基于不停航施工要求的機(jī)場道面環(huán)氧瀝青混合料性能分析*

寸江峰，王淑紅

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與測繪工程學(xué)院，陜西西安 710018）

機(jī)場道面作為飛機(jī)起飛滑行和降落滑跑的載體，其性能優(yōu)劣直接影響著飛機(jī)運(yùn)行安全及乘坐體驗，而目前，機(jī)場道面鋪裝材料多以水泥混凝土和瀝青混凝土為主，而瀝青混凝土無拼縫、平整度高，且易于施工，有效彌補(bǔ)了水泥混凝土的不足，是國內(nèi)外機(jī)場道面新建及養(yǎng)護(hù)中的主流發(fā)展趨勢，且在應(yīng)用過程中隨著普通瀝青向改性瀝青的發(fā)展，機(jī)場道面的結(jié)構(gòu)和使用性能進(jìn)一步提升。而環(huán)氧瀝青混合料作為一種改性瀝青，其以環(huán)氧材料與固化劑為改性材料進(jìn)行固化反應(yīng)，可形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得改性瀝青的強(qiáng)度、抗疲勞及耐蝕性更優(yōu)，被逐漸應(yīng)用于機(jī)場道面的鋪裝和養(yǎng)護(hù)之中。

目前，隨著航空運(yùn)量及飛機(jī)體量的快速增長，機(jī)場道面承載負(fù)荷更大，且復(fù)雜、多變的飛行及氣候條件下，對于修補(bǔ)材料提出了更高的要求；而且，機(jī)場道面具備“一場一地”的特性，要在不停航的要求下，保質(zhì)保量的完成修補(bǔ)工作至關(guān)重要。但因為環(huán)氧樹脂與瀝青分屬極性、非極性物質(zhì)，需增加相容劑促使兩者產(chǎn)生膠凝作用，并進(jìn)行固化反應(yīng)以達(dá)到既定路用強(qiáng)度要求。而研究表明，瀝青路面強(qiáng)度受瀝青與礦料粘聚力及礦料之間的內(nèi)摩阻力影響，但在不停航條件下，固化反應(yīng)過快或過慢，均會影響加長道面的初始強(qiáng)度與穩(wěn)定性；且從環(huán)氧瀝青混合料的級配結(jié)構(gòu)看，集料之間的嵌擠性能影響內(nèi)摩阻力，對于初始及最終路用性能均有影響。故而，本文從固化反應(yīng)速度、級配的視角，分析不停航要求下環(huán)氧瀝青混合料的性能，以尋求最優(yōu)設(shè)計方案，促進(jìn)其在機(jī)場道面中的優(yōu)化應(yīng)用。

1 實(shí)驗原料與參數(shù)

實(shí)驗選用岳陽巴陵石化生產(chǎn)的E-51環(huán)氧樹脂、90#基質(zhì)瀝青、固化劑制備環(huán)氧瀝青。因環(huán)氧樹脂與瀝青相容性較差，為此，實(shí)驗將極性較低的基團(tuán)引入分子主鏈，弱化環(huán)氧樹脂的極性[1]，并增添自制固化劑在60℃下將其與改性環(huán)氧樹脂充分?jǐn)嚢?，而后，再與加熱至120℃的基質(zhì)瀝青攪拌5min即可得環(huán)氧瀝青[2]。同時，參照《民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計規(guī)范（MH/T 5010-2007）》[3]機(jī)場道面環(huán)氧瀝青混合料所用集料的指標(biāo)要求，實(shí)驗選用的粗集料、細(xì)集料均為玄武巖，顆粒級配、干凈整潔、無風(fēng)化雜質(zhì)，且強(qiáng)硬度、熱穩(wěn)定性較優(yōu)，礦料選自茅迪集團(tuán)有限公司經(jīng)過篩料機(jī)篩選后的礦粉，且因礦粉與環(huán)氧瀝青的膠漿對環(huán)氧瀝青混合料的固化反應(yīng)有關(guān)鍵影響，故而，其力學(xué)性能配設(shè)見表1。

表1 礦粉的力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of mineral powder

同時，不停航要求下為在短期達(dá)到環(huán)氧瀝青混合料的快速投用，其初始強(qiáng)度應(yīng)該較高，而設(shè)計密度可表征混合料中骨架嵌擠程度，是影響混合料初始強(qiáng)度的關(guān)鍵要素，故而，本文選用貝雷法級配設(shè)計，根據(jù)如下步驟獲取80%、85%、90%、95%、100%、105%不同設(shè)計密度條件下混合料的級配曲線：

