环氧树脂混凝土路用性能及其钢桥面铺装施工工艺研究
                        李宇峙1,徐 敏1,李家庆2,张 平1
      (1.长沙理工大学 长沙市  410076; 2.东北电力设计院 长春市  130021)
    摘要：环氧树脂混凝土是一种新型的桥面铺装复合材料,具有优良的路用性能和广泛的应用前景。由于环氧树脂与固化剂发生的反应不可逆,使其施工工艺有别于其他混凝土。着重研究了环氧树脂混凝土的路用性能、胶粘剂的储存,以及混合料的拌和、摊铺、碾压等施工工艺。
    关键词：环氧树脂胶粘剂;环氧树脂混凝土;路用性能;施工工艺
    大跨径钢桥因其板薄、建筑高度小、恒载小等优良特性而受到广泛的青睐,但它在荷载、风载、温度变化以及地震等因素的作用下,受力和变形特性非常复杂,给钢桥面铺装技术提出了严峻的要求,此问题一直是国内外研究的热点和难点。目前,解决该问题的方法主要是研究钢桥面铺装的材料,大致可分为5类:(1)普通沥青混凝土;(2)高温拌和浇注式沥青混凝土;(3)沥青马蹄脂混凝土;(4)环氧树脂沥青混凝土;(5)剪力键加水泥混凝土。其中,以环氧沥青混凝土的路用性能最好,寿命最长。但其施工工艺复杂且造价最高,在国内难于被普遍采用。那么在现有的国民经济条件下,如何开发或研制一种物美价廉的钢桥面铺装材料显得十分重要。
    世界各国钢桥面铺装的厚度最小为5 cm,一般在10 cm左右,能否有一种满足使用要求而厚度更薄的钢桥面铺装,以降低桥梁恒载、减小桥梁建筑高度亦降低造价呢?答案是肯定的。长沙理工大学钢桥铺装课题组最近提出了一种厚度仅2 cm的环氧树脂混凝土(简称ERC)新型钢桥面结构,并对这种结构及其所用材料和施工工艺进行了大量研究。本文着重介绍ERC的路用性能及施工工艺。用环氧树脂胶粘剂(DRELA)代替或部分代替水泥,掺入适量固化剂、增塑剂、稀释剂及填料作为粘结剂,以砂、石作为骨料,经混合成型、固化后得到的混合物称环氧树脂混凝土(ERC),具有比普通混凝土优异得多的力学、物理特性,如高强度、良好的高低温性能、耐久性、抗裂性和抗老化等等,且经济适用,具有广阔的应用前景和推广价值。
    1 ·环氧树脂混凝土路用性能试验研究
    1.1 强度试验
    在行车荷载的作用下,路面需要有足够的强度来抵抗其产生的变形。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)所测得的ERC圆柱体抗压强度为45.91 MPa,而相同条件下沥青混凝土仅为1.93 MPa、水泥混凝土为23.09 MPa。可见ERC的抗压强度远大于沥青混凝土,接近水泥混凝土强度的2倍。进而,按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)要求来测定ERC棱柱体抗压弹性模量,测得环氧树脂混凝土的抗压强度为42.0 MPa、弹性模量为17.75 GPa,而水泥混凝土分别为42.91 MPa、36.1 GPa。这表明在相同的抗压强度情况下,ERC的弹性模量要小于水泥混凝土,仅是其1/2大小。由此可知,在相同荷载作用下ERC产生的变形要大于水泥混凝土,即其韧性要优于水泥混凝土。可见,ERC比水泥混凝土更能抵抗由于桥面变形而产生的开裂,更适合做钢桥面的铺装材料。
    1.2 高温车辙试验
    钢桥面在高温季节时内部温度大约为60℃~70℃,有必要对ERC进行温度分别为60℃和70℃的车辙试验来评价其高温稳定性。ERC的车辙试验应依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)要求进行,试件采用固化成型后的试件,并与其他几种材料进行了比较,其结果见表1。
                
