機場道面抗冰雪瀝青混合料研究

劉 鵬 李連成

(黑龍江省機場管理集團有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

民用航空作為一種高科技、高風險行業，保障安全對于民用航空發展和生存十分重要。在受降雪影響的地區，由于機場道面直接暴露在自然環境中，冰雪天氣成為影響航班的重要氣象條件之一。機場道面上積攢的冰、雪無論是對航班的運行和安全，或是對道面結構都有負面的影響[1,2]。一旦有降雪天氣造成機場延誤事件的發生，無論對社會效益或經濟效益都會造成嚴重的損失。基于此，研究用于機場道面的除冰雪性能優良的瀝青混合料，對保障機場的運營與安全十分必要[3]。

1 瀝青混合料設計

采用馬歇爾設計方法，進行抗冰雪瀝青混合料的配合比設計，所選擇的原材料為：玄武巖集料、石灰巖礦粉、SBS改性瀝青、纖維穩定劑、抗車轍劑和緩釋型融冰雪劑。對原材料分別進行篩分試驗以及相關性能測試，性能指標均滿足我國JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范的要求。

確定級配類型:

根據MH/T 5010—2017民用機場瀝青道面設計規范(以下簡稱《規范》)，可用于瀝青道面上面層的混合料類型為SMA和AC，如表1所示。

表1 瀝青道面各層適宜的瀝青混合料類型和規格

SMA是骨架密實型結構，在結構特點上與AC的區別是:4.75 mm以上的粗集料含量更高，粗集料間相互接觸、嵌擠，可形成堅強的骨架結構，因此在路用性能上又表現為耐久性高，抗疲勞好，內摩阻力大，從而具有更高的高溫穩定性，抗高溫車轍性好。由于本課題研究的是機場道面抗冰雪瀝青混合料，應考慮混合料的低溫抗裂性。SMA密實度大，礦粉含量高，瀝青含量高，易形成結構瀝青，瀝青與集料的粘結性更好，具有不錯的低溫抗裂性和水穩定性。

AC類瀝青混合料為懸浮密實型結構，此結構特點是粗集料含量少，細集料含量高，因此混合料中無法形成骨架結構，粗集料間無法相互支撐，導致其抗車轍變形能力差。細集料用量高也使得路表構造深度小，抗滑性能差、降噪性差。空隙率很小使其幾乎不透水，水穩定性較好[4]。

為了更好的說明問題，現將SMA與AC類結構性能特點列于表2。

表2 不同瀝青混合料結構類型的比較

此外，由于SMA是間斷級配，在路表面形成的孔隙較大，同時構造深度也很大，因此具有很好的抗滑抗磨性能。同時，在有雨雪的天氣，雨水存在于構造深度中，降低夜間機場道面的反光，使跑道指示燈更突出，提高飛機進近、著陸的安全性。

綜合考慮各項性能對比,以及在SMA瀝青混合料實際施工中，多選用SMA-13。因此將SMA-13作為本研究的級配類型。

基于此，在進行馬歇爾試驗后，完成了抗冰雪瀝青混合料的配合比設計以及最佳瀝青用量的確定。

2 混合料路用性能研究

2.1 不同纖維類型對混合料路用性能的影響

對所設計的SMA-13抗冰雪混合料，分別摻加0.3%摻量的聚酯纖維和0.3%摻量的木質素纖維，在最佳油石比的條件下成型試件，對混合料各項路用性能進行評估分析。

1)高溫穩定性。

未添加纖維的抗冰雪瀝青混合料不滿足《規范》中對于瀝青混合料最大動穩定度指標的技術要求，在混合料中添加了纖維穩定劑后，混合料的高溫穩定性有了顯著提升。由于纖維本身具有較強的吸附能力，增加了混合料中結構瀝青的比例，進而提高了瀝青混合料的高溫穩定性。另外纖維在瀝青混合料中起到明顯的橋接加筋作用，正是由于纖維空間網絡的形成，使得瀝青混合料內部應力較均勻的分散開，礦料間的相對滑移受到限制，進一步提高了瀝青混合料的高溫穩定性。纖維對混合料性能提升的作用效果取決于纖維的彈性模量、吸油率、耐熱性、分散性等等[5]。綜合以上各點，摻加聚酯纖維的混合料高溫性能最好，較差的是摻加木質素纖維的混合料，無纖維的混合料高溫性能最差(見圖1)。

2)低溫抗裂性。

未添加纖維的抗冰雪瀝青混合料不滿足《規范》中對于冬寒區改性瀝青混合料破壞應變指標的技術要求。而在混合料中添加了纖維穩定劑后，混合料的低溫性能有了一定的提升。這是因為纖維對混合料有一定的橋接和加筋作用，這有效的提高瀝青混合料的抗拉屈服強度并增加了瀝青混合料的韌性，提升了混合料的低溫變形能力。因此抗彎拉強度比不加纖維的抗彎拉強度高。對比摻入兩種纖維類型制成的混合料低溫性能可以發現，兩者的彎曲破壞應變相差不大，摻聚酯纖維的混合料低溫性能略高于摻木質素纖維的混合料(見圖2)。

3)水穩定性。

未添加纖維穩定劑的抗冰雪瀝青混合料殘留穩定度為87.6%，不滿足《規范》要求，殘留強度比為89.6%，滿足《規范》要求，因此需要關注不同纖維類型對混合料殘留穩定度的影響。從圖3中可以看出，兩種纖維的加入都使混合料的殘留穩定度有了顯著提升，均超過90%，滿足規范中對于改性瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩定度的最低要求。

