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廖荣华
(广东冠粤路桥有限公司，广州 511450)
随着近年来广东省公路交通量呈现持续增长的态势，受高温、重载车辆、雨季引起的水-温-荷载耦合场的影响，沥青路面面临高温车辙等典型病害的挑战[1]。国内外主要通过提高沥青胶结料性能指标来解决沥青路面在特殊路段的高温车辙问题，如添加抗车辙剂、高性能改性沥青等[2-4]。鉴于环氧沥青在大跨径钢桥面铺装中得到日渐广泛的使用，为高速公路沥青路面材料的选取提供了更广的思路。
环氧沥青混凝土是将环氧沥青和常规集料拌合而成的，其中环氧沥青是指将沥青、环氧树脂、固化剂以及稀释剂、促进剂等添加剂按设计的配合比、次序、工艺配制而成，环氧树脂与固化剂可发生固化反应并转变为一种不可逆热固性的材料[5-6]。环氧沥青混合料具有粘结强度高，适应变形能力良好，且具有突出的高温稳定性、抗水损能力及抗疲劳性能[7-9]。
为了解决高速公路服务区匝道路面由于重载车辆的频繁制动与加速造成的车辙病害，以及服务区的货车停车位由于机油、柴油的泄漏导致沥青路面溶解松散等问题，在河源某高速公路服务区的入口匝道及重车停车区进行了厚度为4cm环氧沥青GAC-13的应用。环氧沥青的热固性与粘温、粘时特性与普通SBS改性沥青差异较大，为此，本文总结温拌环氧沥青路面设计、施工的关键技术要点，以期为类似工程的应用提供经验参考。
1.1 沥青胶结料
铺装层环氧沥青选用句容宁武科技研制的“林武”牌M-11型，环氧沥青用两类组分混合制备，其重量比A∶B=1∶11.5。粘结层选用“林武”牌N-11型，同样用两类组分混合而成，其重量比A∶B=1∶9.5。主要性能指标见表1与表2。
表1 环氧沥青A组分
表2 环氧沥青B组分
1.2 集料
集料采用河源某石场生产的10～15mm、5～10mm、3～5mm辉绿岩碎石和0～3mm同母岩机制砂,粗集料性能指标见表3,矿粉材质为石灰岩。
表3 粗集料性能指标
2.1级配设计
由于环氧沥青用于上面层，级配设计过程中需重点考虑混合料的抗滑性能、密水性能。在进行矿料级配设计时，主要考虑骨架密实结构体系，路面结构中集料颗粒互相嵌挤，构成稳定的骨架来承载路面行车产生的荷载，而骨架间的空隙则由沥青胶浆密实填充。根据《道路与桥梁铺装用环氧沥青材料通用技术条件》(GBT 30598-2014)给出的推荐值，环氧沥青铺装层的设计空隙率≤5.0%。借鉴钢桥面铺装环氧磨耗层的工程应用经验，选择设计空隙率为3.5%。设计的混合料级配见表4。
表4 环氧沥青混合料设计级配
2.2 混合料试验
按照马歇尔配合比设计方法进行试验。试验要求：环氧沥青A组分加热温度80℃～90℃,环氧沥青B组分加热温度115℃～120℃,矿料加热温度为120℃,混合料拌和温度设置为120℃，击实温度为120℃，试件养生时间为120℃恒温12h，再对混合料固化后的马歇尔体积进行检测。其中五个沥青油石比分别为4.8%、5.1%、5.4%、5.7%、6.0%。除了进行常规的马歇尔体积指标与路用性能试验，还重点针对环氧混合料进行冲击韧性测试，以表征环氧混合料的疲劳性能[10]。试验步骤：(1)使用轮碾成型机制备试件，规格为300mm×300mm×50mm的板块状，将试件放到烘箱中以120℃加热6h，以快速固化。(2)采用双面锯加工为250mm±2mm×30mm±0.5mm×35mm±0.5mm的小梁。(3)使用MTS试验机进行冲击韧性试验，加荷速度设定为500mm/min。(4)将试件放入环境保温箱中以15℃保温养生4h，养生完毕后，进行加载试验。由图1可见，当提高沥青用量时，环氧沥青混合料的冲击韧性指标明显递增，可提高材料的抗疲劳性能，但增长幅度当沥青用量提升至到5.4%以上时出现明显的减缓。
