论浇注式沥青混合料的改造

论采用环氧沥青对浇注式钢桥面铺装技术进行改造

张志宏  宁波天意钢桥面铺装技术有限公司

摘要：常见的浇注式钢桥面铺装存在混合料抵抗高温重载的能力不足、施工需要约240℃的异常高温等缺陷，利用环氧沥青替代原浇注式的沥青可有效地提高浇注式铺装的路用性能。本文综合归纳了现有浇注式+SMA铺装的各种缺陷、提出用环氧沥青胶结料对浇注式铺装进行改造的思路和方法，通过多种关键材料的试验研究，证明了浇注式铺筑改进的必要性和工程的可行性。本文还指出，改造现有的浇注式沥青混合料可以采用环氧沥青热拌施工的方法实现，也可以采用冷拌树脂沥青常温施工的方式实现，其相应的施工方法也有所涉及。该研究的结论对现有浇注式改进的后续深入研究有重要参考价值。

关键词：环氧沥青、EBCL界面、浇注式混合料、高温稳定性、混合料流动性

ABSTRACT: It is well known that the gussasphalt pavement technology on steel bridge deck is not so satisfied, such as : the stability of mixture under the high temperature and the heavy load seems insufficient, the temperature of gussasphalt construction may reach about 240 ℃which may cause unexpected extending of steel bridge deck, and also some special equipments like transportation cookers must be needed .In this paper the defects of gussasphalt or gussasphalt +SMA are analyzed and concluded, a new idea to improve the technology is presented: to use epoxy asphalt to replace the original gussasphalt. The experimental study on the new gussasphalt indicates that epoxy asphalt shows an obviously improvement. The study proves that the traditional guss- mixture can be replaced by the epoxy asphalt, in terms of construction the epoxy asphalt can work very convenient by either thermal pouring or cold pouring. The conclusion in this paper may have a value for the further research of gussasphalt pavement.

Keyword: epoxy asphalt; EBCL surface treatment; asphalt stability in high temperature; gussasphalt; epoxy asphalt;

国内的浇注式钢桥面铺装技术自从2000年江阴大桥开始至今已有近15年的历史了。在此期间，浇注式铺筑因江阴桥的缺陷曾有过一段短时间的沉寂。近年来，随着南京四桥和马鞍山大桥以及正在建设中的钢珠澳大桥等工程对浇注式铺装技术的采用，浇注式钢桥面铺装又开始趋于流行。现在的浇注式铺装与江阴大桥最初的铺装相比，在技术手段方面有了一些进步，主要的结构形式也逐渐演变成了铺装下层采用浇注式+上面层采用SMA混合料。然而15年来，浇注式铺装从引进时就存在的一些先天不足却没有发生根本性的改变，例如：浇注式混合料抵抗高温重载的能力不足、施工需要约240℃的异常高温、以及施工需要专门的加热运输设备（cooker）等。这些缺陷影响了浇注式铺装的使用效果，在工程和学术界对浇注式的这些缺陷也存在较大的争议。如何能对现行浇注式铺装进行合理的改造，规避上述的种种缺陷，一直是从事浇注式钢桥面铺装行业众多科研人员梦寐以求的愿望。本文尝试采用环氧沥青替代原浇注式改性沥青的方法对浇注式钢桥面铺装的技术进行改造，以求规避浇注式铺装的缺陷。

一、 浇注式的缺陷归纳

纵观浇注式铺装的各种先天缺陷可以综合归纳为以下四个方面：

1） 浇注式铺筑的界面粘结材料

最初的浇注式铺装在钢板界面处采用的是溶剂型橡胶沥青材料，设计者希望利用粘稠的橡胶沥青材料将钢桥面铺装层粘结约束在桥面钢板上，并起到防水防腐的作用。但国内的工程实践证明，橡胶沥青类的材料难以当此重任，原因是橡胶沥青材料的粘结力较低，常温下只有1.2MPa左右，而且该粘结力还与温度条件紧密相关，当钢板温度升高时，橡胶沥青迅速变软，粘结能力大幅下降。在60℃条件下，橡胶沥青材料的粘结力只有约0.1MPa，不能满足桥面铺装受力的需要。这也是当初厦门海沧大桥等双层SMA钢桥面铺装方式迅速破坏的根本原因。

