溫拌環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計與應(yīng)用

廖榮華

(廣東冠粵路橋有限公司，廣州 511450)

0 引言

隨著近年來廣東省公路交通量呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢，受高溫、重載車輛、雨季引起的水-溫-荷載耦合場的影響，瀝青路面面臨高溫車轍等典型病害的挑戰(zhàn)[1]。國內(nèi)外主要通過提高瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)來解決瀝青路面在特殊路段的高溫車轍問題，如添加抗車轍劑、高性能改性瀝青等[2-4]。鑒于環(huán)氧瀝青在大跨徑鋼橋面鋪裝中得到日漸廣泛的使用，為高速公路瀝青路面材料的選取提供了更廣的思路。

環(huán)氧瀝青混凝土是將環(huán)氧瀝青和常規(guī)集料拌合而成的，其中環(huán)氧瀝青是指將瀝青、環(huán)氧樹脂、固化劑以及稀釋劑、促進(jìn)劑等添加劑按設(shè)計的配合比、次序、工藝配制而成，環(huán)氧樹脂與固化劑可發(fā)生固化反應(yīng)并轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N不可逆熱固性的材料[5-6]。環(huán)氧瀝青混合料具有粘結(jié)強(qiáng)度高，適應(yīng)變形能力良好，且具有突出的高溫穩(wěn)定性、抗水損能力及抗疲勞性能[7-9]。

為了解決高速公路服務(wù)區(qū)匝道路面由于重載車輛的頻繁制動與加速造成的車轍病害，以及服務(wù)區(qū)的貨車停車位由于機(jī)油、柴油的泄漏導(dǎo)致瀝青路面溶解松散等問題，在河源某高速公路服務(wù)區(qū)的入口匝道及重車停車區(qū)進(jìn)行了厚度為4cm環(huán)氧瀝青GAC-13的應(yīng)用。環(huán)氧瀝青的熱固性與粘溫、粘時特性與普通SBS改性瀝青差異較大，為此，本文總結(jié)溫拌環(huán)氧瀝青路面設(shè)計、施工的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，以期為類似工程的應(yīng)用提供經(jīng)驗參考。

1 原材料

1.1 瀝青膠結(jié)料

鋪裝層環(huán)氧瀝青選用句容寧武科技研制的“林武”牌M-11型，環(huán)氧瀝青用兩類組分混合制備，其重量比A∶B=1∶11.5。粘結(jié)層選用“林武”牌N-11型，同樣用兩類組分混合而成，其重量比A∶B=1∶9.5。主要性能指標(biāo)見表1與表2。

表1 環(huán)氧瀝青A組分

表2 環(huán)氧瀝青B組分

1.2 集料

集料采用河源某石場生產(chǎn)的10～15mm、5～10mm、3～5mm輝綠巖碎石和0～3mm同母巖機(jī)制砂,粗集料性能指標(biāo)見表3,礦粉材質(zhì)為石灰?guī)r。

表3 粗集料性能指標(biāo)

2 溫拌環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計

2.1級配設(shè)計

由于環(huán)氧瀝青用于上面層，級配設(shè)計過程中需重點(diǎn)考慮混合料的抗滑性能、密水性能。在進(jìn)行礦料級配設(shè)計時，主要考慮骨架密實結(jié)構(gòu)體系，路面結(jié)構(gòu)中集料顆?；ハ嗲稊D，構(gòu)成穩(wěn)定的骨架來承載路面行車產(chǎn)生的荷載，而骨架間的空隙則由瀝青膠漿密實填充。根據(jù)《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》(GBT 30598-2014)給出的推薦值，環(huán)氧瀝青鋪裝層的設(shè)計空隙率≤5.0%。借鑒鋼橋面鋪裝環(huán)氧磨耗層的工程應(yīng)用經(jīng)驗，選擇設(shè)計空隙率為3.5%。設(shè)計的混合料級配見表4。

