高性能瀝青混凝土機場道面結(jié)構(gòu)

錢振東 孟凡奇 曾 靖

(東南大學(xué)智能運輸系統(tǒng)研究中心,南京 210096)

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高性能瀝青混凝土機場道面結(jié)構(gòu)

錢振東 孟凡奇 曾 靖

(東南大學(xué)智能運輸系統(tǒng)研究中心,南京 210096)

為增強機場瀝青道面的抗輪轍性能,提出了一種基于新型環(huán)氧瀝青混凝土的高性能機場道面結(jié)構(gòu).將新型環(huán)氧瀝青混凝土EAC20作為機場道面的中面層,SMA13型瀝青混凝土作為上面層,AC20型瀝青混凝土作為下面層,由此構(gòu)成SEA機場道面結(jié)構(gòu).分析了新一代大型客機A380荷載作用下SEA機場道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),針對機場道面各層瀝青混凝土進(jìn)行永久變形試驗,并采用多元線性回歸得到各層材料的蠕變參數(shù),以模擬SEA機場道面結(jié)構(gòu)的永久變形.研究結(jié)果表明,將新型環(huán)氧瀝青混凝土作為中面層應(yīng)用于機場道面,可以減小機場道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變,瀝青面層底部最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別約為傳統(tǒng)機場瀝青道面結(jié)構(gòu)的68%和72%.在1×105次荷載作用下,SEA機場道面結(jié)構(gòu)的永久變形僅為6 mm,約為傳統(tǒng)SAA機場瀝青道面結(jié)構(gòu)的42.9%.

機場道面;環(huán)氧瀝青混凝土;配合比設(shè)計;力學(xué)響應(yīng);永久變形

機場道面是最主要的機場基礎(chǔ)設(shè)施之一,世界各國的機場道面結(jié)構(gòu)主要可分為水泥混凝土道面和瀝青混凝土道面2種類型.相對于水泥混凝土道面,瀝青混凝土道面具有平整、舒適、抗滑、減震等優(yōu)點,并且其機械化施工程度高,養(yǎng)護(hù)方便,故已被應(yīng)用于國際上很多大型民用機場中[1-2].中國機場道面主要采用水泥混凝土道面結(jié)構(gòu),使用瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)的機場數(shù)量僅占機場總數(shù)的10%左右[3].傳統(tǒng)機場道面瀝青面層多采用一定級配的瀝青混凝土.在夏季持續(xù)高溫和飛機荷載的作用下,瀝青混凝土機場道面容易產(chǎn)生輪轍等病害.

環(huán)氧瀝青混凝土由環(huán)氧瀝青結(jié)合料和集料拌和而成,具有良好的耐腐蝕性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗疲勞特性[4].美國最早將環(huán)氧瀝青混凝土應(yīng)用于機場道面,之后逐漸將其應(yīng)用于鋼橋橋面鋪裝中.國內(nèi)將環(huán)氧瀝青混凝土應(yīng)用于機場道面結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究鮮有報道.新型環(huán)氧瀝青為液態(tài)雙環(huán)氧樹脂、固化劑與基質(zhì)瀝青在一定條件下經(jīng)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)而生成的聚合物,其主要性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)成本有別于鋼橋面用環(huán)氧瀝青,適用于道路及水泥混凝土橋面鋪裝工程.本文使用新型環(huán)氧瀝青混凝土替換傳統(tǒng)機場道面中面層的普通瀝青混凝土,以增強傳統(tǒng)機場瀝青道面結(jié)構(gòu)的高溫抗輪轍能力,研究在新一代大型飛機荷載作用下機場道面的力學(xué)響應(yīng)以及永久變形發(fā)展規(guī)律.

