機(jī)場道面環(huán)氧瀝青混合料加鋪施工技術(shù)

郭榮昌，王 春，張玲燕，翟瑞鑫

0 引言

由于瀝青混凝土道面具有熱塑性，在高溫下抗剪切性能較差，因此在用于機(jī)場道面時(shí)，飛機(jī)大的輪胎壓使其很容易產(chǎn)生剪切推移病害。尤其是飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)，水平荷載與垂直荷載同時(shí)作用，往往使道面病害更為嚴(yán)重，因此瀝青混凝土道面在中國民用機(jī)場中的應(yīng)用非常有限，現(xiàn)有民用機(jī)場道面類型基本以水泥混凝土為主。隨著中國機(jī)場的建設(shè)迅速發(fā)展，為避免影響正常的運(yùn)營，機(jī)場道面改擴(kuò)建工程普遍采用不停航施工，而瀝青混凝土道面優(yōu)良的使用性能以及可快速施工的特點(diǎn)，使其在機(jī)場道面中逐漸得到青睞［1-2］。鑒于此，本文針對瀝青道面抗剪切性能上的不足，擬采用環(huán)氧瀝青混合料來改善機(jī)場道面瀝青混凝土的抗剪性能。

本文以咸陽國際機(jī)場北飛行區(qū)道面改造與新建滑行道工程為依托，對環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)段的鋪筑及質(zhì)量檢測。

1 工程概況

西安咸陽國際機(jī)場飛行區(qū)等級為4E級，目前北飛行區(qū)跑道全長為3 000 m，道肩為2伊7.5 m。為滿足日益增長的航空業(yè)務(wù)量需求，避免道面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞和超載使用，改善跑道運(yùn)行條件，提高道面的整體強(qiáng)度，對北飛行區(qū)跑道、平行滑行道及跑滑之間的聯(lián)絡(luò)道實(shí)施結(jié)構(gòu)性補(bǔ)強(qiáng)改造工程。施工范圍如圖1所示。

本次道面加鋪結(jié)構(gòu)下面層為7 cm AC-20普通瀝青混合料，中面層為6 cm AC-20環(huán)氧瀝青混合料，上面層為5 cm AC-13環(huán)氧瀝青混合料。本文主要針對中上面層的環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)段鋪筑及施工質(zhì)量控制。

圖1 西安咸陽國際機(jī)場飛行區(qū)道面改造與新建滑行道平面

2 環(huán)氧瀝青混合料的組成比例

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1 礦料

粗集料要求均勻、潔凈、無風(fēng)化、質(zhì)地堅(jiān)硬，且有較高的耐磨耗性、耐腐蝕性、抗沖擊性、耐磨光性、抗破碎性以及與瀝青的良好黏附性，顆粒形狀好且均勻［3］。本研究中粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用涇陽四星友誼的石屑，礦粉選用渭南富平憎水性石料磨細(xì)得到的礦粉，相關(guān)力學(xué)指標(biāo)分別見表1～3。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 環(huán)氧劑

本研究將主劑與固化劑按61頤39的比例摻配。主劑與固化劑的技術(shù)指標(biāo)分別見表4、5。

表4 主劑的物理性能和技術(shù)指標(biāo)

表5 固化劑的物理性能和技術(shù)指標(biāo)

2.1.3 SBS 改性瀝青

試驗(yàn)中環(huán)氧瀝青中的瀝青采用SBS改性瀝青，SBS改性劑摻量為5%，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表6。

表6 SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)方案，確定AC-20、AC-13合成級配，如圖2、3所示。

圖2 AC-20合成級配曲線

圖3 AC-13合成級配曲線

2.3 環(huán)氧劑摻量的確定

為了研究不同環(huán)氧劑摻量對瀝青混合料抗剪性能的影響，上面層混合料采用AC-13級配，分別選取環(huán)氧劑摻量為0%、15%、25%、35%(環(huán)氧劑質(zhì)量占環(huán)氧瀝青質(zhì)量的百分比)［4］，然后進(jìn)行瀝青混合料試驗(yàn)。經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧劑摻量的變化對馬歇爾試件的體積指標(biāo)影響較小，因此不同環(huán)氧劑摻量混合料的最佳油石比相同，均為5.1%，具體結(jié)果見表7。

表7 瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

在最佳油石比下，對不同環(huán)氧劑摻量的混合料試件進(jìn)行單軸貫入剪切試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)，最終確定環(huán)氧劑的最佳摻量以指導(dǎo)施工［5］。

2.3.1 貫入剪切試驗(yàn)

本文對環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行常溫和高溫抗剪性能研究，在25益和60益下進(jìn)行貫入剪切試驗(yàn)，結(jié)果如圖4～6所示。

