高模量劑對(duì)機(jī)場(chǎng)瀝青道面高溫性能的影響

程德金，楊 凱，戴 征，王建黨，張曉輝

(西北民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

1 概述

高模量瀝青混合料起源于法國，具有模量高、抗車轍能力強(qiáng)、耐久性好等特點(diǎn)，被許多國家吸收并應(yīng)用于解決重載交通條件下瀝青路面的車轍問題[1-4]。機(jī)場(chǎng)道面所承受的荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于公路路面，尤其是飛機(jī)在端滑行聯(lián)絡(luò)道道口、飛機(jī)等待區(qū)、跑道掉頭坪等速度較慢甚至處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，瀝青道面長時(shí)間處于飛機(jī)渦輪噴出的高溫氣流和飛機(jī)本身高荷載作用下易出現(xiàn)道面軟化、推移壅包、輪轍等剪切破壞，甚至產(chǎn)生機(jī)輪下陷現(xiàn)象，嚴(yán)重危及飛機(jī)行駛安全，因此需要提高瀝青混合料的高溫抗剪切性能。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青混合料抗剪切性能的研究主要從混合料的高溫穩(wěn)定性方面入手，研究認(rèn)為[5-7]瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足，自身產(chǎn)生塑性變形是混合料產(chǎn)生剪切破壞，出現(xiàn)車轍的主要原因。目前常用的改善思路主要有提高瀝青性能、改善礦料級(jí)配和添加外加劑等措施[8-11]，機(jī)場(chǎng)常用的方式是在混合料中添加外加劑，本文依托國內(nèi)南方某4C機(jī)場(chǎng)跑道“蓋被”工程，使用PR高模量劑，選取端滑行聯(lián)絡(luò)道道口作為試驗(yàn)段，采用不停航施工，在原水泥道面上加蓋兩層瀝青混凝土，根據(jù)施工過程中的車轍試驗(yàn)和施工完成后道面取芯單軸貫入剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫抗剪切性能，并結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)和水穩(wěn)定性試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)高模量劑對(duì)混合料路用性能的影響。

2 試驗(yàn)原材料與配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原材料

1)瀝青。

本工程選用中石油SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，如表1所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

2)集料。

本工程下面層采用石灰?guī)r，規(guī)格為10 mm～20 mm，5 mm～10 mm；上面層采用輝綠巖，規(guī)格為10 mm～15 mm，5 mm～10 mm；細(xì)集料規(guī)格均為0 mm～5 mm，填料為磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉，粗細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

3)高模量劑。

試驗(yàn)段采用法國PR高模量劑，該模量劑由多種聚合物經(jīng)特殊工藝加工而成，外觀為黑色顆粒狀物質(zhì)，直徑2 mm～4 mm，如圖1所示，技術(shù)要求如表2所示。

表2 高模量劑技術(shù)指標(biāo)

2.2 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

在目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用熱料分別對(duì)AC-20和SMA-13進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)，級(jí)配曲線如圖2,圖3所示，4個(gè)熱料倉規(guī)格分別為1號(hào)倉(0 mm～5 mm),2號(hào)倉(5 mm～11 mm),3號(hào)倉(11 mm～16 mm),4號(hào)倉(16 mm～22 mm)，依據(jù)目標(biāo)設(shè)計(jì)級(jí)配及熱料倉篩分結(jié)果，通過馬歇爾試驗(yàn)法確定AC-20生產(chǎn)配合比為：4號(hào)倉∶3號(hào)倉∶2號(hào)倉∶1號(hào)倉∶礦粉 =29∶10∶16∶40∶5，油石比(質(zhì)量比)4.4%；SMA-13生產(chǎn)配合比為3號(hào)倉∶2號(hào)倉∶1號(hào)倉∶礦粉=42∶30∶18∶10，油石比(質(zhì)量比)6.2%。

