超高溫地區(qū)機(jī)場(chǎng)瀝青道面的抗車轍性能

廖述清，胥祥偉，王選倉，汪日燈，李起龍

(1.中交機(jī)場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

車轍是瀝青道面在重復(fù)交通荷載作用下產(chǎn)生的累積永久變形，是當(dāng)前瀝青道面主要的破壞形式，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了深入研究。如黃衛(wèi)東等[1]發(fā)現(xiàn)改性瀝青混合料70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度與各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性優(yōu)于60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度，但60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度較70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度更能區(qū)分SBS改性瀝青高溫性能的差異。徐建國等[2]在瀝青路面抗車轍性能研究中發(fā)現(xiàn)解決車轍的關(guān)鍵措施之一在于使用優(yōu)質(zhì)的改性瀝青。程亮等[3]應(yīng)用Bisar3.0程序分析瀝青層在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀況、重載、高溫和重載高溫組合作用下的剪應(yīng)力分布規(guī)律。黃杰[4]通過對(duì)王樓至蘭考高速公路的長(zhǎng)期觀測(cè)與調(diào)查，發(fā)現(xiàn)高溫及重載車輛的反復(fù)荷載作用是造成車轍的主要原因。以上研究主要是公路方面的研究，而中國機(jī)場(chǎng)跑道以混凝土為主，近些年才開始采用瀝青材料，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)都參考公路。然而，相比公路路面，機(jī)場(chǎng)道面受力環(huán)境更加惡劣，飛機(jī)輪胎接地壓力約為汽車輪胎接地壓力的1.5～2.2倍[5]。經(jīng)計(jì)算，B767-200型飛機(jī)最大起飛質(zhì)量為140 t，主起落架輪胎接地壓力為1.27 MPa，而公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載是0.7 MPa。而且高溫和重載是非洲地區(qū)機(jī)場(chǎng)的特點(diǎn)，也是導(dǎo)致跑道車轍的2個(gè)主要的因素。為此，本文以南蘇丹朱巴國際機(jī)場(chǎng)瀝青道面車轍問題為依托，研究超高溫重載作用下瀝青跑道道面的抗車轍性能。

1 工程概況及車轍分析

1.1 工程概況

南蘇丹朱巴地區(qū)屬熱帶草原氣候，濕度高并有大量降雨。每年5～10月為雨季，氣溫為20 ℃～40 ℃，11月至次年4月為旱季，氣溫為30 ℃～50 ℃，實(shí)測(cè)跑道最高溫度超過70 ℃，屬于超高溫地區(qū)。

朱巴國際機(jī)場(chǎng)是南蘇丹惟一的國際機(jī)場(chǎng)，海拔461 m，改擴(kuò)建前跑道長(zhǎng)2 400 m，寬45 m，飛行區(qū)技術(shù)指標(biāo)為4C，跑道道面破損嚴(yán)重，出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍破壞。本項(xiàng)目對(duì)舊有跑道道面進(jìn)行升級(jí)改造，改造后能夠滿足B767-200型飛機(jī)使用，飛行區(qū)技術(shù)指標(biāo)升級(jí)為4D。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)車轍分析

改擴(kuò)建前朱巴機(jī)場(chǎng)跑道道面瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層厚度為10 cm，下設(shè)級(jí)配碎石基層。該道面結(jié)構(gòu)對(duì)于運(yùn)行C類機(jī)型B737-300(輪距5.25 m)承載能力明顯不足。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，道面大范圍出現(xiàn)了10 mm左右深度的車轍，況且有的車轍深度達(dá)到20 mm以上，如圖1所示。對(duì)該機(jī)場(chǎng)跑道車轍病害段進(jìn)行橫斷面開挖和鉆芯取樣，并檢測(cè)對(duì)各面層厚度與變形情況，得到車轍橫斷面形態(tài)，如圖2所示。

從圖1、2中可以看出以下幾點(diǎn)。

(1)基層頂面未發(fā)現(xiàn)沉陷與開裂，說明車轍變形完全由瀝青面層產(chǎn)生。

(2)車轍出現(xiàn)在跑道中心線兩側(cè)飛機(jī)主輪碾壓部位，且呈對(duì)稱分布，這與飛機(jī)主輪承載機(jī)身95%荷載相符。

(3)各個(gè)結(jié)構(gòu)層變形程度不一致，中下面層變形量最大，約占車轍總變形量的55%。這與下面層承受高壓應(yīng)力與剪應(yīng)力且抗剪能力不足有關(guān)[6]。