表4 環(huán)氧瀝青混合料設(shè)計級配

2.2 混合料試驗

按照馬歇爾配合比設(shè)計方法進(jìn)行試驗。試驗要求：環(huán)氧瀝青A組分加熱溫度80℃～90℃,環(huán)氧瀝青B組分加熱溫度115℃～120℃,礦料加熱溫度為120℃,混合料拌和溫度設(shè)置為120℃，擊實溫度為120℃，試件養(yǎng)生時間為120℃恒溫12h，再對混合料固化后的馬歇爾體積進(jìn)行檢測。其中五個瀝青油石比分別為4.8%、5.1%、5.4%、5.7%、6.0%。除了進(jìn)行常規(guī)的馬歇爾體積指標(biāo)與路用性能試驗，還重點(diǎn)針對環(huán)氧混合料進(jìn)行沖擊韌性測試，以表征環(huán)氧混合料的疲勞性能[10]。試驗步驟：(1)使用輪碾成型機(jī)制備試件，規(guī)格為300mm×300mm×50mm的板塊狀，將試件放到烘箱中以120℃加熱6h，以快速固化。(2)采用雙面鋸加工為250mm±2mm×30mm±0.5mm×35mm±0.5mm的小梁。(3)使用MTS試驗機(jī)進(jìn)行沖擊韌性試驗，加荷速度設(shè)定為500mm/min。(4)將試件放入環(huán)境保溫箱中以15℃保溫養(yǎng)生4h，養(yǎng)生完畢后，進(jìn)行加載試驗。由圖1可見，當(dāng)提高瀝青用量時，環(huán)氧瀝青混合料的沖擊韌性指標(biāo)明顯遞增，可提高材料的抗疲勞性能，但增長幅度當(dāng)瀝青用量提升至到5.4%以上時出現(xiàn)明顯的減緩。

圖1 沖擊韌性試驗結(jié)果

根據(jù)馬歇爾試驗和沖擊韌性試驗，以空隙率接近設(shè)計值和沖擊韌性接近閾值點(diǎn)為判別依據(jù)，初步選定滿足設(shè)計要求的5.4%和5.7%兩個油石比進(jìn)行對比，試驗結(jié)果見表5。兩種油石比下的混合料體積指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，但5.4%油石比的混合料高溫70℃動穩(wěn)定度高于5.7%油石比的混合料，表明5.7%油石比下的自由瀝青偏高，不利于抗車轍變形。

表5 GAC-13環(huán)氧瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

2.3 混合料耐油性試驗

分別制備環(huán)氧瀝青與普通改性瀝青GAC-13試件，將其浸入柴油，控制試件上表面距液面深度大于10mm。進(jìn)行浸油前后(常溫浸泡48 h)的質(zhì)量變化和殘留穩(wěn)定度測試，試驗結(jié)果見表6。

表6 試件浸油前后對比

通過浸油試驗結(jié)果，經(jīng)過48h的柴油浸泡，普通改性瀝青試件快速溶解，骨料裸露，呈松散狀態(tài)，所測質(zhì)量損失達(dá)10%，無法進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗。而環(huán)氧瀝青試件浸油后的質(zhì)量損失不足0.2%，且試件完整性良好，油膜裹覆充分(圖2)。在常溫下進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，其中未浸油放置48h的環(huán)氧試件常溫穩(wěn)定度為40kN，而浸油后試件常溫穩(wěn)定度依然能達(dá)20kN，浸油前后的環(huán)氧試件力學(xué)性能優(yōu)良，殘留穩(wěn)定度依然能達(dá)約50%，耐油性能較好。而提高環(huán)氧瀝青用量，有助于增強(qiáng)混合料的耐油性，但提升幅度較小。

圖2 浸油后的瀝青試件

2.4 最終油石比的確定

均衡壓實度和抗滑構(gòu)造指標(biāo)并結(jié)合車轍板成型試件的表面狀況進(jìn)行比選，綜合考慮環(huán)氧瀝青混合料的穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性以及耐油性，同時兼顧上面層抗滑構(gòu)造和工程經(jīng)濟(jì)性的考慮，選擇5.4%油石比進(jìn)行大面積施工。

3 溫拌環(huán)氧瀝青混合料施工工藝

3.1 拌合樓的改造

生產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料之前，需要將拌和樓設(shè)備改裝，采用西筑5000型瀝青拌合樓。其中A組分儲存容器由廠家提供；B組分用量較大，則利用拌合樓瀝青儲存罐。同時加設(shè)環(huán)氧瀝青A、B組分的輸送管道以及兩者對接混合泵送裝置。主要工藝為：環(huán)氧瀝青A、B組分經(jīng)過導(dǎo)熱油加熱后，從罐體管道輸送至泵送裝置。該泵送裝置通過電腦設(shè)置雙組分的比例，通過流量計控制A、B組分的噴射量，最后將雙組分輸送至拌缸進(jìn)行攪拌生產(chǎn)。施工前需對環(huán)氧瀝青A、B材料的混合裝置進(jìn)行標(biāo)定，以保證A、B雙組分材料能按照規(guī)定的比例進(jìn)行混合。

