機(jī)場(chǎng)繞滑道工程高性能瀝青混合料研究與應(yīng)用

馮冰天

[1.上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市200433；2.上海綠色路面材料工程技術(shù)研究中心，上海市201901]

0 引言

我國(guó)民航事業(yè)的不斷發(fā)展給機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)帶來(lái)了越來(lái)越多新的挑戰(zhàn)。機(jī)場(chǎng)道面作為機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其使用性能的好壞直接影響到乘客是否能得到安全與舒適的體驗(yàn)[1]。

目前，我國(guó)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)主要可分為兩種類型。一種為水泥混凝土剛性道面，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，且在材料要求、工程造價(jià)、維護(hù)成本等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。另一種為瀝青混凝土柔性道面，具有表面平整、抗滑性強(qiáng)等特點(diǎn)，飛機(jī)運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)、舒適且噪聲低，表面使用性能良好，同時(shí)施工速度快、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，工期節(jié)省且適應(yīng)性強(qiáng)，較適合現(xiàn)有的關(guān)鍵飛行區(qū)域保障不停航施工的需要。未來(lái)我國(guó)將會(huì)有越來(lái)越多的機(jī)場(chǎng)新建道面采用瀝青混凝土柔性道面形式或加鋪瀝青混凝土道面的形式[2-3]。

相較于城市道路路面，機(jī)場(chǎng)道面對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、耐疲勞性能和平整抗滑等方面的使用性能具有更高的要求，以適應(yīng)機(jī)場(chǎng)道面重載、高速、頻繁加減速的行駛特征[4]。除此之外，道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮不停航、快速施工條件下的工程需要，以盡可能降低對(duì)機(jī)場(chǎng)日常運(yùn)營(yíng)的影響。本文依托虹橋機(jī)場(chǎng)繞滑道系統(tǒng)安全改造工程中的瀝青道面工程，分析了虹橋機(jī)場(chǎng)繞滑道道面應(yīng)用需求，按照不同工況條件摻加不同品種與比例的高模量添加劑，研究高模量劑對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度的影響規(guī)律，并從原材料性能試驗(yàn)的角度對(duì)本文所提的高性能瀝青混合料的適用性進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 道面施工方案研究

1.1 工程概況

上海虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)是我國(guó)重要的航空客貨運(yùn)樞紐之一，初建時(shí)間早，拓建次數(shù)多[5]。實(shí)施虹橋機(jī)場(chǎng)繞滑道系統(tǒng)安全改造工程的目的是進(jìn)一步增強(qiáng)虹橋機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)安全保障能力，提升機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率和品質(zhì)[6]。實(shí)施內(nèi)容包括建設(shè)南北中間繞滑道，并與現(xiàn)有南北繞滑道西半部分形成小環(huán)遠(yuǎn)端繞滑模式。本文著重依托此次繞滑道道面結(jié)構(gòu)工程中的瀝青道面面層工程，針對(duì)機(jī)場(chǎng)繞滑道使用特點(diǎn)，對(duì)瀝青面層所采用的瀝青混合料性能開(kāi)展研究。

1.2 道面使用需求分析

（1）重載。如大型遠(yuǎn)程寬體客機(jī)波音747-400，其起飛全重量近400 t，輪胎接地壓力高達(dá)1.44 MPa。機(jī)場(chǎng)道面在如此高的荷載作用下將產(chǎn)生很大的應(yīng)力和應(yīng)變，使機(jī)場(chǎng)道面很容易產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍和剪切流動(dòng)變形。同時(shí)，在高應(yīng)力作用下，容易發(fā)生有限次數(shù)大荷載作用下的疲勞破壞[7-8]。

（2）高速。飛機(jī)滑行速度往往達(dá)到200 km/h 以上。因此，要求道面具有良好的平整、抗滑性能，以保證飛機(jī)起落的安全性[7]。

（3）作用次數(shù)少。機(jī)場(chǎng)交通量很小，一般國(guó)內(nèi)小型機(jī)場(chǎng)一天起落十個(gè)架次到幾十個(gè)架次。即使繁忙的機(jī)場(chǎng)，也不過(guò)一天三五百架次。而一般高速公路一天的交通量可達(dá)幾萬(wàn)次。因此，機(jī)場(chǎng)道面一般呈現(xiàn)出有限次數(shù)大荷載作用下的疲勞特征。