綜上所述，未添加纖維穩定劑的抗冰雪瀝青混合料多項路用性能均不滿足規范要求，但摻入了纖維穩定劑后，路用性能均有顯著的提升。綜合各項路用性能表現，確定選用的纖維穩定劑為聚酯纖維。

2.2 抗車轍劑對混合料路用性能的影響

抗車轍劑是一種常見的瀝青混合料外摻劑，主要用于提高混合料的高溫抗車轍能力，以減小路面的永久變形量，延長路面的使用壽命[6]。通過向混合料中摻入不同含量的抗車轍劑，以探究抗車轍劑摻量對于混合料路用性能的影響規律，并得到最適宜的抗車轍劑摻量。

1)高溫穩定性。

在瀝青混合料中摻入抗車轍劑后，瀝青混合料的動穩定度有了顯著提高。抗車轍劑的含量超過0.2%后，即滿足《規范》對動穩定度的要求；隨著摻量增多，動穩定度也越來越高，但增長速率明顯放緩。由此可見，抗車轍劑對SMA-13抗冰雪瀝青混合料的高溫性能有顯著的改善作用。綜合考慮性能影響和成本，有利于混合料高溫性能的抗車轍劑摻量為0.2%～0.4%(見圖4)。

2)低溫抗裂性。

不含抗車轍劑的瀝青混合料的低溫性能已滿足《規范》要求，而在摻入抗車轍劑后，混合料的低溫性能隨著抗車轍劑摻量的增加，呈現出先增大后減小的現象。當混合料內抗車轍含量為0.4%以內時，混合料的低溫性能達到最高值，之后低溫性能逐漸下降。當含量達到0.6%時，混合料的低溫性能已比不加抗車轍劑時差。在拌合過程中，高溫環境使得抗車轍劑顆粒軟化，和SBS改性瀝青熔融后形成膠結作用，而正是這種膠結作用對SBS改性瀝青的結構組成產生了一定的影響，反而降低了SBS改性瀝青本身所具備的優良的結構性能，進而混合料的低溫性能有一定的衰減[7](見圖5)。

3)水穩定性。

不含抗車轍劑的瀝青混合料的水穩定性能已滿足《規范》要求，摻入抗車轍劑后，混合料的殘留穩定度與凍融劈裂強度比均呈現先增大后減小的趨勢，當混合料內抗車轍含量為0.4%左右時，混合料的水穩定性能達到最高值，之后低溫性能逐漸下降。當含量達到0.6%時，混合料的殘留強度比已比不加抗車轍劑時差；當含量達到0.8%時，混合料的凍融劈裂強度比已比不加抗車轍劑時差，且殘留強度比低于90%，已不滿足相關規范要求(見圖6)。

基于上述的各項路用性能試驗，結合實際工程經驗，確定抗車轍劑的最佳用量為0.4%。

3 混合料抗冰雪效果評價

前文的研究表明，抗冰雪瀝青混合料具有滿足要求的路用性能，而作為一種應用于機場道面的主動除冰雪路面，也應具備良好的除冰雪性能。因此，本部分通過抗滑試驗，評價混合料的抗滑性能，對混合料的除冰雪效果進行評價。

抗冰雪瀝青混合料的研究目的是期望路表的冰層能快速、高效的被除去，將路表的構造完整的暴露于外界環境中，使冰雪對路面摩擦力的影響降到最低。本節將使用擺式摩擦儀進行抗滑試驗，以此來評價在低溫凝冰狀態下混合料的抗滑性能(見圖7)。

隨著冰凍時間的延長，兩種瀝青混合料擺值都有一定的下降。其中，普通SMA-13瀝青混合料在冰凍4 h后，擺值下降為最初的50%左右，可見路面凝冰對路面抗滑性能有顯著影響，經分析認為，在冰凍2 h～4 h內，路表的水分完全形成冰膜附著在路面上，減小了表面構造深度，使輪胎與冰面直接接觸，路面的抗滑能力幾乎喪失，易產生安全事故。

而觀察摻入抗冰雪材料的瀝青混合料擺值變化曲線可以發現，隨著冰凍時間的延長，試件的擺值下降速率緩慢，在-5 ℃條件下冰凍8 h后，擺值只下降了約15%，這說明抗冰雪瀝青路面有延緩路面結冰的效果。與普通SMA-13瀝青混合料相比，冰凍8 h后，擺值提升了約76%，這表明抗冰雪瀝青路面可顯著提升道面的抗滑性能，提高飛機起降的安全性。

4 結語

1)不同類型的纖維類型對混合料路用性能的影響不同，這主要取決于纖維本身的技術性質，如抗拉強度，彈性模量，吸油率，分散性等等。本研究表明，對于SMA-13瀝青混合料，同等含量下聚酯纖維對混合料路用性能的提升作用較木質素纖維好。

2)隨著抗車轍劑摻量的增多，混合料的高溫性能有了顯著的提升，但低溫性能和水穩定性能則呈現先上升后下降的特點，確定了抗車轍劑的最佳用量為0.4%。

3)抗滑試驗表明，抗冰雪瀝青混合料有效延緩了路面的結冰速率。在低溫環境下，相較于普通瀝青路面，抗冰雪瀝青路面表面凝冰形成很慢，相同時間過去后抗冰雪瀝青路面的抗滑性下降很小，提升了道面的抗滑性能，具有較好的抗冰雪性能。