步驟1：因剩余孔隙率可表征粗集料骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，為此，需通過測定不同粒徑顆粒不同摻配比條件下的剩余孔隙率，以確定各檔粗細(xì)集料的最佳摻配比；

步驟2：確定粗細(xì)集料內(nèi)部各檔集料的摻配比例后，在最佳摻配比下測定粗細(xì)集料的密度參數(shù)；

步驟3：根據(jù)環(huán)氧瀝青混合料的體積關(guān)系，也即粗集料自然堆積狀態(tài)下的體積與細(xì)集料干搗實(shí)狀態(tài)填充的體積之和，可得特定設(shè)計密度下粗集料擬達(dá)到的體積，計算公式為[4]：

式（1）中，ρ1、ρ2、ρ3分別為細(xì)集料干搗密度、粗集料堆積體積密度及設(shè)計密度，Ppcs為該公稱最大粒徑下篩孔的通過率，P0.075為篩孔為0.075的通過率。結(jié)合上式，即可得出不同設(shè)計密度下PCS篩孔（粗細(xì)集料分解篩孔）的通過率，而后在可結(jié)合粗細(xì)集料各自的摻配比例，即可得級配曲線。EA -13級配中，13.2～16、9.5～13.2、4.75～9.5、2.36～4.75、1.18～2.36、0.6～1.18、0.3～0.6、0.15～0.3及0.075～0.159(mm)中各篩孔中，最趨近于NMPS 的0.22倍的篩孔為2.36mm，此時，通過控制關(guān)鍵篩孔的通過率，及計算其他篩孔通過率，即可獲得不同設(shè)計密度下各篩孔尺寸的通過率，也即級配曲線,如圖1所示。且通過環(huán)氧瀝青混合料的粗集料骨架間隙率VCAmix與松裝狀態(tài)下粗集料骨架間隙率VCADLC的大小對比，95%、100%、105%設(shè)計密度下VCAmix

圖1 不同設(shè)計密度的級配曲線Fig. 1 Grading curves of different design densities

此外，環(huán)氧樹脂、固化劑與瀝青的初始固化反應(yīng)過快，則無法在短時間內(nèi)完成混合料的攪拌、鋪碾，過慢則影響不停航要求下的快速投用性，故而，本文預(yù)設(shè)環(huán)氧瀝青混合料粘度達(dá)到既定值1Pa·s的時間作為標(biāo)準(zhǔn)，通過測定40%、50%、60%等不同環(huán)氧樹脂體系（環(huán)氧樹脂和固化劑）摻量，在150、160 ℃溫度下，隨著固化反應(yīng)時間的推移，其粘度變化如圖2所示。

圖2 環(huán)氧樹脂體系隨固化反應(yīng)時間推進(jìn)的粘度變化Fig. 2 Variation of viscosity of resin system with curing reaction time

由圖2可知，環(huán)氧瀝青混合料的粘度隨著環(huán)氧樹脂體系摻量的增加而上升，在初始固化反應(yīng)階段粘度增長較緩慢，且160℃較150℃的增長速度更快，可見，溫度較高時，因環(huán)氧樹脂體系的固化反應(yīng)速度更快，粘度增長也快，尤其在環(huán)氧樹脂體系摻量較高時，該種差異更為明顯。但是，綜合對比，40%、50%、60% 3種摻量下環(huán)氧瀝青混合料的粘度增加至1Pa·s的固化反應(yīng)時間均在50～80 min之間，在不停航要求下有充足時間進(jìn)行攪拌、鋪攤、碾壓，且隨后固化反應(yīng)速度加快，環(huán)氧瀝青混合料的粘度增長加速，可形成初始路用強(qiáng)度，達(dá)到不停航要求下的快速投用性。

2 實(shí)驗方法

利用上述材料制備成環(huán)氧瀝青混合料試樣后，根據(jù)《民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計規(guī)范（MH/T 5010-2017）》的相關(guān)要求進(jìn)行馬歇爾試驗、車轍試驗、小梁低溫試驗、浸水馬歇爾試驗測定不停航要求下環(huán)氧瀝青混合料的初始強(qiáng)度、穩(wěn)定性等初始路用性能，及高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等最終路用性能。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 快速投用性

為達(dá)到不停航下的快速投用性，本文以初始強(qiáng)度、動穩(wěn)定性作為環(huán)氧瀝青混合料未固化條件下的強(qiáng)度指標(biāo)。首先，針對初始強(qiáng)度的馬歇爾實(shí)驗時，將環(huán)氧瀝青混合料在室溫內(nèi)靜置24h，并對其從混合、攪拌、成型等全過程進(jìn)行多組平行實(shí)驗，以精準(zhǔn)測定初始強(qiáng)度各項指標(biāo)，結(jié)果見表2。