    由表1可知:ERC的动稳定度远大于SMA与浇注式沥青混凝土,甚至高于环氧沥青混凝土,从而在高温下的累积变形比其他类型的混凝土都要小,表明环氧树脂混凝土具有优良的高温稳定性,比其他混凝土更适用于重交通道路路面或更宜于作为钢桥面的铺装。
    1.3 低温弯曲试验
    低温弯曲试验可用来评价混合料的抗弯拉强度特性和弹性特性,试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)的要求进行:采用由轮碾成型的车辙试件切制成长为(250±20)mm、宽为(30±2.0)mm、高为(35±2.0)mm的棱柱体小梁试件;跨径为(200±0.5)mm,跨中加载,加载速率为50 mm/min。普通沥青混凝土和ERC分别在15℃和-10℃时的弯曲试验结果见表2。
               
    由表2可知:ERC的抗弯拉强度最大,低温时ERC弯曲变形能力与水泥混凝土较为接近。随着温度下降,ERC变形减小的速率比普通沥青混凝土慢,弯曲变形能力也不及后者。ERC的弯曲劲度模量介于普通沥青混凝土和水泥混凝土之间,常温(15℃)时仅为水泥混凝土的33%,这表明ERC的抗弯拉强度和弯曲变形能力比水泥混凝土都有较大的提高。
    1.4 温缩实验
    受四季交替和昼夜温差的影响,各种混凝土桥面铺装材料都会产生热胀冷缩,一旦这种变形受到约束,不能自由伸缩,铺装层内将产生巨大的温度应力,因此有必要对其温缩特性进行研究。试验采用7 cm×7 cm×48 cm的棱柱体试件,在低温环境箱中进行。通过试验发现:随着温度的降低,ERC的温缩系数逐步增大,当温度降低到一定程度时,该系数趋于稳定并有所下降。在-10℃~30℃温度范围内,ERC的温缩系数平均值是0.673×10-5/℃,约为相同情况下沥青混凝土(1.221×10-5/℃)的55%,水泥混凝土(0.375×10-5/℃)的1.79倍。这进一步说明了其韧性优于水泥混凝土,故ERC做路面表面层时不需切缝。但其与钢材的温缩系数(大约为1.1×10-5/℃~1.4×10-5/℃)相比仍有一定的差距,要减小此差距,可以通过对ERC增韧的方式来继续改善其温缩性能。这项研究目前仍在进行之中。
    2· 环氧树脂混凝土的施工工艺研究
    2.1 原材料
    (1)粗、细集料均应洁净、干燥、无风化、无杂质,且质量均应符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。
    (2)填料宜采用憎水性石料,经磨细得到干燥、洁净的矿粉。建议采用石灰岩矿粉,但其用量不宜超过总量的2%。
    2.2 环氧树脂胶粘剂(DLERA)
    (1)胶粘剂储存。环氧树脂胶粘剂是由环氧树脂、固化剂等多种组分构成,因环氧树脂与固化剂发生的化学反应不可逆,故不能按照常规的储存方式将其各种成分存放在一起。为了施工的方便,可将胶粘剂分成A、B两个组分,A组分为单纯的环氧树脂,B组分为固化剂和其他组分的混合物。化学物质一般有易氧化、吸湿、挥发的特性,所以暴露在空气中就会被氧化或因成分挥发而变质,故A、B组分一定要密封存放,保持干燥。检测结果显示,由于构成B组分的几种成分的密度不同,经长期放置会出现分层现象,但该混合物有着较好的化学稳定性,密封放置时隔1年后的强度与新配时相比基本没有变化,且并不影响其力学性能。研究表明,A、B两组分可长期贮存,使用时将其搅拌均匀即可。
    (2)胶粘剂的拌和顺序。先将B组分倒入事先备好的容器中进行搅拌,然后再加入与之相匹配的A组分拌和。
