溫度作用下復合道面力學性能試驗

裴磊洋, 馮莉, 劉國光*, 李庭漪

(1.中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300；2.上海國際機場地面服務有限公司，上海 201207)

隨著中國民航運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，在役機場大多面臨著改擴建工作。復合道面是機場改擴建中常用結構形式，但也給機場飛行區(qū)管理工作帶來了新問題，例如：跑道入口等待區(qū)柔性道面常因飛機輪組重復的附加水平剪切作用而形成輪轍病害，給飛行員駕駛飛機起步脫離入口等待區(qū)，平順進入跑道造成了困難；飛機等待起飛時通常不關閉發(fā)動機，其噴出的高溫尾流會使柔性道面軟化，加劇了輪轍病害；降雨時，道面輪轍區(qū)域雨水聚集，會加速瀝青混合料中瀝青油分流失，從而造成粗骨料脫落，一旦吸入發(fā)動機將造成嚴重事故。因此，機場通常會將輪轍處道面表層銑刨后加鋪新的熱拌瀝青混合料，但無法根治此類問題。

從影響輪轍產(chǎn)生的外因出發(fā)，機場通過調整飛機在飛行區(qū)的滑行程序來減少飛機移動荷載對道面的影響。飛機離港之前需要先從停機位推出，劉麗華[1]從飛機推出管理角度出發(fā)，建立飛機推出時間間隙分配模型；楊彥歡[2]則根據(jù)事件調度法建立飛機在場全部時間最短的飛機排程優(yōu)化模型并進行仿真，將飛機在跑道入口處的等待時間轉移到停機位；萬春蓮[3]認為采用優(yōu)化的滑行道構型能夠減少進港飛機對跑道的占用時間，進而減少機場繁忙時段的離港飛機跑道端等待時間。上述研究是對飛機滑行路徑的局部改進，李斌等[4]針對龍嘉機場跑道的情況提出了飛機滑行整體優(yōu)化方案，并通過AirTOp對不同方案進行了仿真；邢志偉等[5]、Tandale等[6]以國內某大型機場為例，利用元細胞自動機原理和蒙特卡洛算法構建飛機離港最優(yōu)滑行路線模型，但該模型在其他機場的適用性尚未得到驗證。隨著人工智能的發(fā)展，唐勇等[7]基于多智能系統(tǒng)提出飛機在飛行區(qū)內從任意起點到目的地的最短路徑規(guī)劃方法，但飛機最優(yōu)滑行路徑并非單純的最短路徑；李睿馨[8]以白云機場的地面拓撲圖為基礎，基于多因素影響的權重分配原理建立滑行路徑優(yōu)化模型，為白云機場的運行管理提出可行性建議。

另一方面，從影響輪轍產(chǎn)生的內因出發(fā)，徐明非等[9]采用蒙脫土對改性瀝青進行復合改性，并制作復合改性瀝青混合料進行了車轍試驗，結果表明，適量的蒙脫土可以提高瀝青混合料的高溫性能。郭根才等[10]采用聚氨酯改性劑與瀝青高速攪拌制作混合料進行試驗，試驗表明，聚氨酯改性瀝青混合料高低溫性能同時提升，且高溫性能提升尤其突出。胡曙光等[11]采用硫鋁酸鹽水泥、瀝青和外加劑等材料配置高黏結強度的新型瀝青材料，經(jīng)試驗檢驗，該材料具有優(yōu)良的高溫抗車轍性能，但該材料制備成本較高。周盛樹[12]、張敏等[13]從施工工藝出發(fā)，制作了不同級配、不同壓實度的瀝青混合料試件，并進行高溫車轍試驗，試驗結果表明在較高的壓實水平下，不同級配的瀝青混合料抗車轍性能差別較大。為了減少道面的修補成本，范鵬云等[14]、張爭鵬等[15]和羅代松等[16]利用銑刨的廢舊瀝青分別摻加滲透劑和泡沫劑以及改變配合比制作再生瀝青，試驗結果表明再生瀝青混合料高溫抗車轍性能得到提高。瀝青混凝土吸收熱量軟化，譚波等[17]采用導熱系數(shù)較小的陶瓷集料制備陶瓷瀝青阻熱面層，減少外部環(huán)境熱量向下擴散，來解決瀝青道面高溫穩(wěn)定性問題，但這種材料的大面積推廣性尚待研究。