3.2 拌制與運(yùn)輸控制

溫拌環(huán)氧瀝青混合料的攪拌時間設(shè)定為：純干拌6s，純濕拌38s。每一鍋產(chǎn)量為4.5t。出料溫度控制在110℃～120℃，其中溫拌瀝青A組分生產(chǎn)溫度控制在80℃～90℃；溫拌瀝青B組分溫度控制在140℃～145℃。由于運(yùn)輸過程中環(huán)氧樹脂A、B組分的化學(xué)反應(yīng)會持續(xù)產(chǎn)生熱量，彌補(bǔ)了運(yùn)輸過程的溫度損失，甚至到場溫度會略有上升，因此生產(chǎn)過程中的集料加熱溫度要求控制在105℃～115℃,如圖3(a)所示。瀝青A、B組分的加熱溫度較易控制，集料通過烘干筒進(jìn)行加熱，其加熱溫度需動態(tài)調(diào)整，根據(jù)產(chǎn)量、集料干濕程度、級配組成，調(diào)整滾筒燃燒器風(fēng)門大小進(jìn)行控制。生產(chǎn)中將前5鍋混合料卸入裝載機(jī)內(nèi)，進(jìn)行外觀、溫度的檢測，保證混合料均勻且溫度滿足110℃～120℃之間，如圖3(b)所示。

圖3 拌制過程紅外溫度圖像

為盡可能縮短混合料生產(chǎn)、裝料、運(yùn)輸及卸料的時間，混合料運(yùn)輸配備了10臺運(yùn)輸車，要求對車廂進(jìn)行清潔，不得有積水，并噴涂植物油。按“前、后、中、前補(bǔ)、后補(bǔ)”順序進(jìn)行裝料，每車裝載8盤料，裝載量約35t，裝載完成后立即覆蓋保溫帆布過磅出場。對于加工溫度超標(biāo)的混合料應(yīng)予廢棄。

3.3 工作面的準(zhǔn)備

環(huán)氧瀝青粘結(jié)層不同于常規(guī)瀝青粘結(jié)層材料的特性和施工要求，導(dǎo)致對其施工工藝需進(jìn)行大幅度的調(diào)整。由于A、B組分混合后的不可逆，必須在較短時間內(nèi)準(zhǔn)確完成粘結(jié)層的灑布，否則對設(shè)備、路面效果、污染清理均存在較大影響。采用環(huán)氧瀝青智能型灑布車，通過計算機(jī)的反饋控制技術(shù)，保證環(huán)氧粘層油灑布量為0.4～0.5kg/m2(圖4)。對A、B組分噴射比例進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行路面試灑，在路面非輪跡處固定預(yù)先稱量的1m×1m土工布，噴灑后進(jìn)行灑布量的檢測。對周邊的路緣石、花壇、花池及燈柱采用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋防護(hù)，起步位置灑布量較多處可適量撒布5～10mm碎石，防止泛油與粘輪。

圖4 環(huán)氧粘層油撒布

3.4 攤鋪及碾壓

服務(wù)區(qū)大車區(qū)攤鋪寬度約53m，長度180m。攤鋪設(shè)備配備2輛福格勒2100-3L端伸縮攤鋪機(jī)，攤鋪寬度為11.5m+8.5m，由于寬度限制需分3道進(jìn)行攤鋪，因此除了存在2輛攤鋪機(jī)同時攤鋪時的熱接縫，也存在前后移機(jī)再次攤鋪產(chǎn)生的冷接縫。為防止冷接縫處混合料的無側(cè)限外移，采用厚度為4cm的木方條進(jìn)行側(cè)限固定。為確保碾壓的及時性和攤鋪均勻性，調(diào)控好平整度，運(yùn)行速度保持在2.5m/min左右，前后機(jī)熱搭接10～20cm，跟機(jī)距離小于5m。