1 SEA機場道面結(jié)構(gòu)

1.1 機場道面結(jié)構(gòu)擬定

將SMA13型瀝青混凝土作為機場道面的上面層,可保證機場道面具有良好的耐磨性和易修復(fù)性.傳統(tǒng)機場建設(shè)工程中,一般采用AC20型瀝青混凝土作為機場道面的中面層和下面層,從而構(gòu)成SAA機場道面結(jié)構(gòu).機場使用狀況調(diào)研結(jié)果[5]顯示,輪轍是當(dāng)前急需解決的瀝青道面病害.研究表明,車轍主要發(fā)生在路面結(jié)構(gòu)的中面層,中面層材料對瀝青路面抗車轍能力有較大影響,其變形占車轍總量的42%～60%[6-10].環(huán)氧瀝青材料具有抗車轍、耐疲勞和抗水損等優(yōu)點,故而考慮將新型環(huán)氧瀝青混凝土EAC20作為機場道面的中面層,取代傳統(tǒng)SAA機場道面結(jié)構(gòu)中的AC20型瀝青混凝土,以增強道面的抗輪轍性能,由此便可構(gòu)成SEA機場道面結(jié)構(gòu)(見圖1).

圖1 SEA機場道面結(jié)構(gòu)(單位:cm)

1.2 瀝青混凝土級配設(shè)計

將適用于道路的5210型國產(chǎn)環(huán)氧瀝青作為瀝青結(jié)合料.5210型國產(chǎn)環(huán)氧瀝青結(jié)合料由A，B組分按照質(zhì)量比1∶2.8配合而成,其主要技術(shù)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)成本有別于鋼橋面用環(huán)氧瀝青(見表1).集料選用石灰?guī)r,礦粉選用石灰石礦粉.集料和礦粉的各項試驗指標(biāo)均滿足《民用機場瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范》(MH5011—1999)[11]的要求.

表1 道路用環(huán)氧瀝青結(jié)合料技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)已有道路工程經(jīng)驗[12],環(huán)氧瀝青混合料EAC20級配組成如表2所示.根據(jù)《民用機場瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范》(MH5011—1999)中的機場瀝青混合料配合比設(shè)計方法,確定SMA13,AC20C,AC20F型瀝青混合料的級配組成(見表2).然后,按照馬歇爾試驗方法,確定EAC20,SMA13,AC20C,AC20F型瀝青混合料的最佳油石比分別為5.4%,6.3%,4.3%,4.4%.

表2 EAC20,SMA13,AC20C,AC20F的級配 %

2 數(shù)值計算模型

為構(gòu)建機場道面結(jié)構(gòu)受力分析的數(shù)值計算模型,選用大型客機A380為計算飛機機型,飛機最大起飛質(zhì)量為5 488 kN,主起落架荷載分配系數(shù)為0.95,主起落架單輪荷載為260.95 kN,飛機輪胎胎壓為1.50 MPa,輪印簡化為矩形荷載圖式[13],輪印面積為0.177 m2,方形輪印長度為50.3 cm,方形輪印寬度為34.6 cm,有限元模型尺寸為30 m×20 m×10 m.其荷載簡化圖見圖2,圖中,X表示垂直飛機滑行方向,Z表示飛機滑行方向.假設(shè)機場道面結(jié)構(gòu)各層材料均為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性材料,層間接觸為完全接觸,接觸面上各向位移和應(yīng)力完全連續(xù).SEA機場道面各結(jié)構(gòu)層厚度以及材料的物理力學(xué)參數(shù)見表3[14-15].傳統(tǒng)SAA機場道面的中面層抗壓回彈模量為752 MPa,泊松比為0.3,厚度為6.5 cm,密度為2 400 kg/m3,其余各層材料參數(shù)均與SEA機場道面相同.

圖2 A380荷載簡化圖 (單位:cm)

層位材料類型抗壓回彈模量/MPa泊松比厚度/cm密度/(kg·m-3)上面層SMA136200．35．02400中面層EAC2012500．36．52400下面層AC20F7170．36．52400上基層ATB2510000．310．02300中基層CTB15000．220．02200底基層CTB15000．220．02200土基SG400．41800

3 力學(xué)響應(yīng)分析

采用第2節(jié)所建立的數(shù)值計算模型,計算在大型客機A380靜態(tài)荷載作用下,SEA機場道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),并與傳統(tǒng)SAA機場道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析.2種機場道面結(jié)構(gòu)的表面彎沉、面層底部水平應(yīng)變以及底基層底部水平應(yīng)變?nèi)鐖D3所示.