图1 冲击韧性试验结果
根据马歇尔试验和冲击韧性试验，以空隙率接近设计值和冲击韧性接近阈值点为判别依据，初步选定满足设计要求的5.4%和5.7%两个油石比进行对比，试验结果见表5。两种油石比下的混合料体积指标均满足技术要求，但5.4%油石比的混合料高温70℃动稳定度高于5.7%油石比的混合料，表明5.7%油石比下的自由沥青偏高，不利于抗车辙变形。
表5 GAC-13环氧沥青混合料技术指标
2.3 混合料耐油性试验
分别制备环氧沥青与普通改性沥青GAC-13试件，将其浸入柴油，控制试件上表面距液面深度大于10mm。进行浸油前后(常温浸泡48 h)的质量变化和残留稳定度测试，试验结果见表6。
表6 试件浸油前后对比
通过浸油试验结果，经过48h的柴油浸泡，普通改性沥青试件快速溶解，骨料裸露，呈松散状态，所测质量损失达10%，无法进行马歇尔稳定度试验。而环氧沥青试件浸油后的质量损失不足0.2%，且试件完整性良好，油膜裹覆充分(图2)。在常温下进行马歇尔稳定度试验，其中未浸油放置48h的环氧试件常温稳定度为40kN，而浸油后试件常温稳定度依然能达20kN，浸油前后的环氧试件力学性能优良，残留稳定度依然能达约50%，耐油性能较好。而提高环氧沥青用量，有助于增强混合料的耐油性，但提升幅度较小。
图2 浸油后的沥青试件
2.4 最终油石比的确定
均衡压实度和抗滑构造指标并结合车辙板成型试件的表面状况进行比选，综合考虑环氧沥青混合料的稳定度、高温稳定性以及耐油性，同时兼顾上面层抗滑构造和工程经济性的考虑，选择5.4%油石比进行大面积施工。
3.1 拌合楼的改造
生产环氧沥青混合料之前，需要将拌和楼设备改装，采用西筑5000型沥青拌合楼。其中A组分储存容器由厂家提供；
B组分用量较大，则利用拌合楼沥青储存罐。同时加设环氧沥青A、B组分的输送管道以及两者对接混合泵送装置。主要工艺为：环氧沥青A、B组分经过导热油加热后，从罐体管道输送至泵送装置。该泵送装置通过电脑设置双组分的比例，通过流量计控制A、B组分的喷射量，最后将双组分输送至拌缸进行搅拌生产。施工前需对环氧沥青A、B材料的混合装置进行标定，以保证A、B双组分材料能按照规定的比例进行混合。
3.2 拌制与运输控制
温拌环氧沥青混合料的搅拌时间设定为：纯干拌6s，纯湿拌38s。每一锅产量为4.5t。出料温度控制在110℃～120℃，其中温拌沥青A组分生产温度控制在80℃～90℃；
温拌沥青B组分温度控制在140℃～145℃。由于运输过程中环氧树脂A、B组分的化学反应会持续产生热量，弥补了运输过程的温度损失，甚至到场温度会略有上升，因此生产过程中的集料加热温度要求控制在105℃～115℃,如图3(a)所示。沥青A、B组分的加热温度较易控制，集料通过烘干筒进行加热，其加热温度需动态调整，根据产量、集料干湿程度、级配组成，调整滚筒燃烧器风门大小进行控制。生产中将前5锅混合料卸入装载机内，进行外观、温度的检测，保证混合料均匀且温度满足110℃～120℃之间，如图3(b)所示。
图3 拌制过程红外温度图像
为尽可能缩短混合料生产、装料、运输及卸料的时间，混合料运输配备了10台运输车，要求对车厢进行清洁，不得有积水，并喷涂植物油。按“前、后、中、前补、后补”顺序进行装料，每车装载8盘料，装载量约35t，装载完成后立即覆盖保温帆布过磅出场。对于加工温度超标的混合料应予废弃。