由圖4可知，在常溫和高溫下，隨著環(huán)氧劑摻量的增大，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度均有明顯提高。在25益時(shí)，摻35%環(huán)氧劑的混合料抗剪強(qiáng)度是沒有摻環(huán)氧劑時(shí)的4倍多，由此可知，環(huán)氧劑摻量越高，混合料抗剪強(qiáng)度越好。在60益時(shí)，抗剪強(qiáng)度雖然都有所下降，但整體趨勢不變，高溫下?lián)郊迎h(huán)氧劑對瀝青混合料的抗剪性能有明顯提高?？紤]到工程造價(jià)，建議道面上面層環(huán)氧劑的摻量不宜低于25%，中下面層環(huán)氧劑的摻量可適當(dāng)降低。

圖4 不同環(huán)氧劑摻量下AC-13環(huán)氧瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度

圖5 不同環(huán)氧劑摻量下AC-13環(huán)氧瀝青混合料的內(nèi)摩擦角

圖6 不同環(huán)氧劑摻量下AC-13環(huán)氧瀝青混合料的黏聚力

一般認(rèn)為混合料的內(nèi)摩擦角主要取決于集料自身的棱角性［6］、混合料的級配以及設(shè)計(jì)方法，溫度變化對其影響較小。但由圖5可知，溫度從25益增長到60益時(shí)，不同環(huán)氧劑摻量的瀝青混合料的內(nèi)摩擦角均有所降低，其中不摻環(huán)氧劑的混合料降幅最大，且隨著環(huán)氧劑摻量提高，降幅逐漸減小。由此分析認(rèn)為，普通瀝青混合料中的瀝青隨著溫度的升高逐漸變軟，自由瀝青增多，自由瀝青起到一定的潤滑作用，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小，而環(huán)氧劑具有熱固性，在瀝青中起到固結(jié)作用，改變了瀝青的熱塑性，且此種改善作用隨著環(huán)氧劑摻量的增加而提高。

由圖6可知，2種溫度下瀝青混合料的黏聚力都隨環(huán)氧劑摻量的增加而增大，尤其是在高溫時(shí)黏聚力增大明顯，因此環(huán)氧劑的加入可顯著改善瀝青的熱塑性，提高混合料的抗剪強(qiáng)度。

2.3.2 直接剪切試驗(yàn)

利用MTS試驗(yàn)儀對不同環(huán)氧劑摻量的4種瀝青混合料進(jìn)行常溫(25益)與高溫(60益)條件下的直剪試驗(yàn)，結(jié)果見表8。

表8 AC-13環(huán)氧瀝青混合料直剪試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，隨著環(huán)氧劑摻量的增大，混合料的抗剪性能顯著提高，當(dāng)環(huán)氧劑摻量在25%以上時(shí)，改善效果顯著。

2.3.3 車轍試驗(yàn)

考慮到機(jī)場道面的特殊性，對不同環(huán)氧劑摻量的瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)車轍板(長300 mm、寬30 mm、厚50 mm)進(jìn)行60益和80益的車轍試驗(yàn)，并采用動(dòng)穩(wěn)定度比值DR來評價(jià)混合料高溫性能的衰變規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 AC-13環(huán)氧瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

在60益和80益時(shí)，摻加環(huán)氧劑后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均顯著提高，60益時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度呈指數(shù)形式增長，當(dāng)環(huán)氧劑摻量為25%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)10 000次·mm原1以上。同時(shí)，環(huán)氧劑的增加不僅提高了混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，而且提高了其抵抗高溫衰變的能力。摻量為25%時(shí)，2個(gè)溫度下的動(dòng)穩(wěn)定度均在10 000次·mm原1以上而且衰變較小;摻量為35%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度衰變幾乎為0，性能已非常好。

2.3.4 不同試驗(yàn)方法的結(jié)果相關(guān)性分析

由于貫入試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)在加載方式、加載速率及試件受力模式上均有所差異，因此將兩者的結(jié)果進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)在25益和60益下，相關(guān)系數(shù)均大于0.95，相關(guān)性良好，如圖7、8所示。不管在哪個(gè)溫度下，直剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度均小于貫入剪切結(jié)果，分析原因可能是直剪試驗(yàn)沒有對試件施加垂直壓力，幾乎為純剪作用，所以強(qiáng)度較小。

圖9、10為車轍試驗(yàn)和貫入剪切試驗(yàn)相關(guān)性分析結(jié)果，2種情況下相關(guān)性均較差，而且試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大于10 000次·mm原1時(shí)，車轍試驗(yàn)結(jié)果誤差較大，所以僅可作為參考，不能作為結(jié)論性指標(biāo)。