3 試驗(yàn)段方案

本次選取端滑行聯(lián)絡(luò)道道口為試驗(yàn)段，鋪筑面積4 000 m2，在試驗(yàn)段下面層AC-20和上面層SMA-13混合料中分別摻加0.5%的PR MODULE高模量劑，對(duì)比段不摻加高模量劑；分別進(jìn)行混合料馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、小梁低溫彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)，并在現(xiàn)場(chǎng)取芯進(jìn)行單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)，芯樣如圖4所示，綜合分析試驗(yàn)段和對(duì)比段的混合料路用性能。

4 高模量劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

4.1 馬歇爾穩(wěn)定性

根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程分別對(duì)試驗(yàn)段和對(duì)比段瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3，表4所示。

表3 AC-20瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4 SMA-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3,表4可知，加入高模量劑后，AC-20和SMA-13兩種瀝青混合料的馬歇爾體積指標(biāo)基本沒有變化，因?yàn)橥饧觿┑馁|(zhì)量相對(duì)混合料的質(zhì)量占比非常?。粌煞N試驗(yàn)段混合料試件的馬歇爾穩(wěn)定度分別較對(duì)比段提高了16.9%和13.5%，原因在于高模量劑在高溫干拌、壓實(shí)過程中軟化變形，被集料擠壓嵌擠于顆粒之間，起到加筋約束作用，增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度；同時(shí)高模量劑加入增加了瀝青的黏度，增大了混合料的黏聚力，從而提高混合料強(qiáng)度。

4.2 高溫性能

4.2.1 車轍試驗(yàn)

通常車轍表征混合料抗剪切變形的能力，為評(píng)價(jià)高模量瀝青混合料的抗車轍能力，根據(jù)JTG E20—2011規(guī)范要求進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)段和對(duì)比段的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，試驗(yàn)段AC-20混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)12 353次/mm，較對(duì)比段提高了20.9%，SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)9 693次/mm，較對(duì)比段提高了14.3%，說明高模量劑的加入提升了混合料的抗車轍能力，因?yàn)楦吣Ａ縿┰诨旌狭蟽?nèi)部具有嵌擠加筋作用，相當(dāng)于在混合料內(nèi)部形成一個(gè)加筋網(wǎng)，從而提升混合料的抗剪切變形能力。

4.2.2 單軸貫入剪切試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)鋪筑完成的瀝青道面抗剪切能力，依據(jù)MH/T 5010—2017民用機(jī)場(chǎng)瀝青道面設(shè)計(jì)規(guī)范采用SANS電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取的芯樣進(jìn)行單軸貫入剪切試驗(yàn)，如圖6所示，加載速率1 mm/min，試驗(yàn)溫度60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表5，表6所示。

表5 AC-20單軸貫入剪切試驗(yàn)結(jié)果

表6 SMA-13單軸貫入剪切試驗(yàn)結(jié)果

從表5，表6可知，添加高模量劑后，試驗(yàn)段AC-20和SMA-13瀝青混合料的單軸貫入抗剪切強(qiáng)度分別為1.30 MPa和0.90 MPa，相較于對(duì)比段貫入強(qiáng)度分別提高了20.4%和15.4%。研究發(fā)現(xiàn)，高模量劑的加入使混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和單軸貫入剪切強(qiáng)度均有較大幅度的提高，且高模量劑對(duì)AC-20抗剪切性能的增強(qiáng)作用大于SMA-13，因?yàn)镾MA-13粗集料骨架結(jié)構(gòu)對(duì)混合料抗剪切變形能力的貢獻(xiàn)大于AC-20這種懸浮密實(shí)型瀝青混合料，加入高模量劑對(duì)SMA骨架的改善作用較小，主要通過改善瀝青的性能來提高抗剪能力。