3.3 工作面的准备
环氧沥青粘结层不同于常规沥青粘结层材料的特性和施工要求，导致对其施工工艺需进行大幅度的调整。由于A、B组分混合后的不可逆，必须在较短时间内准确完成粘结层的洒布，否则对设备、路面效果、污染清理均存在较大影响。采用环氧沥青智能型洒布车，通过计算机的反馈控制技术，保证环氧粘层油洒布量为0.4～0.5kg/m2(图4)。对A、B组分喷射比例进行标定，并进行路面试洒，在路面非轮迹处固定预先称量的1m×1m土工布，喷洒后进行洒布量的检测。对周边的路缘石、花坛、花池及灯柱采用塑料薄膜进行覆盖防护，起步位置洒布量较多处可适量撒布5～10mm碎石，防止泛油与粘轮。
图4 环氧粘层油撒布
3.4 摊铺及碾压
服务区大车区摊铺宽度约53m，长度180m。摊铺设备配备2辆福格勒2100-3L端伸缩摊铺机，摊铺宽度为11.5m+8.5m，由于宽度限制需分3道进行摊铺，因此除了存在2辆摊铺机同时摊铺时的热接缝，也存在前后移机再次摊铺产生的冷接缝。为防止冷接缝处混合料的无侧限外移，采用厚度为4cm的木方条进行侧限固定。为确保碾压的及时性和摊铺均匀性，调控好平整度，运行速度保持在2.5m/min左右，前后机热搭接10～20cm，跟机距离小于5m。
图5 施工现场
碾压设备配备3台戴纳派克CC6200双钢轮压路机+2台徐工XP303K胶轮压路机。碾压方案为双钢轮前静后振初压1遍+双钢轮振压2遍+胶轮搓揉2遍+双钢轮静压收光1～2遍。采用无核密度仪PQI380进行各碾压遍数下路面压实度的变化检测。根据图6分析现场选择的三个测点(2个测点均为初摊温度105℃～110℃温度，1个测点为初摊温度84℃的低温状态)的压实度变化。正常温度下，4～5遍碾压后环氧混合料的压实度达到峰值。压实度达到峰值后，继续进行振动碾压，出现压实度降低的现象，主要原因为沥青混合料内部从最紧密状态被过压振散，此时的振动能量会加剧路表棱角的磨损并破坏未来将要形成的粘结强度。可在振动碾压后辅助胶轮搓揉，保证混合料表面的密实，使胶结料轻微上浮，有助于进一步提高压实度。而低温状态下进行碾压，难以控制压实度符合标准(>98%)，因此，需保证施工温度，在正常温度下使用双钢轮+胶轮碾压5～6遍即可。低温状态下难以压实，且随着时间的增长，环氧的化学反应持续增大，环氧沥青混合料趋向定型，应作废弃处理。
图6 不同碾压遍数下的压实度
此外，由于环氧沥青混合料对水的敏感性，双钢轮压路机、胶轮压路机碾压时必须人工涂抹植物油作为隔离剂，不得喷水碾压。碾压组合中双钢轮和胶轮压路机应及时跟进交叉碾压，尤其是胶轮压路机应尽可能前移碾压段落，对热接缝应在第一时间进行碾压，减少温损。碾压过程需控制好压路机起步和停止的速度，避免混合料出现隆起和表面微开裂。
3.5 施工时间与温度控制
为了便于环氧沥青混凝土各施工工序的顺利进行，环氧沥青在一定时间内的粘度应维持在较低水平，但当终压结束后又需要混凝土的粘度与强度快速提升至控制指标，所以在既定时限内必须完成所有的施工过程。根据厂家提供的相关数据并结合环氧沥青粘温、粘时试验结果[11]，环氧沥青混合料的施工窗口时间为90min。根据统计每8盘料的生产时间平均为12min，场内盖布及过磅时间平均为10min，运输至服务区平均时间为20min，等待并摊铺卸料完成约20min，碾压在15～20 min完成，整个过程可控制在90min内完成。
采用插入式测温装置监测施工过程中各料车的料温情况，如图7所示。环氧沥青混合料出厂温度在111℃～121℃之间，到场温度在110℃～121℃范围。运输过程的温度损耗较低，主要得益于两方面：一是运距短、保温措施良好；