表2 各設(shè)計密度下環(huán)氧瀝青混合料的馬歇爾試驗結(jié)果Table 2 Marshall test results of epoxy asphalt mixture under different design densities

參照《民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計規(guī)范（MH/T 5010-2017）》的相關(guān)要求，環(huán)氧瀝青混合料不停航下初始強(qiáng)度應(yīng)在9.0kN以上[6]，而由表2可知，馬歇爾實(shí)驗測定的80%、105%設(shè)計密度下，未達(dá)標(biāo)。從整體上看，環(huán)氧瀝青混合料的初始強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的趨勢，95%、100%、105%設(shè)計密度的松排骨架結(jié)構(gòu)的初始強(qiáng)度優(yōu)于80%、85%、90%設(shè)計密度下的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，這源于初期環(huán)氧瀝青未完全固化，導(dǎo)致混合料初始強(qiáng)度受限，此時，礦料的嵌擠力與內(nèi)摩阻力對初始強(qiáng)度的影響更強(qiáng)，因此松排骨架結(jié)構(gòu)混合料的初始強(qiáng)度更優(yōu)，但80%設(shè)計密度下混合料的骨架密實(shí)度較弱，加之固化反應(yīng)不完全，環(huán)氧瀝青的粘結(jié)作用較弱，故初始強(qiáng)度未達(dá)標(biāo)。而在105%設(shè)計密度時，混合料的骨架密實(shí)度進(jìn)一步增強(qiáng)，在設(shè)計密度持續(xù)增加時，其粗集料增加、細(xì)集料減少，細(xì)集料無法充分填充粗集料骨架形成的空隙，使得混合料骨架結(jié)構(gòu)更為松散[7]，因此初始強(qiáng)度也下降，使得105%設(shè)計密度的環(huán)氧瀝青混合料初始強(qiáng)度未達(dá)標(biāo)。

同時，使用車轍試驗來測評未完全固化下環(huán)氧瀝青混合料的初始動穩(wěn)定性，將測得的試驗數(shù)據(jù)根據(jù)下式計算環(huán)氧瀝青混合料的動穩(wěn)定性[8]：

式（2）中，d1、d2各 為 對 應(yīng) 時 間t1(45min)、t2(60min)的變形量(mm)，C1、C2分別為試驗機(jī)類型系數(shù)、試件系數(shù)，此處均取值1.0，N為試驗輪往返碾壓速度，一般為42次/min。據(jù)此，可得各設(shè)計密度下環(huán)氧瀝青混合料的初始動穩(wěn)定性如圖3所示。

圖3 各設(shè)計密度下環(huán)氧瀝青混合料的初始動穩(wěn)定性Fig. 3 Initial dynamic stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由圖3可知，僅80%設(shè)計密度下的級配曲線未達(dá)到2000次/mm的初始動穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)要求[9]，其余設(shè)計密度下的環(huán)氧瀝青混合料均達(dá)到了要求，滿足機(jī)場道面快速投用需求；且隨著設(shè)計密度增加環(huán)氧瀝青混合料的初始穩(wěn)定性先增后減，松排骨結(jié)構(gòu)優(yōu)于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，這源于初期未完全固化條件下，環(huán)氧瀝青的交聯(lián)結(jié)構(gòu)尚不足以支撐高溫下大型飛機(jī)多輪高胎壓，此時，將松排骨架結(jié)構(gòu)的粗集料嵌擠下，混合料抗剪強(qiáng)度較強(qiáng)，表現(xiàn)出的初始動穩(wěn)定性更優(yōu)。

3.2 長期耐用性

環(huán)氧瀝青混合料經(jīng)過充足的固化反應(yīng)后，能否達(dá)到最終的強(qiáng)度，需從高低溫及水穩(wěn)定性來評測，這是衡量其長期耐用性的關(guān)鍵指標(biāo)。故將混合料試件在60℃烘箱中保溫4d[10]，使其完全固化，通過車轍試驗測得環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性如圖4所示。

圖4 各設(shè)計密度下環(huán)氧瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性Fig. 4 High temperature stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由圖4可知，環(huán)氧瀝青混合料經(jīng)過完全固化反應(yīng)后，形成了較好的高溫穩(wěn)定性，各設(shè)計密度條件下混合料均達(dá)到了12000次/mm的標(biāo)準(zhǔn)要求，且隨著設(shè)計密度的增加其高溫穩(wěn)定性下降，這是因為80%、85%、 90%設(shè)計密度下的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，細(xì)集料比例增加，可更好地促成環(huán)氧瀝青的交聯(lián)，故高溫穩(wěn)定性更優(yōu)。