2 車轍影響因素試驗(yàn)分析

2.1 溫度對(duì)車轍深度的影響

選擇7種溫度(10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃)進(jìn)行室內(nèi)車轍試驗(yàn)。采用規(guī)范中給出的級(jí)配中值成型AC-16型車轍試件，瀝青采用90號(hào)基質(zhì)瀝青，油石比為4.8%。通過試驗(yàn)測(cè)得不同溫度下，碾輪以42 次·min-1的速度行走60 min后的車轍深度，如圖3所示。

圖3 溫度與車轍深度的關(guān)系

由圖3可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，在同一荷載水平和作用次數(shù)下，車轍深度逐漸增大。以20 ℃為基準(zhǔn)，30 ℃車轍深度增加66.9%，40 ℃車轍深度增加172%。當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃以上時(shí)，隨著溫度升高，車轍深度增加的幅度逐漸增大。溫度從30 ℃增加到70 ℃的過程中，車轍深度增加了449.3%?？梢姡瑴囟葘?duì)車轍深度有顯著影響，溫度越高，越易形成車轍[7-10]。

2.2 荷載對(duì)車轍深度的影響

分別選取0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 MPa荷載進(jìn)行室內(nèi)車轍試驗(yàn)，分析不同荷載對(duì)瀝青混凝土車轍深度的影響。分別測(cè)定60 ℃條件下碾輪以42 次·min-1的速度行走60 min后的車轍深度，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在同一溫度、同一荷載作用次數(shù)的條件下，隨著荷載的增大，車轍深度也逐漸增大。當(dāng)荷載達(dá)到1.0 MPa后，隨著荷載增加，車轍深度的增加幅度較之前變大。當(dāng)荷載從0.8 MPa增加到1.2 MPa時(shí)，車轍深度增加了51.8%?？梢?，荷載對(duì)車轍深度的影響較大[11-12]。

2.3 層間接觸對(duì)車轍深度的影響

制得10 cm厚的雙層瀝青混合料車轍板，層間采取不同的處治措施，在60 ℃溫度下輪碾2 h，通過車轍試驗(yàn)測(cè)定瀝青道面動(dòng)穩(wěn)定度和總變形量，以評(píng)價(jià)層間接觸對(duì)車轍深度的影響。試驗(yàn)編號(hào)及結(jié)果見表1。

圖4 車轍深度與荷載的關(guān)系

表1 不同層間狀況下車轍試驗(yàn)結(jié)果

將不同黏層材料的車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

以無黏層油車轍試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，分別計(jì)算噴灑黏層油后動(dòng)穩(wěn)定度的提高百分比和總變形量的降低百分比，結(jié)果見表2。

圖5 不同黏層材料車轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

層間狀態(tài)動(dòng)穩(wěn)定度總變形量測(cè)量值/(次·mm-1)提高百分比/%測(cè)量值/mm降低百分比/%無黏層油1 2399.037改性乳化瀝青2 456986.10932高黏瀝青2 9791405.12443SBS改性瀝青3 5961904.62849

從表2可以看出，噴灑了改性乳化瀝青、高黏瀝青和SBS改性瀝青后，此時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度比無黏層油時(shí)分別增加了98%、140%和190%，總變形量分別減少了32%、43%和49%。所以，合理灑布黏層油不但能提高層間抗剪強(qiáng)度，還能增加瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。

3 不同面層材料和結(jié)構(gòu)下的車轍試驗(yàn)

3.1 不同面層材料組合

為研究上、下面層瀝青路面面層材料的合理改性對(duì)車轍的影響，對(duì)常規(guī)車轍試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)：預(yù)制下面層瀝青混合料車轍板，灑布黏層油，加鋪上面層瀝青混合料車轍板，對(duì)普通車轍試模進(jìn)行拼裝，拼裝后試模尺寸為300 mm×300 mm×100 mm，試驗(yàn)溫度取60 ℃，組合試件的材料組合方式見表3。

每種方案制作3塊車轍試件做平行試驗(yàn)，結(jié)果見表4、圖6。

從表4和圖6的試驗(yàn)結(jié)果可以看出以下幾點(diǎn)。

表3 組合試件材料組合

表4 各方案復(fù)合試件的動(dòng)穩(wěn)定度

圖6 不同試驗(yàn)方案車轍動(dòng)穩(wěn)定度

(1)方案2試件的動(dòng)穩(wěn)定度較方案1提高了38%，說明瀝青路面上面層改性后，瀝青路面高溫穩(wěn)定性明顯提高。

(2)方案3試件的動(dòng)穩(wěn)定度比方案2提高了62%，可見對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙層改性比單層改性顯著提高路面結(jié)構(gòu)的高溫抗車轍能力。