進(jìn)一步分析可知，高模量劑對(duì)混合料的作用機(jī)理主要有兩個(gè)方面[12-14]：一方面與瀝青作用，吸收瀝青中的輕質(zhì)油分，增大瀝青的黏度，從而增強(qiáng)混合料抗變形能力；另一方面與集料作用，在高溫拌和、壓實(shí)作用下，高模量劑軟化、變形被擠壓成不同形狀的變形體嵌擠于集料之間，限制了礦料顆粒的相對(duì)移動(dòng)，增強(qiáng)骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改善混合料高溫性能，此外，在高溫作用下高模量劑部分融化拉絲，相互纏繞搭接，形成空間纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，穿插于粗集料骨架空隙之中，將集料骨架體系約束為一個(gè)有機(jī)整體，增強(qiáng)了混合料的整體強(qiáng)度。

4.3 低溫抗裂性能

為了評(píng)價(jià)高模量劑對(duì)AC-20和SMA-13低溫性能的影響，按照規(guī)范(JTG E20—2011)要求分別對(duì)試驗(yàn)段和對(duì)比段瀝青混合料進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表7可知，試驗(yàn)段和對(duì)比段的兩種瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度無明顯提高，最大彎拉應(yīng)變均能滿足MH/T 5011—2019民用機(jī)場(chǎng)瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范冬冷區(qū)和冬溫區(qū)不小于2 500 με的要求，符合南方地區(qū)使用條件，試驗(yàn)段AC-20和SMA-13最大彎拉應(yīng)變較對(duì)比段降低了1.9%和1.6%，說明摻加高模量劑對(duì)AC-20和SMA-13低溫抗裂性能的影響很小，降幅仍在規(guī)范要求之內(nèi)。

4.4 水穩(wěn)定性能

根據(jù)規(guī)范(JTG E20—2011)分別對(duì)AC-20和SMA-13 瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，試驗(yàn)段AC-20殘留穩(wěn)定度為93.8%，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR為87.3%，試驗(yàn)段SMA-13殘留穩(wěn)定度為95.7%，TSR為89.6%，兩種試驗(yàn)段混合料水穩(wěn)定性較對(duì)比段提高了2%～4%，說明高模量劑混合料對(duì)水穩(wěn)定性有一定的改善作用，但不及混合料高溫穩(wěn)定性改善明顯，因?yàn)樵诟吣Ａ縿┑淖饔孟拢瑸r青的黏度增大，增強(qiáng)了瀝青抗水分子置換的能力，從而提高瀝青與礦料的黏結(jié)力，進(jìn)一步防止水對(duì)瀝青與礦料界面的損害，從而改善混合料的水穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)試驗(yàn)段與對(duì)比段兩種高模量瀝青混合料分別進(jìn)行室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、水穩(wěn)定性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)取芯單軸貫入剪切試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

1)高模量劑的加入增強(qiáng)了瀝青混合料的高溫抗剪切性能，試驗(yàn)段AC-20與SMA-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為12 353次/mm和9 693次/mm，較對(duì)比段混合料分別提高了20.9%和14.3%；試驗(yàn)段AC-20與SMA-13混合料的抗剪切強(qiáng)度分別為1.30 MPa和1.08 MPa，較對(duì)比段混合料分別提高了20.4%和15.4%。高模量劑加入混合料中通過吸收、嵌擠和纖維網(wǎng)約束作用，顯著改善混合料的抗剪切變形能力，提升混合料的整體強(qiáng)度。

2)混合料添加高模量劑后，試驗(yàn)段AC-20和SMA-13馬歇爾體積指標(biāo)基本無變化，最大彎拉應(yīng)變降幅不超過2%，水穩(wěn)定性指標(biāo)提高2%～4%，說明高模量劑對(duì)混合料低溫性能有一定影響，但對(duì)水穩(wěn)定性也有一定的改善作用。

3)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)結(jié)果表明使用高模量瀝青混合料鋪筑的試驗(yàn)段具有較強(qiáng)的高溫抗剪切能力，綜合使用效果良好，針對(duì)機(jī)場(chǎng)端滑行聯(lián)絡(luò)道道口、跑道掉頭坪、快滑道口等這些易發(fā)生剪切破壞的區(qū)域，高模量瀝青混合料具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。