    (3)初凝时间的确定。胶粘剂的初凝时间是指固化剂在反应过程中的初凝时间,是以混凝土粘性开始明显下降为依据的。粘性降低,混凝土和易性即降低,造成压实困难。初凝时间与温度密切相关,随温度升高而变短,若在高温下初凝时间过短,则无法进行施工;在低温下初凝时间太长,很难形成强度,也不利于使用。所以,初凝时间是衡量胶粘剂的重要指标,它直接影响到施工的进程。本文确定了自行研发的胶粘剂在以下几种不同温度下的初凝时间,其结果见表3。
                 
    2.3 拌和控制
    可采用常规的水泥混凝土搅拌机对ERC进行冷拌,胶粘剂和石料都无需加热,这点有别于沥青混凝土的高温拌和。其操作步骤如下:先将预先备好的一定量的集料倒入水泥混凝土搅拌机进行干拌,待拌和均匀后,再加入胶粘剂进行拌和。从直道铺装试验来看:拌和工艺操作简单易行,在室温25℃左右下,采用70 L水泥混凝土搅拌机,在集料干拌20 s后,加入胶粘剂再搅拌50 s,即可拌和均匀。且拌和时间的长短主要取决于拌和时的温度,而受每次入料量的影响较少。
    ERC的可供拌和时间(即:A、B组分混合后,到存放、再到拌和及到不易再拌和的时间)是根据胶粘剂的粘度来确定的。胶粘剂的粘度会随时间的增长而逐渐增大,且不同温度下粘度随时间增长的速率不同,温度越高,增长越快,随之混凝土的和易性下降也快,造成压实困难甚至无法进行施工;反之,温度过低,粘度增长十分缓慢,虽能为后续工作提供充裕的时间,但不利于混凝土形成初步强度,同样路面也很难达到压实要求。由此可见,确定不同温度下ERC适宜的拌和时间是必须认真研究的。本文针对南方地区一般工程施工时的气候特点,通过试验得出了以下几种温度下A、B组分混合成ERC后允许存放及拌和的最长时间(或称可供拌和时间),如表4所示。
    由表4可知,温度越高,可供拌和时间就越短。当温度达到50℃时,可供拌和时间为20 min,即在配胶后20 min内要完成拌和工艺。而此温度下的初凝时间只有30 min,说明为运输、摊铺、碾压工作提供的时间仅10 min,故很难保证施工的顺利进行。因此,可以大致确定拌和此种混凝土的拌和温度适宜范围在20℃~40℃之间。
                   
    2.4 摊铺、碾压控制
    新拌环氧树脂混凝土的粘度并没有新拌沥青混凝土的粘度大,由于采用冷拌法,其粘度也不会像沥青混凝土的粘度那样随温度降低而增长很快。在初凝时间以前,环氧树脂混凝土并不会粘附其他物体,且施工和易性良好,故其摊铺设备可以选用沥青混凝土摊铺机来进行。为防止沾粘摊铺设备,可在设备表面事先涂抹机油,其他具体操作要求可以参照《公路沥青施工技术规范》(JTG F40-2004)。
    环氧树脂混凝土的成型方法同沥青混凝土一样,也需压路机碾压成型。结合直道钢桥铺装足尺试验,总结出了适合于环氧树脂混凝土的压实工艺。试验压实机械采用振动压路机,遵循“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则,其碾压工序可分3步。第一步,初压。即在摊铺过后马上用压路机进行碾压,采用静压法使混凝土基本成型,碾压遍数为2~3次。因为在初凝时间以前,胶粘剂的粘度小,石料之间的粘附性低,不容易粘附在一起,此时混凝土易被碾压成型。
    第二步,复压。应紧跟在初压后开始,且不得随意停顿,采用振动法,碾压遍数为3~4次。第三步,终压。指在胶粘剂的初凝时间过后再进行碾压,采用静压法,碾压遍数为3~6次。因为终压是在胶粘剂初凝时间过后,胶粘剂本身已失去流动性,所以混凝土的粘度已经很大,石料之间有很强的粘附性,此时再进行压实就会达到很好的压实效果。压路机钢轮可在碾压前用水打湿,防止粘轮。但在碾压过程中不能喷水,因为水会使胶粘剂的粘附性大大降低,影响石料间的粘结。