(a) 機場道面表面彎沉

(b) 面層底部橫向應(yīng)變

(c) 面層底部縱向應(yīng)變

(d) 底基層底部橫向應(yīng)變

(e) 底基層底部縱向應(yīng)變

由圖3可知,2種道面結(jié)構(gòu)在A380靜態(tài)荷載作用下,SEA和SAA機場道面結(jié)構(gòu)表面彎沉值的變化規(guī)律基本一致,彎沉值相差不大.但2種道面結(jié)構(gòu)的面層底部應(yīng)變有較大差異,SEA機場道面結(jié)構(gòu)面層底部的最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別約為SAA機場道面結(jié)構(gòu)的68%和72%.對于機場道面底基層底部水平應(yīng)變,2種道面結(jié)構(gòu)變化趨勢一致,應(yīng)變相差不大.這說明SEA機場道面結(jié)構(gòu)能夠減小機場道面結(jié)構(gòu)面層底部的水平應(yīng)變,其表面彎沉值以及底基層底部水平應(yīng)變則變化不大,將環(huán)氧瀝青混凝土作為中面層應(yīng)用于機場道面可改善結(jié)構(gòu)層的受力.

4 永久變形

在SEA機場道面瀝青混合料三軸重復(fù)加載永久變形試驗的基礎(chǔ)上,采用多元線性回歸獲得機場道面各層瀝青混合料的蠕變參數(shù),建立SEA機場道面有限元模型,數(shù)值模擬在客機A380荷載作用下機場道面永久變形的發(fā)展規(guī)律.

4.1 蠕變模型

在ABAQUS有限元軟件中,常采用時間硬化蠕變模型和應(yīng)變硬化蠕變模型來描述各向同性材料的蠕變特性.研究表明,時間硬化蠕變模型適于描述瀝青混合料初始階段和第2階段的蠕變行為,可以較好地模擬瀝青混合料在荷載作用下的蠕變特性[16-17].因此,本文采用時間硬化蠕變模型,其表達(dá)式為

εcr=C1qC2tC3

(1)

式中,q為應(yīng)力;t為時間;C1,C2,C3為依賴于溫度的模型參數(shù).

若假定q不隨時間變化,則

(2)

令A(yù)=C1C3,n=C2,m=C3-1為反映材料性質(zhì)的蠕變參數(shù),則

(3)

4.2 三軸重復(fù)加載永久變形試驗

采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀制備直徑為150 mm、高度不低于165 mm的圓柱體試件,并鉆心取樣成直徑為100 mm、高度為150 mm的圓柱體芯樣.采用簡單性能試驗儀(SPT)對芯樣進(jìn)行三軸重復(fù)加載永久變形試驗,試驗溫度為30 ℃.考慮到客機A380的胎壓可達(dá)到1.5 MPa,故確定圍壓水平為207 kPa,初始接觸壓力為50 kPa,偏應(yīng)力水平p=1.3,1.4,1.5 MPa.試驗采用正弦曲線進(jìn)行加載,加載時間為0.1 s,間歇時間為0.9 s.試驗結(jié)果見圖4.然后,采用DataFit處理軟件對結(jié)果進(jìn)行非線性回歸處理,得到瀝青混合料蠕變參數(shù)，結(jié)果見表4.

(b) EAC20

(c) AC20F

(d) AC20C

瀝青混合料類型A/10-9nmSMA1344．600．707-0．346EAC200．01841．202-0．683AC20F5．110．865-0．445AC20C3．570．863-0．426

4.3 數(shù)值仿真

采用第2節(jié)建立的三維有限元計算模型和材料參數(shù)以及4.2節(jié)中瀝青混合料的蠕變參數(shù),對SEA機場道面結(jié)構(gòu)永久變形進(jìn)行數(shù)值模擬.在模型中施加持續(xù)恒定荷載,以模擬荷載的重復(fù)作用[18].假設(shè)飛機滑行速度為100 km/h,單點一次加載作用時間為0.018 10 s.為反映機場道面變形與荷載作用次數(shù)的關(guān)系,假定荷載累計作用次數(shù)為1×105次,結(jié)果見圖5.