圖5 施工現(xiàn)場

碾壓設(shè)備配備3臺戴納派克CC6200雙鋼輪壓路機(jī)+2臺徐工XP303K膠輪壓路機(jī)。碾壓方案為雙鋼輪前靜后振初壓1遍+雙鋼輪振壓2遍+膠輪搓揉2遍+雙鋼輪靜壓收光1～2遍。采用無核密度儀PQI380進(jìn)行各碾壓遍數(shù)下路面壓實度的變化檢測。根據(jù)圖6分析現(xiàn)場選擇的三個測點(diǎn)(2個測點(diǎn)均為初攤溫度105℃～110℃溫度，1個測點(diǎn)為初攤溫度84℃的低溫狀態(tài))的壓實度變化。正常溫度下，4～5遍碾壓后環(huán)氧混合料的壓實度達(dá)到峰值。壓實度達(dá)到峰值后，繼續(xù)進(jìn)行振動碾壓，出現(xiàn)壓實度降低的現(xiàn)象，主要原因為瀝青混合料內(nèi)部從最緊密狀態(tài)被過壓振散，此時的振動能量會加劇路表棱角的磨損并破壞未來將要形成的粘結(jié)強(qiáng)度?？稍谡駝幽雺汉筝o助膠輪搓揉，保證混合料表面的密實，使膠結(jié)料輕微上浮，有助于進(jìn)一步提高壓實度。而低溫狀態(tài)下進(jìn)行碾壓，難以控制壓實度符合標(biāo)準(zhǔn)(>98%)，因此，需保證施工溫度，在正常溫度下使用雙鋼輪+膠輪碾壓5～6遍即可。低溫狀態(tài)下難以壓實，且隨著時間的增長，環(huán)氧的化學(xué)反應(yīng)持續(xù)增大，環(huán)氧瀝青混合料趨向定型，應(yīng)作廢棄處理。

圖6 不同碾壓遍數(shù)下的壓實度

此外，由于環(huán)氧瀝青混合料對水的敏感性，雙鋼輪壓路機(jī)、膠輪壓路機(jī)碾壓時必須人工涂抹植物油作為隔離劑，不得噴水碾壓。碾壓組合中雙鋼輪和膠輪壓路機(jī)應(yīng)及時跟進(jìn)交叉碾壓，尤其是膠輪壓路機(jī)應(yīng)盡可能前移碾壓段落，對熱接縫應(yīng)在第一時間進(jìn)行碾壓，減少溫?fù)p。碾壓過程需控制好壓路機(jī)起步和停止的速度，避免混合料出現(xiàn)隆起和表面微開裂。

3.5 施工時間與溫度控制

為了便于環(huán)氧瀝青混凝土各施工工序的順利進(jìn)行，環(huán)氧瀝青在一定時間內(nèi)的粘度應(yīng)維持在較低水平，但當(dāng)終壓結(jié)束后又需要混凝土的粘度與強(qiáng)度快速提升至控制指標(biāo)，所以在既定時限內(nèi)必須完成所有的施工過程。根據(jù)廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)并結(jié)合環(huán)氧瀝青粘溫、粘時試驗結(jié)果[11]，環(huán)氧瀝青混合料的施工窗口時間為90min。根據(jù)統(tǒng)計每8盤料的生產(chǎn)時間平均為12min，場內(nèi)蓋布及過磅時間平均為10min，運(yùn)輸至服務(wù)區(qū)平均時間為20min，等待并攤鋪卸料完成約20min，碾壓在15～20 min完成，整個過程可控制在90min內(nèi)完成。

采用插入式測溫裝置監(jiān)測施工過程中各料車的料溫情況，如圖7所示。環(huán)氧瀝青混合料出廠溫度在111℃～121℃之間，到場溫度在110℃～121℃范圍。運(yùn)輸過程的溫度損耗較低，主要得益于兩方面：一是運(yùn)距短、保溫措施良好；二是環(huán)氧混合料反應(yīng)過程產(chǎn)生的熱料彌補(bǔ)了溫度損耗。攤鋪溫度為108℃～117℃，滿足施工要求。

圖7 環(huán)氧瀝青混合料溫度

為了更好地反映施工各環(huán)節(jié)的環(huán)氧混合料溫度變化，采用手持式紅外成型FLIR設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。施工過程的溫度情況如圖8所示，料車內(nèi)混合料溫度約105℃～110℃，料槽混合料表面溫度115℃～120℃，攤鋪后混合料表面溫度105℃～115℃，初壓后混合料表面溫度90℃～95℃，復(fù)壓溫度70℃～80℃，終壓后溫度50℃～60℃，滿足施工要求。