圖7 25益貫入試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

圖8 60益貫入試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

圖9 60益車轍動(dòng)穩(wěn)定度與貫入試驗(yàn)回歸分析

圖10 60益車轍總變形與貫入試驗(yàn)回歸分析

綜合以上試驗(yàn)分析，確定試驗(yàn)段上面層AC-13環(huán)氧瀝青混合料中環(huán)氧劑摻量為25%(內(nèi)摻)，并通過抗剪試驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)氧瀝青混合料具有良好的抗剪性能，為進(jìn)一步的施工設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。為簡化施工，中面層AC-20也采用內(nèi)摻25%的環(huán)氧瀝青混合料。

3 環(huán)氧瀝青混合料試驗(yàn)段配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)段中上面層均為環(huán)氧瀝青混合料，上面層AC-13采用圖3確定的級配和表7確定的油石比;中面層AC-20采用圖2確定的合成級配以及采用馬歇爾試驗(yàn)確定的混合料最佳油石比4.8%。相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及混合料性能見表10。

由表10可見，在環(huán)氧劑摻量為25%時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性能均表現(xiàn)優(yōu)良，動(dòng)穩(wěn)定度都超過了10 000次·mm原1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青混合料以及普通的SMA瀝青混合料，可以更好地抵抗飛機(jī)起降及轉(zhuǎn)彎過程中產(chǎn)生的較大的剪切力，非常適用于機(jī)場道面瀝青鋪裝層。

4 環(huán)氧瀝青混合料施工及質(zhì)量控制

環(huán)氧瀝青混合料制備中關(guān)鍵的操作在于環(huán)氧劑兩組分的混合及投放，由于環(huán)氧劑兩組分一旦相遇固化速度非常快，因此不能提前與瀝青混合。施工過程中，需在集料拌合時(shí)將環(huán)氧劑兩組分混合，然后與瀝青同時(shí)投放，只有嚴(yán)格控制各施工過程的溫度和時(shí)間，才能保證施工質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期的效果［7-8］。

表10 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)

4.1 試驗(yàn)段方案

試驗(yàn)段位于機(jī)場東端 (A1)聯(lián)絡(luò)道中心線以東、等待線以南，道路結(jié)構(gòu)見表11。上面層與中面層采用環(huán)氧瀝青混合料，環(huán)氧劑摻量(內(nèi)摻)采用25%。由于中上面層施工工藝相同，以下不再分別論述。

表11 環(huán)氧瀝青混凝土道面結(jié)構(gòu)

4.2 施工前的準(zhǔn)備

4.2.1 舊路清理

為保證面層與基層的良好結(jié)合，在進(jìn)行道面加鋪前15 d，根據(jù)原水泥混凝土道面狀況進(jìn)行處治，防止加鋪瀝青混凝土后產(chǎn)生反射裂縫。原水泥混凝土道面病害主要包括裂縫、掉邊掉角、表面脫落、接縫及基礎(chǔ)脫空［9-10］。

4.2.2 作業(yè)時(shí)間安排

夜間不停航施工的時(shí)間安排見表12。

4.2.3 原材料準(zhǔn)備

施工前應(yīng)根據(jù)每次拌合的混合料質(zhì)量計(jì)算環(huán)氧劑的用量，并將主劑與固化劑分別預(yù)熱至少2 h，以保證環(huán)氧劑主劑與固化劑及瀝青能混合均勻。

4.3 拌合

(1)施工前首先將環(huán)氧劑的主劑與固化劑按需要量在施工現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)熱。

表12 夜間不停航施工的時(shí)間安排

(2)將集料加熱至190益并按生產(chǎn)配合比進(jìn)行拌合，同時(shí)將預(yù)熱好的主劑與固化劑按61頤39的比例進(jìn)行摻配并攪拌均勻。因此次試驗(yàn)段面積較小，主劑與固化劑采用現(xiàn)場人工拌合。

(3)根據(jù)現(xiàn)場施工指令，待瀝青投放時(shí)，將拌制好的環(huán)氧劑由拌和設(shè)備投放口投放。

(4)放入環(huán)氧劑后，拌合45～50 s即可出料，拌合溫度為170益 ～180益(根據(jù)施工溫度及運(yùn)距調(diào)整拌合溫度)。拌合好的瀝青混合料應(yīng)均勻一致，無花白或焦黃色料，無粗細(xì)集料分離、結(jié)團(tuán)以及干散等現(xiàn)象。

