料在生产施工过程中的控制关键节点,得出如下结论:

1)高温固化环氧沥青混合料是一种时温依赖性材料,需要严格控制施工温度和施工时间。随着反应时间延长,混合料性能会逐渐衰减;温度越高,固化反应越快,在160～180 ℃的施工温度下,可操作时间可达3～4 h,完全能够满足施工要求;

2)拌和工艺对高温固化环氧沥青混合料空隙率、马歇尔稳定度的影响较小。实际生产施工中,通常是先把环氧树脂和固化剂混合均匀,在与基质沥青以及石料一起搅拌;

3)当拌和温度在160～190 ℃时,高温固化环氧沥青混合料的空隙率和马歇尔稳定度均符合要求,确定其最高拌和温度不应超过190 ℃;当碾压温度为130～170 ℃时,马歇尔试件尺寸、空隙率和稳定度均符合要求,确定其最低碾压温度不宜低于130 ℃;当环境温度高于10 ℃时,混合料马歇尔试件尺寸及指标均满足要求,建议其施工环境温度不宜低于10 ℃。高温固化环氧沥青混合料施工时应保证各环节温度在上述范围内;

4)养护温度和养护时间是影响高温固化环氧沥青混合料强度增长的主要因素。随着养护时间延长,混合料强度随之增大,养护温度越高,混合料强度形成越快。通常情况下,混合料养护3～10 d即可开放交通,实现钢桥桥面铺装快速通车。