盡管研究人員已開展了大量的理論研究、仿真模擬和室內外試驗，但在嚴格的飛行區(qū)運行標準要求下無法從根本上消除輪轍的產(chǎn)生，提高瀝青混合料性能也難以有效治理輪轍病害。為此，現(xiàn)提出復合道面原位加鋪剛性層的工程治理措施，將原“白+黑”復合道面的剛性層作為底基層，原復合道面的柔性面層作為水穩(wěn)層，形成“白+黑+白”的夾心型道面結構形式。隨后開展一系列室內力學試驗，結合傳統(tǒng)道面結構形式對照組，分析常溫、高溫、低溫環(huán)境以及凍融循環(huán)作用后試塊的力學性能以及破壞特征，對采用夾心型道面結構治理措施的可行性進行探索性研究。

1 室內模擬試驗

1.1 試塊制備

為比較尺寸相同但材料層組合不同下的兩種道面結構力學性能差異。基于彈性地基梁理論，制作了傳統(tǒng)型復合道面試塊和夾心型復合道面試塊共8組，兩種試塊幾何尺寸及構造如圖1所示。

圖1 試塊幾何尺寸及構造

制作試塊的水泥選用C35普通硅酸鹽水泥，細骨料選用精選細砂，粗骨料選用15 mm左右小粒徑碎石，拌合用水選用自來水，其單位體積質量比(kg)為水泥∶水∶細砂∶碎石=480.4∶176.6∶510.6∶1 213.6。瀝青混合料選用南京70#道路石油瀝青，粗集料選用15～17 mm的玄武巖碎石和2～5 mm的石灰?guī)r礫石，細集料選用細砂，其配合比如表1所示?？焖傩扪a料選用機場專用快速修補料。

表1 瀝青混合料配合比

8組試塊澆筑2 d后拆模置于(20±2)℃、相對濕度大于95%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d，再借助恒溫箱來分別模擬各種溫度作用：常溫、高溫環(huán)境(65 ℃養(yǎng)護8 h)、低溫環(huán)境(-22 ℃養(yǎng)護16 h)以及凍融循環(huán)作用(-22 ℃、16 h，65 ℃、8 h，5次)。

1.2 試驗設備及操作

試塊在模擬環(huán)境中完成養(yǎng)護之后，立即在試塊上下表面相同位置進行應變片的垂直布置，布置方式如圖2所示，應變片采用半橋接法。試驗采用電液伺服萬能試驗機以0.2 kN/s的速度加載，直至試塊破壞，試塊加載方案如圖2所示。同時，利用DH5908無線動態(tài)采集儀記錄試塊上下表面的最大應變，采樣頻率100 Hz。試塊1、3、5和7為夾心型復合道面試塊，試塊2、4、6和8為傳統(tǒng)型復合道面試塊。

圖2 試塊加載方案

2 試驗結果

2.1 傳統(tǒng)型復合道面試塊

2.1.1 破壞形態(tài)分析

開始加載時，試塊下部混凝土層處于受拉狀態(tài)，上部瀝青層處于受壓狀態(tài)。因為試塊材料的抗壓強度大于抗拉強度，隨著繼續(xù)加載，試塊下部受拉區(qū)混凝土層出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫向上延伸，下部混凝土層退出工作，裂縫繼續(xù)往上延伸到瀝青層，最終裂縫貫穿試塊。試塊材料受拉發(fā)生破壞，并非被壓壞。傳統(tǒng)型復合道面試塊破壞后的形態(tài)如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)型復合道面試塊破壞后的形態(tài)