（4）加減速頻繁。飛機(jī)在起落過(guò)程中一直處于加減速狀態(tài)，因此機(jī)場(chǎng)道面瀝青混合料將受到巨大的水平剪切應(yīng)力。這就要求瀝青道面面層材料自身具有良好的抗剪切變形能力，同時(shí)要求瀝青面層與基層之間具有良好的層間黏結(jié)性能[9]。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

基于機(jī)場(chǎng)道面對(duì)瀝青混合料性能的要求與SMA-13 瀝青混凝土優(yōu)越的性能，根據(jù)瀝青混合料厚度設(shè)置和不停航條件下施工的需要，新建道面瀝青混合料結(jié)構(gòu)層采用四層結(jié)構(gòu)形式。其中，下部面層為過(guò)渡層，采用摻加高模量劑的AC-20 改性瀝青混凝土，主要協(xié)調(diào)瀝青面層與下部半剛性基層，以充分保證密水性和耐久性，兼顧抗裂（防反）性。中部面層為摻加高模量劑的AC-20 改性瀝青混合料和SMA-13 改性瀝青混合料，共同承擔(dān)抗剪和持力層作用，以保障結(jié)構(gòu)承載能力和抗輪轍能力。上部面層主要為磨耗層，采用SMA-13 改性瀝青混合料，以保證抗滑性、抗松散性和抗水損壞能力，兼顧高溫性能。考慮到與道面的統(tǒng)一，用于道肩面層的瀝青混合料也采用了相同的SMA-13 改性瀝青混合料。

2 材料性能分析

2.1 瀝青

考慮到機(jī)場(chǎng)道面高溫穩(wěn)定性、耐疲勞性能、抗松散、抗水害性能和平整抗滑的技術(shù)特點(diǎn)，在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，本次瀝青道面工程選用符合上述條件的高彈改性瀝青作為上面層SMA-13 膠結(jié)料，重載交通專用改性瀝青作為下承層AC-20 的瀝青膠結(jié)料。高彈性改性瀝青和重載交通專用改性瀝青性能指標(biāo)和實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 高彈性改性瀝青性能指標(biāo)與實(shí)測(cè)值一覽表

表2 重載改性瀝青性能指標(biāo)與實(shí)測(cè)值一覽表

相較于一般改性瀝青，本次選用的高彈改性瀝青具有更好的恢復(fù)變形能力，抗變形疲勞性能較好；老化后指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)改性瀝青的要求，且優(yōu)于一般SBS 改性瀝青，具有較好的抗老化性能[10]。

選用的重載交通專用改性瀝青具有較好的軟化點(diǎn)和低溫延度。根據(jù)相關(guān)混合料試驗(yàn)，其動(dòng)穩(wěn)定度是規(guī)范改性瀝青混合料要求的2～3 倍，疲勞壽命是普通改性瀝青的4 倍左右。因此，能有效提高混合料的高溫抗車轍性能和低溫抗裂性能[11]。

2.2 高模量劑的影響分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證高模量劑對(duì)瀝青混合料的整體性能的影響，本文通過(guò)室內(nèi)車轍試驗(yàn)，研究不同品牌、不同摻量的高模量劑對(duì)兩種瀝青制備的SMA-13 瀝青混合料和AC-20 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度的影響規(guī)律。其中，瀝青混合料均按已經(jīng)確定的生產(chǎn)配合比制備。

3 種不同品牌高模量劑進(jìn)行車轍試驗(yàn)對(duì)比如圖1 所示。動(dòng)穩(wěn)定度越大，表示高溫穩(wěn)定性越好。從中可以看出，A 品牌高模量劑相較于其他高模量劑能提高10%～12%的動(dòng)穩(wěn)定度，因此選擇高模量劑A 作為本次工程所用的摻加劑。

圖1 不同品牌高模量劑對(duì)AC-20 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度影響

從圖2 的車轍試驗(yàn)可以看出，摻加0.2%的高模量劑后，SMA-13 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與未摻加時(shí)增幅不明顯；隨著高模量劑摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度有顯著提升。這主要是因?yàn)椋吣Ａ縿?huì)對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生加勁和膠結(jié)作用，使瀝青和集料之間的黏結(jié)力增大，高模量劑摻量越多，加勁作用和膠結(jié)作用越明顯，動(dòng)穩(wěn)定度越大[12]。

圖2 不同摻量高模量劑對(duì)S MA-13 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度影響