4.4 運(yùn)輸

為保證施工的連續(xù)性，本次施工采用北方奔馳自卸車15輛、解放141自卸車25輛，根據(jù)施工進(jìn)度安排運(yùn)輸瀝青混合料，每臺攤鋪機(jī)前有2輛自卸運(yùn)料車等待。運(yùn)輸車輛在接料過程中要保持移動(dòng)，接料時(shí)先放車頭，后放車尾，再放中間，盡量避免放料過程中的離析。運(yùn)送瀝青混合料時(shí)車頂加蓋保溫布，自卸車車廂內(nèi)涂抹比例1頤3的油水混合物，防止混合料黏結(jié)在底板上［11］。

4.5 攤鋪及碾壓

根據(jù)夜間施工時(shí)間安排提前預(yù)熱熨平板至100益，攤鋪機(jī)的行走速度控制在2～3 m·min原1，并保證攤鋪的連續(xù)性，安排人員對邊角缺陷進(jìn)行修理。試驗(yàn)段與其他道面采用攤鋪機(jī)梯隊(duì)式全道面一次性攤鋪成型作業(yè)，施工現(xiàn)場根據(jù)道面寬度組織6臺攤鋪機(jī)同時(shí)施工，攤鋪寬度組合順序?yàn)? m、6 m、7.5 m、7.5 m、6 m、9 m，相鄰攤鋪機(jī)前后間隔5 ～10 m，作業(yè)方法如圖11所示。厚度、高程和平整度控制采用雙側(cè)架設(shè)基準(zhǔn)梁架，雙側(cè)采用5 m長鋁合金方管基準(zhǔn)梁，瀝青混合料松鋪系數(shù)為1.2，施工攤鋪設(shè)備及攤鋪工藝參數(shù)見表13［12］。

圖11 試驗(yàn)段攤鋪方法

表13 瀝青混合料攤鋪機(jī)械

碾壓過程分為初壓、復(fù)壓及終壓，每臺攤鋪機(jī)后有8臺壓路機(jī)碾壓，碾壓工作在瀝青混合料攤鋪后按照“緊跟、慢壓、高頻、低幅”的原則進(jìn)行。碾壓機(jī)械包括寶馬BW202雙鋼振動(dòng)壓路機(jī)、25 t輪胎式壓路機(jī)和單鋼輪壓路機(jī)，另有4臺壓路機(jī)橫向碾壓以消除輪跡。

初壓用單鋼輪壓路機(jī)前靜后振碾壓2遍，速度為1.5～2.0 km·h原1;復(fù)壓用膠輪壓路機(jī)碾壓4～6遍，再用雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)振壓2～3遍，速度為2.5～3.5 km·h原1;終壓用雙輪鋼輪式壓路機(jī)靜壓2 ～3 遍至無輪跡，速度為3.0～4.0 km·h原1。

為防止漏壓和過壓，最后采用3 m直尺監(jiān)控平整度，控制指標(biāo)為連續(xù)縱向檢測十尺，最大間隙不大于3 mm。

從混合料的拌合到碾壓成型的時(shí)間應(yīng)控制在1.5 h內(nèi)，以防混合料固化及溫度降低影響碾壓效果。環(huán)氧瀝青混合料施工過程的溫度控制見表14。

表14 環(huán)氧瀝青混合料施工溫度控制 益

4.6 施工質(zhì)量檢測

施工完畢養(yǎng)生12 h后，對上面層AC-13環(huán)氧瀝青混合料試驗(yàn)段的質(zhì)量進(jìn)行檢測，結(jié)果如表15所示。

表15 環(huán)氧瀝青混合料試驗(yàn)段質(zhì)量檢測結(jié)果

檢測結(jié)果表明，環(huán)氧劑的加入能顯著提高瀝青混合料的高溫、低溫及水穩(wěn)定性能。由于環(huán)氧劑改善了瀝青的熱塑性，因此降低了混合料的溫度敏感性，顯著提高了瀝青混合料的高溫性能。環(huán)氧劑的加入增強(qiáng)了瀝青與集料的黏附性，顯著提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性及低溫性能。試驗(yàn)路段的檢測結(jié)果表明，采用合理的施工技術(shù)，機(jī)場道面使用性能可達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

針對機(jī)場道面剪切推移病害，以咸陽國際機(jī)場北飛行區(qū)道面改造與新建滑行道工程為依托，在試驗(yàn)段鋪筑環(huán)氧瀝青混合料，并提出了環(huán)氧劑的合理摻量，介紹了試驗(yàn)段混合料配合比設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)。按照本研究設(shè)計(jì)的配合比，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，盡量縮短環(huán)氧瀝青混合料從出料至碾壓完成的時(shí)間，防止瀝青混合料提前固化，則試驗(yàn)段可具備良好的施工質(zhì)量;且根據(jù)目前的使用情況看，道面具有較好的路用性能，在高溫高壓作用下抗剪效果好。

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