從圖3可知，常溫環(huán)境下傳統(tǒng)型復合道面試塊在加載過程中，首先試塊混凝土層下部受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，然后裂縫隨著荷載的持續(xù)作用緩慢向上延伸最后貫穿整個試塊。高溫烘烤之后試塊的瀝青層受熱軟化，承載能力有所下降，下部混凝土層承擔主要荷載，裂縫先出現(xiàn)在試塊混凝土層下底面中部，最后向上延伸貫穿混凝土層，瀝青層產(chǎn)生較大變形但尚未完全失效，仍對下部混凝土有一定約束作用。經(jīng)過低溫環(huán)境后，在荷載作用下試塊中部產(chǎn)生貫穿裂縫，試塊發(fā)生脆性破壞。經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，試塊同樣是在中部位置產(chǎn)生貫穿裂縫而破壞，且破壞后試塊瀝青層斷裂并分離成幾部分。

2.1.2 應變時程曲線分析

由圖4(a)應變時程曲線可知，2號試塊在加載后0～58 s內上下表面應變變化都不明顯，在60 s時下表面應變發(fā)生突變，表明水泥混凝土試塊在荷載作用下發(fā)生脆性破壞，瀝青層無較大變形，故試塊下表面的應變始終不明顯。

從圖4(b)中可以看出，4號試塊上表面在20 s時開始產(chǎn)生壓應變，而試塊下表面直到55 s時才產(chǎn)生拉應變，壓應變的增加速率小于拉應變的增加速率，可知，在荷載作用下，墊塊先將其下部軟化瀝青層壓實，才對混凝土層產(chǎn)生作用。

圖4(c)中，6號試塊上下表面在第5 s時同時開始產(chǎn)生應變，上表面的應變峰值較常溫和高溫環(huán)境中變化分別變大200 με和100 με，可見低溫環(huán)境會增加復合道面的承載能力。

由圖4(d)可知,8號試塊下表面應變率增長較快，且上下表面應變在6 s時同時增大，其中試塊下表面的應變達到峰值后在8.5 s恢復到0附近，符合理論變化。但試塊上表面的應變在7～8 s經(jīng)歷了一段上下波動后才繼續(xù)增加至峰值，最后恢復到0附近，可知在凍融循環(huán)作用下，瀝青材料溫度穩(wěn)定性較差，不利于復合道面的結構穩(wěn)定性。

圖4 傳統(tǒng)型復合道面試塊上下表面應變時程曲線

2.2 夾心型復合道面試塊

2.2.1 破壞形態(tài)分析

同樣地，開始加載時，試塊下部水泥混凝土層處于受拉狀態(tài)，上部快速修補料混凝土層處于受壓狀態(tài)，試塊中部的瀝青層通過粘接上下兩層起到傳遞荷載的作用。因為快速修補料的抗壓強度大于水泥混凝土的抗拉強度，隨著繼續(xù)加載，試塊下部受拉區(qū)混凝土層出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫向上延伸，下部混凝土層退出工作，裂縫繼續(xù)往上延伸穿過瀝青混合料層到達上部混凝土層。試塊材料受拉發(fā)生破壞，并非被壓壞。同時，因為有“夾心緩沖層”的存在，試塊的破壞過程較傳統(tǒng)型道面結構試塊緩和。夾心型復合道面試塊破壞后的形態(tài)如圖5所示。

圖5 夾心型復合道面試塊破壞后的形態(tài)

常溫環(huán)境下，夾心型復合道面試塊在加載過程中，首先觀察到裂縫在試塊下部混凝土層的中部偏左位置出現(xiàn)。此時，中部瀝青混合料層產(chǎn)生變形但無裂縫，繼續(xù)施加荷載，裂縫貫穿試塊上部混凝土層，最后瀝青混合料層也折斷，試塊發(fā)生破壞。從試塊破壞后的形態(tài)可以觀察到中層和下層的裂縫首尾相接，但是與上層的裂縫存在一定距離。