如今，这种橡胶沥青界面已经被废弃了，取而代之的是采用引进的甲基丙烯酸树脂类的材料作为钢板的防水粘结界面，通常被称为Eliminator。当前流行的Eliminator界面比原来的橡胶沥青界面在常温下的粘结能力有了大幅的提高，但其高温状态下的粘结力提高并不明显，60℃高温下Eliminator对钢板的粘结力只有约0.1-0.2MPa， 即在炎热地区和重载车较多的条件下使用该界面仍有粘结力不足之嫌。见表1。国外厂商对Eliminator材料的技术垄断致使Eliminator界面价格高昂，浇注式铺装的综合造价也因此居高不下。

表1 钢桥面界面粘结材料性能比较

2） 施工高温对钢箱梁结构的影响

浇注式混合料中的沥青胶结料本质上是沥青。出于铺装防水的需要，浇注式混合料的孔隙率需接近于0。为避免混合料小空隙引起较大的车辙蠕变，浇注式沥青中大量添加了特立尼达和多巴哥天然湖沥青及其它聚合物改性材料以求提高混合料的高温稳定性。改性后沥青的粘稠性使得混合料施工需升温至约240℃才能具有一定的流动性，才能进行浇筑和摊平的施工。这种温度与钢箱梁的温差可达到约200℃，钢箱梁的顶板在此温差作用下不可避免地伸长变形，导致钢箱梁结构出现难以说清楚的内力重分布。实际工程中，因为钢箱梁受浇注热量而伸长致使支座限位螺栓被剪断的案例曾有发生。

3）浇注式混合料的高温蠕变特性

尽管浇注式沥青中添加了大量的湖沥青等硬质材料，但从本质上来说，该添加物仅仅是对石油沥青材料的物理改性，沥青材料随温度升而高粘度快速下降的属性并没有发生根本性的改变，这也是浇注式混合料高温稳定性不足的根本原因。表2是各种铺装混合料的车辙动稳定度的对比表。车辙试验描述的是沥青路面在60℃温度条件下每mm竖向车辙变形可承担的标准荷载次数，显然，浇注式混合料在这方面的能力欠缺很多，其抗车辙能力甚至不及部颁规范下的普通沥青混合料。

表2  各种铺装材料车辙动稳定度对比表（60℃）

4） SMA层下的粘结材料对铺装路用性能的影响

在当前流行的浇注式+SMA铺装结构中，SMA层与浇注层之间仍采用改性沥青作为粘结材料，其洒布的数量通常不少于1.0kg/㎡。该沥青粘结层在SMA混合料高温铺筑时会有一定程度的上浮而进入SMA混合料中，进而影响SMA混合料的油石比。同时，该粘结层因其沥青的属性也有高温抗剪能力不足之忧。有些实际工程的SMA混合料过早出现了车辙和推移病害被怀疑与此粘结层有关。

二、 改进浇注式缺陷的思路

针对上述浇注式的各种缺陷，设法改变沥青材料随温度升高而变软的根本属性是应努力的方向。采用环氧沥青胶结料替代原浇注式的沥青应该有所作为。

环氧沥青胶结料通常被分为A、B两个组分。当含有环氧树脂的A组分和含有固化剂的B组分混合时，环氧树脂和固化剂连同沥青一起发生复杂的交联固化反应，最终形成环氧沥青胶结料。该环氧沥青是化学反应的产物，胶结料中的长链大分子彼此间以化学键稳固相连，这与普通的改性沥青增加物理粘稠度的概念完全不同。因此，环氧沥青具有更高的粘结力和拉伸强度，固化后的环氧沥青胶结料对温度的敏感性也大幅降低。以该胶结料拌制生产的环氧沥青混合料与普通改性沥青混合料的路用性能不可同日而语。由表3可见两者巨大的性能差异。