(3)方案3試件的動(dòng)穩(wěn)定度比方案4的提高了19%，比方案5提高了29%，可見不同的改性材料組合對(duì)瀝青路面改性后的高溫穩(wěn)定性影響很大。

3.2 不同面層結(jié)構(gòu)組合

制備雙層車轍試驗(yàn)車轍板，上面層采用SBS AC-16瀝青混合料，下面層采用AC-20瀝青混合料，并放置在60 ℃環(huán)境箱中恒溫5 h以上。對(duì)于各結(jié)構(gòu)層厚度及面層總厚度為非標(biāo)準(zhǔn)厚度的情況，均采用在車轍板試模底加墊適當(dāng)厚度鋼板的辦法。試驗(yàn)荷載為1.0 MPa，試驗(yàn)輪以42 次·min-1的速度往返碾壓60 min，面層結(jié)構(gòu)組合及車轍試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同結(jié)構(gòu)組合的瀝青路面車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出以下幾點(diǎn)。

(1)比較各結(jié)構(gòu)組合的動(dòng)穩(wěn)定度大小發(fā)現(xiàn)：組合1、2車轍板中面層厚度為6 cm，動(dòng)穩(wěn)定度相差不大；組合3、4車轍板下面層厚度為5 cm，動(dòng)穩(wěn)定度相差雖不大，但明顯小于組合1、2，說明面層厚度與集料的最大公稱粒徑影響結(jié)構(gòu)動(dòng)穩(wěn)定度。另外，組合2和組合3的面層總厚度都為9 cm，前者的動(dòng)穩(wěn)定度卻明顯大于后者，說明路面結(jié)構(gòu)形式可以影響面層的高溫穩(wěn)定性。

(2)比較45 min車轍深度和60 min車轍總變形量發(fā)現(xiàn)，面層結(jié)構(gòu)組合形式以及面層各層厚度是影響路面高溫抗車轍變形的2個(gè)主要因素，且下面層的變形量更大。

(3)比較各試件的相對(duì)變形大小發(fā)現(xiàn)：組合1、2的相對(duì)變形比組合3、4的相對(duì)變形減少了15%左右；組合2的相對(duì)變形稍小于組合3，其抗車轍性能更好。

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，高溫重載試驗(yàn)條件下，面層結(jié)構(gòu)組合形式以及各層厚度是影響路面抗車轍性能的2個(gè)主要因素，而且動(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形這2個(gè)指標(biāo)在衡量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性時(shí)并不能完全統(tǒng)一，當(dāng)動(dòng)穩(wěn)定度很大時(shí)并不一定能說明此時(shí)車轍的總變形就小[13-17]。

4 結(jié) 語

(1)對(duì)南蘇丹朱巴國際機(jī)場(chǎng)瀝青道面車轍病害段進(jìn)行橫斷面開挖和鉆芯取樣，并檢測(cè)各面層厚度與變形情況，發(fā)現(xiàn)車轍由瀝青面層產(chǎn)生，且上、下面層發(fā)生的變形程度各不相同，下面層變形量較大，這顯然與下面層的抗剪能力不足有關(guān)。

(2)通過室內(nèi)車轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：溫度、荷載和層間接觸條件等因素對(duì)車轍深度的影響較大，高溫重載作用下更易產(chǎn)生車轍；灑布黏層油不但能提高層間抗剪強(qiáng)度，而且還能增強(qiáng)瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，提高道面抗車轍性能。

(3)將上面層瀝青改性后進(jìn)行改性瀝青材料雙層車轍試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瀝青路面高溫穩(wěn)定性明顯提高；對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙層改性比單層改性更能顯著提高路面結(jié)構(gòu)的高溫抗車轍能力；SBS AC-16瀝青混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。

(4)路面結(jié)構(gòu)形式對(duì)面層高溫穩(wěn)定性有一定影響；動(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形這2個(gè)指標(biāo)在衡量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性時(shí)并不能完全統(tǒng)一，當(dāng)車轍動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果很大時(shí)并不一定能說明此時(shí)的車轍試驗(yàn)的總變形就小。