經(jīng)過高溫環(huán)境后，首先在試塊上部混凝土層中部和下部混凝土層中部偏左位置出現(xiàn)裂縫，裂縫沒有貫穿試塊，但中間瀝青層與上下混凝土層之間的粘結性已被破壞，瀝青層傳遞了上下混凝土層之間的變形，最后瀝青層彎曲變形過大，可以判定為試塊已破壞。從試塊破壞形態(tài)可以觀察到經(jīng)過高溫環(huán)境后瀝青層受熱軟化，與混凝土層之間發(fā)生錯動，在載荷作用下發(fā)生了很大變形。

經(jīng)過低溫環(huán)境后，首先在試塊下部混凝土層左支座內側處出現(xiàn)了裂縫，然后裂縫向內延伸依次貫穿中部瀝青層和上部混凝土層，最后破壞時試塊下部混凝土層斷成三部分。經(jīng)過低溫環(huán)境后，上下部的水泥混凝土層和中部瀝青層先后發(fā)生斷裂，試塊在荷載作用下發(fā)生脆性破壞，試塊下部混凝土層和中部瀝青層之間發(fā)生了層間位移，試塊表現(xiàn)出明顯的分層斷裂現(xiàn)象。

凍融循環(huán)作用下試塊的上中下三層在同一位置先后產(chǎn)生貫穿裂縫而破壞，中部瀝青層和上部混凝土層幾乎同時斷裂，與理論破壞形態(tài)相同。經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，試塊破壞后斷面附近有松散的瀝青混合料掉出。

2.2.2 應變時程曲線分析

夾心型復合道面試塊上下表面應變時程曲線如圖6所示。

圖6 夾心型復合道面試塊上下表面應變時程曲線

從圖6(a)中可以看出,1號試塊上下表面應變在0～30 s時很小，30 s后上下表面應變逐漸增加，38 s時應變發(fā)生小幅度突變是由于試塊瀝青層吸收能量發(fā)生局部破損，隨后應變繼續(xù)增加，在65 s時試塊上下表面應變達到峰值后迅速降低，表明試塊已經(jīng)破壞。將常溫環(huán)境下的1號夾心型復合道面試塊與2號傳統(tǒng)型復合道面試塊的應變時程曲線進行比較后發(fā)現(xiàn)，兩種試塊基本都在同一時間發(fā)生破壞，但1號試塊的變形比2號試塊減小20%左右。

由圖6(b)可知，3號試塊上表面應變在0～15 s內在0附近基本不變，而下表面應變卻一直波動，從16 s開始，試塊上表面應變逐漸增加，達到峰值后下降，符合理論預期結果，試塊下表面應變在25 s時降低到0附近，試塊發(fā)生破壞。將經(jīng)過高溫環(huán)境后的3號試塊與4號的試驗結果進行比較后發(fā)現(xiàn)，夾心型復合道面試塊破壞歷程更長，延性增加約25%。

由圖6(c)可知，5號試塊在荷載作用下上下表面的應變在6.5 s時發(fā)生突變，下表面應變有兩個峰值。將經(jīng)過低溫環(huán)境后的5號試塊與6號試塊的試驗結果進行比較后發(fā)現(xiàn)，兩種試塊發(fā)生破壞的時間和最大應變值基本相同，但夾心型試塊中部瀝青層對破環(huán)產(chǎn)生了一定的延緩作用。

由圖6(d)可知，7號試塊在荷載作用下，上下表面應變在15 s時達到峰值后又迅速下降。在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，試塊表面應變值增加速率大于高低溫環(huán)境下的增長速率。比較經(jīng)過凍融循環(huán)作用后的7號試塊和8號試塊的應變時程曲線可知，兩種試塊加載下的應變變化曲線都比較符合理論預計結果，但7號夾心型復合道面試塊的試驗結果表明上下部的破壞同時發(fā)生，試塊破壞過程更加穩(wěn)定，表現(xiàn)出更好的整體性。