圖5 永久變形-時間關(guān)系曲線

由圖10可知,隨荷載作用時間的增加,道面結(jié)構(gòu)的永久變形逐漸增大,經(jīng)過1×105次荷載作用后,SAA結(jié)構(gòu)永久變形達(dá)到14 mm,SEA機場道面結(jié)構(gòu)的永久變形僅為6 mm,約為AC結(jié)構(gòu)的42.9%.此外,經(jīng)過1×105次荷載作用后,SAA結(jié)構(gòu)永久變形上升趨勢明顯,而SEA機場道面結(jié)構(gòu)上升趨勢相對平緩.由此說明,將環(huán)氧瀝青混凝土作為中面層應(yīng)用于機場道面,可以有效提高機場瀝青道面的抗輪轍能力.

5 結(jié)論

1) 提出了一種基于新型環(huán)氧瀝青混凝土的高性能SEA機場道面結(jié)構(gòu)型式,其中上面層為SMA13型瀝青混合料,中面層為EAC20型環(huán)氧瀝青混凝土,下面層AC20型為瀝青混合料.

2) 相對于傳統(tǒng)SAA機場道面結(jié)構(gòu),SEA機場道面能夠減小面層底部的水平應(yīng)變.SEA機場道面結(jié)構(gòu)面層底部的最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別約為SAA機場道面結(jié)構(gòu)的68%和72%.

3) 通過瀝青混合料三軸重復(fù)加載永久變形試驗,得到SEA機場道面各層瀝青混合料的蠕變參數(shù).

4) SEA機場道面結(jié)構(gòu)具有良好的抗車轍能力.在1×105次荷載作用下,SEA機場道面結(jié)構(gòu)永久變形僅為6 mm,約為傳統(tǒng)SAA機場道面結(jié)構(gòu)的42.9%.

References)

[1]劉文,凌建明,趙鴻鐸.民用機場瀝青混凝土道面設(shè)計方法綜述[J].中國民航學(xué)院學(xué)報,2006,24(4):43-47,64. Liu Wen, Ling Jianming, Zhao Hongduo. Review and analysis of design methods for asphalt concrete airport pavement[J].JournalofCivilAviationUniversityofChina, 2006, 24(4): 43-47, 64. (in Chinese)

[2]Huang Weiye, Shi Baohua, Huang Bibin, et al. Performance and evaluation index for asphalt pavement of airfield runway on highway[J].AdvancedMaterialsResearch, 2013, 779-780: 840-843.

[3]馬翔,倪富健,顧興宇.復(fù)合式機場道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[J].交通運輸工程學(xué)報,2010,10(2):36-40. Ma Xiang, Ni Fujian, Gu Xingyu. Structure design method of composition airfield pavement[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering, 2010, 10(2): 36-40. (in Chinese)

[4]王建偉, 沈家林, 錢振東. 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料施工控制[J]. 東南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版,2009,39(6):1226-1230. Wang Jianwei, Shen Jialin, Qian Zhendong. Construction controlling research of domestic epoxy asphalt mixture[J].JournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEdition, 2009, 39(6): 1226-1230. (in Chinese)

[5]劉文. 機場瀝青道面設(shè)計指標(biāo)及方法研究[D]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院, 2008.

[6]Xu Tao, Huang Xiaoming. Investigation into causes of in-place rutting in asphalt pavement[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2012, 28(1): 525-530.

[7]胡萌, 張久鵬, 黃曉明. 半剛性基層瀝青路面車轍特性分析[J]. 公路交通科技,2011,28(6):14-18,46. Hu Meng, Zhang Jiupeng, Huang Xiaoming. Analysis of rutting characteristics of semi-rigid base asphalt pavement[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2011, 28(6): 14-18, 46. (in Chinese)

[8]王輝, 李雪連, 張起森. 高溫重載作用下瀝青路面車轍研究[J]. 土木工程學(xué)報,2009,42(5):139-144. Wang Hui, Li Xuelian, Zhang Qisen. Rutting in asphalt pavement under heavy load and high temperature[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2009, 42(5): 139-144. (in Chinese)

[9]Wang Hui, Zhang Qisen, Tan Jiqing. Investigation of layer contributions to asphalt pavement rutting[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering, 2009, 21(4): 181-185.