從表3 中可以看出，摻加0.6%的高模量劑后，AC-20 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提升38%，低溫最大彎拉應(yīng)變提升了14%，而凍融劈裂強(qiáng)度比的變化不明顯。高模量劑能有效增加瀝青黏度，使混合料黏結(jié)力相應(yīng)變大。因此，在一定范圍內(nèi)增大高模量劑的摻量，可以提高混合料的水穩(wěn)定性。

表3 不同摻量高模量劑對(duì)AC-20 瀝青混合料性能指標(biāo)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)文件要求與經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，決定采用0.6%和0.4%分別作為本瀝青道面工程AC-20 級(jí)配和SMA-13 級(jí)配的瀝青混合料的高模量劑摻量。

2.3 瀝青混合料與性能分析

按照已經(jīng)確定的生產(chǎn)配合比和高模量劑摻量生產(chǎn)瀝青混合料，高彈改性瀝青混合料和重載改性瀝青混合料性能指標(biāo)和實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。從表4、表5 可以看出，本次瀝青道面所使用的SMA-13 和AC-20 瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，60℃的動(dòng)穩(wěn)定度均能達(dá)到11000 次以上，且低溫極限破壞應(yīng)變能達(dá)到3000 με 以上，具有良好的高低溫性能。從凍融劈裂試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩種高性能瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比和肯塔堡飛散損失均能滿足規(guī)范要求，能夠保證機(jī)場(chǎng)道面在重載、高速、頻繁加減速行駛特征下具有良好的抗水損害性能和抗剝落性能。

表4 高彈性改性S MA-13 混合料性能指標(biāo)與實(shí)測(cè)值一覽表

表5 重載改性AC20 混合料性能指標(biāo)與實(shí)測(cè)值一覽表

3 工程應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證所選用瀝青混合料實(shí)際應(yīng)用效果，采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，對(duì)虹橋機(jī)場(chǎng)道面試驗(yàn)段進(jìn)行瀝青上面層SMA-13 的攤鋪與工后性能檢測(cè)評(píng)價(jià)。

機(jī)場(chǎng)滑道道面攤鋪寬度為23 m，因此采用4 臺(tái)攤鋪機(jī)以聯(lián)機(jī)形式進(jìn)行攤鋪。考慮安檢和航后施工等因素，拌和均提前至少4h 進(jìn)行，拌合能力保證可以滿足攤鋪要求。壓路機(jī)碾壓路面時(shí)遵循“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則，即壓路機(jī)緊跟在攤鋪機(jī)后面碾壓，碾壓速度慢且均勻，采取高頻率、低振幅的方式碾壓。道面試驗(yàn)段SMA-13 上面層工后檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6 可以看出：由滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，虹橋機(jī)場(chǎng)繞滑道試驗(yàn)段道面抗?jié)B水性能優(yōu)異，能有效防止雨水對(duì)道面造成的水損害；道面平整狀況良好，能夠有效改善飛機(jī)滑行時(shí)的舒適性；道面壓實(shí)度良好，現(xiàn)階段瀝青SMA-13 施工工藝滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

表6 試驗(yàn)段使用性能檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，本文主要得到以下結(jié)論：

（1）采用高溫性能與抗疲勞性能優(yōu)異的高彈改性瀝青作為磨耗層SMA-13 膠結(jié)料，重載改性瀝青作為下面層膠結(jié)料，具有優(yōu)異的高溫抗車轍能力和良好的水穩(wěn)定性，提升了混合料的各項(xiàng)性能，滿足了機(jī)場(chǎng)道面高溫穩(wěn)定和平整抗滑的要求。

（2）通過(guò)研究不同品牌與摻量的高模量劑對(duì)瀝青混合料的性能指標(biāo)影響，確定以0.6%和0.4%作為本工程AC-20 級(jí)配和SMA-13 級(jí)配的瀝青混合料的高模量劑摻量。

（3）材料性能試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均大于11000 次/mm，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比較高，其他各項(xiàng)指標(biāo)也滿足規(guī)范要求。這說(shuō)明，此次瀝青道面所設(shè)計(jì)的混合料路用性能良好。

（4）施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明：機(jī)場(chǎng)滑道道面壓實(shí)度、平整度與滲水系數(shù)均滿足規(guī)范要求，具有良好的抗松散、抗水害性能和平整抗滑性能。