3 分析及討論

3.1 溫度對復合道面受力性能的影響

由于試驗采用荷載控制的加載方式，試塊發(fā)生破壞的時間也是試塊承載力失效的反映。其中，混凝土材料剛性大，承擔著主要的外界荷載。從圖5和圖6可以看出，常溫環(huán)境下兩種試塊發(fā)生破壞的時間大致相同，說明兩者的承載力相差不大，但夾心型復合道面試塊破壞歷程較長，表明夾心型復合道面試塊延性較好。經(jīng)過高溫環(huán)境后傳統(tǒng)型復合道面試塊發(fā)生破壞的時間是夾心型復合道面試塊的兩倍，說明夾心型試塊的承載力受高溫環(huán)境的影響較大。從圖5可以看出，經(jīng)過高溫環(huán)境后的夾心型復合道面試塊破壞時軟化的瀝青層產(chǎn)生了較大變形，上下混凝土層只產(chǎn)生了細微裂縫，裂縫沒有貫穿試塊，但試塊已經(jīng)處于不適宜繼續(xù)承載狀態(tài)。經(jīng)過低溫環(huán)境后兩種試塊發(fā)生破壞的時間比常溫和高溫環(huán)境下提前，這是因為瀝青混合料中凍結瀝青的變形能力較差而導致的[18]。從圖6(c)可以看出，夾心型復合道面試塊在加載時，受到上下混凝土層的約束使瀝青層的破壞吸收了一部分能量，試塊的破壞歷程變長，試塊延性更好。

3.2 凍融循環(huán)對復合道面受力性能的影響

從圖4～圖6可知，兩種試塊在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后承載力都較常溫和高溫環(huán)境下降低。傳統(tǒng)型復合道面試塊在經(jīng)過凍融循環(huán)作用和低溫環(huán)境后的承載力和延性基本相同，但比常溫和高溫環(huán)境下要降低很多。且從圖4(d)可以看出，傳統(tǒng)型復合道面瀝青混合料層經(jīng)凍融循環(huán)后，在加載過程中表面會出現(xiàn)局部剝落，可能形成危害航空器的飛行區(qū)外來物(foreign object debris, FOD)。夾心型復合道面試塊在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后的承載力比低溫環(huán)境下大，但是試塊的延性變小，分析原因為反復的凍融循環(huán)作用使得瀝青集料之間的嵌鎖作用提高，但試塊在經(jīng)過凍融循環(huán)作用后瀝青和集料之間的粘結性已經(jīng)被破壞，不能在試塊加載時吸收能量來延緩試塊的破壞。從圖5(d)夾心型試塊破壞后的形態(tài)可以看到斷面附近有較多的松散混合料掉出，但在實際道面工程中破壞的瀝青混合料處于上下混凝土層的保護中，不會掉落形成FOD。從試塊7和試塊8的應變時程曲線可以看出，夾心型試塊的承載力要高于傳統(tǒng)型復合道面的承載力，這是因為夾心型試塊上下混凝土層對中部瀝青層的約束作用使得瀝青層與混凝土層形成整體，共同受力。

3.3 基于應力變化率法的試塊破壞分析

當試塊應力變化率(Δσ/Δt)突然跳躍到一個相對很大值時，可判定其發(fā)生破壞[19-20]。根據(jù)試塊的應變時程曲線分別繪制出經(jīng)過4種環(huán)境后兩種試塊下表面的應力變化率圖(圖7)，并結合試塊材料受溫度變化和凍融循環(huán)作用的影響來分析兩種試塊的力學性能和破壞特征。