同時，采用小梁低溫試驗來測定環(huán)氧瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性，將試件靜置于-10℃的低溫箱中4h，在50mm/min加載速率下，測定各設(shè)計密度混合料的破壞荷載PB、破壞中撓度d，根據(jù)式（3）～（5）計算出低溫穩(wěn)定性指標(biāo)[11]，結(jié)果見表3。

表3 各設(shè)計密度下環(huán)氧瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性指標(biāo)Table 3 Low temperature stability index of epoxy asphalt mixture under different design densities

式（3）～（5）中，B、h、L分別為跨中斷面的高、寬及混合料的跨徑。

由表3可知，各設(shè)計密度下的環(huán)氧瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性均可達(dá)到2000με以上標(biāo)準(zhǔn)要求，且隨著設(shè)計密度的增加，彎拉應(yīng)變先降后增，且松排骨架結(jié)構(gòu)的環(huán)氧瀝青混合料的彎拉應(yīng)變更大，低溫穩(wěn)定性更好，這源于松排骨架結(jié)構(gòu)向懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時，在未到達(dá)最佳密實(shí)點(diǎn)之前，混合料的結(jié)構(gòu)比較松散且模量比較小，低溫下不易產(chǎn)生脆性破壞，故低溫穩(wěn)定性較高。

最后，通過浸水馬歇爾實(shí)驗測定環(huán)氧瀝青混合料完全固化后，在長期使用中的抗水損害性。試驗中，將試樣置于60℃下養(yǎng)生4h進(jìn)行充分固化反應(yīng)，根據(jù)式（6）計算各設(shè)計密度下混合料的殘留穩(wěn)定性[12]：

式（6）中，Ms、Md各為混合料浸水48h、30～40 min后的穩(wěn)定度。據(jù)此，可得水穩(wěn)定性測試結(jié)果,見表4。

表4 各設(shè)計密度下環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性Table 4 Water stability of epoxy asphalt mixture under different design densities

由表4可知，僅105%設(shè)計密度下環(huán)氧瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度未達(dá)到85%以上的標(biāo)準(zhǔn)要求，且隨著設(shè)計密度下降，浸水殘留穩(wěn)定度逐漸上升，也即水穩(wěn)定性增強(qiáng)，這是因為松排骨結(jié)構(gòu)向懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時，細(xì)集料填充量上升，可更好地填充粗集料孔隙，進(jìn)而增強(qiáng)環(huán)氧瀝青與礦料之間的粘結(jié)作用，讓環(huán)氧瀝青更好地包裹礦料表層，進(jìn)而提升混合料的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）綜合來看，在既定的環(huán)氧樹脂體系摻量下，不同設(shè)計密度的環(huán)氧瀝青混合料的初始強(qiáng)度、動穩(wěn)定性，及高低溫及水穩(wěn)定性均可以滿足《民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計規(guī)范（MH/T 5010-2017）》的標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了不停航條件下短期快速投用、長期耐用的雙重需求。

（2）通過對比發(fā)現(xiàn)，不同設(shè)計密度的環(huán)氧瀝青混合料的短期、長期的路用性能存在既定差異，均隨著設(shè)計密度的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，且在松排骨架結(jié)構(gòu)與懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)之間存在顯著差異。短期快速投用性能測試中，初期強(qiáng)度、動穩(wěn)定性隨著設(shè)計密度的增加均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢，且松排骨結(jié)構(gòu)的環(huán)氧瀝青混合料的兩項性能均優(yōu)于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，但值得注意的是，80%、105%設(shè)計密度的混合料未達(dá)到初始強(qiáng)度下限要求，且80%設(shè)計密度的混合料也未達(dá)到初始動穩(wěn)定性，在不停航要求下將環(huán)氧瀝青混合料用于機(jī)場道面時，應(yīng)予以充分關(guān)注。同時，長期的路用性能測試中，環(huán)氧瀝青混合料在完全固化反應(yīng)后，各設(shè)計密度混合料的高低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性基本可達(dá)到《民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計規(guī)范（MH/T 5010-2017）》的標(biāo)準(zhǔn)要求，但是，隨著設(shè)計密度的變化呈現(xiàn)出不同的變化特征，高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性隨著設(shè)計密度的增加而下降，懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的混合料表現(xiàn)出更優(yōu)的長期耐用性，區(qū)別在于低溫穩(wěn)定性隨設(shè)計密度增加先降后增，105%設(shè)計密度混合料水穩(wěn)定性未達(dá)標(biāo)。故而，在不停航條件下要達(dá)到環(huán)氧瀝青混合料長期耐用性的優(yōu)化，應(yīng)趨利避害。