表3  混合料技术性能对比

因环氧沥青从混合到最后固化反应完成需要一定的时间和温度条件，在反应完成前的一段时间内，这种环氧沥青具有与改性沥青类似的一些特性，例如：胶结料的粘度、可拌合施工的特性、环氧沥青混合料可以用普通的沥青设备进行施工等。利用这些特性，施工人员在规定的时间和温度条件下完成施工操作，即可将环氧沥青混合料铺筑成型，待其固化后形成性能优良的环氧沥青路面。

用环氧沥青材料改造现有浇注式铺装的任务可分为三个关键内容和两种可能的方式。其三个关键内容分别为：

1） 利用环氧沥青（树脂沥青）替代eliminator界面，大幅提高其高温下（70℃）的粘结能力；

2） 用环氧沥青改造浇注式混合料，大幅提高浇注式混合料的高温稳定性；

3） 用热固性环氧沥青替代原改性沥青作为SMA层下的粘结层，提高SMA上面层在浇注层上的稳定性；

所谓两种方式是指，即可以考虑采用热拌环氧沥青的方式改造浇注式混合料，也可以考虑采用常温施工的方式进行浇注式混合料的改造。显然，高温施工的浇注式和常温施工的浇注式在环氧沥青胶结料的使用条件等方面完全不同，常温施工会使浇注式施工大为简化，但两者在改造的最终目的上是一致的。即降低施工温度，提高浇注混合料的高温稳定性。

至于浇注式施工工艺方面的改进思路，笔者以为，应尽量采用通用设备，避免使用专用设备，简化施工工艺。原浇注混合料的特点是非碾压沥青混合料，摊平时需要混合料具有良好的流动性才能形成近乎0空隙的铺装层。其混合料的困难在于，即要保证这种八宝粥状的混合料具有一定的流动性但又不能油石离析。因此，原浇注式混合料需要专用的加热搅拌运输车（cooker）和专用摊铺机。

采用环氧沥青改造后的浇注式混合料则应尽量避免对这种设备的特殊要求。只要混合料不离析，混合料运输应采用普通的自卸汽车，摊铺施工也应采用常规的沥青摊铺机将混合料摊平。使混合料达到近乎0空隙的改造思路应该更多的依靠摊铺机熨平板的击振频率和和扰动。这种摊铺机被称之为高强压摊铺机，20年前就进入国内，技术十分成熟，只要混合料具有一定的蠕动可塑性，实现上述愿望应十分简单。

当环氧沥青浇注式混合料可常温施工时，其铺装结构已非常接近现在流行的ERS钢桥面铺装技术，其区别仅仅是浇注式混合料不需要碾压，树脂沥青混合料（RA）需要碾压而已。在解决钢桥面铺装困难的结构设置原理上两者是一致的。

当环氧沥青浇注式采用常温施工时我们称之为树脂沥青浇注式。所谓树脂沥青与环氧沥青两者在化工原理上是一致的，都是利用环氧树脂和沥青混合物形成的特殊性能，其区别仅仅一个是热固化，一个是常温固化。为区分两者，我们通常称常温固化的环氧沥青为树脂沥青。

三、 关键材料的试验研究

由上述的改进思路可知，其研究工作的核心是配制符合上述使用要求的浇注式环氧沥青胶结料和相应的混合料、改造后的钢板界面粘结材料和SMA层下的热固性环氧沥青粘结材料。

3.1 界面材料的改进

在ERS铺装体系中，界面材料EBCL具有足够的高温粘结强度和可靠性。在此基础上将其改造成浇注式所需的界面材料并不存在太大的技术困难，仅仅需要考虑其界面材料在保证粘结性能的同时还应具有高温不变质的特性，以满足热浇注施工温度的需要。当前研发的新型界面材料应可以满足环氧沥青新型浇注式的使用要求，见表4。

表4、新型的树脂沥青界面胶结料力学性能