圖7 兩種試塊下表面的應力變化率比較

由圖7可知，常溫環(huán)境下夾心型復合道面試塊的延性要略優(yōu)于傳統(tǒng)型復合道面試塊，但兩者都在60 s左右發(fā)生破壞，說明承載力相差不多。經(jīng)過高溫環(huán)境后的夾心型復合道面試塊在27 s時發(fā)生了破壞，傳統(tǒng)型復合道面試塊在60 s時發(fā)生了破壞，承載力相差較多，與之前得到的結論相符。經(jīng)過低溫環(huán)境后的夾心型復合道面試塊的應力變化率波動較大。因為在經(jīng)過低溫環(huán)境后，溫度敏感型的瀝青混合料變得硬脆，其剛度小于混凝土，在試驗加載過程中，瀝青混合料不斷吸收能量發(fā)生局部的破損直至試塊破壞，再加上其處于上下混凝土層中間，其狀態(tài)的改變對試塊的強度和穩(wěn)定性影響較傳統(tǒng)型復合道面試塊大，所以夾心型復合道面試塊表現(xiàn)出如圖7(c)所示的應力變化率波動。經(jīng)過低溫環(huán)境后兩種試塊在7 s時都發(fā)生了破壞，承擔主要荷載作用的混凝土材料受低溫環(huán)境影響較大，試塊的承載力變小。經(jīng)過凍融循環(huán)作用后傳統(tǒng)型復合道面試塊在8 s時發(fā)生了破壞，夾心型復合道面試塊在15 s時才發(fā)生破壞。特別地，經(jīng)過凍融循環(huán)作用后瀝青混合料的結構破壞更加嚴重，但此時夾心型復合道面結構上下混凝土層對中部瀝青層的保護使得瀝青層分擔荷載的能力提高，而且在實際工程中防止瀝青混合料脫落到表面形成FOD。

4 結論

為治理寒區(qū)機場復合道面跑道入口等待區(qū)的輪轍病害，提出在道面上銑刨部分柔性面層局部加鋪剛性面層的方法，將飛機荷載分散作用于基層。根據(jù)上述理論，開展了傳統(tǒng)型和夾心型復合道面試塊經(jīng)過常溫、高溫、低溫環(huán)境以及凍融循環(huán)作用后的力學試驗，并結合溫度影響和應力變化率法對試塊加載過程中的破壞特征和上下表面最大應變時程曲線加以分析，得出以下結論。

(1)對比兩種試塊經(jīng)過常溫、高溫、低溫環(huán)境以及凍融循環(huán)作用后的試驗結果，發(fā)現(xiàn)夾心型復合道面試塊上下混凝土層對中間瀝青層起到了保護作用，使其結構整體性和適應性更強。

(2)試塊破環(huán)特征和應變時程曲線分析表明，在經(jīng)過低溫環(huán)境和凍融循環(huán)作用后兩種試塊承載力和延性都明顯小于常溫和高溫環(huán)境下。但夾心型復合道面試塊在經(jīng)過常溫、低溫環(huán)境以及凍融循環(huán)作用后的力學性能表現(xiàn)更好。

(3)基于應力變化率法的試塊破壞分析也表明常溫和高溫環(huán)境下的兩種試塊發(fā)生破壞的時間比低溫和凍融循環(huán)作用下長，且低溫環(huán)境下延性最差，承載力降低最多，與應變時程曲線分析結果一致，最主要的原因是瀝青的低溫抗裂性能較差，提前破壞，影響了試塊的整體性。試塊混凝土層承擔主要荷載，經(jīng)過凍融循環(huán)作用后混凝土材料結構進一步破壞，試塊承載力進一步降低。

(4)凍融循環(huán)后，兩種道面結構試塊在荷載作用下均出現(xiàn)瀝青集料脫落。在夾心型復合道面結構試塊中，集料脫落現(xiàn)象出現(xiàn)在試塊側面，在實際工程中，因為周邊結構的約束作用，集料不會脫落到道面表面形成FOD，表明夾心型道面結構能夠較好適用于飛行區(qū)的嚴格管控標準。