圖8 主要環(huán)節(jié)環(huán)氧混合料溫度熱成像

3.6 養(yǎng)生的強(qiáng)度增長

按照當(dāng)天施工的生產(chǎn)配合比，成型10組馬歇爾試件，在常溫下進(jìn)行養(yǎng)生，并定期測試其馬歇爾穩(wěn)定度，測試結(jié)果如圖9所示。養(yǎng)生時間增長時，環(huán)氧瀝青混合料試件的強(qiáng)度也隨之呈線性遞增。養(yǎng)生至第27d時，強(qiáng)度為16.6kN，仍未達(dá)到開放交通的設(shè)計要求(>20kN)，分析原因主要是施工季節(jié)為冬季有關(guān)。因此，對于溫拌環(huán)氧瀝青混凝土路面，建議應(yīng)保證養(yǎng)生時間，尤其是冬季低溫時期施工狀態(tài)要相對增加。

圖9 環(huán)氧瀝青混合料強(qiáng)度增長曲線

4 施工質(zhì)量與路用性能評價

4.1 施工均勻性

以無核密度儀測試環(huán)氧瀝青混凝土路面的密度與空隙率，評估路面施工的均勻性。以1m為間隔繪制全斷面方格，分別對路段進(jìn)行無核密度儀檢測，共檢測20m，采集315個數(shù)據(jù)。將無核密度儀測試得到的毛體積密度轉(zhuǎn)換為空隙率，依據(jù)“空隙率越大，灰度越小”的原則繪制瀝青層空隙率分布云圖，如圖10所示。統(tǒng)計結(jié)果表明，檢測區(qū)域內(nèi)大部分空隙率處于0%～5%區(qū)間的比例為96.6%，超過設(shè)計要求(空隙率>5%)的中度粗離析比例為3.4%，未見嚴(yán)重的粗離析，施工均勻性良好。

圖10 環(huán)氧路段空隙率分布

4.2 路用性能

(1)根據(jù)路面滲水系數(shù)測試結(jié)果，平均值為36.7ml/min，滿足150 ml/min以內(nèi)的設(shè)計要求，路面密水性能良好。

(2)構(gòu)造深度檢測結(jié)果顯示，大部分路面構(gòu)造深度處于1.0～1.2mm范圍，宏觀抗滑構(gòu)造良好。

(3)根據(jù)連續(xù)式平整度儀檢測結(jié)果，服務(wù)區(qū)A區(qū)共檢測6個點(diǎn)，平均值0.58mm，最大值0.68mm,最小值0.45mm；服務(wù)區(qū)B區(qū)共檢測6個點(diǎn)，平均值0.55mm，最大值0.63mm,最小值0.41mm。各路段的平均值均低于0.7mm，平整度良好。

(4)服務(wù)區(qū)匝道檢測8個位置，彎沉代表值為11.8(0.01mm),且各測試點(diǎn)位的實測值均小于設(shè)計要求的19.8(0.1mm)。

5 結(jié)論

(1)采用沖擊韌性試驗評價溫拌環(huán)氧瀝青混合料的疲勞性能。隨著瀝青用量的增加，環(huán)氧瀝青混合料的沖擊韌性值增大；但隨著瀝青用量增加到5.4%以上時，耐疲勞性能提升速度減緩。

(2)浸油試驗表明，溫拌環(huán)氧瀝青混合料質(zhì)量損失不足0.2%，完整性良好，常溫穩(wěn)定度達(dá)20kN以上，殘留穩(wěn)定度達(dá)50%以上，適宜用于油液污染嚴(yán)重的區(qū)域。

(3)進(jìn)行了環(huán)氧瀝青混合料壓實效果跟蹤，正常溫度下使用雙鋼輪+膠輪壓路機(jī)碾壓5～6遍后可達(dá)到壓實度峰值，繼續(xù)進(jìn)行振壓將出現(xiàn)壓實度降低的現(xiàn)象，而混合料溫度過低則無法達(dá)到設(shè)計要求的壓實度。

(4)鑒于環(huán)氧瀝青的熱固性與粘溫、粘時特性，溫拌環(huán)氧混合料的有效施工窗口為90min。采用插入式溫度檢測方式與紅外設(shè)備可以從點(diǎn)到面進(jìn)行各環(huán)節(jié)溫度的監(jiān)控，減少溫度離析。

(5)隨著養(yǎng)生時間的增長，環(huán)氧瀝青混合料試件的強(qiáng)度呈線性遞增，冬季低溫環(huán)境施工時建議延長養(yǎng)生時間，待試件強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后方可開放交通。