[10]Li Qiang, Ni Fujian, Gao Lei, et al. Evaluating the rutting resistance of asphalt mixtures using an advanced repeated load permanent deformation test under field conditions[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2014, 61: 241-251.

[11]中國民航中南機場設(shè)計研究院.MH5011—1999民用機場瀝青混凝土道面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京: 中國民用航空總局, 2000.

[12]朱義銘. 國產(chǎn)環(huán)氧瀝青混合料性能研究[D]. 南京: 東南大學(xué)交通學(xué)院, 2006.

[13]王顯煒. 新一代大型飛機作用下剛性道面荷載應(yīng)力研究與應(yīng)用[D]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院, 2007.

[14]李展. 基于環(huán)氧瀝青材料的半剛性路面結(jié)構(gòu)研究與實踐[D]. 南京:東南大學(xué)交通學(xué)院,2012.

[15]郭乃勝, 趙穎華, 譚憶秋, 等. 考慮孔隙水壓力不利影響的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合分析[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報,2011,37(2):131-135. Guo Naisheng, Zhao Yinghua, Tan Yiqiu, et al. Asphalt pavement structure combination considering adverse effect of pore pressure[J].JournalofDalianMaritimeUniversity, 2011, 37(2): 131-135. (in Chinese)

[16]Hua Jianfeng. Finite element modeling and analysis of accelerated pavement testing devices and rutting phenomenon[D]. West Lafayette, Indiana, USA: Purdue University, 2000.

[17]White Thomas D, Jeff Hua, Khaled Galal. Analysis of accelerated pavement tests[EB/OL].(2003)[2014-10-18]. http://rebar.ecn.purdue.edu/APT/pdf/CS08-07.pdf.

[18]李輝, 黃曉明, 張久鵬, 等. 基于連續(xù)變溫的瀝青路面車轍模擬分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2007,37(5):915-920. Li Hui, Huang Xiaoming, Zhang Jiupeng, et al. Simulation analysis on rutting of asphalt pavements considering consecutive temperature variation[J].JournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEdition, 2007, 37(5): 915-920. (in Chinese)

Airfield pavement with high performance asphalt concrete

Qian Zhendong Meng Fanqi Zeng Jing

(Intelligent Transportation System Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To improve the anti-rutting performance of airfield pavement, a high performance airfield pavement based on a new type of epoxy asphalt concrete was proposed. With the new type of epoxy asphalt concrete EAC20 as the middle surface course, SMA13 asphalt concrete as the first surface course, and AC20 asphalt concrete as the base surface course, the SEA airfield pavement was built up. The mechanical responses of the SEA airfield pavement under the static loads of the aircraft A380 were analyzed. The permanent deformation tests of the asphalt concrete in different airfield pavement layers were carried out. The creep parameters of the asphalt concrete in each layer were obtained by using the multiple linear regression method to simulate the permanent deformation of the SEA airfield pavement. The results demonstrate that taking the new type of epoxy asphalt concrete as the middle surface course can reduce the strain of the airfield pavement. The maximum tensile strain and the maximum compressive strain on the bottom of the asphalt surface course are respectively about 68% and 72% those of the traditional airfield pavement. Under 1×105loads, the permanent deformation of the SEA airfield pavement is only 6 mm, which is about 42.9% that of the traditional SAA airfield pavement.

airfield pavement; epoxy asphalt concrete; mix design; mechanical response; permanent deformation

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.028

2014-12-10. 作者簡介: 錢振東(1969—)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，qianzd@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51178114，51378122).

錢振東,孟凡奇,曾靖.高性能瀝青混凝土機場道面結(jié)構(gòu)[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2015,45(3):575-580.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.028

U416.217

A

1001-0505(2015)03-0575-06