后掺法环氧沥青混合料施工工艺研究及应用*

赵映琴,封志佼,张林艳,封基良,蔡建伟

(1.云南大学建筑与规划学院,云南 昆明 650000; 2.云南畅坦科技有限公司,云南 昆明 650012;3.云南武倘寻高速建设指挥部,云南 昆明 650000)

环氧沥青混凝土是一种聚合物混凝土,主要由环氧沥青胶结料及级配矿料拌合而成。自1967年美国San Mateo-Hayward跨海大桥首次采用环氧沥青混合料铺筑以来,由于其优良性能,在大跨径钢桥面、特殊路段、重载交通路段得到了广泛应用[1-6]。但环氧沥青混合料可容许施工时间较短,温拌型(温度110～130℃)环氧沥青混合料施工可容许时间一般≤90min[6-9],热拌型(温度160～180℃)环氧沥青混合料一般≤150min[8-9]。采用现有施工工艺,固化反应贯穿于混合料拌合、运输、摊铺、碾压及养生等整个环节,在容留时间内必须完成除养生外的所有工序,因容留时间产生的施工风险较高。已有工程经验表明,我国环氧沥青铺装完全成功率较低,主要原因之一为碾压未完成前,环氧沥青混合料发生了容留[10]。

目前国内外有关环氧沥青混凝土施工工艺的研究已取得丰硕的研究成果。亢阳等[11]、王泽勇等[12]通过试验发现将沥青进行顺酐化处理后,所制备的环氧沥青及其混合料会具备更优的力学性能;黄红明等[13]、刘攀等[14]研究发现环氧沥青固化反应速率受温度、时间影响较大,其施工过程是一个技术含量较高、对施工时间及施工温度控制要求极为严苛的动态工程;陈磊磊等[15]对环氧沥青混合料施工各环节注意事项做出明确要求。

为解决环氧沥青可容许施工时间短的难题,通过对现行环氧沥青混合料施工工艺的分析、研究,提出了将环氧沥青B组分、A组分分别在拌合站及摊铺过程中添加的后掺法环氧沥青混合料施工工艺[16]。对室内模拟后掺法工艺制备的环氧沥青混合料路用性能及长期使用性能进行研究,并结合工程实例,对摊铺过程中A组分添加准确性及均匀性、实体工程铺筑效果进行验证。

1 现行施工工艺分析

现行环氧沥青混合料施工工艺工序为环氧沥青混合料拌合、运输、摊铺、碾压及养护:①在各项准备工作完成后,分别加热储存罐内环氧沥青B组分及A组分;②将环氧沥青B组分与A组分按比例混合均匀,制备得到环氧沥青;③生产环氧沥青混合料,并采用自卸汽车将混合料成品运输至摊铺现场,及时进行摊铺、碾压;④进行养护。工艺流程如图1所示。由于环氧沥青B组分与A组分接触后固化反应即发生,通过对现行工艺施工流程的分析可以得出,在混合料容留时间内需完成除养护环节外的其余工序,即使不考虑拌合及运输过程中存在的不确定性因素,除去拌合、运输及待料等所需时间外,容留时间内留给摊铺及碾压环节的时间也较短,施工风险较高、质量隐患较大。

图1 现行环氧沥青混合料施工工艺流程

2 后掺法施工工艺

环氧沥青混合料后掺法施工工艺流程如图2所示。基本流程为:在沥青拌合站拌制环氧沥青B组分混合料,并将其运输至摊铺现场,在摊铺过程中采用专用摊铺机以雾状方式准确添加A组分,并通过专用摊铺机的二次拌合功能将环氧沥青B组分混合料与A组分拌合均匀,再进行碾压、养生。该工艺有效延缓了环氧沥青B组分、A组分接触时间,在混合料容留时间范围内只需完成摊铺及碾压环节,节省了拌合、运料、待料等环节所占用的容留时间,有效延长了摊铺及碾压环节可容许施工时间,可有效降低因可容许施工时间短产生的施工风险。

图2 后掺法环氧沥青混合料施工工艺流程

3 混合料路用性能及长期使用性能研究

采用经检验合格的云南某科技有限公司生产的双组分环氧沥青,粒径为4.75～9.5,9.5～13.2mm玄武岩粗集料,粒径为0～4.75mm石灰岩细集料、矿粉。在室内模拟后掺法工艺制备环氧沥青EAC-13混合料,矿料级配如图3所示,总油石比为5.8%,其中,B组分油石比为5.1%。混合料制备方法为:首先将集料及环氧沥青B组分分别加热至120℃,然后将加热后的集料、B组分及未经加热的矿粉倒入拌合锅搅拌2min,最后按A组分∶B组分=100∶730比例添加A组分,再次拌合120s。按规范制件方法成型马歇尔试件、车辙试件及加速加载试件,并置于120℃烘箱中养生固化,测试混合料路用性能,结果如表1所示。采用小型加速加载设备MMLS-1/3测试长期使用性能,试验参数设置如表2所示,试验后车辙深度与加载次数关系如图4所示。