    施工完毕后,施工机械一定要及时清洗,必须在胶粘剂固化前将其清除,否则固化后形成强度就很难清洗。在清洗过程中,可以采用20%的草酸溶液,有助于环氧树脂胶的溶解。对没及时清洗已经固化的,可采用加热到120℃使胶粘剂变脆后再除去的方法。
    2.5 开放交通时间的确定
    与普通沥青混凝土路面不同,刚成型的ERC路面不能立即开放交通。ERC路面摊铺、碾压工作完毕后,待其固化成型并使粘结层与混凝土的界面之间具有一定的抗剪强度需要一段时间,称为固化时间。它随环境温度而变化,而开放交通时间又主要取决于ERC抗剪强度大小,因此开放交通时间与环境温度密切相关。本文以沥青混凝土路面在交通开放时面层与基层之间所需抗剪强度的大小(一般为0.8 MPa左右)为参考标准,并结合室内试验已测得的数据,确定了3种不同温度下此种ERC的开放交通时间,即25℃时为4 d、35℃时为3 d、45℃时为2 d。
    2.6 经济效益分析
    将超薄层ERC应用于钢桥面铺装是一种首创的铺装方案,此次ERC钢桥面直道铺装足尺试验的铺装结构为钢桥面板+1.0~1.4 mm DLERA粘结层+2 cm ERC,然后估算其造价,并与国内现有两种典型钢桥面铺装结构的工程造价进行对比。各钢桥面铺装所用材料见表5,各结构如图1所示。
 
                
    为了比较方便,仅考虑粘结层及其以上结构的工程造价,桥面钢板喷砂除锈费用除外,石料统一按玄武岩计算,结果见表6。
                
    超薄层ERC铺装的综合造价是根据海八桥并结合了室内试验推算出来的,比海八桥两层SMA-13(3.5 cm)要少一层铺装工序。从表6可以得知:南京二桥造价最高,从铺装层材料造价方面看,超薄层ERC铺装造价与海八桥相差无几,仅是南京二桥的21%;从综合造价看,超薄层ERC仅是南京二桥的25%。可见,超薄层ERC在经济上有较大的优势,具有良好的经济效益。
    3 结语
    (1)ERC是一种强度高、路用性能好的材料,可作为桥面的铺装层或路面表面层。
    (2)因环氧树脂与固化剂发生的反应不可逆,且反应与温度、时间密切相关,故ERC的施工工艺比其他沥青混凝土显得更为复杂,本文就此提出了胶粘剂的储存方式、拌和顺序、初凝时间以及混凝土拌和、摊铺、碾压等方面的施工工艺。
    (3)ERC路面开放交通时间依赖于环境温度,因其固化成型形成强度需要一定时间,且温度不同固化时间也不同,随之开放交通时间也不同,这一点有别于热拌沥青混凝土路面。
    (4)通过经济效益分析可知,用超薄层ERC作为钢桥面铺装材料,其造价远低于环氧沥青混凝土,与SMA铺装方案造价相当,且路用性能要比沥青混凝土优越,可见该材料作为钢桥面铺装材料是可行的,将会产生巨大的经济效益。
    参考文献:
[1]  JTG E30-2005,公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].
[2]  JTJ 052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].
[3] 马,罗乙.网状聚丙烯纤维在超薄水泥混凝土路面中的应用[J].公路,2004,(5).
[4] 李星星.耐高温环氧树脂胶粘剂的应用研究及环氧树脂混凝土研究[D].长沙理工大学硕士论文, 2007.
[5]  JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].