二是环氧混合料反应过程产生的热料弥补了温度损耗。摊铺温度为108℃～117℃，满足施工要求。
图7 环氧沥青混合料温度
为了更好地反映施工各环节的环氧混合料温度变化，采用手持式红外成型FLIR设备进行监测。施工过程的温度情况如图8所示，料车内混合料温度约105℃～110℃，料槽混合料表面温度115℃～120℃，摊铺后混合料表面温度105℃～115℃，初压后混合料表面温度90℃～95℃，复压温度70℃～80℃，终压后温度50℃～60℃，满足施工要求。
图8 主要环节环氧混合料温度热成像
3.6 养生的强度增长
按照当天施工的生产配合比，成型10组马歇尔试件，在常温下进行养生，并定期测试其马歇尔稳定度，测试结果如图9所示。养生时间增长时，环氧沥青混合料试件的强度也随之呈线性递增。养生至第27d时，强度为16.6kN，仍未达到开放交通的设计要求(>20kN)，分析原因主要是施工季节为冬季有关。因此，对于温拌环氧沥青混凝土路面，建议应保证养生时间，尤其是冬季低温时期施工状态要相对增加。
图9 环氧沥青混合料强度增长曲线
4.1 施工均匀性
以无核密度仪测试环氧沥青混凝土路面的密度与空隙率，评估路面施工的均匀性。以1m为间隔绘制全断面方格，分别对路段进行无核密度仪检测，共检测20m，采集315个数据。将无核密度仪测试得到的毛体积密度转换为空隙率，依据“空隙率越大，灰度越小”的原则绘制沥青层空隙率分布云图，如图10所示。统计结果表明，检测区域内大部分空隙率处于0%～5%区间的比例为96.6%，超过设计要求(空隙率>5%)的中度粗离析比例为3.4%，未见严重的粗离析，施工均匀性良好。
图10 环氧路段空隙率分布
4.2 路用性能
(1)根据路面渗水系数测试结果，平均值为36.7ml/min，满足150 ml/min以内的设计要求，路面密水性能良好。
(2)构造深度检测结果显示，大部分路面构造深度处于1.0～1.2mm范围，宏观抗滑构造良好。
(3)根据连续式平整度仪检测结果，服务区A区共检测6个点，平均值0.58mm，最大值0.68mm,最小值0.45mm；
服务区B区共检测6个点，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)服务区匝道检测8个位置，弯沉代表值为11.8(0.01mm),且各测试点位的实测值均小于设计要求的19.8(0.1mm)。
(1)采用冲击韧性试验评价温拌环氧沥青混合料的疲劳性能。随着沥青用量的增加，环氧沥青混合料的冲击韧性值增大；
但随着沥青用量增加到5.4%以上时，耐疲劳性能提升速度减缓。
(2)浸油试验表明，温拌环氧沥青混合料质量损失不足0.2%，完整性良好，常温稳定度达20kN以上，残留稳定度达50%以上，适宜用于油液污染严重的区域。
(3)进行了环氧沥青混合料压实效果跟踪，正常温度下使用双钢轮+胶轮压路机碾压5～6遍后可达到压实度峰值，继续进行振压将出现压实度降低的现象，而混合料温度过低则无法达到设计要求的压实度。
(4)鉴于环氧沥青的热固性与粘温、粘时特性，温拌环氧混合料的有效施工窗口为90min。采用插入式温度检测方式与红外设备可以从点到面进行各环节温度的监控，减少温度离析。
(5)随着养生时间的增长，环氧沥青混合料试件的强度呈线性递增，冬季低温环境施工时建议延长养生时间，待试件强度达到设计要求后方可开放交通。
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