表1 后掺法EAC-13混合料路用性能指标

表2 加速加载试验参数

图3 EAC-13混合料级配曲线

图4 加速加载试验结果

由表1可知,混合料动稳定度达23 415次/mm,残留稳定度为95.2%,冻融劈裂强度比为90.2%,-15℃温度下弯拉应变为2 237,表明采用后掺法制备的环氧沥青混合料具备良好的路用性能。由图4可知,该环氧沥青铺装层早期变形会随着车辆加载作用次数的增加而加剧,随后趋于稳定,加载40万次后,最大车辙深度仅为0.22mm,表明了混合料具备较好的长期使用性能。

4 专用摊铺机

后掺法施工工艺需在摊铺现场实现A组分准确添加及计量,并将所添加A组分与B组分混合料拌合均匀的目的。为解决这一技术性难题,研制了环氧沥青混合料后掺法施工工艺专用摊铺机[17]。该摊铺机左、右两侧各配备1个树脂罐,罐内A组分靠液压电机输出,动力由摊铺机提供,输出管道分为2个口,1个接回树脂罐配有止回阀,另一个出口接喷洒管,喷洒管固定于摊铺机进料门后料仓上方,喷洒管上布设4个喷头以实现A组分雾状添加,树脂输出管道上配备有压力表、流量计及温度传感器等装置,流量及树脂温度与摊铺机显示屏串联,使用过程中能进行实时监控,喷洒管后安装有两级强制搅拌装置以实现A组分及B组分混合料的均匀拌合。喷洒管道系统如图5所示,喷洒及搅拌装置如图6所示,专用摊铺机如图7所示。

图5 喷洒管道

图6 搅拌及喷洒装置

图7 后掺法专用摊铺机

5 工程应用

2020年11月,云南都香高速荒冲大桥钢箱梁桥面环氧沥青混合料铺筑采用后掺法施工工艺。

5.1 原材料及配合比

环氧沥青采用云南某科技有限公司生产的双组分环氧沥青,环氧沥青B组分、A组分单独储存,A组分∶B组分=100∶730,粗集料为玄武岩,细集料为机制砂,集料及矿粉都经检验合格。级配采用EAC-13,按JTG/T 3346—02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》进行生产配合比设计及验证,矿料比例为1号(11～18mm)∶2号(7～11mm)∶3号(4～7mm)∶4号(0～4mm)∶矿粉=30∶26∶8∶30∶6,总油石比为5.5%,B组分油石比为4.8%。级配曲线如图8所示,验证结果如表3所示。

表3 EAC-13混合料路用性能指标

图8 EAC-13混合料生产级配曲线

5.2 A组分掺量控制及检验

1)掺量控制

在项目实施过程中,采用式(1)计算摊铺机左、右两侧添加的树脂流量,并在摊铺过程中通过固定摊铺机摊铺速度减少变量降低质量风险,在实施过程中通过摊铺一定距离所用的树脂量及每车混合料摊铺完成所用树脂量进行校核并及时纠偏。在不同断面位置上于摊铺过程中螺旋布料器不同部位取样并现场成型马歇尔试件,运至实验室养生固化后测试其空隙率、稳定度,计算平均值、标准差,并以现场制件马歇尔稳定度及实验室制件马歇尔稳定度对比反映A组分添加的准确性,以现场制件马歇尔稳定度标准差反映A组分添加的均匀性。

Q=500hdρυPA/ρA

(1)

式中:Q为摊铺机每侧树脂流量(L/min);h为路面摊铺厚度(m);d为路面摊铺宽度(m);ρ为环氧沥青混合料毛体积密度(kg/m3);υ为摊铺机摊铺速度(m/min);PA为A组分占环氧沥青混合料的质量百分比(%);ρA为环氧树脂在摊铺温度时的密度(kg/m3)。

2)准确性及均匀性检验

摊铺过程中于摊铺机螺旋布料器不同部位取样并现场成型马歇尔试件。运送至实验室养生固化后测试其指标,结果如图9所示。

图9 摊铺机螺旋布料器不同位置取样制件测试结果

由图9可知,马歇尔试件最大稳定度为77kN,最小稳定度为68kN,稳定度变异系数为4.3%;空隙率最大为2.7%,最小为2.0%,空隙率变异系数为10.9%,表明该专用摊铺机A组分添加准确且具备较好的二次搅拌分散能力。

5.3 铺筑效果检测

施工完成后,根据设计及规范要求对现场施工质量进行检测,检测结果如表4所示,各项指标均满足JTG F80/1—2017《公路工程质量检验评定标准》及设计要求。

表4 钢箱梁桥面指标检测结果

6 结语

1)经过40万次加速加载试验后,后掺法环氧沥青混合料最大车辙深度仅为0.22mm,试件表面完整,仅有少数集料颗粒沥青膜脱落。后掺法环氧沥青混合料具备较好的路用性能及长期使用性能。

2)由摊铺过程中摊铺机不同部位取样制件试件测试结果可知,稳定度变异系数为4.3%、空隙率变异系数为10.9%,表明改造后的摊铺机能很好地满足后掺法施工工艺对摊铺机性能的需求。

3)实体工程铺筑表明,环氧沥青混合料后掺法施工工艺有效解决了因容留时间限制产生的风险问题,具备较好的可实施性,可将其应用于环氧沥青混凝土铺筑工程。